重力液压温差做功装置以及热力发电设备

技术领域

本申请涉及热工发电技术领域，尤其涉及重力液压温差做功装置以及热力发电设备。

背景技术

热力发电是指能量转换过程为热能-动能-机械能-电能的发电方式。现今的热力发电厂通常以煤为燃料，采用朗肯循环，通过煤在锅炉内燃烧产生的热量将锅炉里的水加热生成具有一定温度、压力的蒸汽，然后将来自锅炉的蒸汽经主汽阀和调节汽阀输送进入汽轮机内，依次流过一系列环形安装的喷嘴栅和动叶栅而膨胀做功，将其热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械能，进而通过联轴器驱动发电机发电，做功后的湿蒸汽被冷源冷却为液体，液体需要通过加压泵，耗功压缩进高压锅炉重新加热气化，在温差较低的情况下，热力发电难以进一步将能量转换效率进行进一步提升。

有鉴于此，亟需提出一种创新的重力液压温差做功装置，以能够提升热力发电的能量转换效率。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种重力液压温差做功装置，该重力液压温差做功装置能够提升热力发电的能量转换效率。

本申请第一方面提供一种重力液压温差做功装置，包括：

垂直工质液管1、水平连接管2、垂直工质气管3以及做功循环管道4；

垂直工质液管1的一端与水平连接管2的一端连接，水平连接管2的另一端与垂直工质气管3的一端连接，垂直工质气管3的另一端与做功循环管道4的工质做功输入端连接，做功循环管道4的工质循环输出端与垂直工质液管1的另一端连接；

垂直工质气管3的外周设有高温热交换器5；

做功循环管道4中靠近工质循环输出端的位置上设有低温热交换器41，做功循环管道4中靠近工质做功输入端的位置上设有热力发电机42；

垂直工质液管1必须运行于低温热交换器41的低温冷源比垂直工质液管1中的液态工质的临界温度低的亚临界工况；垂直工质气管3，在高温热交换器5的高温热源温度大于临界温度并且垂直工质液管1底部的液体重力液压大于或等于液态工质在高温端的气体压力与低温端饱和压力之间的差值情况下，运行于超临界工况；反之，在高温热源温度小于临界温度并且垂直工质液管1底部的液体重力液压大于或等于液态工质在高温端饱和压力与低温端饱和压力之间的差值情况下，运行于亚临界工况；

