CN107327325A - 一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统 - Google Patents

一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，包括液态金属循环回路和超临界二氧化碳循环回路；第一液态金属泵、热源、高压金属蒸气透平、低压金属蒸气透平、第一发电机、第一金属冷凝器金属侧、第二金属冷凝器金属侧、第二液态金属泵构成液态金属循环回路。sCO2主压缩机、sCO2分压缩机、低温sCO2回热器、高温sCO2回热器、第一金属冷凝器二氧化碳侧、第二金属冷凝器二氧化碳侧、sCO2透平、第二发电机，预冷器，构成超临界二氧化碳循环回路。氦气循环为顶循环，超临界二氧化碳循环为底循环，联合循环的热效率比单独的顶循环或底循环高。且液态金属循环压力低，设备制造难度小，材料成本低，易于推广使用。

Description

一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统
技术领域
本发明涉及热能动力循环技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统。
背景技术
二氧化碳的临界点为31℃/7.4MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。近年来，以超临界二氧化碳为工质的动力循环系统成为研究热点，引起国内外学者的广泛兴趣。由于二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，循环系统简单，结构紧凑，效率较高，超临界二氧化碳动力循环被认为在化石能源发电、核能发电、聚光型太阳能热发电、余热发电、地热发电等领域具有良好的应用前景。
简单的带回热的超临界二氧化碳动力循环发电系统主要由压缩机、透平、发电机、热交换器、回热器、预冷器等组成。低温低压工质首先进入压缩机压缩至高压，经回热器吸收透平排出工质的热量，再经热交换器从热源吸收热量达到最高温度，然后进入透平做功推动发电机工作，透平排出的工质经回热器释放部分热量，最后经预热器冷却后进入下一个循环过程。对此简单循环结构进行改进和优化，可以提高循环的热效率，目前被广泛采用的方法是分流再压缩。
分流再压缩循环比简单循环增加一台压缩机，并且回热器分为高温回热器和低温回热器。与简单循环不同之处在于，再压缩循环的工质在进入预冷器前分流成两路，一路工质进入预冷器，再经主压缩机和低温回热器，然后与进入分压缩机的另一路工质汇合进入高温回热器。分流再压缩可以显著提高简单循环的热效率，其本质相当于两个超临界二氧化碳的联合循环，顶循环即为进入分压缩机的一路循环，底循环即为进入主压缩机的一路循环。
然而，在此基础上，如何进一步提高超临界二氧化碳循环的热效率，是本领域技术人员致力于解决的难题，其中，在现有循环基础上增加顶循环是提高循环热效率的途径，一种可能的循环是液态金属循环，这种循环曾用作蒸汽朗肯顶循环。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何进一步提高超临界二氧化碳循环的热效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：包括液态金属循环回路和超临界二氧化碳循环回路；
液态金属循环回路包括第一液态金属泵，第一液态金属泵出口连接热源进口，热源出口连接高压金属蒸气透平进口；高压金属蒸气透平出口分为两路，分别连接低压金属蒸气透平进口和第一金属冷凝器金属侧进口；低压金属蒸气透平出口连接第二金属冷凝器金属侧进口，第二金属冷凝器金属侧出口连接第二液态金属泵进口，第二液态金属泵出口与第一金属冷凝器金属侧出口汇合并连接第一液态金属泵进口；
超临界二氧化碳循环回路包括sCO2主压缩机，sCO2主压缩机出口连接低温sCO2回热器高压侧进口，低温sCO2回热器高压侧出口与sCO2分压缩机出口汇合后连接高温sCO2回热器高压侧进口，高温sCO2回热器高压侧出口连接第二金属冷凝器二氧化碳侧进口，第二金属冷凝器二氧化碳侧出口连接第一金属冷凝器二氧化碳侧进口，第一金属冷凝器二氧化碳侧出口连接sCO2透平进口，sCO2透平出口连接高温sCO2回热器低压侧进口，高温sCO2回热器低压侧出口连接低温sCO2回热器低压侧进口；低温sCO2回热器低压侧出口分为两路，分别连接预冷器进口和sCO2分压缩机进口，预冷器出口连接sCO2主压缩机进口。
优选地，所述低压金属蒸气透平与高压金属蒸气透平同轴设置。
优选地，所述高压金属蒸气透平连接第一发电机。
优选地，所述sCO2主压缩机、sCO2分压缩机、sCO2透平三者同轴设置。
优选地，所述sCO2透平连接第二发电机。
优选地，所述液态金属循环回路的工质为碱金属及其合金，例如：钾、铯、钠，等。
