一种耦合海水淡化的超临界CO2发电系统及方法与流程

本发明属于超临界co2循环发电和海水淡化联产领域，具体涉及一种耦合海水淡化的超临界co2发电系统及方法。

背景技术：

随着人类、社会和经济的不断发展，淡水资源紧缺已成为全世界社会经济可持续发展中最突出的问题之一。地球上蕴藏有丰富的海水资源，但其无法直接供人类使用。利用海水淡化技术能够有效解决困扰人类社会的淡水资源紧缺问题。在所有海水淡化技术中，低温多效蒸馏技术具有投资成本低和设备操作弹性大等优点，发展潜力巨大。对于低温多效海水蒸馏技术，如何降低其系统能耗一直以来都是行业内的研究热点。目前，已提出将蒸汽朗肯循环发电系统中凝汽器蒸汽余热用于低温多效海水淡化的蒸汽热源。低温多效海水淡化技术的最高操作温度约为70℃左右，而常规蒸汽朗肯循环发电系统的汽轮机低压缸排汽温度通常为35～55℃，为了将蒸汽朗肯循环发电系统与低温多效海水淡化系统进行有效的耦合，就必须设法增加汽轮机低压缸的排汽温度，从而导致蒸汽朗肯循环发电系统的效率降低。

近年来，基于超临界co2布雷顿循环发电系统的研究得到了学者们的广泛关注。超临界co2布雷顿循环发电系统具有发电效率高、设备紧凑和投资成本低等诸多优点。此外，该系统的另一个显著优点是能够完美地与低温多效海水淡化系统进行耦合。以经典的分流再压缩超临界co2布雷顿循环发电系统为例，其预冷器进口工质温度约为70～95℃，而要求的预冷器出口工质温度一般为32℃，这一温度范围正好与低温多效海水淡化系统的操作温度范围相匹配。但是，就目前已公开的专利文献来看，还未曾有将超临界co2布雷顿循环发电系统与海水淡化技术相耦合的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种耦合海水淡化的超临界co2发电系统及方法，该系统能够将超临界co2发电与低温多效海水淡化进行有效耦合，既保证了超临界co2发电系统的高效率发电，又能显著降低低温多效海水淡化系统的能耗。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种耦合海水淡化的超临界co2发电系统，包括超临界co2发电子系统和低温多效海水蒸馏子系统；

所述超临界co2发电子系统包括主压缩机1、再压缩机2、低温回热器3、高温回热器4、热源加热器5、透平6、高温预冷器7和低温预冷器8；

所述低温多效海水蒸馏子系统包括海水冷却器9、流量调节阀10、第一效蒸发器11、第二效蒸发器12、第三效蒸发器13、第一级海水预热器14、第二级海水预热器15、第三级海水预热器16和冷凝器17；

具体连接关系为：海洋水域的原料海水管路分成两路，其中一路连通海水冷却器9的冷侧入口，另一路连通第三级海水预热器16的冷侧入口，海水冷却器9的冷侧出口连通海洋水域，第三级海水预热器16的冷侧出口分成两路，其中一路连通第二级海水预热器15的冷侧入口，另一路与第三效蒸发器13的海水入口相连通，第二级海水预热器15的冷侧出口分成两路，其中一路连通第一级海水预热器14的冷侧入口，另一路与第二效蒸发器12的海水入口相连通，第一级海水预热器14的冷侧出口与第一效蒸发器11的海水入口相连通；

第一效蒸发器11的蒸汽出口与第二效蒸发器12的蒸汽入口相连通，第二效蒸发器12的蒸汽出口与第三效蒸发器13的蒸汽入口相连通，第三效蒸发器13的蒸汽出口与冷凝器17的蒸汽入口相连通，冷凝器17的淡水出口与第二效蒸发器12和第三效蒸发器13的淡水出口相汇合后，将在低温多效海水蒸馏子系统中被冷凝形成的淡水引出；

第一效蒸发器11的浓盐水出口与第二效蒸发器12的浓盐水入口相连通，第二效蒸发器12的浓盐水出口与第三效蒸发器13的浓盐水入口相连通，第三效蒸发器13的浓盐水出口连通浓盐水管道将浓盐水引出；

