CN108868930A - 内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统 - Google Patents

内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，二氧化碳从冷凝器进入工质泵后被压缩为超临界气体，然后该压缩后的二氧化碳气体在工质泵的出口分为两个支路：其中一支路作为跨临界二氧化碳朗肯循环系统的工质，另一支路作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的工质。本发明以内燃机尾气余热为热源，依次由超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环回收利用内燃机尾气的高品质余热，由跨临界二氧化碳朗肯循环回收利用内燃机尾气的低品质余热，将动力装置的余热能转化为电能，具有热效率高、结构紧凑、维护保养成本低的特点，可以显著提高动力装置的经济性。

Description

内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电 系统
技术领域
本发明属于能源转换与利用技术，具体涉及一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统。
背景技术
内燃机通常指燃料的燃烧过程和热功转换过程发生在装置内部的动力机械，主要包括柴油机、汽油机、燃气轮机和燃料电池。内燃机在工作过程中会有大量的余热通过尾气排放出去，选择合适的热力循环方式和工质高效地回收利用尾气余热对于提高内燃机燃料利用率具有重大意义。目前，用于余热回收的传统热力循环主要包括以水为工质的蒸汽朗肯循环和以有机物为工质的有机朗肯循环。蒸汽朗肯循环具有结构简单，技术成熟，操作容易等优点。但是蒸汽朗肯循环热效率较低，并且对水质要求较高，需要专门设备对水进行处理；另外，蒸汽朗肯循环系统的涡轮出口蒸汽干度需要控制在合理的范围，避免造成涡轮叶片的“水击”而产生叶片的受损，这些都增加了系统的运行和维护成本。有机朗肯循环主要适用于低温余热源的回收和利用，但是当热源温度较高时，为了避免造成工质的热分解，需要在热源与工质之间增加中间传热回路(如热油回路)，这增加了系统的复杂性，降低了系统的能量转换效率。
以二氧化碳为工质的超临界布雷顿循环，因为具有热效率高，结构紧凑等特点，正越来越多地被人们用于余热回收。二氧化碳具有容易制取，热物性稳定、临界温度低、环境友好、对大气臭氧层破坏小等优点。但对于高温余热源，由于排气与工质间的换热器存在“窄点温差”，使得超临界二氧化碳吸收热量后，内燃机排气温度仍然较高。
为了继续回收排气余热，通常的做法是将二氧化碳超临界布雷顿循环与有机朗肯循环组成联合循环，利用有机朗肯循环回路回收利用低温余热。
但这种联合热力循环系统存在两种工质，需要不同的容器储存工质；而且每个热力循环需要分别设置各自的冷却器作为“热沉”，这些均增加了联合循环系统的复杂性和总体尺寸。另外，余热回收系统分别利用压气机和工质泵增加二氧化碳和有机工质的压力，需要消耗大量的压缩功，从而使联合循环的发电量降低。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，本发明集成超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统与跨临界二氧化碳朗肯循环系统，采用二氧化碳作为单一工质，利用二氧化碳在临界点附近具有较低压缩因子的特点，有效减少系统的总压缩功，增加联合循环的发电量，提高能源转化效率，联合循环系统只设置一个冷凝器对二氧化碳工质进行冷却，使整体系统结构更加紧凑。
技术方案：本发明的一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，包括高温热源换热器、低温热源换热器、减压阀、冷凝器、工质泵、超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳朗肯循环系统；液态二氧化碳从冷凝器进入工质泵后被压缩为超临界气体，然后该压缩后的二氧化碳气体在工质泵的出口分为两个支路：其中一支路作为跨临界二氧化碳朗肯循环系统的工质，另一支路作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的工质；
所述跨临界二氧化碳朗肯循环系统包括第一低温回热器和低温涡轮，其中低温热源换热器的吸热侧入口与第一低温回热器的吸热侧出口连通，低温热源换热器的吸热侧出口与低温涡轮的进口连通；
所述超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统包括第二低温回热器、高温回热器和高温涡轮；其中高温热源换热器的放热侧出口和低温热源换热器的放热侧入口连通，高温热源换热器的吸热侧入口与高温回热器的吸热侧出口连通，高温热源换热器的吸热侧出口与高温涡轮入口相连通；
所述减压阀的入口与第二低温回热器放热侧出口的主二氧化碳支路连通，减压阀的出口与冷凝器的放热侧入口连通。
进一步的，所述超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统中还包括主压气机、再压缩压气机和第一发电机；所述主压气机的入口与工质泵出口的一支路连通，第二低温回热器的吸热侧入口与主压气机的出口连通，高温回热器的吸热侧入口分别与再压缩压气机的出口和第二低温回热器的吸热侧出口连通，高温热源换热器的吸热侧入口与高温回热器的吸热侧出口连通，高温涡轮的入口与高温热源换热器的吸热侧出口连通，高温回热器的放热侧入口与高温涡轮的出口连通，第二低温回热器的放热侧入口与高温回热器的放热侧出口连通，第二低温回热器的放热侧出口分为主二氧化碳支路和再压缩二氧化碳支路；其中，主二氧化碳支路与减压阀的入口连通，而再压缩二氧化碳支路与再压缩压气机的入口连通；上述主压气机、再压缩压气机、高温涡轮和第一发电机之间通过轴系机械连接。
进一步的，所述跨临界二氧化碳朗肯循环系统中还包括第二发电机；所述第一低温回热器的吸热侧入口与工质泵出口的另一支路(即是指与超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统相反的一路)连通，第一低温回热器的吸热侧出口与低温热源换热器的吸热侧入口连通，低温涡轮的入口与低温热源换热器的吸热侧出口连通，第一低温回热器的放热侧入口与低温涡轮的出口连通，第一低温回热器的放热侧出口与冷凝器的放热侧入口连通；上述低温涡轮和第二发电机通过轴系机械连接。
