CN107355269B - 一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统 - Google Patents

一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；一级He压缩机、中间冷却器氦气侧、二级He压缩机、He回热器、He加热器、He透平、He/sCO2换热器氦气侧构成氦气循环；sCO2压缩机、中间冷却器超临界二氧化碳侧、He/sCO2换热器超临界二氧化碳侧、低温sCO2回热器、高温sCO2回热器、sCO2加热器、sCO2透平、预冷器构成超临界二氧化碳循环。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，当顶循环参数较高时，联合循环比分流再压缩方式的超临界二氧化碳循环的热效率还要高，同时降低了制造成本。

Description

一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统
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氦气联合循环系统。
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。底循环高压侧工质在低温区的比热大，升温过程需要的吸热量大，顶循环的工质经高温回热器后将剩余的热量传递给底循环，从而补充这部分热量，且顶循环不向环境释放热量，因此，整个循环的热效率提高。
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。
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氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；
氦气循环回路包括一级He压缩机，一级He压缩机出口连接中间冷却器氦气侧进口，中间冷却器氦气侧出口连接二级He压缩机进口，二级He压缩机出口连接He回热器高压侧进口，He回热器高压侧出口连接He加热器进口，He加热器出口连接He透平进口，He透平出口连接He回热器低压侧进口，He回热器低压侧出口连接He/sCO2换热器氦气侧进口，He/sCO2换热器氦气侧出口连接一级He压缩机进口；
超临界二氧化碳循环回路包括sCO2压缩机，sCO2压缩机出口分成三个支路，分别连接中间冷却器二氧化碳侧进口、He/sCO2换热器二氧化碳侧进口、低温sCO2回热器高压侧进口；中间冷却器二氧化碳侧出口、He/sCO2换热器二氧化碳侧出口、低温sCO2回热器高压侧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sCO2加热器进口，sCO2加热器出口连接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回热器低压侧出口连接预冷器进口，预冷器出口连接sCO2压缩机进口。
优选地，所述He透平连接第一发电机。
优选地，所述sCO2透平连接第二发电机。
优选地，氦气循环为顶循环，氦气工质经一级He压缩机增压，同时氦气工质的温度上升，经中间冷却器将热量传递给来自sCO2压缩机的第一个支路的二氧化碳；然后氦气工质经二级He压缩机增压，再经由高压侧进口进入He回热器，高压侧的氦气工质在He回热器吸收He透平排出的低压侧的氦气工质的热量后温度进一步上升，再经由高压侧出口排出He回热器并进入He加热器升温，He加热器将加热后的氦气工质输出至He透平做功发电；He透平排出的氦气工质经由低压侧进口进入He回热器将热量传给高压侧的氦气工质，He回热器低压侧出口排出的氦气工质经He/sCO2换热器将热量传递给来自sCO2压缩机的第二个支路的二氧化碳，冷却后的氦气工质进入一级He压缩机。
优选地，超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2压缩机增压后分成三个支路：第一个支路的二氧化碳工质经所述中间冷却器吸收热量，第二个支路的二氧化碳工质经所述He/sCO2换热器吸收热量，第三个支路的二氧化碳工质经低温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；三个支路的二氧化碳工质汇合后经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进入sCO2加热器升温，sCO2加热器将加热后的二氧化碳工质输出至sCO2透平做功发电；sCO2透平排出的二氧化碳工质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压缩机出口的第三个支路的工质，再经预冷器冷却，最后进入sCO2压缩机。
本发明基于联合循环的思路，用氦气循环作为顶循环，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，当顶循环参数较高时，联合循环比分流再压缩方式的超临界二氧化碳循环还要高。主要原因是氦气循环的透平进口温度可以达到800℃或更高。氦气循环透平进口压力远低于超临界二氧化碳循环的压力，有利于降低制造成本。因此，超临界二氧化碳与氦气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，氦气循环可以运行在较高的温度(例如：800℃)，且压力可以较低(例如：2-3MPa)，超临界二氧化碳循环运行温度通常不超过700℃，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，当顶循环参数较高时，联合循环比分流再压缩方式的超临界二氧化碳循环还要高。
3、氦气循环透平进口压力远低于超临界二氧化碳循环的压力，有利于降低制造成本。
附图说明
图1为本实施例提供的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统示意图；
其中：