低温预冷器8的冷侧出口软化水分为两路，其中一路与流量调节阀10相连通，另一路与第三级海水预热器16的热侧出口软化水相汇合后与海水冷却器9的热侧入口相连通，海水冷却器9的热侧出口软化水与低温预冷器8的冷侧入口相连通，流量调节阀10的出口与高温预冷器7的冷侧入口相连通，高温预冷器7的冷侧出口与第一效蒸发器11的热侧软化水入口相连通，第一效蒸发器11的热侧软化水出口与第一级海水预热器14的热侧入口相连通，第一级海水预热器14的热侧出口与第二级海水预热器15的热侧入口相连通，第二级海水预热器15的热侧出口与第三级海水预热器16的热侧入口相连通；

所述超临界co2发电子系统中，低温回热器3的热侧出口工质分为两路，其中一路连通再压缩机2的入口，另一路连通高温预冷器7的热侧入口，高温预冷器7的热侧出口工质与低温预冷器8的热侧入口相连通，低温预冷器8的热侧出口与主压缩机1的入口相连通，主压缩机1的出口工质与低温回热器3的冷侧入口相连通，低温回热器3的冷侧出口工质与再压缩机2的出口工质相汇合后与高温回热器4的冷侧入口相连通，高温回热器4的冷侧出口与热源加热器5的工质入口相连通，热源加热器5的高温工质出口与透平6的入口相连通，在透平6膨胀做功后的工质通过透平6的出口与高温回热器4的热侧入口相连通，高温回热器4的热侧出口与低温回热器3的热侧入口相连通。

所述低温多效海水蒸馏子系统中，通过流量调节阀10调节低温预冷器8中用于冷却的软化水的流量，使得低温预冷器8的热侧出口工质温度靠近超临界co2的临界点温度，为31～33℃。

所述低温预冷器8和高温预冷器7的冷侧、第一效蒸发器11的热侧、第一级海水预热器14的热侧、第二级海水预热器15的热侧、第三级海水预热器16的热侧和海水冷却器9的热侧组成闭式中间媒介工质回路，其工质为软化水。

所述的一种耦合海水淡化的超临界co2发电系统的发电方法，

低温回热器3的热侧出口工质分为两路，其中一路进入再压缩机2被压缩升压，另一路进入高温预冷器7的热侧入口，被冷却后从高温预冷器7的热侧出口进入低温预冷器8的热侧入口，继续被冷却到主压缩机1的进口温度后进入主压缩机1入口，被压缩升压后进入低温回热器3的冷侧入口，低温回热器3的冷侧出口工质与进入再压缩机2中被压缩升压的一路工质相汇合后进入高温回热器4的冷侧入口，高温回热器4的冷侧出口工质进入热源加热器5，被加热后进入透平6膨胀对外做功并输出电能，完成做功后的透平排气进入高温回热器4的热侧入口，高温回热器4的热侧出口工质进入低温回热器3的热侧入口；

高温预冷器7和低温预冷器8的冷侧分别与低温多效海水蒸馏子系统相耦合；低温预冷器8的冷侧出口软化水分为两路，其中一路进入流量调节阀10，另一路与第三级海水预热器16的热侧出口软化水相汇合后进入海水冷却器9的热侧入口，海水冷却器9的热侧出口软化水进入低温预冷器8的冷侧入口，流量调节阀10的出口工质进入高温预冷器7的冷侧入口，高温预冷器7的冷侧出口工质进入第一效蒸发器11的热侧软化水入口，第一效蒸发器11的热侧出口软化水进入第一级海水预热器14的热侧入口，第一级海水预热器14的热侧出口工质进入第二级海水预热器15的热侧入口，第二级海水预热器15的热侧出口工质进入第三级海水预热器16的热侧入口；

第一效蒸发器11蒸汽出口的蒸汽进入第二效蒸发器12的蒸汽入口，第二效蒸发器12蒸汽出口的蒸汽进入第三效蒸发器13的蒸汽入口，第三效蒸发器13蒸汽出口的蒸汽进入冷凝器17的蒸汽入口，冷凝器17淡水出口的淡水与第二效蒸发器12和第三效蒸发器13淡水出口的淡水相汇合后进入淡水管道，将在低温多效海水蒸馏子系统中被冷凝形成的淡水引出；

