CN103806969B - 一种超临界co2工质循环发电系统 - Google Patents

一种超临界co2工质循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界CO2工质循环发电系统，包括余热锅炉系统、吸收式制冷系统和液态CO2工质补充系统，CO2循环系统包括：第一透平和第二透平、发电机和第一循环泵，其中余热锅炉的出口连接第一透平和第二透平，第一透平带动发电机运行，第二透平带动第一循环泵运行；液态CO2工质补充系统包括液态CO2储罐和加压泵；第一透平和第二透平的出口连接吸收式制冷系统中的发生器的管程进口，蒸发器的第二出口与第一循环泵相连，液态CO2储罐通过加压泵将CO2送至蒸发器的第二出口与第一循环泵之间的管道内，第一循环泵的出口连接余热锅炉。本发明结合吸收式制冷系统可进一步降低CO2工质的冷凝温度及压力，提高工质在透平内的做功能力。

Description

一种超临界CO2工质循环发电系统
技术领域
      本发明涉及中低温废水、废气余热回收及发电技术，具体利用二氧化碳作为循环工质对中低温废水、废气的余热进行回收。
背景技术
      对于各种工业过程中产生的大量中低温(200℃~600℃)余热资源的回收，若采用传统的蒸汽朗肯循环系统存在回收难度大，系统复杂，占地面积大，投资成本高等问题。其它较为常见的中低温余热回收技术有卡琳娜循环和有机朗肯循环。卡琳娜循环是采用氨-水混合物作为循环工质，其对管材和汽轮机的接触面性质有着特殊的要求，并且要考虑工质泄漏对环境带来的污染。有机朗肯循环采用的有机工质同样会带来环境污染等问题。
CO2是一种天然工质，具有无毒、无污染、不易燃烧、价格低廉、化学惰性、临界状态易于实现等优点。超临界CO2的吸热过程为变温过程，该过程正好与变温热源相匹配，因此可有效降低换热过程中的不可逆损失。在19世纪末超临界CO2被作为制冷剂广泛用于船舶等工业领域的制冷循环过程中。
用于中低温烟气余热回收CO2工质循环系统主要包括余热锅炉、透平、冷凝器、循环泵、发电机等设备。CO2工质经过余热锅炉吸热达到超临界状态，再通过透平膨胀做功并带动发电机发电，之后CO2工质通过冷凝器冷凝，再由循环泵提高压力后送入余热锅炉完成整个循环过程。而CO2在透平中可实现的最大做功能力很大程度上取决于透平出口的背压。该压力约为冷凝器内CO2工质冷凝的饱和压力。冷凝器中若采用常规的自然水作为冷却介质，最多可将CO2的温度降低到30℃左右，此时CO2的饱和压力较高，约7.2 MPa。
因此，要进一步提高CO2工质循环系统的输出功率，可通过进一步降低CO2的冷凝温度来实现。
发明内容
      有鉴于此，本发明的目的是提供一种进一步提高超临界CO2工质余热回收系统循环效率的解决方案。由此可获得更低的CO2工质冷凝温度，提高透平的做功量，提高系统输出功率。
      为了实现上述目的，采用以下技术方案：一种超临界CO2工质循环发电系统，其特征在于：所述系统包括余热锅炉系统、吸收式制冷系统和液态CO2工质补充系统；
    其中，CO2循环系统包括：第一透平和第二透平、发电机和第一循环泵，其中余热锅炉的出口连接第一透平和第二透平，第一透平带动发电机运行，第二透平带动第一循环泵运行；
液态CO2工质补充系统包括液态CO2储罐和加压泵；
    吸收式制冷系统包括发生器，发生器的管程出口与蒸发器的第二进口相连，发生器底部设置排液口，并通过管道与溶液热交换器第一入口相连，发生器的壳程进口与溶液热交换器的第二出口相连，发生器的壳程出口与冷凝器的管程进口相连，冷凝器的管程出口连接第一节流阀后与蒸发器的第一进口相连，冷凝器的壳程进口与吸收器的管程出口相连。蒸发器的第一出口与吸收器的壳程进口相连，吸收器的顶部设置有开口并经过第二节流阀与溶液热交换器的第一出口相连，吸收器的壳程出口与第二循环泵相连，第二循环泵的出口连接溶液热交换器的第二入口；
第一透平和第二透平的出口连接吸收式制冷系统中的发生器的管程进口，蒸发器的第二出口与第一循环泵相连，液态CO2储罐通过加压泵将CO2送至蒸发器的第二出口与第一循环泵之间的管道内，第一循环泵的出口连接余热锅炉。
      在吸收式制冷系统中的发生器与蒸发器之间设置回热器，发生器的管程出口与回热器的管程入口相连，回热器的管程出口与蒸发器的第二入口相连，第一循环泵的出口连接至回热器的壳程入口，回热器的壳程出口连接至余热锅炉，利用发生器出口的高温CO2将第一循环泵出口的低温CO2进行加热后送入余热锅炉。
      在CO2循环系统中的第一透平和第二透平与吸收式制冷系统中的发生器之间设置回热器，第一透平和第二透平的出口连接至回热器的管程入口，回热器的管程出口连接至发生器的管程入口，第一循环泵的出口连接至回热器的壳程入口，回热器的壳程出口连接至余热锅炉，利用第一透平和第二透平出口的高温CO2将第一循环泵出口的低温CO2进行加热后送入余热锅炉。
      本发明利用从第一透平和第二透平出口的CO2工质具有的热量进行吸收式制冷，从而进一步降低第一循环泵进口的CO2工质的温度及压力。由此降低了余热回收系统的冷端损失，提高系统输出功率。特别适用于回收200 ~ 600 ℃的中低温烟气余热。不仅仅可将烟气的温度降低到100℃以下，同时还可以将回收热量的20 % ~ 30 %转换为电能。
附图说明
    图1 为本发明实施例1的结构示意图；
    图2 为本发明实施例2的结构示意图；
    图3 为本发明实施例3的结构示意图。
