基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统及工作方法

1.本发明涉及一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，属于加湿透平循环及太阳能利用领域。


背景技术：

2.在常规的湿空气透平循环中，需要补充给水用于空气加湿，空气湿化之后进入燃烧室燃烧，但是实现这一循环需要不断的补充给水及空气，而涡轮排气中的水蒸气通常直接排放，无法回收，从而造成了水资源的浪费，燃烧烟气中也会含有多种对环境有害物质。因此，采用氦气代替空气，氦气本身无毒无害，性质稳定，本循环采用闭式循环，无需氦气的补充。利用海水作为给水，吸收涡轮排气余热和中冷器放热，采用直接蒸发与间接蒸发相结合的形式为氦气加湿。与此同时，采用太阳能集热的方式为湿氦气提供能量从而升温，避免了燃烧过程的发生，降低了化石燃料的消耗和排烟中有害物质的排放，有助于“碳达峰，碳中和”的早日实现，具有重要的应用价值。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种节能环保的基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统及工作方法。
4.一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，其特征在于包括低压压缩机、高压压缩机、太阳能集热器、第一油泵、第一阀门、第二阀门、第二油泵、换热器、第三油泵、油罐、储热罐、加热器、涡轮、发电机、主轴、中冷器、给水泵、经济器、储水罐、第一水泵、饱和器、第二水泵、回热器、风机、离心机、中心隔板。
5.给水与给水泵入口相连，给水泵出口分别与中冷器冷端入口和经济器冷端入口相连，中冷器冷端出口与饱和器上端左、右给水入口相连，饱和器底部水出口与第一水泵入口相连，第一水泵出口与离心机入口相连；经济器冷端出口与回热器上端右给水入口相连，回热器下端水出口与第二水泵入口相连，第二水泵出口与离心机入口相连。
6.经济器热端出口与低压压气机入口相连，低压压气机出口与中冷器热端入口相连，中冷器热端出口与高压压气机入口相连，高压压气机出口与饱和器左侧氦气入口相连，饱和器上端左侧湿氦气出口与回热器下端左侧湿氦气入口相连，饱和器上端右侧干氦气出口与回热器下端右侧干氦气入口相连，回热器上端左侧湿氦气出口与加热器冷端入口相连，加热器冷端出口与涡轮入口相连，涡轮出口与气泵入口相连，气泵出口与回热器左端入口相连，回热器上端右侧出口与经济器热端入口相连，经济器热端出口分别与低压压气机入口和储水罐入口相连。低压压气机、高压压气机、涡轮、发电机通过主轴相连，所述回热器还设置有纵向的中心隔板，纵向的中心隔板布满只让气流通过而无法使水通过的孔隙。
7.太阳能集热器工质出口与第一油泵入口相连，第一油泵出口经第一阀门分别与换热器热端入口和第三油泵入口相连，第三油泵出口与加热器热端入口相连，加热器热端出口经第二阀门与太阳能集热器入口相连，换热器热端出口与太阳能集热器入口相连，油罐
与第二油泵入口相连，第二油泵出口与换热器冷端入口相连，换热器冷端出口与储热罐入口相连。
8.上述的基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统的工作方法，包括以下过程：在该系统中，给水经给水泵后分为两支，第一支进入中冷器吸收热量后从饱和器上端左、右注水口进入饱和器，饱和器下端出水口经过水泵进入离心机，第二支进入经济器吸收热量后从回热器上端右注水口进入，回热器下端出水口经水泵进入离心机。干氦气进入低压压气机升压后，经过中冷器放热后进入高压压气机压缩，从饱和器左端进入，在饱和器管道里被冷却，其中一股气流返回到饱和器壳程与第一支给水直接接触进行传热传质，加湿后从回热器下端湿氦气入口进入，另外剩余气流汇合后从饱和器上端干氦气出口流出后，从回热器下端右侧干氦气入口进入，该回热器带有布满孔隙的纵向的中心隔板，只让气流通过而无法水通过，干氦气与回热器上端注入的第二支给水直接接触进行加湿并吸收热量，通过中心隔板后与第一股氦气在回热器中汇合后从回热器上端湿氦气出口流出，进入加热器吸收热量后升温，进入涡轮进行做功，涡轮出口的湿氦气从回热器左端进入，将热量传递给从饱和器进入的氦气，从回热器上端出口流出进入经济器中被冷凝，凝结水进入储水罐中被收集使用，干氦气进入低压压气机进行循环。