一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法与流程

1.本发明属于发电的技术领域，尤其涉及一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳布雷顿循环(supercritical carbon dioxide,sco2)在1968年由angelino g等提出，但限于当时的材料等技术水平无法在工程上实现。随着现有技术的不断进步，sco2循环在工程上的实现成为可能。国内外学者近年来进行了大量sco2循环的研究。相比于蒸汽朗肯循环，sco2具有以下优势：(1)二氧化碳化学性质不活泼，安全无毒，在超临界状态下腐蚀性较小，可在蒸汽循环同等材料内实现更高的循环参数，从而提高发电效率。(2)超临界二氧化碳是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，因而消耗的压缩功较小。(3)超临界二氧化碳循环气体参数全部处于临界点之上(7.38mpa,31℃)，因而其发电和换热设备的尺寸更小，重量更轻。(4)无需大量水资源，在空冷条件下也可获得较高的发电效率。(5)系统应对负荷变化调整迅速、支持快速启停。(6)在600℃以上，sco2循环效率高于蒸汽朗肯循环，且当温度达到700℃以上时，sco2循环效率可达50％以上。
3.sco2循环中压缩机是制造难点之一，其制造难度大，设备需重新开发，且耗能远高于传统泵。另外为防止循环系统回热器的夹点问题(夹点问题是指回热器中最小温差的位置不在回热器两端，而在回热器内部某个位置；当最小温差的位置在回热器内部时，无法确定该最小温差的大小和位置，给回热器的设计带来难度，且会恶化换热)，再压缩循环布置是普遍的解决方式。但是需要增加一台再压缩机，由于其入口sco2未经过预冷器冷却，效率较低。另外，由于传统sco2循环采用闭式循环，系统耦合性极强，某一设备性能波动时，其他设备也受到相应影响，系统稳定性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法，在解决回热器夹点问题的同时，解决压缩机耗能高，效率低等问题。同时，采用半封闭式的sco2循环系统，实现关键设备的解耦，增加系统稳定性。
5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
6.一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统，包括：发电装置、热量回收装置、热源、冷却器、储罐、液体泵超临界态发生器及旁路加热器；
7.所述发电装置的出口与所述热量回收装置连通，所述热量回收装置包括依次相连的高温回热器及低温回热器，所述发电装置将高温低压的sco2依次通过所述高温回热器及所述低温回热器进行热量回收；
8.所述低温回热器的第一出口经所述冷却器与所述储罐的入口连通，所述储罐的出口经所述液体泵与所述超临界态发生器连通；所述液体泵对储罐中的液态二氧化碳进行压缩，输出高压的液态二氧化碳；所述超临界态发生器将液态二氧化碳升温至超临界态二氧
化碳sco2；
9.所述超临界态发生器的第一出口经第一支路和第二支路分别与所述低温回热器的第二入口及所述旁路加热器的第一入口连通；经过所述旁路加热器的sco2与经过所述低温回热器的sco2于通往所述高温回热器的第二入口的管道中汇合；
10.所述高温回热器的第二出口经所述热源与所述发电装置的入口连通，所述热源对sco2进一步加热。
11.本发明液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统，针对传统闭式循环的设备耦合性极强，循环中某一设备发生故障时，其余设备影响较大，另外闭式系统的负荷调解的难度较大的问题，通过半闭式循环将液态co2暂存于储罐中，实现了液体泵与发电装置之间的解耦，当发电装置出现故障时，储罐的存在有效增加了系统的缓冲。而且，液体泵可独立于发电装置外进行负荷调节动作，从而使系统负荷调节简单可靠。另外，为防止回热器夹点问题，传统sco2循环发电采用再压缩布置，增加了一台再压缩机，其入口sco2未经过冷却，再压缩机效率低，耗能大的问题，本发明取消了再压缩机，采用低温回热器和高温回热器双回热器的布置方案；并且采用旁路加热器，热量来源于冷却器的废热，实现了热量的最大化利用，同时也降低了系统的耗能。