优选地，所述热源为核反应堆(如：液态金属快堆、熔盐堆、高温气冷堆)、化石燃料燃烧锅炉或生物质燃料直燃锅炉。
优选地，所述sCO2主压缩机分为两级或多级，并中间冷却。
优选地，所述液态金属循环为顶循环，液态金属工质经第一液态金属泵增压，然后进入热源加热气化并升温至过热，金属蒸气工质输出至高压金属蒸气透平做功发电；高压金属蒸气透平排出金属蒸气和液态金属的混合工质分为两路：第一分路进入低压金属蒸气透平继续做功发电；第二分路进入第一金属冷凝器液化，并将潜热传递给二氧化碳工质；低压金属蒸气透平排出的金属蒸气和液态金属的混合工质再进入第二金属冷凝器液化，并将潜热传递给二氧化碳工质；第二金属冷凝器排出的液态金属工质经第二液态金属泵增压后与第一金属冷凝器排出的液态金属工质汇合，最后进入第一液态金属泵。
优选地，所述超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2主压缩机增压后，经低温sCO2回热器吸收自高温sCO2回热器低压侧出口排出的二氧化碳工质的热量，之后与经sCO2分压缩机增压后的另一路二氧化碳工质汇合，再由高压侧进口进入高温sCO2回热器，高压侧的二氧化碳工质在高温sCO2回热器吸收sCO2透平排出的低压侧的二氧化碳工质的热量后温度进一步上升，再经由高温sCO2回热器高压侧出口排出并先后进入第二金属冷凝器、第一金属冷凝器升温，第一金属冷凝器排出的二氧化碳工质进入sCO2透平做功发电；sCO2透平排出的二氧化碳工质压力下降，然后经由低压侧进口进入高温sCO2回热器将热量传给高压侧的二氧化碳工质，高温sCO2回热器低压侧出口排出的二氧化碳工质经低温sCO2回热器将热量传递给来自sCO2主压缩机排出的二氧化碳工质，低温sCO2回热器出口分为两路：第一分路进入预冷器冷却，最后进入sCO2压缩机；第二分路进入sCO2分压缩机。
更优选地，所述低温sCO2回热器出口两路二氧化碳工质的质量比为3∶2。
本发明基于联合循环的思路，用液态金属循环作为顶循环，超临界二氧化碳循环作为底循环，联合循环的热效率比单独的顶循环或底循环高。虽然液态金属循环的温度较高，其中透平进口温度达到800℃或更高，金属蒸气透平排气温度约为400-600℃，但是液态金属循环的最高压力较低，仅为几个大气压，有利于降低制造难度。因此，超临界二氧化碳与液态金属联合循环是进一步提升超临界二氧化碳循环热效率潜力的有效途径。
与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统具有如下有益效果：
1、顶循环和底循环可以根据工质的特点相对独立地设置参数，液态金属循环可以运行在较高的温度(例如：850℃)，且最高压力可以较低(例如：0.1-0.3MPa)，超临界二氧化碳循环运行温度通常不超过600℃，且压力较高(例如：20-30MPa)。
2、联合循环的热效率比单独的顶循环或底循环高，当底循环为分流再压缩循环时，联合循环发电效率可达55％以上。
3、液态金属循环压力低，设备制造难度小，在850℃以内可采用不锈钢材料，材料成本也不高。
附图说明
图1为本实施例提供的超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统示意图；
其中：
1-第一液态金属泵，2-热源，3-高压金属蒸气透平，4-低压金属蒸气透平，5-第一发电机，6-第一金属冷凝器，7-第二金属冷凝器，8-第二液态金属泵，9-sCO2主压缩机，10-sCO2分压缩机，11-低温sCO2回热器，12-高温sCO2回热器，13-sCO2透平，14-第二发电机，15-预冷器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统示意图，所述的超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统由第一液态金属泵1、热源2、高压金属蒸气透平3、低压金属蒸气透平4、第一发电机5、第一金属冷凝器6、第二金属冷凝器7、第二液态金属泵8、sCO2主压缩机9、sCO2分压缩机10、低温sCO2回热器11、高温sCO2回热器12、sCO2透平13、第二发电机14、预冷器15等组成。
第一液态金属泵1和第二液态金属泵8，用于将液态金属工质增压和流体输送；
热源2，用于加热液态金属工质；
高压金属蒸气透平3，与低压金属蒸气透平4和第一发电机5同轴，做功后排出的金属工质一路输入低压金属蒸气透平4，别一路经由金属侧进口输入第一金属冷凝器6；
低压金属蒸气透平4，与高压金属蒸气透平3和第一发电机5同轴，做功后排出的金属工质经由金属侧进口输入第二金属冷凝器7；
第一发电机5，用于将高压金属蒸气透平3与低压金属蒸气透平4的轴功转变为电能；
第一金属冷凝器6，具有金属侧进口、金属侧出口、二氧化碳侧进口、二氧化碳侧出口，用于冷凝高压金属蒸气透平3排出的一路金属蒸气，并将热量传递给超临界二氧化碳底循环，冷却后的金属工质进入第一液态金属泵1；
