CN107401431B - 超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统 - Google Patents

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Abstract

超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统，本发明能够在更低的吸热温度下实现更高的循环发电效率。以超临界二氧化碳为工质，利用多级间冷等措施实现接近等温的压缩过程，减少压缩功，利用多级分流等措施平衡冷热两侧流体热容的差别，使得冷热两侧流体在整个回热过程都能实现接近零温差的极限回热过程，减少因为大温差引起的可用能不可你损失，利用多级再热和膨胀措施实现接近高温热源温度的等温吸热过程，提高平均吸热温度，利用预冷器工作在二氧化碳的临界点附近，比热和密度都很大，使得整个放热过程接近等温放热，从而减少冷端的可用能不可逆损失。

Description

超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统
技术领域
本发明属于高效动力循环技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系。
背景技术
根据热力学第二定律，卡诺循环或概括性卡诺循环是两个等温热源间所有动力循环中理论效率最高的循环。卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，概括性卡诺循环由两个等温过程和两个极限回热过程组成。其循环效率仅取决于两个等温热源的温度，即高温热源T1温度越高，低温热源T2温度越低，循环效率越高。因此，循环优化的途径为使得实际循环尽可能逼近理论循环效率最高的卡诺循环或概括性卡诺循环，提高吸热温度，降低放热温度。
传统的蒸汽循环由于透平冷端在真空压力下进行冷凝放热，即接近环境温度的等温放热，低温热源放热端已接近最优。但在高温热源吸热端，由于存在过冷水和过热蒸汽吸热，吸热温度区间大，尽管现有最先进蒸汽机组的最高温度已经达到了600-620℃，但其平均吸热温度并不高，最先进的二次再热机组的平均吸热温度也只有450℃左右，这是由蒸汽朗肯循环固有的特性决定的，很难通过循环的优化进一步提高平均吸热温度。因此，想要提高循环效率，只能通过进一步提高工质的最高吸热温度，而这需要采用价格昂贵的镍基高温合金，导致机组成本大幅度提高，经济性不能满足目前的市场需求。因此，需要从热力学的基本定律出发，寻找新型循环，优化循环系统布局，使其更加逼近理论最优的型式，在不提高最高吸热温度的情况下，提高热源入口吸热温度和平均吸热温度，从而在现有材料等级水平下，进一步提高发电机组效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在更低的吸热温度下实现更高的循环发电效率的超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括多级间冷近等温压缩系统、多级分流近极限回热系统、多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统和临界点近环境温度等温放热系统；
所述的多级间冷近等温压缩系统包括首尾相连的多级主压缩机和多级再压缩机；
所述的多级分流近极限回热系统包括低温回热器和高温回热器；
所述的多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统包括多级透平系统和多级热源，所述的多级透平系统包括首尾相连的透平和设置在各透平前端的热源；
所述的临界点近环境温度等温放热系统包括预冷器；
所述的低温回热器热侧工质出口后分为两支，主流经预冷器放热后进入多级主压缩机升压后进入低温回热器冷侧，低温加热器的分流直接进入多级再压缩机升压后与低温回热器高温侧主流汇合进入高温回热器的冷侧，高温回热器的高温侧与多级透平的出口相连，工质交替进入多级热源吸热和多级透平膨胀做功后进入高温回热器热侧。
所述的相邻主压缩机之间安装有间冷器。
所述的相邻再压缩机之间安装有间冷器。
所述的高温加热器的低温侧还通过管路与低温回热器的低温侧相连。
所述的主压缩机出口与低温回热器冷侧之间还通过分支管路与多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统相连。
所述的低温回热器与高温回热器之间还设置有与分支管路相连的管路。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
利用多级间冷等措施实现接近等温的压缩过程，减少压缩功，同时使得冷却在较低温度下进行，减少可用能的不可逆损失；
利用多级分流等措施平衡冷热两侧流体热容的差别，使得冷热两侧流体在整个回热过程都能实现接近零温差的极限回热过程，提高换热效率，减少因为大温差引起的可用能不可你损失，同时，间接的提高了吸热的入口温度，减少了放热的入口温度，最终提高了系统的循环效率。
利用多级再热和膨胀措施实现接近高温热源温度的等温吸热过程，提高平均吸热温度，进而提高了系统的循环效率；
利用预冷器工作在二氧化碳的临界点附近，由于临界点很接近环境温度，且临界点附近工质的比热和密度都很大，使得整个放热过程接近等温放热，从而减少冷端的可用能不可逆损失，进一步提高系统循环效率。
总体来看，通过以上创新的系统构建方法和措施，使得超临界二氧化碳循环更加逼近理论最优的概括性卡诺循环，从而提高了系统的循环效率。
附图说明
图1是本发明超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环的温度-熵图
图2是本发明超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环的实施案例系统图。
其中，1为多级主压缩机；2为多级再压缩机；3为低温回热器；4为高温回热器；5为多级热源；6为多级透平；7为预冷器；8为多级间冷器
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，2，本发明包括多级间冷近等温压缩系统、多级分流近极限回热系统、多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统和临界点近环境温度等温放热系统；
所述的多级间冷近等温压缩系统包括首尾相连的多级主压缩机1和多级再压缩机2，且相邻主压缩机1和相邻再压缩机2之间分别安装有间冷器8；
所述的多级分流近极限回热系统包括低温回热器3和高温回热器4；
所述的多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统包括多级透平系统6和多级热源5，所述的多级透平系统包括首尾相连的透平和设置在各透平前端的热源；
所述的临界点近环境温度等温放热系统包括预冷器7；
所述的低温回热器3热侧工质出口后分为两支，主流经预冷器7放热后进入多级主压缩机1升压后分为两支，主流进入低温回热器3冷侧，分流通过分支管路与多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统相连，低温加热器3的分流直接进入多级再压缩机2升压后与低温回热器3高温侧主流汇合进入高温回热器4的冷侧，低温回热器3与高温回热器4之间还设置有与分支管路相连的管路，高温回热器4的高温侧与多级透平6的出口相连，工质交替进入多级热源5吸热和多级透平6膨胀做功后进入高温回热器4热侧，高温加热器4的低温侧还通过管路与低温回热器3的低温侧相连。
多级间冷近等温压缩过程由多级主压缩机1、多级再压缩机2和各自的多级间冷器8完成。工质从低温回热器3热侧流出后分为两支，主流经预冷器7放热后进入多级间冷主压缩机1升压后进入低温回热器3冷测，分流直接进入多级间冷再压缩机2升压后与主流汇合。
多级分流近极限回热过程由低温回热器3和高温回热器4完成。经过透平6做完功的低压二氧化碳工质还具有很高的温度，通过高温回热器4的热侧，预热冷测的部分高压二氧化碳，另一部分高压二氧化碳则通过多级分流的方式进入热源5预热。两部分经预热的高压二氧化碳重新汇合后进入高温热源5吸热。
多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热过程由高温多级热源系统5和多级透平系统6完成。经过多级分流回热系统预热后的工质交替进入多级热源5吸热和多级透平6膨胀做功后进入高温回热器4热侧。
临界点近环境温度等温放热过程主要由预冷器7完成。二氧化碳工质从低温回热器3热侧流出后，温度接近临界点，随后进入预冷器7向接近环境温度的冷源放热。
根据本发明提出的超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环，整个循环运行参数始终在二氧化碳临界点(7.37MPa,31℃)以上。从低温回热器3热侧流出的工质经过分流，主流通过预冷器7向环境放热，此时的参数接近二氧化碳临界点，比热和密度均很大，因此可以近似看作等温放热，减少了低温段的不可逆损失。随后，工质经过多级主压缩机1压缩升压后进入低温回热器吸热，另一部分不通过预冷器7放热，直接进入多级再压缩机2压缩升压后与主流汇合，由于采用了多级间冷器8，使得压缩过程可近似为等温压缩，减少了压缩功。采用从低温回热器3和高温回热器4冷测入口前分流部分工质进入热源5进行预热的措施，调整多级分流回热系统冷热两侧工质的热容量，使其全流程接近“零”温差的极限回热过程，减少由于大温差引起的可用能不可逆损失，多级回热系统后进入多级加热源5继续升温，高温高压的工质通过多级透平6做功发电，由于在多级热源中加热和多级透平中做功交替反复进行，使得在高温吸热段接近等温吸热，提高了平均吸热温度，减少了可用能的不可逆损失。做完功的工质进入高温回热器4将余热释放给新的冷工质，形成完整的闭式循环。

