CN106643208A - 一种超临界二氧化碳气气混合减温装置及其系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界二氧化碳气气混合减温装置及其系统、方法，其中的超临界二氧化碳气气混合减温装置包括第一流体通道、第二流体通道和气气混合装置；其中，该第一流体通道与该气气混合装置相连通，并且该第二流体通道在该气气混合装置的上游与该第一流体通道相连通；该第一流体通道中流通有超临界二氧化碳，该第二流体通道中流通有超临界二氧化碳，且第二流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度低于第一流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度。其可达到调节超临界二氧化碳的温度的目的。

Description

一种超临界二氧化碳气气混合减温装置及其系统、方法

技术领域

本发明涉及气体减温领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳气气混合减温装置及其系统、方法。

背景技术

因超临界二氧化碳优良的传热和流动性能具有提高发电效率的巨大潜力，以超临界二氧化碳作为工质的太阳能热发电系统正被广泛的研究中。

由于燃气轮机发电所需的气体需满足一定参数要求才能实施正常的发电作业，当进入燃气轮机的超临界二氧化碳的温度过高时，则会导致燃气轮机无法正常运行，因此，需要对进入燃气轮机之前的超临界二氧化碳进行降温处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳气气混合减温装置，其可调节超临界二氧化碳的温度，获得所需温度的超临界二氧化碳。

本发明的目的还在于提供一种超临界二氧化碳气气混合减温系统，其可调节超临界二氧化碳的温度，获得所需温度的超临界二氧化碳。

本发明的目的还在于提供一种超临界二氧化碳气气混合减温方法，其可调节超临界二氧化碳的温度，获得所需温度的超临界二氧化碳。

为实现上述目的，本发明提供的一种超临界二氧化碳气气混合减温装置，包括第一流体通道、第二流体通道和气气混合装置；其中，

所述第一流体通道与所述气气混合装置相连通，并且所述第二流体通道在所述气气混合装置的上游与所述第一流体通道相连通；

所述第一流体通道中流通有超临界二氧化碳，所述第二流体通道中流通有超临界二氧化碳，且所述第二流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度低于所述第一流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度。

进一步地，所述第一流体通道的管壁与所述第二流体通道的管壁呈一体结构，并使得所述第一流体通道的内部与所述第二流体通道的内部相连通；所述第一流体通道的内径与所述第二流体通道的内径的比值为a，0.5≤a≤1。

进一步地，所述第二流体通道延伸至所述第一流体通道的内部，所述第二流体通道形成有出气口，并且所述出气口的开口方向与所述第一流体通道内超临界二氧化碳的流动方向一致；

所述第二流体通道的内径与所述第一流体通道的内径的比值为a，0<a<0.5。

进一步地，所述第二流体通道上设置有流量控制构件。

本发明提供的一种超临界二氧化碳气气混合减温系统，包括上述任一项所述的超临界二氧化碳气气混合减温装置、取热-换热装置、输出管及燃气轮机；其中，所述第一流体通道的进气端与所述取热-换热装置的出口相连；

所述气气混合装置的出气端与所述输出管相连通；所述输出管的出气端与所述燃气轮机的进气端相连。

进一步地，还包括超临界二氧化碳供给装置，所述第二流体通道的进气端与所述超临界二氧化碳供给装置相连。

进一步地，所述输出管的出气端上设置有温度监测构件。

进一步地，所述第二流体通道上设置有温度监测构件和压力监测构件。

进一步地，所述第一流体通道上设置有温度监测构件和压力监测构件。

本发明提供的一种超临界二氧化碳气气混合减温方法，包括：测量输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值；

通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等。

进一步地，所述通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等，具体为：

根据所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的理想温度值和超临界二氧化碳的理想压力值获得所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的理想焓值h；

实时测量第一流体通道的出气端的超临界二氧化碳的温度和压力，并计算所述第一流体通道的出气端的超临界二氧化碳的焓值h₁；并测得所述第一流体通道中超临界二氧化碳的流量q₁；

实时测量所述第二流体通道的出气端的超临界二氧化碳的温度和压力；并计算所述第二流体通道的出气端的超临界二氧化碳的焓值h₂；并测得所述第二流体通道中超临界二氧化碳的流量q₂；