在一些实施方式中，垂直工质气管3和水平连接管2的外周均设有高温热交换器5。

在一些实施方式中，高温热交换器中5设有热源流体入口调节阀51和热源流体出口开关阀52。

在一些实施方式中，做功循环管道4中沿工质做功输入端至工质循环输出端的方向上依次设有做功开关阀43、热力发电机42、循环开关阀44和低温热交换器41。

在一些实施方式中，低温热交换器41中设有冷源流体入口调节阀411和冷源流体出口开关阀412。

在一些实施方式中，水平连接管2和垂直工质气管3的连接位置处设有连接开关阀21；

或

垂直工质液管1和水平连接管2的连接位置处设有连接开关阀21与加压泵22。

在一些实施方式中，水平连接管2还与工质储存容器6连接；

水平连接管2与工质储存容器6的储存连接管道7上设有储存开关阀71和压缩泵72。

在一些实施方式中，工质储存容器6中设有制冷机61。

在一些实施方式中，垂直工质液管1上设有工质调节容器11。

本申请第二方面提供一种热力发电设备，包括如第一方面中任一项所述的重力液压温差做功装置。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请提供的重力液压温差做功装置，包括垂直工质液管、水平连接管、垂直工质气管以及做功循环管道，其中，垂直工质液管的一端与水平连接管的一端连接，水平连接管的另一端与垂直工质气管的一端连接，垂直工质气管的另一端与做功循环管道的工质做功输入端连接，做功循环管道的工质循环输出端与垂直工质液管的另一端连接。进一步地，垂直工质气管的外周设有高温热交换器，做功循环管道中靠近工质循环输出端的位置上设有低温热交换器，做功循环管道中靠近工质做功输入端的位置上设有热力发电机。当垂直工质液管中的液态工质为例如液态CO2等低于临界温度较小温差的液态工质时，该液态工质在垂直工质液管中由于重力的作用，因此该液态工质在垂直工质液管的底部，即垂直工质液管与水平连接管的连接位置处受到液态工质本身的重量而形成的压力，换句话说垂直工质液管的垂直高度越大，液态工质在垂直工质液管的底部受到的压力越大，加上液态工质自身在液管顶部的饱和压力，液态工质在垂直工质液管的底部所受的压力将远超过液态工质的临界压力。进而通过水平连接管将超临界压力的液态工质输送至垂直工质气管的底部，即水平连接管与垂直工质气管的连接位置处，在高温热交换器的加热作用下液态工质将达到临界温度附近吸收较多的热量而形成超临界流体。因超临界流体的扩散性和粘度与气体接近，因此该超临界流体将由垂直工质气管的底部扩散至垂直工质气管的顶部，即工质做功输入端的位置，从而将垂直工质气管充满。超临界流体自下往上在重力场等温膨胀上升的压力变化遵循波尔兹曼分布，在垂直工质气管的顶部压降不大，仍然保持有有较大的压力，从而能够产生足够大的压差来驱动热力发电机进行发电。超临界流体通过热力发电机后将进入低温热交换器，通过低温热交换器的热交换作用将超临界流体转换为低于临界温度的低温液态工质，然后低温液态工质将再一次进入垂直工质液管。

综上所述，本申请提供的重力液压温差做功装置无需依赖其他的功耗来对液态工质进行提压，可利用工质的气体上升的热势转换、临界点附近的高比热容特性及液体本身的重力液压作用，进行气液相变转换循环产生热功，区别于其它热功转换循环，本气液相变转换循环简称“液压循环”。在临界温度附近的小温差范围内，小温差工况下，若采用朗肯循环，对液态工质的压缩功在总输出功的占比较大(总输出功＝汽轮机输出功-压缩功)，而在液压循环中，因无需消耗压缩功，对最终热功效率的影响因素主要由液体自身的重力液压所决定，通过工质气体上升的热势转换为液体重力势能来取代压缩功，在较大的液体重力液压作用下，比传统的朗肯循环，可产生较大的热功效率，为低品位热能的利用，提供一种更高效的热功发电方式，以能够提升热力发电的能量转换效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是本申请实施例示出的重力液压温差做功装置的第一结构示意图；

图2是本申请实施例示出的重力液压温差做功装置的第二结构示意图；

图3是本申请实施例示出的重力液压温差做功装置中，工质为二氧化碳时的液压循环压焓图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的优选实施方式。虽然附图中显示了本申请的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现今的热力发电厂通常以煤为燃料，采用朗肯循环，通过煤在锅炉内燃烧产生的热量将锅炉里的水加热生成具有一定温度、压力的蒸汽，然后将来自锅炉的蒸汽经主汽阀和调节汽阀输送进入汽轮机内，依次流过一系列环形安装的喷嘴栅和动叶栅而膨胀做功，将其热能转换成推动汽轮机转子旋转的机械能，进而通过联轴器驱动发电机发电，做功后的湿蒸汽被冷源冷却为液体，液体需要通过加压泵，消耗压缩功，把液体压缩进高压锅炉重新加热气化，在温差较低的情况下，热力发电难以进一步将能量转换效率进行进一步提升。

有鉴于此，亟需提出一种创新的重力液压温差做功装置，以能够提升热力发电的能量转换效率。

针对上述问题，本申请实施例提供一种重力液压温差做功装置，能够提升热力发电的能量转换效率。

以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。

图1是本申请实施例示出的重力液压温差做功装置的第一结构示意图，图3是本申请实施例示出的重力液压温差做功装置中，液态工质为二氧化碳时的液压循环压焓图。请参阅图1和图3，本申请实施例示出的重力液压温差做功装置可以包括：