白天时，吸热工质从太阳能集热器中吸收热量升温，分成两支，一支进入吸热器中放热，另一支进入换热器放热，两股放热后汇合重新进入太阳能集热器，吸热工质从油罐中进入换热器吸收热量进入储热罐保存能量。晚上时，关闭第一阀门和第二阀门，储热罐中的高温工质进入换热器）放热，吸热器出来的工质吸收换热器中高温工质的放热，重新进入循环，持续在吸热器中放热给湿氦气侧。
9.上述的一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，其特征在于包括以下过程：上述的一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，上述中冷器、换热器、加热器、经济器采用的是管式换热器，饱和器和回热器采用的是管壳式换热器。
10.与现有的技术相比，本发明至少具有如下优点：本发明用氦气作为循环工质替代了传统的空气，提出了湿氦气透平循环的理念，由于氦气无毒无害、物理化学性质稳定、易于加湿等优点，具有重要的应用前景。采用闭式循环，该系统的运行仅需固定数量的循环工质，无需氦气补充等过程，使用海水作为给水，利用多处余热作为热源加热给水，高效湿化氦气并收集冷凝水作为淡水使用，剩余的高含盐废液进行结晶操作。采用太阳能集热的方式，为动力循环提供能量，避免了化石能源的燃烧过程，降低了有害物质的排放。整个系统工作过程中清洁无危害，有力的节约了水资源的使用，符合国家节能减排的战略要求。
附图说明
11.图1是一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，图2是系统中饱和器与回热器连接示意图。1低压压缩机、2高压压缩机、3太阳能集热器、4第一油泵、5第一阀门、6第二阀门、7第二油泵、8换热器、9第三油泵、10油罐、11储热罐、12加热器、13涡轮、14发电机、15主轴、16中冷器、17给水泵、18经济器、19储水罐、20第一水泵、21饱和器、22第二水泵、23回热器、24风机、25离心机、26中心隔板。
具体实施方式
12.下面参照图1说明一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统。
13.在该系统中，给水经给水泵后分为两支，第一支进入中冷器吸收热量后从饱和器上端左、右注水口进入饱和器，饱和器下端出水口经过水泵进入离心机，第二支进入经济器吸收热量后从回热器上端右注水口进入，回热器下端出水口经水泵进入离心机。干氦气进入低压压气机升压后，经过中冷器放热后进入高压压气机压缩，从饱和器左端进入，在饱和器管道里被冷却，其中一股气流返回饱和器壳程与第一支给水直接接触进行传热传质，加湿后从回热器下端湿氦气入口进入，另外剩余的气流汇合后从饱和器上端干氦气出口流出后，从回热器下端右侧干氦气入口进入，该回热器带有布满孔隙的纵向的中心隔板，只让气流通过而无法水通过，干氦气与回热器上端注入的第二支给水直接接触进行加湿并吸收热量，通过中心隔板后与第一股氦气在回热器中汇合后从回热器上端湿氦气出口流出，进入加热器吸收热量后升温，进入涡轮进行做功，涡轮出口的湿氦气从回热器左端进入，将热量传递给从饱和器进入的氦气，从回热器上端出口流出进入经济器中被冷凝，凝结水进入储水罐中被收集使用，干氦气进入低压压气机进行循环。白天时，吸热工质从太阳能集热器中吸收热量升温，分成两支，一支进入吸热器中放热，另一支进入换热器放热，两股放热后汇合重新进入太阳能集热器，吸热工质从油罐中进入换热器吸收热量进入储热罐保存能量。晚上时，关闭第一阀门和第二阀门，储热罐中的高温工质进入换热器放热，吸热器出来的工质吸收换热器中高温工质的放热，重新进入循环，持续在吸热器中放热给湿氦气侧。