调节所述第二流体通道中超临界二氧化碳的流量使得

与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳气气混合减温装置，通过设置流通有温度相对较低的超临界二氧化碳的第二流体通道，并将第二流体通道中的温度相对较低的超临界二氧化碳与第一流体通道中的温度相对较高的超临界二氧化碳通过气气混合装置充分混合，即将第一流体通道中的高温超临界二氧化碳与第二流体通道中的低温超临界二氧化碳混合，达到降低高温超临界二氧化碳的温度的目的，从而获得所需温度的超临界二氧化碳。

在进一步的技术方案中，当第一流体通道的内径与第二流体通道的内径的比值a，0.5≤a≤1时，将第一流体通道的管壁与第二流体通道的管壁设置为一体结构，并使得两者的内部相连通。从而保证第一流体通道中的高温超临界二氧化碳和第二流体通道中的低温超临界二氧化碳充分混合。

在进一步的技术方案中，当第一流体通道的内径与第二流体通道的内径的比值a，0<a<0.5时，将第二流体通道延伸至第一流体通道的内部，并使得第二流体通道上的出气口的开口方向与第一流体通道内超临界二氧化碳的流动方向一致。从而保证两股超临界二氧化碳的充分混合。

在进一步的技术方案中，通过在第二流体通道路上设置流量控制构件，可实时调节第二流体通道中低温超临界二氧化碳的流量，便于根据第一流体通道中高温超临界二氧化碳的温度变化，调节第二流体通道中低温超临界二氧化碳的流量，进而获得所需温度的超临界二氧化碳介质。

与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳气气混合减温系统，将取热-换热装置作为第一流体通道中的高温超临界二氧化碳的供给来源，将低温超临界二氧化碳与高温超临界二氧化碳混合后获得的所需温度的超临界二氧化碳介质，从而为燃气轮机提供足够的动力。

在进一步的技术方案中，将第二流体通道的进气端与超临界二氧化碳供给装置相连，通过超临界二氧化碳供给装置向整个第二流体通道提供低温的超临界二氧化碳，利用该低温的超临界二氧化碳达到降低高温超临界二氧化碳的目的。

在进一步的技术方案中，通过在输出管的出气端设置温度监测构件，可以实时监测输出管输出的超临界二氧化碳的温度，便于确定其输出的超临界二氧化碳的温度是否符合所需超临界二氧化碳的温度。

在进一步的技术方案中，通过在第二流体通道上设置温度监测构件和压力监测构件，便于实时监测第二流体通道中的低温超临界二氧化碳的温度和压力。

在进一步的技术方案中，通过在第一流体通道上设置温度监测构件和压力监测构件，便于实时监测第一流体通道中的高温超临界二氧化碳的温度和压力。

与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳气气混合减温方法，利用该超临界二氧化碳气气混合减温方法可通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量调节输出管的出气端的超临界二氧化碳的温度，从而获得所需温度的超临界二氧化碳。

在进一步的技术方案中，通过调节第二流体通道中超临界二氧化碳的流量使得可以据此判断第二流体通道中超临界二氧化碳的流量是否调节合适。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1、图2为本发明实施例二提供的超临界二氧化碳气气混合减温装置的结构示意图。

图3为本发明实施例三提供的超临界二氧化碳气气混合减温系统的结构示意图。

图4、图5为本发明实施例四提供的超临界二氧化碳气气混合减温方法的流程图。

附图说明：

1-第一流体通道，2-第二流体通道，3-气气混合装置，4-取热-换热装置，5-输出管，6-超临界二氧化碳供给装置

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，因第二流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度小于第一流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度，可将第一流体通道中流通的超临界二氧化碳定义为高温超临界二氧化碳，将第二流体通道中流通的超临界二氧化碳定义为低温超临界二氧化碳。

实施例一

本实施例中提供的一种超临界二氧化碳气气混合减温装置，包括第一流体通道、第二流体通道和气气混合装置；其中，该第一流体通道与该气气混合装置相连通，并且该第二流体通道在该气气混合装置的上游与该第一流体通道相连通；