12.根据本发明一实施例，液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统还包括热量转移系统，所述热量转移系统利用所述冷却器的余热吸收热量并对所述超临界态发生器及所述旁路加热器进行加热。
13.本实施例中的液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统，通过热量转移系统将超临界态的二氧化碳冷却至液态，而冷却的废热通过超临界态发生器和旁路加热器回收，剩余部分通过循环工质冷凝器散热，实现了能量利用的最大化。
14.根据本发明一实施例，所述热量转移系统为压缩式热泵循环系统；
15.所述压缩式热泵循环系统包括压缩式热泵循环装置及循环工质冷凝器；
16.所述压缩式热泵循环装置与所述冷却器连接，压缩式热泵循环装置内的工质吸收所述冷却器的热量后分别经所述超临界态发生器和所述旁路加热器与所述循环工质冷凝器连通，工质经过所述循环工质冷凝器回到所述压缩式热泵循环装置。
17.根据本发明一实施例，所述压缩式热泵循环装置包括压缩机、制冷剂储罐及膨胀阀；
18.经过膨胀阀出口的工质流经冷却器与所述压缩机的入口连通，流经冷却器工质利用所述冷却器的余热吸收热量；
19.所述压缩机的出口分别经所述超临界态发生器和所述旁路加热器与循环工质冷凝器连通，工质对所述超临界态发生器及所述旁路加热器进行加热后进入所述循环工质冷凝器；
20.所述循环工质冷凝器的出口经制冷剂储罐与所述膨胀阀的入口连通。
21.一种利用本发明一实施例中的所述液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统的发电方法，包括如下步骤：
22.发电装置流出的高温低压的sco2依次通过高温回热器及低温回热器进行热量回收；
23.热量回收后的sco2通过冷却器冷却成液态二氧化碳后储存于储罐中；
24.储罐中的液态二氧化碳经液体泵压缩后进入超临界态发生器中加热成超临界态二氧化碳sco2；
25.超临界态二氧化碳sco2分别通过旁路加热器和低温回热器后，于通往高温回热器的管道中汇合，进入高温回热器中加热；
26.经高温回热器加热后的超临界态二氧化碳sco2经热源进一步加热后，进入发电装置进行做功发电。
27.本发明利用液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统的发电方法，通过半闭式循环系统将液态co2暂存于储罐中，实现了液体泵与发电装置之间的解耦，当发电装置出现故障时，储罐的存在有效增加了系统的缓冲。而且，液体泵可独立于发电装置外进行负荷调节动作，从而使系统负荷调节简单可靠。另外，为防止回热器夹点问题，传统sco2循环发电采用再压缩布置，增加了一台再压缩机，其入口sco2未经过冷却，再压缩机效率低，耗能大的问题，本发明取消了再压缩机，采用低温回热器和高温回热器双回热器的布置方案；并且采用旁路加热器，热量来源于冷却器的废热，实现了热量的最大化利用，同时也降低了系统的耗能。
附图说明
28.图1为本发明一实施例中的液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统的结构示意图；
29.图2为本发明一实施例中的液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电方法流图。
30.附图标记说明：
31.1：冷却器；2：储罐；3：液体泵；4：超临界态发生器；5：旁路加热器；6：低温回热器；7：高温回热器；8：高温热源；9：发电装置；10：循环工质冷凝器；11：压缩式热泵循环装置；1101：压缩机；1102：制冷剂储罐；1103：膨胀阀。
具体实施方式
32.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
33.实施例一
34.如图1所示，本实施例提供了一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统，包括：发电装置9、热源8、高温回热器7、低温回热器6、冷却器1、储罐2、液体泵3超临界态发生器4及旁路加热器5。
35.该发电装置9可以是透平发电机。发电装置9的出口与高温回热器7的第一入口连通，将高温高压(如700℃，30mpa)的sco2在发电装置9中做功发电后产生的次高温低压(如490℃，7.5mpa)的sco2送入高温回热器7中，高温回热器7回收该次高温低压的sco2的高温热量。
