CN108612571B - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统和方法，该系统包括依次连通的热源、超临界布雷顿循环系统、多级减压装置、缓冲池和混合器；本发明还公开了该系统的工作方法；本发明可以实现在不向外界排出二氧化碳也不消耗二氧化碳的前提下，完成闭式布雷顿循环变负荷时系统内部的工质质量调节问题，增强了系统的适应性，提高了系统经济性。

Description

一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统和方法
技术领域
本发明涉及一种工质调节系统，具体涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统和方法。
背景技术
在能源匮乏及环境危机的大背景下，提高能源利用率日益受到人们的重视。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。
但这类循环是闭式循环，在发电系统变负荷时，由于系统内部温度的变化，会引起闭式系统内部的工质密度和总质量的变化，作为工质的纯二氧化碳也是一种物料，它的排出会造成一定的浪费，同时也是一种污染。所以若能够不消耗二氧化碳气体即可完成系统负荷的调节有着很强的经济效益。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于解决超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统变负荷时，闭式系统内部的工质质量调节问题，提出了一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统和方法，采用了技术难度相对较低的方式，提高了系统适应性和经济性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统，所述系统为闭式系统，包括依次连通的热源1、超临界布雷顿循环系统2、多级减压装置3、缓存池4和混合器5。
所述超临界布雷顿循环系统2包括透平2-1、高温回热器2-2、低温回热器2-3、预冷器2-4、主压缩机2-5和再压缩机2-6；透平 2-1的入口与热源1工质侧出口相连通，透平2-1的出口与高温回热器2-2的放热侧入口相连通，高温回热器2-2的放热侧出口与低温回热器2-3放热侧入口相连通，低温回热器2-3的放热侧出口分流为两路，一路与预冷器2-4工质侧入口相连通，预冷器2-4的工质侧出口经过混合器5后与主压缩机2-5的入口相连通，主压缩机2-5的出口与低温回热器2-3吸热侧入口相连通，低温回热器2-3放热侧出口分流出来的另一路与再压缩机2-6入口相连通，再压缩机2-6出口与低温回热器2-3吸热侧出口工质汇合后与高温回热器2-2吸热侧入口相连通，高温回热器2-2吸热侧出口与热源1入口相连。
主压缩机2-5出口的旁路与多级减压装置3入口相连，多级减压装置3的出口与缓存池4入口相连，缓存池4出口与混合器5的混合旁路入口相连。
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统的工作方法，热源1工质侧出口的二氧化碳工质进入透平2-1做功，做功后的乏汽依次进入高温回热器2-2、低温回热器2-3的放热侧放热，之后二氧化碳工质在低温回热器2-3放热侧出口分流为两路，一路进入预冷器 2-4，流过混合器5后进入主压缩机2-5，在主压缩机2-5中被增压后进入低温回热器2-3吸热侧，进入低温回热器2-3吸热侧的二氧化碳工质吸收热量后与之前分流的另一路二氧化碳工质汇合，再流入高温回热器2-2吸热侧，在低温回热器2-3放热侧出口分流的另一路二氧化碳工质直接进入再压缩机2-6，被增压后与低温回热器2-3吸热侧出口的二氧化碳工质汇合，之后进入高温回热器2-2吸热侧吸热，之后工质返回热源1吸热完成整个布雷顿循环；在超临界布雷顿循环系统2运行过程中通过多级减压装置3向缓冲池4中排出部分二氧化碳工质，或者从缓冲池4通过混合器5的旁路向超临界布雷顿循环系统 2中充入部分二氧化碳工质的操作需要根据系统运行情况决定，当系统需要向缓冲池(4)中排出部分二氧化碳工质时，开启主压缩机2-5 出口旁路，将部分二氧化碳工质通入多级减压装置3，首先经过减压，但是压力需要比主压缩机2-5入口压力高，然后进入缓存池4中储存；待到需要向系统中补充部分二氧化碳工质时，开启缓存池4通入混合器5旁路的管路，使二氧化碳工质通过混合器5与预冷器2-4主流二氧化碳混合后进入主压缩机2-5入口，此过程中，补充二氧化碳的温度通过主流二氧化碳中和，主流二氧化碳温度通过预冷器2-4冷却水调节。