第一效蒸发器11浓盐水出口的浓盐水进入第二效蒸发器12的浓盐水入口，第二效蒸发器12浓盐水出口的浓盐水进入第三效蒸发器13的浓盐水入口，第三效蒸发器13浓盐水出口的浓盐水进入浓盐水管道将浓盐水引出。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的一种耦合海水淡化的超临界co2发电系统，具有如下优点：

(1)通过两级预冷器将超临界co2发电系统与低温多效海水淡化系统进行有效耦合，可实现两个子系统均是工作在最佳工况下，既保证了超临界co2发电系统的高效率发电，又能显著降低低温多效海水淡化系统的能耗。

(2)考虑到海水含有较高浓度的盐类和固体杂质，直接通入预冷器通道内，很可能会堵塞预冷器通道，本发明采用了软化水作为中间媒介，软化水先在预冷器中吸收超临界co2放热，然后加热后的软化水进入低温多效海水蒸馏系统，将其携带的热量传递给海水，从而有效避免了海水直接进入预冷器所带来的通道堵塞问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为主压缩机、2为再压缩机、3为低温回热器、4为高温回热器、5为热源加热器、6为透平、7为高温预冷器、8为低温预冷器、9为海水冷却器、10为流量调节阀、11为第一效蒸发器、12为第二效蒸发器、13为第三效蒸发器、14为第一级海水预热器、15为第二级海水预热器、16为第三级海水预热器、17为冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的一种耦合海水淡化的超临界co2发电系统，包括超临界co2发电子系统和低温多效海水蒸馏子系统；所述低温多效海水蒸馏子系统以三效蒸馏系统为例进行说明，实际应用中可根据具体情况确定最优的蒸馏系统效数。

超临界co2发电子系统包括主压缩机1、再压缩机2、低温回热器3、高温回热器4、热源加热器5、透平6、高温预冷器7和低温预冷器8；

低温多效海水蒸馏子系统包括海水冷却器9、流量调节阀10、第一效蒸发器11、第二效蒸发器12、第三效蒸发器13、第一级海水预热器14、第二级海水预热器15、第三级海水预热器16和冷凝器17；

具体连接关系为：海洋水域的原料海水管路分成两路，其中一路连通海水冷却器9的冷侧入口，另一路连通第三级海水预热器16的冷侧入口，海水冷却器9的冷侧出口连通海洋水域，第三级海水预热器16的冷侧出口分成两路，其中一路连通第二级海水预热器15的冷侧入口，另一路与第三效蒸发器13的海水入口相连通，第二级海水预热器15的冷侧出口分成两路，其中一路连通第一级海水预热器14的冷侧入口，另一路与第二效蒸发器12的海水入口相连通，第一级海水预热器14的冷侧出口与第一效蒸发器11的海水入口相连通；

第一效蒸发器11的蒸汽出口与第二效蒸发器12的蒸汽入口相连通，第二效蒸发器12的蒸汽出口与第三效蒸发器13的蒸汽入口相连通，第三效蒸发器13的蒸汽出口与冷凝器17的蒸汽入口相连通，在冷凝器17的淡水出口与第二效蒸发器12和第三效蒸发器13的淡水出口相汇合后，将在低温多效海水蒸馏子系统中被冷凝形成的淡水引出；

第一效蒸发器11的浓盐水出口与第二效蒸发器12的浓盐水入口相连通，第二效蒸发器12的浓盐水出口与第三效蒸发器13的浓盐水入口相连通，第三效蒸发器13的浓盐水出口将在冷凝器(17)中被冷凝形成的淡水浓盐水管道将浓盐水引出；

低温预冷器8的冷侧出口软化水分为两路，其中一路与流量调节阀10相连通，另一路与第三级海水预热器16的热侧出口软化水相汇合后与海水冷却器9的热侧入口相连通，海水冷却器9的热侧出口软化水与低温预冷器8的冷侧入口相连通，流量调节阀10的出口与高温预冷器7的冷侧入口相连通，高温预冷器7的冷侧出口与第一效蒸发器11的热侧软化水入口相连通，第一效蒸发器11的热侧软化水出口与第一级海水预热器14的热侧入口相连通，第一级海水预热器14的热侧出口与第二级海水预热器15的热侧入口相连通，第二级海水预热器15的热侧出口与第三级海水预热器16的热侧入口相连通。