    图中，1为余热锅炉，2为第一透平，3为第二透平，4为发电机，5为回热器，6为发生器，7为冷凝器，8为第一节流阀，9为第二节流阀，10为蒸发器，11为吸收器，12为第二循环泵，13为溶液热交换器，14为液态CO2储罐，15为加压泵，16为第一循环泵。
具体实施方式
      下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示：所述余热锅炉1入口与回热器5相连，出口与第一透平2以及第二透平3相连，超临界CO2工质在所述余热锅炉1内吸收中低温废气或废水的余热，从而提高工质自身的温度。由于超临界CO2比热与烟气比热相当，且超临界CO2在余热锅炉内的吸热过程中并无相变，因此可使超临界CO2工质温度平稳上升，并与烟气的放热过程相匹配。由此可使余热锅炉出口超临界CO2工质温度与烟气进口温度相当，并实现烟气的低温排放。
所述第一透平2和第二透平3并联，其入口与余热锅炉相连，出口连接吸收式制冷系统中的发生器6。第一透平2用于带动发电机4发电，第二透平3用于带动第一循环泵16。
吸收式制冷系统主要作用是回收第一透平和第二透平出口CO2工质的余热，并降低CO2工质的温度，减小系统冷端损失。包括发生器6，冷凝器7，蒸发器10，吸收器11，第二循环泵12，第一节流阀8，第二节流阀9，溶液热交换器13等设备。
所述发生器6的管程为超临界CO2工质，壳程为二元溶液，如溴化锂水溶液，氨-水溶液等。发生器6的管程进口与第一透平2和第二透平3出口相连，管程出口与回热器5相连，发生器底部设置排液口，并通过管道与溶液热交换器13相连。发生器6壳程进口与溶液热交换器13相连，壳程出口与冷凝器7相连。
所述回热器5的作用在于回收发生器出口CO2工质的热量，并用于加热第一循环泵16出口的低温CO2工质。所述回热器5进口分别与发生器6和第一循环泵16相连，出口连接蒸发器10和余热锅炉1。
所述冷凝器7的壳程为冷却水，管程为二元溶液的低沸点组分。冷凝器7的管程进口与发生器6相连，管程出口连接第一节流阀8，壳程进口与吸收器11相连。
所述第一节流阀8的进口与冷凝器7相连，出口与蒸发器10相连。
所述蒸发器10进口分别连接第一节流阀8和回热器5的管程出口，出口分别与吸收器11和第一循环泵16相连。
所述吸收器11的壳程为二元溶液，壳程进口与蒸发器10相连，壳程出口与第二循环泵12相连。管程为冷却水，管程出口与冷凝器7相连。吸收器11的顶部设置开口并与第二节流阀9相连。
所述第二循环泵12进口与吸收器11相连，出口与溶液热交换器13相连。
所述溶液热交换器13的底部与吸收器11和第二循环泵12相连，顶部与和发生器6相连。
所述第一循环泵16由第二透平3提供动力，将蒸发器10出口的低温CO2工质加压到超临界状态送至回热器5内加热后再进入余热锅炉1。
所述第一循环泵16与所述蒸发器10之间的连接管道上设置接口，连接液态CO2工质补充系统。
所述液态CO2工质补充系统包括液态CO2储罐14和加压泵15等设备。主要用于补充由于系统泄漏导致的CO2工质量的损失，同时可在系统检修时存储系统中的CO2工质。
过冷液态CO2工质经过第一循环泵16加压到超临界状态而进入回热器5吸热升温，再通入余热锅炉1吸收高温烟气中的余热，可将烟气温度降低的同时，提高工质自身温度，并使工质出口温度与烟气进口温度相当。吸热后的超临界CO2工质分别进入第一透平2和第二透平3进行做功，并分别带动发电机4和第一循环泵16进行发电和做功。CO2工质的压力逐渐降低，到第一透平2和第二透平3出口时，CO2工质呈气态。两股乏汽混合后一并通入发生器6进行放热，并加热发生器内的二元溶液。为吸收式制冷循环系统提供热量。
通过设置吸收式制冷系统，可实现CO2工质温度的进一步降低。高温CO2工质经过发生器6后，仍存在部分可利用的余热，将其通入回热器5中进一步放热，利用这部分热量加热第一循环泵16出口的低温CO2工质。
回热器5的出口与蒸发器10相连，CO2工质依次经过发生器6、回热器5和蒸发器10后温度可降低至10℃左右，此时CO2的压力在4.5 MPa左右。再经过第一循环泵16增压后送入回热器5进行预热，最后送入余热锅炉完成一次循环。
      实施例2，如图2所示，与实施例1不同的是，将回热器5设置在第一透平、第二透平出口与发生器进口之间。透平出口的高温CO2工质先对第一循环泵出口的低温CO2工质进行加热，之后再送入吸收式制冷系统，进一步放热。
      实施例3，如图3所示，取消系统中的回热器，将第一透平、第二透平出口的高温CO2工质直接送入吸收式制冷系统进行放热。
   具体的，余热锅炉1入口与第一循环泵16相连，出口分别与第一透平2以及第二透平3的入口相连，第一透平2和第二透平3的出口连接吸收式制冷系统中的发生器6的管程进口，第一透平2用于带动发电机4发电，第二透平3用于带动第一循环泵16，其中，发生器6的管程出口与蒸发器10的第二进口相连，发生器6底部设置排液口，并通过管道与溶液热交换器13第一入口相连，其中发生器6的壳程进口与溶液热交换器13的第二出口相连，发生器6的壳程出口与冷凝器7的管程进口相连，冷凝器7的管程出口连接第一节流阀8后与蒸发器10的第一进口相连，冷凝器7的壳程进口与吸收器11的管程出口相连。蒸发器10的第一出口和第二出口分别与吸收器11的壳程进口和第一循环泵16相连，吸收器11的顶部设置有开口并经过第二节流阀9与液热交换器13的第一出口相连，吸收器11的壳程出口与第二循环泵12相连，第二循环泵12的出口连接溶液热交换器13的第二入口，液态CO2储罐14通过加压泵15将CO2送至蒸发器10的第二出口与第一循环泵16之间的管道内。

