CN106089337A - 用于余热回收的超临界co2与有机朗肯联合循环发电系统 - Google Patents

用于余热回收的超临界co2与有机朗肯联合循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，包括有机朗肯循环系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统，超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平、回热器、预冷器以及压缩机；有机朗肯循环系统包括有机朗肯循环透平、冷凝器以及有机工质泵。本发明通过超临界二氧化碳布雷顿循环和有机朗肯循环的结合能够比现有水蒸汽循环余热发电系统发电量更大，同时系统设备更加紧凑，控制更加灵活。

Description

用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统
技术领域
本发明涉及一种发电系统，具体涉及一种用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统。
背景技术
余热热源普遍存在于当今工业及其它领域当中，在能源匮乏及环境危机的大背景下，提高能源利用率，降低燃料消耗量日益受到人们的重视，余热利用就是提高能源利用效率的重要手段。余热利用已有多年历史，并且也有很多成熟的经验和设备。目前国内的余热利用主要采用传统的蒸气锅炉和汽机，热源主要是针对钢铁、水泥、燃气轮机尾气等高温热源，热源温度多在400℃到580℃之间。在新型余热回收系统中国外多采用ORC技术，目前国内虽未普遍应用但也在推广之中。ORC系统被公认为是一种对于低温热源热效率较高的热力循环形式，它采用具有大分子量、低沸点的有机工质代替水作为循环介质，具有设备紧凑的特点。虽然对于中低温热源ORC的热效率高于普通水蒸气朗肯循环效率，但其适用温度多为300℃以下，对于高于400℃的中高温热源，多数有机工质都存在热分解问题。因此对于高于400℃的余热热源若完全直接用ORC回收余热发电将比较困难，需要寻找更加合适的热力循环和工质以改进余热回收的综合性能。
目前在众多热力循环当中，超临界布雷顿循环是一种最有优势的循环形式。新型超临界工质(二氧化碳、氦气和氧化二氮等)具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性。并且二氧化碳等工质在目前余热回收领域的温度范围内热物性十分稳定，不存在热分解问题，完全可以用于高温部分热量回收。但根据目前国际上已有的关于超临界二氧化碳布雷顿循环直接用于余热回收的研究来看，其存在着回热器吸热侧出口温度太高的问题，这将严重影响二氧化碳工质对于余热热源热量的吸收量，进而影响发电量。尽管韩国、EPRI等国家和研究机构针对此问题改进了二氧化碳循环布局，但改进后的循环非常复杂，难以控制，同时其性能将在很大程度上依赖于压缩机中间冷却技术及其效果，倘若冷却效果稍有偏差，都对整个系统的性能有很大的影响。因此完全依靠超临界二氧化碳布雷顿循环回收余热发电也存在着固有的缺陷。
若可以将超临界二氧化碳布雷顿循环和ORC结合，则可以更好的适应中温到高温段余热热源的热量回收利用，提高热效率，使设备紧凑并且控制灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种优于目前余热回收常用的水蒸气动力循环系统的用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，该系统通过超临界二氧化碳布雷顿循环与有机朗肯循环的结合，可以有效的增加余热热源的热源利用率，并且使发电系统更加紧凑，灵活控制。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，包括高温余热换热器、第一低温余热换热器、第二低温余热换热器、有机朗肯循环系统以及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；
高温余热换热器热源侧出口分别与第一低温余热换热器和第二低温余热换热器热源侧入口相连通；
高温余热换热器二氧化碳侧的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统出口分为两路，一路与第一低温余热换热器的工质侧入口相连通，另一路与高温余热换热器二氧化碳侧的入口相连通；
第二低温余热换热器的有机工质侧出口与有机朗肯循环系统入口相连，有机朗肯循环系统出口与第二低温余热换热器的有机工质侧入口连通。
本发明进一步的改进在于，所述第一低温余热换热器和第二低温余热换热器并联。
本发明进一步的改进在于，所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平、回热器、预冷器以及压缩机；
二氧化碳透平的透平入口与高温余热换热器二氧化碳侧的出口相连通，二氧化碳透平的出口与回热器的放热侧入口相连通，回热器的放热侧出口与预冷器的工质侧入口相连通，预冷器的工质侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口分为两路，一路与回热器的吸热侧入口相连通，回热器的吸热侧出口与高温余热换热器二氧化碳侧的入口相连通；另一路与第一低温余热换热器的工质侧入口相连通，第一低温余热换热器工质侧出口也与高温余热换热器二氧化碳侧的入口相连通。
本发明进一步的改进在于，所述有机朗肯循环系统包括有机朗肯循环透平、冷凝器以及有机工质泵，第二低温余热换热器的有机工质侧出口与有机朗肯循环透平的入口相连通，有机朗肯循环透平的出口与冷凝器的入口连通，冷凝器的出口与有机工质泵的入口相连通，有机工质泵的出口与第二低温余热换热器的有机工质侧入口连通。