第一流体通道中流通有超临界二氧化碳，第二流体通道中流通有超临界二氧化碳，且第二流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度低于第一流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度。

因此，本实施例提供的超临界二氧化碳气气混合减温装置，通过在第二流体通道中流通有低温超临界二氧化碳，并将第一流体通道中流通的高温超临界二氧化碳与第二流体通道中流通的低温超临界二氧化碳通过气气混合装置混合后再输出，从而达到降低高温超临界二氧化碳温度的目的，进而获得所需温度的超临界二氧化碳介质。

实施例二

如图1、2所示，本实施例中提供的一种超临界二氧化碳气气混合减温装置，包括第一流体通道1、第二流体通道2和气气混合装置3；其中，该第一流体通道1与该气气混合装置3相连通，并且该第二流体通道2在该气气混合装置3的上游与该第一流体通道1相连通；第一流体通道1中流通有超临界二氧化碳，第二流体通道2中流通有超临界二氧化碳，且第二流体通道2中流通的超临界二氧化碳的温度低于第一流体通道1中流通的超临界二氧化碳的温度。

如图1所示，其中的第一流体通道1的管壁与第二流体通道2的管壁可呈一体结构，并使得该第一流体通道1的内部与该第二流体通道2的内部相连通；且该第一流体通道1的内径与该第二流体通道2的内径的比值为a，0.5≤a≤1。当第一流体通道1的内径与第二流体通道2的内径的比值a，0.5≤a≤1时，此种结构的第一流体通道1的内径与第二流体通道2的内径可理解为相近，此时，可将第一流体通道1的管壁与第二流体通道2的管壁设置为一体结构，从而保证第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳和第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳充分混合。

另外，如图2所示，第二流体通道2还可延伸至第一流体通道1的内部，该第二流体通道2形成有出气口，且该出气口的开口方向与第一流体通道1内超临界二氧化碳的流动方向一致；且第二流体通道2的内径与第一流体通道1的内径的比值为a，0<a<0.5。当第二流体通道2的内径与第一流体通道1的内径的比值a，0<a<0.5时。此时，可理解为第一流体通道1的内径较大于第二流体通道2的内径，因第二流体通道2的内径较小，该第二流体通道2中流通的低温超临界二氧化碳的流速相对较大，将第二流体通道2延伸至第一流体通道1的内部，该第二流体通道2形成有出气口，并将该出气口的开口方向与第一流体通道1内超临界二氧化碳的流动方向一致，从而保证第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳与第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳充分混合，从而获得所需温度的超临界二氧化碳。

再者，该第二流体通道2上还可设置流量控制构件，通过该流量控制构件可调节第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳的流量，便于根据第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳的温度及所需混合后超临界二氧化碳的温度调节第二流体通道2中低温超临界二氧化碳的流量。

实施例三

如图3所示，本实施例提供了一种超临界二氧化碳气气混合减温系统，包括实施例一或实施例二中所述的超临界二氧化碳气气混合减温装置、取热-换热装置4、输出管5及燃气轮机；其中，第一流体通道1的进气端与该取热-换热装置4的出口相连，气气混合装置3的出气端与输出管5相连通，输出管5的出气端与该燃气轮机的进气端相连。

因此，本实施例将低温超临界二氧化碳与从取热-换热装置4取热后获得的高温超临界二氧化碳混合后，达到降低从取热-换热装置4取热后获得的高温超临界二氧化碳的温度的目的，便于获得所需温度的超临界二氧化碳介质。

在本实施例其中一个实施方式中，其中的取热-换热装置4可为塔式集热器，将该塔式集热器的出口与第一流体通道1的进气端相连。超临界二氧化碳在塔式集热器中吸收热量，温度升高，将吸收热量的高温超临界二氧化碳输送至第一流体通道1中，第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳与第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳进行混合，从而达到降低超临界二氧化碳温度的目的。

在本实施例其中一个实施方式中，其中的取热-换热装置4也可为固体储热装置，将固体储热装置的出口与第一流体通道1的进气端相连。固体储热装置储存的热量传递至超临界二氧化碳，获得较高温度的超临界二氧化碳，将固体储热装置中吸收热量的高温超临界二氧化碳输送至第一流体通道1中，第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳与第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳进行混合，从而达到降低超临界二氧化碳温度的目的。