和现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统和方法，可以有效的解决闭式布雷顿循环变负荷时，系统内部工质质量的调节问题，在不向外界环境排放二氧化碳，也不用从外界向闭式系统内补充二氧化碳的前提下，实现系统内部工质质量的调节，增强了系统适应性，提高了经济性。
同时本发明最大限度的利用了现有超临界二氧化碳布雷顿循环的设备，只增加了多级减压装置和储罐等简单的静设备，并且不需要消耗更多的外部能量，最大限度的减小了附件能量的消耗，也减小了投资。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
其中，1为热源，2为超临界布雷顿循环系统，3为多级减压装置，4为缓存池，5为混合器。超临界布雷顿循环系统2包括：透平 2-1、高温回热器2-2、低温回热器2-3、预冷器2-4、主压缩机2-5、再压缩机2-6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明所述一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统，包括依次连通的热源1、超临界布雷顿循环系统2、多级减压装置3、缓存池4和混合器5。超临界布雷顿循环系统2包括透平 2-1、高温回热器2-2、低温回热器2-3、预冷器2-4、主压缩机2-5 和再压缩机2-6；透平2-1的入口与热源1工质侧出口相连通，透平 2-1的出口与高温回热器2-2的放热侧入口相连通，高温回热器2-2 的放热侧出口与低温回热器2-3放热侧入口相连通，低温回热器2-3 的放热侧出口分流为两路，一路与预冷器2-4工质侧入口相连通，预冷器2-4的工质侧出口经过混合器5后与主压缩机2-5的入口相连通，主压缩机2-5的出口与低温回热器2-3吸热侧入口相连通，低温回热器2-3放热侧出口分流出来的另一路与再压缩机2-6入口相连通，再压缩机2-6出口与低温回热器2-3吸热侧出口工质汇合后与高温回热器2-2吸热侧入口相连通，高温回热器2-2吸热侧出口与热源 1入口相连。
主压缩机2-5出口的旁路与多级减压装置3入口相连，多级减压装置3的出口与缓存池4入口相连，缓存池4出口与混合器5的混合旁路入口相连。
本发明系统的具体工作过程为：
超临界布雷顿循环系统2稳定运行时，热源1工质侧出口的二氧化碳工质进入透平2-1做功，做功后的乏汽依次进入高温回热器2-2、低温回热器2-3的放热侧放热，之后二氧化碳工质在低温回热器2-3 放热侧出口分流为两路，一路进入预冷器2-4，流过混合器5后进入主压缩机2-5，在主压缩机2-5中被增压后进入低温回热器2-3吸热侧，进入低温回热器2-3吸热侧的二氧化碳工质吸收热量后与之前分流的另一路二氧化碳工质汇合，再流入高温回热器2-2吸热侧，在低温回热器2-3放热侧出口分流的另一路二氧化碳工质直接进入再压缩机2-6，被增压后与低温回热器2-3吸热侧出口的二氧化碳工质汇合，之后进入高温回热器2-2吸热侧吸热，之后二氧化碳工质返回热源1 吸热完成整个布雷顿循环。
在闭式布雷顿循环系统变负荷时，系统内部整体的平均温度和压力会有变化，一般来说在升负荷后系统内的平均温度会增加，随之而来的是系统内工质的平均密度会随之减小；而在降负荷后系统内的平均温度会减小，系统内工质的平均密度会随之增大。由于本系统为闭式系统，系统的容积是不变的，当系统内工质的平均密度减小后，需要有一部分工质需要排出，否则会是系统内平均压力增加，当系统内工质的平均密度增加后，则需要加入部分工质。当系统需要向外接排出部分二氧化碳工质时，开启主压缩机2-5出口旁路，将部分二氧化碳工质通入多级减压装置3，首先经过减压，但是压力需要比主压缩机2-5入口压力高，然后进入缓存池4中储存。待到需要向系统中补充部分二氧化碳工质时，开启缓存池4通入混合器5旁路的管路，使二氧化碳工质通过混合器5与预冷器2-4主流二氧化碳混合后进入主压缩机2-5入口。过程中，补充二氧化碳的温度通过主流二氧化碳中和，主流二氧化碳温度通过预冷器2-4冷却水调节。