本发明进一步的改进在于，当热源温度及热量有波动时，超临界二氧化碳布雷顿循环系统和有机朗肯循环系统根据温度和热量调节各自流量以控制各自的发电功率，当热源温度较高时超临界二氧化碳循环部分发电量比例较大，当热源温度较低时有机朗肯循环部分发电量比例较大。
本发明进一步的改进在于，高温余热换热器热源侧入口输入余热热源的放热工质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将余热热源分为高温和低温两部分，余热热源的放热工质由高温余热换热器热源侧入口输入，在高温余热换热器中将热量传递给超临界二氧化碳工质后由出口流出并分为两路，分别进入与超临界二氧化碳工质换热的低温余热换热器和与有机朗肯循环工质换热的低温余热换热器，两个低温余热换热器并联，最后余热热源废气由出口排出。
本发明运行过程中，在热源不稳定时，联合系统中两个循环的发电量比例可以灵活变化以适应温度范围的变换。当热源温度保持较高时，超临界二氧化碳布雷顿循环系统透平入口温度可以较高，其发电量比例也可以保持较高，以充分利用热源高温段热量；当热源有波动，余热热源温度低于预期值是，超临界二氧化碳布雷顿循环透平入口温度较低，其发电比例也降低，大部分发电将由ORC部分承担；当热源温度低于ORC循环设计最高温度以下后，则可以由ORC承担全部发电量。并且在热源温度和热量变化过程中，两个循环中各自工质的流量可以随着热源相应的变化以达到最佳功率匹配点。
本发明结合超临界二氧化碳布雷顿循环和有机朗肯循环各自的优势，弥补了对方在余热回收时的缺陷。相对于现有的水蒸气循环余热回收系统，可以有效的提高发电功率，尤其是在余热热源不稳定或者温度较低时，较水蒸气循环余热回收系统的优势更加明显，同时系统体积小、紧凑，便于控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为二氧化碳透平、2为回热器、3为预冷器、4为压缩机、5为高温余热换热器、6为第一低温余热换热器、7为第二低温余热换热器、8为机朗肯循环透平、9为冷凝器、10为有机工质泵。
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，本发明包括高温余热换热器5、第一低温余热换热器6、第二低温余热换热器7、有机朗肯循环系统以及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；
余热热源的放热工质由高温余热换热器热源侧入口输入，高温余热换热器5热源侧出口分别与第一低温余热换热器6和第二低温余热换热器7热源侧入口相连通，第一低温余热换热器6和第二低温余热换热器7并联。
高温余热换热器5二氧化碳侧的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统出口分为两路，一路与第一低温余热换热器6的工质侧入口相连通，另一路与高温余热换热器5二氧化碳侧的入口相连通；
第二低温余热换热器7的有机工质侧出口与有机朗肯循环系统入口相连，有机朗肯循环系统出口与第二低温余热换热器7的有机工质侧入口连通。
具体的，所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平1、回热器2、预冷器3以及压缩机4；二氧化碳透平1的透平入口与高温余热换热器5二氧化碳侧的出口相连通，二氧化碳透平1的出口与回热器2的放热侧入口相连通，回热器2的放热侧出口与预冷器3的工质侧入口相连通，预冷器3的工质侧出口与压缩机4的入口相连通，压缩机4的出口分为两路，一路与回热器2的吸热侧入口相连通，回热器2的吸热侧出口与高温余热换热器5二氧化碳侧的入口相连通，压缩机4出口的另一路与第一低温余热换热器6的工质侧入口相连通，低温余热换热器第一工质侧出口也与高温余热换热器5二氧化碳侧的入口相连通。
所述有机朗肯循环系统包括有机朗肯循环透平8、冷凝器9以及有机工质泵10，第二低温余热换热器7的有机工质侧出口与有机朗肯循环透平8的入口相连通，有机朗肯循环透平8的出口与冷凝器9的入口连通，冷凝器9的出口与有机工质泵10的入口相连通，有机工质泵10的出口与第二低温余热换热器7的有机工质侧入口连通。
本发明的具体工作过程为：
含有高温余热的工质首先由高温余热换热器5热源侧入口输入，在高温余热换热器5中将热量传递给超临界二氧化碳工质后由出口分为两路，一路进入第一低温余热换热器6将低温热量传递给部分低温超临界二氧化碳工质，另一路进入第二低温余热换热器7，在第二低温余热换热器7中将热量传递给有机工质。
超临界二氧化碳工质在高温余热换热器5中被加热为高温后进入二氧化碳透平1，在二氧化碳透平1中做功后依次进入回热器2和预冷器3被冷却，被冷却的工质进入压缩机4，被增压后分为两路，一路进入回热器2吸热侧吸热，一路进入第一低温余热换热器6工质侧吸热，两路工质吸收低温余热后汇合并再次进入高温余热换热器5的二氧化碳侧吸收余热热源热量重新变为高温超临界二氧化碳流体。
有机工质在第二低温余热换热器7中的有机工质侧被加热为高温有机工质后进入有机朗肯循环透平8中做功，做功后的低压有机工质进入冷凝器9，在冷凝器被冷却为液态后由有机工质泵10增压至高压，高压有机工质再次进入第二低温余热换热器7的有机工质侧吸收热量，重新被加热至高温有机工质。
运行过程中当热源不稳定时，所述联合系统中两个循环的发电量比例可以灵活变化以适应温度范围的变换。当热源温度保持较高时，超临界二氧化碳布雷顿循环系统透平入口温度可以较高，其发电量比例也可以保持较高，以充分利用热源高温段热量；当热源有波动，余热热源温度低于预期值时，超临界二氧化碳布雷顿循环透平入口温度较低，其发电比例也降低，大部分发电将由ORC部分承担；当热源温度低于ORC循环设计最高温度以下后，则可以由ORC承担全部发电量。并且在热源温度和热量变化过程中，两个循环中各自工质的流量可以随着热源相应的变化以达到最佳功率匹配点。
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。