Claims (4)

1.超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统，其特征在于：包括多级间冷近等温压缩系统、多级分流近极限回热系统、多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统和临界点近环境温度等温放热系统;
所述的多级间冷近等温压缩系统包括首尾相连的多级主压缩机（1）和多级再压缩机（2）；
所述的多级分流近极限回热系统包括低温回热器（3）和高温回热器（4）；
所述的多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统包括多级透平系统（6）和多级热源（5），所述的多级透平系统包括首尾相连的透平和设置在各透平前端的热源；
所述的临界点近环境温度等温放热系统包括预冷器（7）；
所述的低温回热器（3）热侧工质出口后分为两支，主流经预冷器（7）放热后进入多级主压缩机（1）升压后进入低温回热器（3）冷侧，低温回热器（3）的分流直接进入多级再压缩机（2）升压后与低温回热器（3）高温侧主流汇合进入高温回热器（4）的冷侧，高温回热器（4）的高温侧与多级透平（6）的出口相连，工质交替进入多级热源（5）吸热和多级透平（6）膨胀做功后进入高温回热器（4）热侧；
相邻所述主压缩机（1）之间安装有间冷器（8）；
相邻所述再压缩机（2）之间安装有间冷器（8）。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统，其特征在于：所述的高温回热器（4）的低温侧还通过管路与低温回热器（3）的低温侧相连。
3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统，其特征在于：所述的主压缩机（1）出口与低温回热器（3）冷侧之间还通过分支管路与多级再热膨胀近高温热源温度等温吸热系统相连。
4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳广义概括性卡诺循环系统，其特征在于：所述的低温回热器（3）与高温回热器（4）之间还设置有与分支管路相连的管路。
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