1-一级He压缩机，2-中间冷却器，3-二级He压缩机，4-He回热器，5-He加热器，6-He透平，7-第一发电机，8-He/sCO2换热器，9-sCO2压缩机，10-低温sCO2回热器，11-高温sCO2回热器，12-sCO2加热器，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氦气联合循环系统示意图，所述的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统由一级He压缩机1、中间冷却器2、二级He压缩机3、He回热器4、He加热器5、He透平6、第一发电机7、He/sCO2换热器8、sCO2压缩机9、低温sCO2回热器10、高温sCO2回热器11、sCO2加热器12、sCO2透平13、第二发电机14、预冷器15等组成。
一级He压缩机1和二级He压缩机2，用于将氦气工质增压至高压；
中间冷却器2，具有氦气侧进口、氦气侧出口、二氧化碳侧进口、二氧化碳侧出口，用于冷却一级He压缩机1出口氦气工质，并将热量传递给超临界二氧化碳底循环，冷却后的氦气工质进入二级He压缩机3；
He回热器4，具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口，二级He压缩机2产生的高压氦气工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出至He加热器5，同时，高压氦气工质在He回热器4被经由低压侧进口进入的氦气工质加热；
He加热器5，用于将氦气工质加热至设定温度后，输出给He透平6；
He透平6，与第一发电机7相连，做功后排出的氦气工质经由低压侧进口输入He回热器4；
第一发电机7，用于将He透平6的轴功转变为电能；
He/sCO2换热器8，具有氦气侧进口、氦气侧出口、二氧化碳侧进口、二氧化碳侧出口，用于将He回热器排出的氦气工质的余热传递给超临界二氧化碳底循环；
sCO2压缩机9，用于将二氧化碳工质增压至高压；
低温sCO2回热器10，具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口，sCO2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11，同时，高压二氧化碳工质在低温sCO2回热器12被经由低压侧进口进入的二氧化碳工质加热；
高温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，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sCO2加热器12，同时，高压二氧化碳工质在高温sCO2回热器11被经由低压侧进口进入的二氧化碳工质加热；
sCO2加热器12，用于将二氧化碳工质加热至设定温度后，输出给sCO2透平13；
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；
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。
一级He压缩机1、中间冷却器2氦气侧、二级He压缩机3、He回热器4、He加热器5、He透平6、第一发电机7、He/sCO2换热器8氦气侧构成氦气循环回路。氦气循环为顶循环。sCO2压缩机9、中间冷却器2二氧化碳侧、He/sCO2换热器8二氧化碳侧、低温sCO2回热器10、高温sCO2回热器11、sCO2加热器12、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。
超临界二氧化碳顶循环和氦气底循环的接口为中间冷却器和He/sCO2换热器，从sCO2压缩机出来的二氧化碳工质分为三路，除一路进入低温sCO2回热器外，另外两路分别进入中间冷却器和He/sCO2换热器，从氦气循环中吸收He压缩机中间冷却的余热和He回热器出口的余热。
本实施例提供的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统使用时的具体步骤如下：
氦气循环为顶循环，氦气工质经一级He压缩机1增压，例如：增压至1.5MPa，同时工质的温度上升，经中间冷却器2将热量传递给来自sCO2压缩机9的第一个分路的二氧化碳，再经二级He压缩机3增压，例如：增压至2.5MPa，然后经由高压侧进口进入He回热器4，高压氦气工质在He回热器4吸收He透平6排出的低压氦气工质的热量后温度进一步上升，再经由高压侧出口进入He加热器5升温，例如：升温至800℃，He加热器5将加热后的工质输出至He透平6，He透平6做功推动第一发电机7产生电能，He透平6排出的氦气工质经由低压侧进口进入He回热器4将热量传给高压侧的氦气工质，然后He回热器4低压侧出口排出的氦气工质经He/sCO2换热器8将热量传递给来自sCO2压缩机9的第二个分路的二氧化碳，冷却后的氦气工质，例如：冷却至90-100℃，进入一级He压缩机1。
超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2压缩机9增压，例如：增压至20MPa，sCO2压缩机9出口的第一个分路的二氧化碳工质经中间冷却器2吸收热量，sCO2压缩机9出口的第二个分路的二氧化碳工质经He/sCO2换热器8吸收热量，sCO2压缩机9出口的第三个分路的二氧化碳工质经低温sCO2回热器10吸收自高温sCO2回热器11低压侧出口排出的二氧化碳工质的热量，三个分路的工质汇合后经由高压侧进口进入高温sCO2回热器11，高压侧的二氧化碳工质在高温sCO2回热器11吸收sCO2透平13排出的低压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11高压侧出口进入sCO2加热器12升温，例如：升温至600℃，sCO2加热器12将加热后的工质输出至sCO2透平13，sCO2透平13做功推动第二发电机14产生电能，sCO2透平13排出的二氧化碳工质经由低压侧进口进入高温sCO2回热器11将热量传给高压侧的二氧化碳工质，然后高温sCO2回热器11低压侧出口排出的二氧化碳工质经低温sCO2回热器10将热量传递给来自sCO2压缩机9出口的第三个分路的工质，再经预冷器15冷却，例如：冷却至25-35℃，最后进入sCO2压缩机9。
氦气循环和超临界二氧化碳循环联合运行，经系统优化后，整体循环热效率可达50％或更高。