有益效果：本发明中的工质泵提升液态二氧化碳的压力至超临界状态后，分别向超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环和跨临界二氧化碳朗肯循环提供工质。一方面，可以充分利用二氧化碳在临界点附近具有低压缩因子的特性，有效地减少联合循环的压缩功，从而增加系统的输出净功；另一方面，二氧化碳先通过工质泵提升压力，再经过主压缩机增加至循环的最高压力，可以降低主压缩机的压比，从而增加压气机选型的灵活性，提高压气机的效率，降低运行和维护成本，增加工作可靠性。
本发明中超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统中的主二氧化碳支路和跨临界二氧化碳朗肯循环的二氧化碳共用一个冷凝器，通过与冷却介质换热后被冷却至液态，可以减少系统总体尺寸，进一步提高系统的紧凑性，这对应用于车辆发动机舱、船舶机舱及海洋平台等总体空间尺寸有限的场合具有十分重要的意义。
本发明通过高温热源换热器和低温热源换热器，可以实现内燃机排气余热的梯级利用，可有效提高排气余热的利用效率，改善内燃机的经济性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明的一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，包括高温热源换热器7、低温热源换热器8、减压阀12、冷凝器13、工质泵14、超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳朗肯循环系统；液态二氧化碳从冷凝器13进入工质泵14后被压缩为超临界气体，然后该压缩后的二氧化碳气体在工质泵14的出口分为两个支路：其中一支路作为跨临界二氧化碳朗肯循环系统的工质，另一支路作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的工质；跨临界二氧化碳朗肯循环系统包括第一低温回热器11和低温涡轮9，其中低温热源换热器8的吸热侧入口与第一低温回热器11的吸热侧出口连通，低温热源换热器8的吸热侧出口与低温涡轮9的进口连通；超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统包括第二低温回热器5、高温回热器6和高温涡轮3；其中高温热源换热器7的放热侧出口和低温热源换热器8的放热侧入口连通，高温热源换热器7的吸热侧入口与高温回热器6的吸热侧出口连通，高温热源换热器7的吸热侧出口与高温涡轮3入口相连通；减压阀12的入口与第二低温回热器5放热侧出口的主二氧化碳支路连通，减压阀12的出口与冷凝器13的放热侧入口连通。
上述超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统中还包括主压气机1、再压缩压气机2和第一发电机4；所述主压气机1的入口与工质泵14出口的一支路连通，第二低温回热器5的吸热侧入口与主压气机1的出口连通，高温回热器6的吸热侧入口分别与再压缩压气机2的出口和第二低温回热器5的吸热侧出口连通，高温热源换热器7的吸热侧入口与高温回热器6的吸热侧出口连通，高温涡轮3的入口与高温热源换热器7的吸热侧出口连通，高温回热器6的放热侧入口与高温涡轮3的出口连通，第二低温回热器5的放热侧入口与高温回热器6的放热侧出口连通，第二低温回热器5的放热侧出口分为主二氧化碳支路和再压缩二氧化碳支路；其中，主二氧化碳支路与减压阀12的入口连通，而再压缩二氧化碳支路与再压缩压气机2的入口连通；上述主压气机1、再压缩压气机2、高温涡轮3和第一发电机4之间通过轴系机械连接。
上述跨临界二氧化碳朗肯循环系统中还包括第二发电机10；所述第一低温回热器11的吸热侧入口与工质泵14出口的另一支路连通，第一低温回热器11的吸热侧出口与低温热源换热器8的吸热侧入口连通，低温涡轮9的入口与低温热源换热器8的吸热侧出口连通，第一低温回热器11的放热侧入口与低温涡轮9的出口连通，第一低温回热器11的放热侧出口与冷凝器13的放热侧入口连通；上述低温涡轮9和第二发电机10通过轴系机械连接。
本发明的具体工作过程为：
冷凝器13放热侧的二氧化碳工质被吸热侧的冷却介质(如海水、空气或淡水)冷却至液态，进入到工质泵14后被压缩成超临界气体。在工质泵14的出口，二氧化碳气体分成两个支路，一路进入到第一低温回热器11的吸热侧进口，作为跨临界二氧化碳朗肯循环的工质；另一支路进入到主压气机1的进口，作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环的工质。
在超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环中，二氧化碳工质在高温热源换热器7的吸热侧吸收动力装置的排气余热后温度升高，进入到高温涡轮3膨胀产生机械功，用来驱动主压气机1、再压缩压气机2和第一发电机4，并输出电能。做功后的二氧化碳气体依次流经高温回热器6和第二低温回热器5的放热侧，将热量传递给高温回热器6和第二低温回热器5吸热侧的二氧化碳工质。在第二低温回热器5的放热侧出口，二氧化碳工质分成主压缩支路和再压缩支路。其中再压缩支路的二氧化碳进入到再压缩压气机2后压力升高；主压缩支路的二氧化碳经过减压阀12后，压力降至冷凝压力，在冷凝器13中被冷却至液态，然后分别经过工质泵14、主压气机1和第二低温回热器5的吸热侧，压力和温度提高，在高温回热器6的吸热侧入口与来自再压缩压气机2出口的二氧化碳工质汇合，在高温回热器6吸热升温，然后进入到高温热源换热器7的吸热侧，从而完成超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环。
在跨临界二氧化碳朗肯循环中，二氧化碳工质在低温热源换热器8吸收动力装置的排气余热后温度升高后，在低温涡轮9中膨胀产生机械功，用来驱动第二发电机10，发出的电能用于对外输出及驱动工质泵14(工质泵14与第二发电机10电气连接)。完成做功的二氧化碳气体流经第一低温回热器11的放热侧，将热量传递给吸热侧的工质，然后流经冷凝器13被冷却至液态，经过工质泵14升压，依次进入到第一低温回热器11和低温热源换热器8的吸热侧，从而完成跨临界二氧化碳朗肯循环。
在图1中，高温热源换热器7与低温热源换热器8之间的连接线表示内燃机的排气流向，而图1中最下方冷凝器13上从左向右指向连接线表示冷却水的流向。