36.高温回热器7的第一出口与低温回热器6的第一入口连通，将回收了一部分热量的sco2送入低温回热器6中，回收sco2的低温热量。
37.低温回热器6的第一出口与冷却器1的第一入口连通，将经热量回收后的(如40℃，
7.0mpa)sco2冷却，使sco2冷却为液态二氧化碳(如15℃，6.5mpa)。
38.冷却器1的第一出口与储罐2的入口连通，储罐2用于存储液态二氧化碳，储罐2中的压力维持在6.0mpa。
39.储罐2的出口与液体泵3的入口连通，液体泵3对储罐2内的液态二氧化碳加压及升温，如加压至31mpa，温度升高至20℃。
40.液体泵3的出口与超临界态发生器4的第一入口连通，将高压的液态二氧化碳送入超临界态发生器4中，超临界态发生器4将液态二氧化碳升温至超临界态二氧化碳sco2(如35℃，31mpa)。
41.为了防止回热器夹点问题，本实施例采用低温回热器6和高温回热器7双回热器的布置方案。超临界态发生器4的第一出口分别与旁路加热器5的第一入口及低温回热器6的第二入口连通；即超临界态发生器4的第一出口输出两路高压的sco2，其中，一路sco2送入旁路加热器5中进行加热(如加热到100℃，30.5mpa)；另一路sco2送入低温回热器6中，利用低温回热器6回收的热量对sco2进行加热(如加热到100℃，30.5mpa)。
42.旁路加热器5的第一出口与通往高温回热器7的第二入口的管道连通，低温回热器6的第二出口与高温回热器7的第二入口连通，这里可以使用三通管道将旁路加热器5的第一出口、低温回热器6的第二出口与高温回热器7的第二入口连通。这两路加热后的sco2在通往高温回热器7的第二入口的管道中汇流，进入高温回热器7中。高温回热器7利用回收的热量对sco2进行加热(如加热到470℃，30.3mpa)。
43.高温回热器7的第二出口与高温热源8的入口连通，将加热后的sco2送入高温热源8中，对sco2作进一步加热(如加热到700℃，30mpa)。
44.高温热源8的出口与发电装置9的入口连通，将高温高压的sco2送入发电装置9中进行做功发电，完成发电循环。
45.本实施例中的液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统，针对传统闭式循环的设备耦合性极强，循环中某一设备发生故障时，其余设备影响较大，另外闭式系统的负荷调解的难度较大的问题，通过半闭式循环将液态co2暂存于储罐2中，实现了液体泵3与发电装置9之间的解耦，当发电装置9出现故障时，储罐2的存在有效增加了系统的缓冲。而且，液体泵3可独立于发电装置9外进行负荷调节动作，从而使系统负荷调节简单可靠。另外，为防止回热器夹点问题，传统sco2循环发电采用再压缩布置，增加了一台再压缩机，其入口sco2未经过冷却，再压缩机效率低，耗能大的问题，本发明取消了再压缩机，采用低温回热器6和高温回热器7双回热器的布置方案；并且采用旁路加热器5，热量来源于冷却器1的废热，实现了热量的最大化利用，同时也降低了系统的耗能。
46.为了进一步利用该发电系统中的热量，本发明液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统还包括热量转移系统。如图1所示，该热量转移系统为压缩式热泵循环系统，该压缩式热泵循环系统包括压缩式热泵循环装置11及循环工质冷凝器10。该压缩式热泵循环装置11与冷却器1连接，压缩式热泵循环装置11内的工质吸收冷却器1的热量后分别经超临界态发生器4和旁路加热器5与循环工质冷凝器10连通，工质经过循环工质冷凝器10回到压缩式热泵循环装置11。
47.其中，压缩式热泵循环装置11包括压缩机1101、制冷剂储罐1102及膨胀阀1103。
48.压缩机1101的入口与冷却器1的第二出口连通，吸收冷却器1的余热，将该余热进
行升温。压缩机1101的出口分别与超临界态发生器4的第二入口及旁路加热器5的第二入口连通，将升温后的热量分别传输给超临界态发生器4及旁路加热器5对sco2进行加热。循环工质冷凝器10的入口分别与超临界态发生器4的第二出口及旁路加热器5的第二出口连通。循环工质冷凝器10的出口与制冷剂储罐1102的入口连通，制冷剂储罐1102的出口与膨胀阀1103的入口连通，膨胀阀1103的出口与冷却器1的第二入口连通，实现压缩式热泵循环。