所述超临界co2发电子系统中，低温回热器3的热侧出口工质分为两路，其中一路连通再压缩机2的入口，另一路连通高温预冷器7的热侧入口，高温预冷器7的热侧出口工质与低温预冷器8的热侧入口相连通，低温预冷器8的热侧出口与主压缩机1的入口相连通，主压缩机1的出口工质与低温回热器3的冷侧入口相连通，低温回热器3的冷侧出口工质与再压缩机2的出口工质相汇合后与高温回热器4的冷侧入口相连通，高温回热器4的冷侧出口与热源加热器5的工质入口相连通，热源加热器5的高温工质出口与透平6的入口相连通，在透平6膨胀做功后的工质通过透平6的出口与高温回热器4的热侧入口相连通，高温回热器4的热侧出口与低温回热器3的热侧入口相连通。

所述低温多效海水蒸馏子系统中，通过流量调节阀10调节低温预冷器8中用于冷却的软化水的流量，使得低温预冷器8的热侧出口工质温度靠近超临界co2的临界点温度，为31～33℃。

所述低温预冷器8和高温预冷器7的冷侧、第一效蒸发器11的热侧、第一级海水预热器14的热侧、第二级海水预热器15的热侧、第三级海水预热器16的热侧和海水冷却器9的热侧组成闭式中间媒介工质回路，其工质为软化水。

如图1所示，本发明耦合海水淡化的超临界co2发电系统的发电方法，低温回热器3的热侧出口工质分为两路，其中一路进入再压缩机2被压缩升压，另一路进入高温预冷器7的热侧入口，被冷却后从高温预冷器7的热侧出口进入低温预冷器8的热侧入口，继续被冷却到主压缩机1的进口温度后进入主压缩机1入口，被压缩升压后进入低温回热器3的冷侧入口，低温回热器3的冷侧出口工质与进入再压缩机2中被压缩升压的一路工质相汇合后进入高温回热器4的冷侧入口，高温回热器4的冷侧出口工质进入热源加热器5，被加热后进入透平6膨胀对外做功并输出电能，完成做功后的透平排气进入高温回热器4的热侧入口，高温回热器4的热侧出口工质进入低温回热器3的热侧入口；

高温预冷器7和低温预冷器8的冷侧分别与低温多效海水蒸馏子系统相耦合；低温预冷器8的冷侧出口软化水分为两路，其中一路进入流量调节阀10，另一路与第三级海水预热器16的热侧出口软化水相汇合后进入海水冷却器9的热侧入口，海水冷却器9的热侧出口软化水进入低温预冷器8的冷侧入口，流量调节阀10的出口工质进入高温预冷器7的冷侧入口，高温预冷器7的冷侧出口工质进入第一效蒸发器11的热侧软化水入口，第一效蒸发器11的热侧出口软化水进入第一级海水预热器14的热侧入口，第一级海水预热器14的热侧出口工质进入第二级海水预热器15的热侧入口，第二级海水预热器15的热侧出口工质进入第三级海水预热器16的热侧入口；

第一效蒸发器11蒸汽出口的蒸汽进入第二效蒸发器12的蒸汽入口，第二效蒸发器12蒸汽出口的蒸汽进入第三效蒸发器13的蒸汽入口，第三效蒸发器13蒸汽出口的蒸汽进入冷凝器17的蒸汽入口，冷凝器17淡水出口的淡水与第二效蒸发器12和第三效蒸发器13淡水出口的淡水相汇合后进入淡水管道，将在低温多效海水蒸馏子系统中被冷凝形成的淡水引出；

第一效蒸发器11浓盐水出口的浓盐水进入第二效蒸发器12的浓盐水入口，第二效蒸发器12浓盐水出口的浓盐水进入第三效蒸发器13的浓盐水入口，第三效蒸发器13浓盐水出口的浓盐水进入浓盐水管道将浓盐水引出。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。