第二金属冷凝器7，具有金属侧进口、金属侧出口、二氧化碳侧进口、二氧化碳侧出口，用于冷凝低压金属蒸气透平4排出的一路金属蒸气，并将热量传递给超临界二氧化碳底循环，冷却后的金属工质进入第二液态金属泵8；
sCO2主压缩机9和sCO2分压缩机10，用于将二氧化碳工质增压至高压；
低温sCO2回热器11，具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口，sCO2主压缩机9产生的高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出至高温sCO2回热器12，同时，高压二氧化碳工质在低温sCO2回热器11被经由低压侧进口进入的二氧化碳工质加热；
高温sCO2回热器12，具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口，高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出至第二金属冷凝器7，同时，高压二氧化碳工质在高温sCO2回热器12被经由低压侧进口进入的二氧化碳工质加热；
sCO2透平13，与第二发电机14相连，做功产生的二氧化碳工质经由低压侧进口输入高温sCO2回热器12；
第二发电机14，用于将sCO2透平13的轴功转变为电能；
预冷器15，用于二氧化碳工质冷却，之后工质进入sCO2主压缩机9。
各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、控制系统等。
第一液态金属泵1、热源2、高压金属蒸气透平3、低压金属蒸气透平4、第一发电机5、第一金属冷凝器6金属侧、第二金属冷凝器7金属侧、第二液态金属泵8构成液态金属循环回路。液态金属循环为顶循环。
sCO2主压缩机9、sCO2分压缩机10、低温sCO2回热器11、高温sCO2回热器12、第一金属冷凝器6二氧化碳侧、第二金属冷凝器7二氧化碳侧、sCO2透平13、第二发电机14、预冷器15，构成超临界二氧化碳循环回路。超临界二氧化碳循环为底循环。
本实施例提供的超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统使用时的具体步骤如下：
液态金属循环为顶循环，液态金属以液态钾为例，液态钾工质经第一液态金属泵1增压，例如：增压至0.15MPa，然后进入热源2加热气化(沸点约800℃)并升温至过热，例如：升温至850℃，钾蒸气工质输出至高压金属蒸气透平3做功发电；高压金属蒸气透平3排出钾蒸气和液态钾的混合工质分为两路，第一分路进入低压金属蒸气透平4继续做功发电，第二分路进入第一金属冷凝器6液化，凝结温度为570℃，并将潜热传递给二氧化碳工质；低压金属蒸气透平4排出钾蒸气和液态钾的混合工质再进入第二金属冷凝器7液化，凝结温度为450℃，并将潜热传递给二氧化碳工质；第二金属冷凝器7排出的液态钾经第二液态金属泵8增压后与第一金属冷凝器6排出的液态钾汇合，最后进入第一液态金属泵1。
超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2主压缩机9增压，例如：增压至20MPa，经低温sCO2回热器11吸收自高温sCO2回热器12低压侧出口排出的二氧化碳工质的热量，之后与经sCO2分压缩机10增压后的另一路二氧化碳工质汇合，再由高压侧进口进入高温sCO2回热器12，高压侧的二氧化碳工质在高温sCO2回热器12吸收sCO2透平13排出的低压侧的二氧化碳工质的热量后温度进一步上升，再经由高温sCO2回热器12高压侧出口排出并先后进入第二金属冷凝器7、第一金属冷凝器6升温，例如：升温至550℃，第一金属冷凝器6排出的二氧化碳工质进入sCO2透平13做功发电；sCO2透平13排出的二氧化碳工质压力下降，例如：压力下降至6.6MPa，经由低压侧进口进入高温sCO2回热器12将热量传给高压侧的二氧化碳工质，高温sCO2回热器12低压侧出口排出的二氧化碳工质经低温sCO2回热器11将热量传递给来自sCO2主压缩机9排出的二氧化碳工质，之后分为两路，例如：质量比为3∶2，第一分路进入预冷器15冷却，例如：冷却至25℃，最后进入sCO2压缩机9，第二分路进入sCO2分压缩机10。
液态金属循环和超临界二氧化碳循环联合运行，经系统优化后，保守估计液态金属循环发电效率约为18％，超临界二氧化碳循环发电效率约为45％，整体循环发电效率可达18％+45％×(1-18％)＝55％，假设配合燃煤锅炉，锅炉效率92％，并扣除厂用电，则发电厂效率可达50％以上，显著高于现有大型超超临界燃煤电厂。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：包括液态金属循环回路和超临界二氧化碳循环回路；