Claims (5)

1.一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；
氦气循环回路包括一级He压缩机(1)，一级He压缩机(1)出口连接中间冷却器(2)氦气侧进口，中间冷却器(2)氦气侧出口连接二级He压缩机(3)进口，二级He压缩机(3)出口连接He回热器(4)高压侧进口，He回热器(4)高压侧出口连接He加热器(5)进口，He加热器(5)出口连接He透平(6)进口，He透平(6)出口连接He回热器(4)低压侧进口，He回热器(4)低压侧出口连接He/sCO2换热器(8)氦气侧进口，He/sCO2换热器(8)氦气侧出口连接一级He压缩机(1)进口；
超临界二氧化碳循环回路包括sCO2压缩机(9)，sCO2压缩机(9)出口分成三个支路，分别连接中间冷却器(2)二氧化碳侧进口、He/sCO2换热器(8)二氧化碳侧进口、低温sCO2回热器(10)高压侧进口；中间冷却器(2)二氧化碳侧出口、He/sCO2换热器(8)二氧化碳侧出口、低温sCO2回热器(10)高压侧出口汇合后连接高温sCO2回热器(11)高压侧进口，高温sCO2回热器(11)高压侧出口连接sCO2加热器(12)进口，sCO2加热器(12)出口连接sCO2透平(13)进口，sCO2透平(13)出口连接高温sCO2回热器(11)低压侧进口，高温sCO2回热器(11)低压侧出口连接低温sCO2回热器(10)低压侧进口，低温sCO2回热器(10)低压侧出口连接预冷器(15)进口，预冷器(15)出口连接sCO2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氦气联合循环系统，其特征在于：所述He透平(6)连接第一发电机(7)。
3.如权利要求1或2所述的一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：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氦气联合循环系统，其特征在于：氦气循环为顶循环，氦气工质经一级He压缩机(1)增压，同时氦气工质的温度上升，经中间冷却器(2)将热量传递给来自sCO2压缩机(9)的第一个支路的二氧化碳；然后氦气工质经二级He压缩机(3)增压，再经由高压侧进口进入He回热器(4)，高压侧的氦气工质在He回热器(4)吸收He透平(6)排出的低压侧的氦气工质的热量后温度进一步上升，再经由高压侧出口排出He回热器(4)并进入He加热器(5)升温，He加热器(5)将加热后的氦气工质输出至He透平(6)做功发电；He透平(6)排出的氦气工质经由低压侧进口进入He回热器(4)将热量传给高压侧的氦气工质，He回热器(4)低压侧出口排出的氦气工质经He/sCO2换热器(8)将热量传递给来自sCO2压缩机(9)的第二个支路的二氧化碳，冷却后的氦气工质进入一级He压缩机(1)。
5.如权利要求4所述的一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2压缩机(9)增压后分成三个支路：第一个支路的二氧化碳工质经所述中间冷却器(2)吸收热量，第二个支路的二氧化碳工质经所述He/sCO2换热器(8)吸收热量，第三个支路的二氧化碳工质经低温sCO2回热器(10)吸收自高温sCO2回热器(11)低压侧出口排出的二氧化碳工质的热量；三个支路的二氧化碳工质汇合后经由高压侧进口进入高温sCO2回热器(11)，高压侧的二氧化碳工质在高温sCO2回热器(11)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(11)高压侧出口排出并进入sCO2加热器(12)升温，sCO2加热器(12)将加热后的工质输出至sCO2透平(13)做功发电；sCO2透平(13)排出的二氧化碳工质经由低压侧进口进入高温sCO2回热器(11)将热量传给高压侧的二氧化碳工质，高温sCO2回热器(11)低压侧出口排出的二氧化碳工质经低温sCO2回热器(10)将热量传递给来自sCO2压缩机(9)出口的第三个支路的工质，再经预冷器(15)冷却，最后进入sCO2压缩机(9)。
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散裂中子源超临界低温氢循环用氢氦换热器设计;沈愜;王国平;张玙;陈环琴;孙大明;何昆;金涛;低温工程(第4期);全文 *

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