在本实施例其中一个实施方式中，其中的取热-换热装置4也可为熔融盐储热单元和换热单元构成的整体结构。其中，换热单元中流通有超临界二氧化碳，将换热单元的出口与第一流体通道1的进气端相连。熔融盐储热单元中的高温熔融盐介质输送至换热单元中，换热单元中的超临界二氧化碳与高温熔融盐换热，温度升高，获得高温超临界二氧化碳，将该高温超临界二氧化碳输送至第一流体通道1中，第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳与第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳进行混合，从而达到降低超临界二氧化碳的温度的目的。

本实施例的超临界二氧化碳气气混合减温系统还包括超临界二氧化碳供给装置6，其中，第二流体通道2的进气端与超临界二氧化碳供给装置6相连，利用该超临界二氧化碳供给装置6向第二流体通道2输送低温超临界二氧化碳，利用该低温超临界二氧化碳达到降低高温超临界二氧化碳的目的。其中的超临界二氧化碳供给装置6可为燃气轮机，将第二流体通道2的进气端与燃气轮机的抽气端相连，利用燃气轮机抽气端的温度较低的超临界二氧化碳输送至第二流体通道2中，利用该低温超临界二氧化碳实施对从取热-换热装置4取热利用后的高温超临界二氧化碳进行降温，从而调节进入燃气轮机之前的超临界二氧化碳的品质。

其中的输出管5的出气端上可设置温度监测构件，通过该温度监测构件可实时监测输出管5的出气端的超临界二氧化碳的温度，根据该温度值判断该输出管5的出气端的超临界二氧化碳的温度是否满足所需温度值，并根据该温度值与所需理想温度值的差异调整第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳的流量。另外，在第二流体通道2上也可设置温度监测构件和压力监测构件，通过该温度监测构件和压力监测构件实时监测第二流体通道2中低温超临界二氧化碳的温度和压力，为调节第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳的流量提供参考。再者，也可在第一流体通道1上设置温度监测构件和压力监测构件，通过该温度监测构件和压力监测构件实时监测第一流体通道1中的高温超临界二氧化碳的温度和压力，为调节第二流体通道2中的低温超临界二氧化碳的流量提供参考。

实施例四

如图4、5，本实施例提供了一种超临界二氧化碳气气混合减温方法，包括：步骤S1：测量输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值；步骤S2：通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等。

首先预设一个超临界二氧化碳的理想温度值，并实时测量输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值，根据该输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值的差异，调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等。

若测得的输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值不同，则说明输出管的出气端的超临界二氧化碳的温度值仍未达到所需要求的超临界二氧化碳的温度，需要对该超临界二氧化碳的温度进行调节。当输出管的出气端的超临界二氧化碳的温度值小于超临界二氧化碳的理想温度值时，需减少第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量，进而使得第一流体通道中的高温超临界二氧化碳与第二流体通道中的低温超临界二氧化碳混合后产生所需温度的超临界二氧化碳。当输出管的出气端的超临界二氧化碳温度值大于超临界二氧化碳的理想温度值时，则需增加第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量，进而使得第一流体通道中的高温超临界二氧化碳与第二流体通道中的低温超临界二氧化碳混合后产生所需温度的超临界二氧化碳。该种调节方法需要通过测量输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值，当该超临界二氧化碳的温度值与超临界二氧化碳的理想温度值相等时，才表明调节合适。为提高该调节方法的精确性，下述给出了更为具体的调节方法。

步骤S2：通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等，具体为：

步骤T1：根据输出管的出气端的超临界二氧化碳的理想温度值和超临界二氧化碳的理想压力值获得输出管出气端的超临界二氧化碳的理想焓值h。

步骤T2：实时测量第一流体通道的出气端的超临界二氧化碳的温度和压力，并计算第一流体通道的出气端的超临界二氧化碳的焓值h₁；并测得第一流体通道中超临界二氧化碳的流量q₁。

步骤T3：实时测量第二流体通道的出气端的超临界二氧化碳的温度和压力；并计算第二流体通道的出气端的超临界二氧化碳的焓值h₂；并测得第二流体通道中超临界二氧化碳的流量q₂。

