[发明专利]一种气体冷凝及低温工质发电系统和工艺

权利要求书

1.一种气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，包括低温发电装置和乏汽回收装置；所述低温发电装置与所述乏汽回收装置首尾连通形成闭环；所述低温发电装置包括依次连通的低温液体泵、主换热器、低温工质汽轮机或膨胀机，所述乏汽回收装置包括乏汽回热器。

2.根据权利要求1所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述低温发电装置还包括冷箱设备，所述冷箱设备由低温发电装置的主换热器，和包裹套设在所述主换热器外面的绝热壳体构成；所述绝热壳体上设置有气体入口和冷凝液体出口。

3.根据权利要求1所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述发电装置还包括低温工质存储器和乏汽回热器的低温管路；所述乏汽回热器的低温管路设置在低温液体泵与所述主换热之间；

所述低温工质存储器、低温液体泵、乏汽回热器的低温管路、冷箱设备的主换热器、低温工质汽轮机或膨胀机依次连通。

4.根据权利要求1所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述乏汽回收装置还包括发电装置的所述低温工质汽轮机或膨胀机、乏汽回热器的高温管路和所述低温工质存储器；

所述低温工质汽轮机或膨胀机、所述乏汽回热器的高温管路、所述低温工质存储器依次连通；所述低温工质汽轮机或膨胀机输出的乏汽温度，为乏汽介子的临界温度或超临界温度。

5.根据权利要求4所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述乏汽回收装置还设置有低温工质降温装置，所述工质降温装置包括依次连通的低温工质存储器、压缩机、压缩冷凝器、节流降压装置；

所述节流降压装置的出口连接所述低温工质存储器，令压缩冷凝液体返回所述低温工质存储器，形成闭环；所述压缩冷凝器对外放热，设置在所述乏汽回热器与主换热器之间；或者设在乏汽回热器内；

所述节流降压装置为具有节流减压的节流阀、截止阀、减压阀、膨胀阀或膨胀机；优选膨胀机。

6.根据权利要求5所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述低温工质降温装置还包括低温热泵，所述低温热泵包括对外吸热的低温热泵蒸发器，和对外放热的低温热泵冷凝器；

所述低温热泵蒸发器对外吸低品位的热能，设在乏汽回热器的高温管路出口与所述低温工质存储器之间，或者设在低温工质存储器内腔或者与低温工质存储器相通的容器中；

所述低温热泵冷凝器对外释放高品位的热能，设在乏汽回热器低温管路的出口与主换热器之间，对乏汽回热器输出的相对低温的发电工质进行放热；所述低温热泵为单级热泵或复叠式制冷热泵。

7.根据权利要求2所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述冷箱设备还设置有气体压缩机、节流降压设备和低温液体储罐；

所述气体压缩机设置在所述冷箱设备的气体入口；

所述节流设备为具有节流减压的节流阀、截止阀、减压阀、膨胀阀或膨胀机，优选膨胀机；所述节流降压设备设置在所述冷箱设备的冷凝液体出口；所述低温液体储罐设置在所述节流降压设备出口；

所述气体压缩机、所述冷箱设备、所述节流降压设备、所述低温液体储罐依次连接。

8.根据权利要求7所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述冷箱设备还设置有过滤器、分子筛吸附器；

所述过滤器设置于所述气体压缩机入口；所述分子筛吸附器设置于所述气体压缩机入口或者出口。

9.根据权利要求1-8所述的气体冷凝和低温发电系统，其特征在于，所述冷箱设备、所述低温发电装置、所述乏汽回收装置和低温工质降温装置及相应的管路，优选耐低温材料，相应设备的外部设有绝热层。

10.一种气体冷凝和低温发电工艺，适用于权利要求1-9任一项所述的气体冷凝和低温发电设备，其特征在于，包括如下步骤：

所述低温工质存储器储存的低温工质为温度低至-196℃的液氮(或液空)，通过低温液体泵加压到乏汽回热器的低温管路，与低温工质汽轮机或膨胀机输出的乏汽(温度达-147℃临界温度)进行换热，低温发电工质吸收乏汽热能，温度被提升到-146℃，并从乏汽回热器的低温管路输出至所述冷箱设备的主换热器中；在冷箱设备的绝热壳体内与所述冷箱设备的气体入口输入的气体进行换热；

冷箱设备气体入口输入的气体由上至下换热和降温，低温发电工质在主换热器管道内由下至上不断的吸热，导致气体入口输入的气体温度不断的降低，同时所述主换热器内的低温发电工质温度由-146℃不断的吸热提升温度和压力，并不断的气化形成高温和高压的气体，驱动所述低温工质汽轮机或膨胀机高速旋转做功；并带动发电机高速旋转输出电能或者带动机械设备输出机械能；

从所述冷箱设备的气体入口输入的气体，在冷箱设备高度绝热的壳体内与极低温的主换热器管道进行换热，导致气体温度不断降低，当所述气体入口输入的气体温度降低到该气体介子的冷凝温度以下，所述气体将会冷凝；水蒸汽标准沸点为100℃；丁烷标准沸点-0.5℃；二氧化硫-10℃；氨气标准沸点-33.4℃；氯气-34℃；丙烷-42℃；硫化氢标准沸点-61℃；制冷剂R22标准沸点-41℃；R23标准沸点-82℃；R134a标准沸点-26℃，二氧化碳标准沸点-78.4℃；乙烷-88.6℃；丙烷-47.7℃；乙烯标准沸点-103.8℃；冷凝温度高于-146℃的气体还有很多；通过上述的数据，低温发电装置的低温工质为-196℃的液氮(或液空)，临界温度-147℃，进入主换热器与冷箱设备气体入口输入的气体进行换热，所述气体介子的标准沸点都高于液氮临界温度，与冷箱设备绝热壳体内的主换热器管道换热并实现冷凝；

对于标准沸点温度极低的空气、氧气-183℃、氩气-186℃、氮气标准沸点-195.8℃、甲烷(天然气标准沸点-161.5℃)来说，所述低温发电装置的低温发电工质就需选择更加低温的液氢(沸点-253℃，临界温度-240℃)和液氦(沸点-269℃)作为低温发电工质，能够对甲烷、空气、氮气这些沸点温度非常低的介子进行冷凝；以上所述冷凝为在标准大气压下进行的，通过气体压缩机对冷箱设备输入的气体加压，不但能够提升气体介子的冷凝温度，压缩气体增加密度还能增加主换热器换热效率，并在所述冷箱设备的冷凝液体出口设膨胀机，除了能够回收气体压缩机产生的压力能量，同时高压高密度气体或气液混合体经过膨胀机节流降压和做功后，温度也能得到进一步降低，将更加有利于冷箱设备输入的气体介子冷凝，冷凝速度也更快。