Claims (3)

1.一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于：包括高温热源换热器、低温热源换热器、减压阀、冷凝器、工质泵、超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳朗肯循环系统；液态二氧化碳从冷凝器进入工质泵后被压缩为超临界气体，然后该压缩后的二氧化碳气体在工质泵的出口分为两个支路：其中一支路作为跨临界二氧化碳朗肯循环系统的工质，另一支路作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的工质；
所述跨临界二氧化碳朗肯循环系统包括第一低温回热器和低温涡轮，其中低温热源换热器的吸热侧入口与第一低温回热器的吸热侧出口连通，低温热源换热器的吸热侧出口与低温涡轮的进口连通；
所述超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统包括第二低温回热器、高温回热器和高温涡轮；其中高温热源换热器的放热侧出口和低温热源换热器的放热侧入口连通，高温热源换热器的吸热侧入口与高温回热器的吸热侧出口连通，高温热源换热器的吸热侧出口与高温涡轮入口相连通；
所述减压阀的入口与第二低温回热器放热侧出口的主二氧化碳支路连通，减压阀的出口与冷凝器的放热侧入口连通。
2.根据权利要求1所述的内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统中还包括主压气机、再压缩压气机和第一发电机；
所述主压气机的入口与工质泵出口的一支路连通，第二低温回热器的吸热侧入口与主压气机的出口连通，高温回热器的吸热侧入口分别与再压缩压气机的出口和第二低温回热器的吸热侧出口连通，高温热源换热器的吸热侧入口与高温回热器的吸热侧出口连通，高温涡轮的入口与高温热源换热器的吸热侧出口连通，高温回热器的放热侧入口与高温涡轮的出口连通，第二低温回热器的放热侧入口与高温回热器的放热侧出口连通，第二低温回热器的放热侧出口分为主二氧化碳支路和再压缩二氧化碳支路；
其中，主二氧化碳支路与减压阀的入口连通，而再压缩二氧化碳支路与再压缩压气机的入口连通；上述主压气机、再压缩压气机、高温涡轮和第一发电机之间通过轴系机械连接。
3.根据权利要求1所述的内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于：所述跨临界二氧化碳朗肯循环系统中还包括第二发电机；
所述第一低温回热器的吸热侧入口与工质泵出口的另一支路连通，第一低温回热器的吸热侧出口与低温热源换热器的吸热侧入口连通，低温涡轮的入口与低温热源换热器的吸热侧出口连通，第一低温回热器的放热侧入口与低温涡轮的出口连通，第一低温回热器的放热侧出口与冷凝器的放热侧入口连通；上述低温涡轮和第二发电机通过轴系机械连接。
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