Claims (3)

1.一种超临界CO2工质循环发电系统，其特征在于：所述系统包括CO2循环系统、吸收式制冷系统和液态CO2工质补充系统；
    其中，CO2循环系统包括：第一透平和第二透平、发电机和第一循环泵，余热锅炉的出口连接第一透平和第二透平，第一透平带动发电机运行，第二透平带动第一循环泵运行；
液态CO2工质补充系统包括液态CO2储罐和加压泵；
    吸收式制冷系统包括发生器，发生器的管程出口与蒸发器的第二进口相连，发生器底部设置排液口，并通过管道与溶液热交换器第一入口相连，发生器的壳程进口与溶液热交换器的第二出口相连，发生器的壳程出口与冷凝器的管程进口相连，冷凝器的管程出口连接第一节流阀后与蒸发器的第一进口相连，冷凝器的壳程进口与吸收器的管程出口相连；
   蒸发器的第一出口与吸收器的壳程进口相连，吸收器的顶部设置有开口并经过第二节流阀与溶液热交换器的第一出口相连，吸收器的壳程出口与第二循环泵相连，第二循环泵的出口连接溶液热交换器的第二入口；
    第一透平和第二透平的出口连接吸收式制冷系统中的发生器的管程进口，蒸发器的第二出口与第一循环泵相连，液态CO2储罐通过加压泵将CO2送至蒸发器的第二出口与第一循环泵之间的管道内，第一循环泵的出口连接余热锅炉。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2工质循环发电系统，其特征在于：在吸收式制冷系统中的发生器与蒸发器之间设置回热器，发生器的管程出口与回热器的管程入口相连，回热器的管程出口与蒸发器的第二进口相连，第一循环泵的出口连接至回热器的壳程入口，回热器的壳程出口连接至余热锅炉，利用发生器出口的高温CO2将第一循环泵出口的低温CO2进行加热后送入余热锅炉。
3.根据权利要求1所述的超临界CO2工质循环发电系统，其特征在于：在CO2循环系统中的第一透平和第二透平与吸收式制冷系统中的发生器之间设置回热器，第一透平和第二透平的出口连接至回热器的管程入口，回热器的管程出口连接至发生器的管程进口，第一循环泵的出口连接至回热器的壳程入口，回热器的壳程出口连接至余热锅炉，利用第一透平和第二透平出口的高温CO2将第一循环泵出口的低温CO2进行加热后送入余热锅炉。
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