如图1所示，垂直工质液管1、水平连接管2、垂直工质气管3以及做功循环管道4。其中，垂直工质液管1的一端与水平连接管2的一端连接，水平连接管2的另一端与垂直工质气管3的一端连接，垂直工质气管3的另一端与做功循环管道4的工质做功输入端连接，做功循环管道4的工质循环输出端与垂直工质液管1的另一端连接。可以理解的是，垂直工质液管1、水平连接管2、垂直工质气管3以及做功循环管道4是首尾循环连接的。

进一步地，垂直工质气管3的外周设有高温热交换器5，该高温热交换器5用于通过小温差热源(如热水，此热水可以为发电厂中带有余热的废水等)为水平连接管2中输送来的液态工质提供热量。做功循环管道4中靠近工质循环输出端的位置上设有低温热交换器41，做功循环管道4中靠近工质做功输入端的位置上设有热力发电机42。

在本申请实施例中，垂直工质液管1中存在的液态工质是低于临界温度的液态工质，因此该工质在气液临界点处于临界温度正负小温差范围内有较大的比热容，能够吸收较多的热量，具有较大的温度平滑性，做功能力较强。另外，只有低于临界温度，工质才能以液态存在，才能在垂直工质液管1中产生重力液压。在本申请实施例中，工质可以采用二氧化碳，在实际应用中，工质的类型是众多的，还可以是其它工质，一般选择价格不高的工质，特别是自然界广泛存在的安全工质，如二氧化碳、氮、氧、水等，以降低造价，需根据实际应用的冷热源情况来对工质的类型进行选择，本申请不作唯一限定。

进一步地，液态工质在垂直工质液管1中由于重力的作用，因此该液态工质在垂直工质液管1的底部，即垂直工质液管1与水平连接管2的连接位置处受到液态工质本身的重量而形成的压力，换句话说垂直工质液管1的垂直高度越大，液态工质在垂直工质液管1的底部受到的压力越大，从而能够利用液态工质自身的重力液压来取代外部能源对液态工质提供的压缩功，提高热功效率。加上液态工质自身的饱和压力，液态工质在垂直工质液管1的底部所受的压力将远超过液态工质的临界压力，形成对液态工质的总压力。为了让垂直工质液管1和/或垂直工质气管3的高度不受液态工质饱和压力限制，垂直工质液管1必须运行于在亚临界工况，垂直工质气管3运行于在超临界工况，以进行跨临界循环热功转换。通过水平连接管2的输送，在垂直工质气管3的底部，即水平连接管与垂直工质气管的连接位置处，液态工质所受的压力也将远超过液态工质的临界压力。

进一步地，在垂直工质气管3的外周设置的高温热交换器5将会沿垂直工质气管3的顶部，即靠近工质做功输入端的位置，至垂直工质气管3的底部的方向注入小温差热源，使得小温差热源由垂直工质气管3的顶部传递至垂直工质气管3的底部，从而使得液态工质能够达到临界温度附近从而吸收小温差热源的热量形成超临界流体。因超临界流体的扩散性和粘度与气体接近，因此该超临界流体将由垂直工质气管3的底部扩散至垂直工质气管3的顶部，从而将垂直工质气管充满。若垂直工质气管3与外部热源保持热交换使得内部各位置温度相同，利用工质的液态与气态在重力场中的受力差异，超临界流体从垂直工质气管3通过高温热交换器5吸收热能继续等温膨胀上升到顶部的压力遵循波尔兹曼分布，在垂直工质气管的顶部压降不大，仍然保持有较大的压力。若小温差热源的注入使得垂直工质气管3中的温度沿垂直工质气管3的顶部至垂直工质气管3的底部逐步降低，那么可以将超临界流体上升的压降消减，比如可使得超临界流体的压力在垂直工质气管3的底部和垂直工质气管3的顶部均相同。