49.也就是说，经过膨胀阀1103出口的工质流经冷却器1与所述压缩机1101的入口连通，流经冷却器1工质利用冷却器1的余热吸收热量。压缩机1101的出口分别经超临界态发生器4和旁路加热器5与循环工质冷凝器10连通，工质对超临界态发生器4及旁路加热器5进行加热后进入循环工质冷凝器10。循环工质冷凝器10的出口经制冷剂储罐1102与膨胀阀1103的入口连通。该压缩式热泵循环系统采用压缩循环工质，将热量从冷却器1转移至超临界态发生器4和旁路加热器5。
50.在实际应用中，该热量转移系统还可以是吸收式热泵循环系统。该吸收式热泵循环系统包括吸收式热泵循环装置及循环工质冷凝器10。吸收式热泵循环装置与冷却器1连接，吸收式热泵循环装置内的工质吸收冷却器1的热量后分别经超临界态发生器4和旁路加热器5与循环工质冷凝器10连通，工质经过循环工质冷凝器10回到吸收式热泵循环装置。
51.本实施例中的液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统通过热量转移系统将超临界态的二氧化碳冷却至液态，而冷却的废热通过超临界态发生器4和旁路加热器5回收，剩余部分通过循环工质冷凝器10散热，实现了能量利用的最大化。另外，采用冷却器1，比传统的空冷技术的冷却温度相对稳定，可保证系统的较高效率。
52.实施例二
53.本实施例提供了一种利用上述实施例一中的液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统的发电方法，如图2所示，具体包括如下步骤：
54.发电装置9流出的高温低压的sco2依次通过高温回热器7及低温回热器6进行热量回收；
55.热量回收后的sco2通过冷却器1冷却成液态二氧化碳后储存于储罐2中；
56.储罐2中的液态二氧化碳经液体泵3压缩后进入超临界态发生器4中加热成超临界态二氧化碳sco2；
57.超临界态二氧化碳sco2分别通过旁路加热器5和低温回热器6后，于通往高温回热器7的管道中汇合，进入高温回热器7中加热；
58.经高温回热器7加热后的超临界态二氧化碳sco2经热源8进一步加热后，进入发电装置9进行做功发电。
59.具体的，发电装置9将高温高压(如700℃，30mpa)的sco2在发电装置9中做功发电后产生的次高温低压(如490℃，7.5mpa)的sco2依次送入高温回热器7及低温回热器6中，然后将经热量回收后的sco2(如40℃，7.0mpa)冷却，使sco2冷却为液态二氧化碳(如15℃，6.5mpa)。将液态二氧化碳暂存于储罐2中，储罐2中的压力维持在6.0mpa。使用液体泵3对储罐2内的液态二氧化碳加压及升温，如加压至31mpa，温度升高至20℃。将高压的液态二氧化碳送入超临界态发生器4中，将液态二氧化碳升温至超临界态二氧化碳sco2(如35℃，31mpa)。超临界态发生器4输出两路高压的sco2，其中，一路sco2送入旁路加热器5中进行加热(如加热到100℃，30.5mpa)；另一路sco2送入低温回热器6中，利用低温回热器6回收的热
量对sco2进行加热(如加热到100℃，30.5mpa)。这两路加热后的sco2在通往高温回热器7的管道中汇流，进入高温回热器7中。高温回热器7利用回收的热量对sco2进行加热(如加热到470℃，30.3mpa)。再利用高温热源8对sco2作进一步加热(如加热到700℃，30mpa)。最后将高温高压的sco2送入发电装置9中进行做功发电，完成发电循环。
60.本发明利用液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统的发电方法，通过半闭式循环系统将液态co2暂存于储罐2中，实现了液体泵3与发电装置9之间的解耦，当发电装置9出现故障时，储罐2的存在有效增加了系统的缓冲。而且，液体泵3可独立于发电装置外进行负荷调节动作，从而使系统负荷调节简单可靠。另外，为防止回热器夹点问题，传统sco2循环发电采用再压缩布置，增加了一台再压缩机，其入口sco2未经过冷却，再压缩机效率低，耗能大的问题，本发明取消了再压缩机，采用低温回热器6和高温回热器7双回热器的布置方案；并且采用旁路加热器5，热量来源于冷却器1的废热，实现了热量的最大化利用，同时也降低了系统的耗能。
61.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。