液态金属循环回路包括第一液态金属泵(1)，第一液态金属泵(1)出口连接热源(2)进口，热源(2)出口连接高压金属蒸气透平(3)进口；高压金属蒸气透平(3)出口分为两路，分别连接低压金属蒸气透平(4)进口和第一金属冷凝器(6)金属侧进口；低压金属蒸气透平(4)出口连接第二金属冷凝器(7)金属侧进口，第二金属冷凝器(7)金属侧出口连接第二液态金属泵(8)进口，第二液态金属泵(8)出口与第一金属冷凝器(6)金属侧出口汇合并连接第一液态金属泵(1)进口；
超临界二氧化碳循环回路包括sCO2主压缩机(9)，sCO2主压缩机(9)出口连接低温sCO2回热器(11)高压侧进口，低温sCO2回热器(11)高压侧出口与sCO2分压缩机(10)出口汇合后连接高温sCO2回热器(12)高压侧进口，高温sCO2回热器(12)高压侧出口连接第二金属冷凝器(7)二氧化碳侧进口，第二金属冷凝器(7)二氧化碳侧出口连接第一金属冷凝器(6)二氧化碳侧进口，第一金属冷凝器(6)二氧化碳侧出口连接sCO2透平(13)进口，sCO2透平(13)出口连接高温sCO2回热器(12)低压侧进口，高温sCO2回热器(12)低压侧出口连接低温sCO2回热器(11)低压侧进口；低温sCO2回热器(11)低压侧出口分为两路，分别连接预冷器(15)进口和sCO2分压缩机(10)进口，预冷器(15)出口连接sCO2主压缩机(9)进口。
2.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述低压金属蒸气透平(4)与高压金属蒸气透平(3)同轴设置，且所述高压金属蒸气透平(3)连接第一发电机(5)。
3.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述sCO2主压缩机(9)、sCO2分压缩机(10)、sCO2透平(13)三者同轴设置；且所述sCO2透平(13)连接第二发电机(14)。
4.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述液态金属循环回路的工质为碱金属及其合金。
5.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述热源为核反应堆、化石燃料燃烧锅炉或生物质燃料直燃锅炉。
6.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述sCO2主压缩机分为两级或多级，并中间冷却。
7.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述液态金属循环为顶循环，液态金属工质经第一液态金属泵(1)增压，然后进入热源(2)加热气化并升温至过热，金属蒸气工质输出至高压金属蒸气透平(3)做功发电；高压金属蒸气透平(3)排出金属蒸气和液态金属的混合工质分为两路：第一分路进入低压金属蒸气透平(4)继续做功发电；第二分路进入第一金属冷凝器(6)液化，并将潜热传递给二氧化碳工质；低压金属蒸气透平(4)排出的金属蒸气和液态金属的混合工质再进入第二金属冷凝器(7)液化，并将潜热传递给二氧化碳工质；第二金属冷凝器(7)排出的液态金属工质经第二液态金属泵(8)增压后与第一金属冷凝器(6)排出的液态金属工质汇合，最后进入第一液态金属泵(1)。
8.如权利要求1或7所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2主压缩机(9)增压后，经低温sCO2回热器(11)吸收自高温sCO2回热器(12)低压侧出口排出的二氧化碳工质的热量，之后与经sCO2分压缩机(10)增压后的另一路二氧化碳工质汇合，再由高压侧进口进入高温sCO2回热器(12)，高压侧的二氧化碳工质在高温sCO2回热器(12)吸收sCO2透平(13)排出的低压侧的二氧化碳工质的热量后温度进一步上升，再经由高温sCO2回热器(12)高压侧出口排出并先后进入第二金属冷凝器(7)、第一金属冷凝器(6)升温，第一金属冷凝器(6)排出的二氧化碳工质进入sCO2透平(13)做功发电；sCO2透平(13)排出的二氧化碳工质压力下降，然后经由低压侧进口进入高温sCO2回热器(12)将热量传给高压侧的二氧化碳工质，高温sCO2回热器(12)低压侧出口排出的二氧化碳工质经低温sCO2回热器(11)将热量传递给来自sCO2主压缩机(9)排出的二氧化碳工质，低温sCO2回热器(11)出口分为两路：第一分路进入预冷器(15)冷却，最后进入sCO2压缩机(9)；第二分路进入sCO2分压缩机(10)。
9.如权利要求8所述的一种超临界二氧化碳与液态金属联合循环系统，其特征在于：所述低温sCO2回热器(11)出口两路二氧化碳工质的质量比为3∶2。
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