Claims (6)

1.用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于，包括高温余热换热器(5)、第一低温余热换热器(6)、第二低温余热换热器(7)、有机朗肯循环系统以及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；
高温余热换热器(5)热源侧出口分别与第一低温余热换热器(6)和第二低温余热换热器(7)热源侧入口相连通；
高温余热换热器(5)二氧化碳侧的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统出口分为两路，一路与第一低温余热换热器(6)的工质侧入口相连通，另一路与高温余热换热器(5)二氧化碳侧的入口相连通；
第二低温余热换热器(7)的有机工质侧出口与有机朗肯循环系统入口相连，有机朗肯循环系统出口与第二低温余热换热器(7)的有机工质侧入口连通。
2.根据权利要求1所述的用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于，所述第一低温余热换热器(6)和第二低温余热换热器(7)并联。
3.根据权利要求1所述的用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平(1)、回热器(2)、预冷器(3)以及压缩机(4)；
二氧化碳透平(1)的透平入口与高温余热换热器(5)二氧化碳侧的出口相连通，二氧化碳透平(1)的出口与回热器(2)的放热侧入口相连通，回热器(2)的放热侧出口与预冷器(3)的工质侧入口相连通，预冷器(3)的工质侧出口与压缩机(4)的入口相连通，压缩机(4)的出口分为两路，一路与回热器(2)的吸热侧入口相连通，回热器(2)的吸热侧出口与高温余热换热器(5)二氧化碳侧的入口相连通；另一路与第一低温余热换热器(6)的工质侧入口相连通，第一低温余热换热器(6)工质侧出口也与高温余热换热器(5)二氧化碳侧的入口相连通。
4.根据权利要求1所述的用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于，所述有机朗肯循环系统包括有机朗肯循环透平(8)、冷凝器(9)以及有机工质泵(10)；
第二低温余热换热器(7)的有机工质侧出口与有机朗肯循环透平(8)的入口相连通，有机朗肯循环透平(8)的出口与冷凝器(9)的入口连通，冷凝器(9)的出口与有机工质泵(10)的入口相连通，有机工质泵(10)的出口与第二低温余热换热器(7)的有机工质侧入口连通。
5.根据权利要求1所述的用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于，当热源温度及热量有波动时，超临界二氧化碳布雷顿循环系统和有机朗肯循环系统根据温度和热量调节各自流量以控制各自的发电功率，当热源温度较高时超临界二氧化碳循环部分发电量比例较大，当热源温度较低时有机朗肯循环部分发电量比例较大。
6.根据权利要求1所述的用于余热回收的超临界CO2与有机朗肯联合循环发电系统，其特征在于，高温余热换热器(5)热源侧入口输入余热热源的放热工质。
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