步骤T4：调节第二流体通道中超临界二氧化碳的流量使得

当输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与理想温度值相等时，根据能量守恒，h₁×q₁+h₂×q₂＝h×(q₁+q₂)，即第一流体通道中的超临界二氧化碳的能量与第二流体通道中的超临界二氧化碳的能量之和与输出管中的超临界二氧化碳的能量相等。在反复调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量值时，当满足时，即可表示此时第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量调节合适。由于从调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量值至该超临界二氧化碳与第一流体通道中的高温超临界二氧化碳混合并输送至输出管这一过程需要一定的时间，若通过测量输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值，判断其是否调节合适具有一定的滞后性。因此，根据能量守恒的原则调节第二流体通道中的超临界二氧化碳流量较为精确快速。

最后需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种超临界二氧化碳气气混合减温装置，其特征在于，包括第一流体通道、第二流体通道和气气混合装置；其中，

所述第一流体通道与所述气气混合装置相连通，并且所述第二流体通道在所述气气混合装置的上游与所述第一流体通道相连通；

所述第一流体通道中流通有超临界二氧化碳，所述第二流体通道中流通有超临界二氧化碳，且所述第二流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度低于所述第一流体通道中流通的超临界二氧化碳的温度。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳气气混合减温装置，其特征在于，所述第一流体通道的管壁与所述第二流体通道的管壁呈一体结构，并使得所述第一流体通道的内部与所述第二流体通道的内部相连通；

所述第一流体通道的内径与所述第二流体通道的内径的比值为a，0.5≤a≤1。

3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳气气混合减温装置，其特征在于，所述第二流体通道延伸至所述第一流体通道的内部，所述第二流体通道形成有出气口，并且所述出气口的开口方向与所述第一流体通道内超临界二氧化碳的流动方向一致；

所述第二流体通道的内径与所述第一流体通道的内径的比值为a，0<a<0.5。

4.根据权利要求1至3其中任一项所述的超临界二氧化碳气气混合减温装置，其特征在于，所述第二流体通道上设置有流量控制构件。

5.一种超临界二氧化碳气气混合减温系统，其特征在于，包括上述权利要求1至4中任一项所述的超临界二氧化碳气气混合减温装置、取热-换热装置、输出管及燃气轮机；其中，

所述第一流体通道的进气端与所述取热-换热装置的出口相连；

所述气气混合装置的出气端与所述输出管相连通；

所述输出管的出气端与所述燃气轮机的进气端相连。

6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳气气混合减温系统，其特征在于，还包括超临界二氧化碳供给装置，所述第二流体通道的进气端与所述超临界二氧化碳供给装置相连。

7.根据权利要求5或6所述的超临界二氧化碳气气混合减温系统，其特征在于，所述输出管的出气端上设置有温度监测构件。

8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳气气混合减温系统，其特征在于，所述第二流体通道上设置有温度监测构件和压力监测构件。

9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳气气混合减温系统，其特征在于，所述第一流体通道上设置有温度监测构件和压力监测构件。

10.一种超临界二氧化碳气气混合减温方法，其特征在于，包括：

测量输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值；

通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等。

11.根据权利要求10所述的超临界二氧化碳气气混合减温方法，其特征在于，

所述通过调节第二流体通道中的超临界二氧化碳的流量使得所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的实际温度值与超临界二氧化碳的理想温度值趋于相等，具体为：

根据所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的理想温度值和超临界二氧化碳的理想压力值获得所述输出管的出气端的超临界二氧化碳的理想焓值h；

实时测量第一流体通道的出气端的超临界二氧化碳的的温度和压力，并计算所述第一流体通道的出气端的超临界二氧化碳的焓值h₁；并测得所述第一流体通道中超临界二氧化碳的流量q₁；

实时测量所述第二流体通道的出气端的超临界二氧化碳的温度和压力；并计算所述第二流体通道的出气端的超临界二氧化碳的焓值h₂；并测得所述第二流体通道中超临界二氧化碳的流量q₂；

调节所述第二流体通道中超临界二氧化碳的流量使得