技术特征：
1.一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，其特征在于包括低压压缩机（1）、高压压缩机（2）、太阳能集热器（3）、第一油泵（4）、第一阀门（5）、第二阀门（6）、第二油泵（7）、换热器（8）、第三油泵（9）、油罐（10）、储热罐（11）、加热器（12）、涡轮（13）、发电机（14）、主轴（15）、中冷器（16）、给水泵（17）、经济器（18）、储水罐（19）、第一水泵（20）、饱和器（21）、第二水泵（22）、回热器（23）、风机（24）、离心机（25）、中心隔板（26）；给水与给水泵（17）入口相连，给水泵（17）出口分别与中冷器（16）冷端入口和经济器（18）冷端入口相连，中冷器（16）冷端出口与饱和器（21）上端左、右给水入口相连，饱和器（21）底部水出口与第一水泵（20）入口相连，第一水泵（20）出口与离心机（25）入口相连；经济器（18）冷端出口与回热器（23）上端右给水入口相连，回热器（23）下端水出口与第二水泵（22）入口相连，第二水泵（22）出口与离心机（25）入口相连；经济器（18）热端出口与低压压气机（1）入口相连，低压压气机（1）出口与中冷器（16）热端入口相连，中冷器（16）热端出口与高压压气机（2）入口相连，高压压气机（2）出口与饱和器（21）左侧氦气入口相连，饱和器（21）上端左侧湿氦气出口与回热器（23）下端左侧湿氦气入口相连，饱和器（21）上端右侧干氦气出口与回热器（23）下端右侧干氦气入口相连，回热器（23）上端左侧湿氦气出口与加热器（12）冷端入口相连，加热器（12）冷端出口与涡轮（13）入口相连，涡轮（13）出口与气泵（24）入口相连，气泵（24）出口与回热器（23）左端入口相连，回热器（23）上端右侧出口与经济器（18）热端入口相连，经济器（18）热端出口分别与低压压气机（1）入口和储水罐（19）入口相连；低压压气机（1）、高压压气机（2）、涡轮（13）、发电机（14）通过主轴（15）相连；所述回热器（23）还设置有纵向的中心隔板（26），纵向的中心隔板（26）布满只让气流通过而无法使水通过的孔隙；太阳能集热器（3）工质出口与第一油泵（4）入口相连，第一油泵（4）出口经第二阀门（6）分别与换热器（8）热端入口和第三油泵（9）入口相连，第三油泵（9）出口与加热器（12）热端入口相连，加热器（12）热端出口经第一阀门（5）与太阳能集热器（3）入口相连，换热器（8）热端出口与太阳能集热器入口（3）相连，油罐（10）与第二油泵（7）入口相连，第二油泵（7）出口与换热器（8）冷端入口相连，换热器（8）冷端出口与储热罐（11）入口相连。2.根据权利要求1 所述的基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统，其特征在于：上述中冷器、换热器、加热器、经济器采用的是管式换热器，饱和器和回热器采用的是管壳式换热器。3.根据权利要求1 所述的基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：在该系统中，给水经给水泵（17）后分为两支，第一支进入中冷器（16）吸收热量后从饱和器（21）上端左、右注水口进入饱和器（21），饱和器（21）下端出水口经过第一水泵（20）进入离心机（25）；第二支进入经济器（18）吸收热量后从回热器（23）上端右注水口进入，回热器（23）下端出水口经第二水泵（22）进入离心机（25）；干氦气进入低压压气机（1）升压后，经过中冷器（16）放热后进入高压压气机（2）压缩，从饱和器（21）左端进入，在饱和器（21）管道里被冷却，其中一股气流返回饱和器（21）壳程与第一支给水直接接触进行传热传质，加湿后从回热器（23）下端湿氦气入口进入，另外剩余气流汇合后从饱和器（21）上端干氦气出口流出后，从回热器（23）下端右侧干氦气入口进入，该回热器（23）带有布满孔隙的纵向的中心隔板（26），只让气流通过而无法水通过，干氦气与回热器（23）上端注入的第二支给水直
接接触进行加湿并吸收热量，通过中心隔板（26）后与第一股氦气在回热器（23）中汇合后从回热器（23）上端湿氦气出口流出，进入加热器（12）吸收热量后升温，进入涡轮（13）进行做功，涡轮（13）出口的湿氦气从回热器（23）左端进入，将热量传递给从饱和器（21）进入的氦气，从回热器（23）上端出口流出进入经济器（18）中被冷凝，凝结水进入储水罐（19）中被收集使用，干氦气进入低压压气机（1）进行循环；白天时，吸热工质从太阳能集热器（3）中吸收热量升温，分成两支，一支进入吸热器（12）中放热，另一支进入换热器（8）放热，两股放热后汇合重新进入太阳能集热器（3），吸热工质从油罐（10）中进入换热器（8）吸收热量进入储热罐（11）保存能量；晚上时，关闭第一阀门（5）和第二阀门（6），储热罐（11）中的高温工质进入换热器（8）放热，吸热器（12）出来的工质吸收换热器（8）中高温工质的放热，重新进入循环，持续在吸热器（12）中放热给湿氦气。

技术总结
一种基于太阳能驱动的湿氦气循环水电联产系统及工作方法，属于加湿透平循环及太阳能利用领域。该系统包括低压压缩机、高压压缩机、太阳能集热器、加热器、储热罐、涡轮、发电机、主轴、中冷器、经济器、凝水箱、结晶罐、饱和器、回热器、水泵、气泵、中心隔板。太阳能作为系统的主要供给能量，避免了燃烧过程的发生，极大的降低了污染物的生成排放，并且通过处理海水获得淡水和结晶，符合国家节能减排和水资源可持续发展的战略需求。续发展的战略需求。续发展的战略需求。


技术研发人员：施其乐 何纬峰 高燕飞 路裕 安浩浩 周萱 韩东 蒲文灏
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8