可以理解的是，垂直工质气管3内可以在高于或低于工质的临界温度运行。若在高于工质的临界温度下运行，则垂直工质液管1的高度可以不受限制，在足够高度产生的重力液压下，整条垂直工质气管3都可充满超临界气体。若在低于工质的临界温度下运行，则必须满足垂直工质气管3和垂直工质液管1之间工质饱和压力的压差不能小于垂直工质液管1产生的重力液压，否则垂直工质气管3中将流入液态工质，造成液压降低，使得垂直工质气管3和垂直工质液管1之间工质饱和压力的压差等于液压，在小温差情况下，垂直工质液管1产生液压的实际高度受到限制，高度做得再长也没用，但在温差较大的工况下，垂直工质液管1具有足够高的高度，以产生足够多的压缩功，工质气管3就可以在低于工质的临界温度下运行。所以，在小温差热功转化中，采用垂直工质气管3在工质的临界温度之上运行，垂直工质液管1的高度才能不受限制，在小温差跨临界运行工况下以及在工程可实施范围内，垂直工质液管1具有足够高度，可以达到几百至上千米，产生足够多的压缩功，而压缩功在小温差热功循环中的消耗占比较高，因过程是依靠液体自身重力进行压缩，无需耗功进行压缩，从而有较高的热效率。

进一步地，利用重力液压产生的压力让液态工质在垂直工质气管3的底部从小温差热源吸收热能，这部分热能是气体内能增量，所形成的超临界流体在垂直工质气管3上升过程中继续膨胀吸收热能，这部分热能是气体势能增量，气体势能增量转为液体的重力势能形成压缩功，最终在气管顶部的压力与液管饱和压力之间存在较大的压差，通过管道将超临界流体接入热力发电机42进行跨临界做功循环发电。其中，该热力发电机42可以是汽轮发电机，在实际应用中，需根据实际应用情况选择合适的发电机，本申请不作唯一限定。

进一步地，超临界流体通过热力发电机42后将进入低温热交换器41，通过低温热交换器41提供的冷源(如冷水)的热交换作用将超临界流体转换为低于临界温度且具有饱和压力的液态工质，以将超临界流体做功后的气体势能转化为液体势能，然后液态工质将再一次进入垂直工质液管。

在本申请实施例中，液态工质可以采用液态二氧化碳，如图1和图3所示，P1'至P3为绝热压缩阶段，依靠液态工质的重力进行自压缩，相当于垂直工质液管1内的变化过程，P2是液态工质在液管底部的重力液压值。P3至P4为等温膨胀阶段，从垂直工质气管3的底部进入垂直工质气管3的液态工质气化为超临界流体进而从热源吸热，同时超临界流体上升至垂直工质气管3的顶部的过程中，超临界流体在重力场作用下密度与压力逐渐减少，上升过程持续等温膨胀吸收热能，吸收的热能转为势能，相当于垂直工质气管3内的变化过程。P4至P1为绝热膨胀阶段，超临界流体对外做功，通过汽轮机或其他装置做功带动热力发电机42发电，相当于做功循环管道4中工质做功输入端至热力发电机42的变化过程。P1至P1＇为等温压缩阶段，做功后工质气体的余热由低温热交换器41提供的冷源带走，液化为低于临界温度且具有饱和压力的液态工质，相当于做功循环管道4中低温热交换器41至工质循环输出端的变化过程。

在上述整体过程中，示例性地，低温热交换器41提供的冷源温度可以为20℃，以能够在带走超临界流体的余热后，保持液化后的液态二氧化碳温度为27℃，使得液态二氧化碳可以具有在27℃对应的饱和压力67Bar。管道高度500m，液态二氧化碳在垂直工质液管1中由于重力的作用所产生的压力可以为ρ×g×h＝38Bar，其中，ρ为液态二氧化碳的密度，g为重力常数，h为垂直工质液管1的高度。从而液态二氧化碳在垂直工质气管1的底部的压力可以为105Bar，经过水平连接管2的输送，在垂直工质气管3的底部工质所受的压力也将可以达到105Bar，远超过工质的临界压力。高温热交换器5提供的小温差热源温度可以为45℃，以将管内的二氧化碳控制在比临界温度稍高的35℃，液态二氧化碳变为超临界气体等温上升到顶部的压力按照玻尔兹曼压降公式计算，为96Bar。