图1所示超临界布雷顿循环系统2的其它布局不影响本发明的应用，本发明的内容对于超临界循环系统的其它布局也适用，因此本发明中的超临界布雷顿循环系统2是广泛意义上的超临界布雷顿循环系统，而非局限于图示布局。例如其它超临界布雷顿循环系统可采用多级透平系统，或带再热的透平系统，也可不采用分流再压缩系统，即只采用一个主压缩机，没有图中再压缩机，并将图中两个回热器合并为一个回热器，等等。
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 (1)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环工质调节系统的工作方法，其特征在于，所述系统为闭式系统，包括依次连通的热源（1）、超临界布雷顿循环系统（2）、多级减压装置（3）、缓存池（4）和混合器（5）；
所述超临界布雷顿循环系统（2）包括透平（2-1）、高温回热器（2-2）、低温回热器（2-3）、预冷器（2-4）、主压缩机（2-5）和再压缩机（2-6）；透平（2-1）的入口与热源（1）工质侧出口相连通，透平（2-1）的出口与高温回热器（2-2）的放热侧入口相连通，高温回热器（2-2）的放热侧出口与低温回热器（2-3）放热侧入口相连通，低温回热器（2-3）的放热侧出口分流为两路，一路与预冷器（2-4）工质侧入口相连通，预冷器（2-4）的工质侧出口经过混合器（5）后与主压缩机（2-5）的入口相连通，主压缩机（2-5）的出口与低温回热器（2-3）吸热侧入口相连通，低温回热器（2-3）放热侧出口分流出来的另一路与再压缩机（2-6）入口相连通，再压缩机（2-6）出口与低温回热器（2-3）吸热侧出口工质汇合后与高温回热器（2-2）吸热侧入口相连通，高温回热器（2-2）吸热侧出口与热源（1）入口相连；
主压缩机（2-5）出口的旁路与多级减压装置（3）入口相连，多级减压装置（3）的出口与缓存池（4）入口相连，缓存池（4）出口与混合器（5）的混合旁路入口相连；
所述工作方法为：热源（1）工质侧出口的二氧化碳工质进入透平（2-1）做功，做功后的乏汽依次进入高温回热器（2-2）、低温回热器（2-3）的放热侧放热，之后二氧化碳工质在低温回热器（2-3）放热侧出口分流为两路，一路进入预冷器（2-4），流过混合器（5）后进入主压缩机（2-5），在主压缩机（2-5）中被增压后进入低温回热器（2-3）吸热侧，进入低温回热器（2-3）吸热侧的二氧化碳工质吸收热量后与之前分流的另一路二氧化碳工质汇合，再流入高温回热器（2-2）吸热侧，在低温回热器（2-3）放热侧出口分流的另一路二氧化碳工质直接进入再压缩机（2-6），被增压后与低温回热器（2-3）吸热侧出口的二氧化碳工质汇合，之后进入高温回热器（2-2）吸热侧吸热，之后二氧化碳工质返回热源（1）吸热完成整个布雷顿循环；在超临界布雷顿循环系统（2）运行过程中通过多级减压装置（3）向缓存池（4）中排出部分二氧化碳工质，或者从缓存池（4）通过混合器（5）的旁路向超临界布雷顿循环系统（2）中充入部分二氧化碳工质的操作需要根据系统运行情况决定，当需要向缓存池（4）中排出部分二氧化碳工质时，则开启主压缩机（2-5）出口旁路，将部分二氧化碳工质通入多级减压装置（3），首先经过减压，但是压力需要比主压缩机（2-5）入口压力高，然后进入缓存池（4）中储存；当需要向系统中补充部分二氧化碳工质时，则开启缓存池（4）通入混合器（5）旁路的管路，使二氧化碳工质通过混合器（5）与预冷器（2-4）主流二氧化碳混合后进入主压缩机（2-5）入口，此过程中，补充二氧化碳的温度通过主流二氧化碳中和，主流二氧化碳温度通过预冷器（2-4）冷却水调节。
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