在上述热功转化循环的4个阶段中，因为绝热压缩阶段是依靠液体自身重力进行压缩，无需消耗压缩功，压缩功是直接从超临界流体在超临界流体上升过程中吸收的热能转化而来，因而相比于需要做压缩功的传统循环来说，具有更高的热效率(如采用朗肯循环，则需要把做功后液化的液态工质通过加压泵，消耗压缩功，把液态工质压缩进高压锅炉进行加热重新气化)。垂直工质气管3(等高于垂直工质液管1)高度越高，超临界气体在垂直工质气管3上升过程进行等温膨胀从高温热源吸收热能转为势能能产生的压缩功越大，热功效率就越高。考虑到工程的可实施性和经济性，示例性地，垂直工质液管1和垂直工质气管3的高度一般可以在300米到1000米之间。

图2是本申请实施例示出的重力液压温差做功装置的第二结构示意图，请参阅图2，在一些实施例中，垂直工质气管3和水平连接管2的外周均设有高温热交换器5，使得液态工质在水平连接管2中即可以开始吸收热量，充分利用水平连接管2的管道长度。高温热交换器中5设有热源流体入口调节阀51和热源流体出口开关阀52，以能够通过热源流体入口调节阀51调节小温差热源的注入速度，以控制垂直工质气管3管内的流体温度保持在临界温度。

在一些实施例中，做功循环管道4中沿工质做功输入端至工质循环输出端的方向上依次设有做功开关阀43、热力发电机42、循环开关阀44和低温热交换器41。

在一些实施例中，低温热交换器41中设有冷源流体入口调节阀411和冷源流体出口开关阀412。以能够通过冷源流体入口调节阀411调节冷源的注入速度，以控制工质液化后处于目标温度。

上述的热源流体出口开关阀52、做功开关阀43、循环开关阀44和冷源流体出口开关阀412在本申请装置停止运行的时候保持关闭，在本申请装置运行的时候保持开启。

在一些实施例中，如图1所示，水平连接管2和垂直工质气管3的连接位置处设有连接开关阀21，或如图2所示，垂直工质液管1和水平连接管2的连接位置处设有连接开关阀21。在实际应用中，需根据实际应用情况确定连接开关阀21的设置位置，本申请不作唯一限定。在一些应用场景中，由于垂直工质液管1的高度不够，产生的重力液压小于垂直工质气管3底部工质气体压力与垂直工质液管1内液态工质饱和压力之间的压差，液态工质不能从垂直工质液管1流向垂直工质气管3，则在底部的水平连接管2加装加压泵22，输入压缩功对液态工质进行加压。或者，若垂直工质气管3运行于超临界工况，为了提高工质气体的超临界压力，同样加装加压泵22，输入压缩功对液态工质进行加压，以加快循环速度，增加做功功率。

进一步地，水平连接管2还与工质储存容器6连接，以能够在本申请装置停止运作时将装置内的工质通过水平连接管2输送至工质储存容器6中进行存储。进一步地，水平连接管2与工质储存容器6的储存连接管道7上设有储存开关阀71和压缩泵72，以能够通过压缩泵72吸取装置中的液态工质。工质储存容器6中设有制冷机61，能够避免液态工质因气化而泄露的风险。

在一些实施方式中，垂直工质液管1上设有工质调节容器11。通过库存一定量的液态工质，能够辅助液态工质保持稳定的高度，维持底部液压稳定。

与前述重力液压温差做功装置的实施例相对应，本申请还提供了一种热力发电设备及相应的实施例。本申请实施例示出的热力发电设备可以包括如上任一实施例所述的重力液压温差做功装置。

关于上述实施例中的热力发电设备，其中重力液压温差做功装置的各个模块的具体实施方式已经在有关该重力液压温差做功装置的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。

上文中已经参考附图详细描述了本申请的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。另外，可以理解，本申请实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减，本申请实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。