CN109098803A - 基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法及其系统，解决了现有技术中各种复杂循环通过循环内部参数调节的方式使得系统更加复杂，设备更多，运行调节更困难，也难以适应负荷快速变化的运行工况的问题。本发明包括基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法，同时也公开了基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，该系统包括高温热源1、透平2、发电机3、主回热器4、冷却器5、压气机6、电动机7、中低温热源8、支回热器9。本发明在不增加超临界二氧化碳循环系统复杂度的前提下，通过引入外部热源解决系统回热度低的问题，提高效率10％以上、降低投资成本30％以上。

Description

基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法及其系统

技术领域

本发明涉及热量综合利用技术领域，具体涉及基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法及其系统。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术近年来受到愈来愈多的关注。超临界二氧化碳布雷顿循环系统的基本设备配置为热源、压气机、透平、冷却器与回热器。但由于该循环中工质在回热器两侧的比热不同，使回热器两端在理论上存在较大温差，系统熵增量较大，导致系统效率相对较低。

为了解决回热器两端温差较大导致的效率难以提高问题，许多研究人员提出了分流、再压缩或分级冷却的思路。如麻省理工学院V.Dostal等人提出的再压缩循环，东京工业大学Y.Kato等人提出的部分预先冷却循环，以及此后由此演变出的各类复杂循环，均是从循环内部着手，通过流量、焓值、压力级数等参量的综合调节降低回热器两端温差，提高系统效率。

但现有技术中的这种通过循环内部参数调节的方式必然使得系统更加复杂，设备更多，运行调节更困难，也难以适应负荷快速变化的运行需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中的这种通过循环内部参数调节的方式使得系统更加复杂，设备更多，运行调节更困难，也难以适应负荷快速变化的运行工况的问题。本发明的目的在于提供基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法及其系统，其在不增加超临界二氧化碳循环系统复杂度、不增加运行控制难度、不增加设备的前提下，通过引入外部热源解决系统回热度低的问题，提高效率。

本发明通过下述技术方案实现：

基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法，包括将超临界二氧化碳顺次流经高温热源透平、主回热器的高温测、冷却器、压气机后，输入到主回热器的低温侧，该主回热器的低温侧中的超临界二氧化碳通过与主回热器的高温测中的超临界二氧化碳换热后返回到高温热源中形成循环。

循环系统包含高温热源和中低温热源两套独立热源；流经压气机后的超临界二氧化碳分为两路，一路超临界二氧化碳经过循环内的主回热器的低温侧换热，另一路超临界二氧化碳经过循环外的中低温热源加热，两路超临界二氧化碳分别经过主回热器的低温侧换热和中低温热源加热后汇合，汇合后的超临界二氧化碳回到高温热源中再吸热。

由于在原有的超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术中，该循环中工质在回热器两侧的比热不同，使回热器两端在理论上存在较大温差，系统熵增量较大，导致系统效率相对较低。而为了解决上述问题，本行业的技术人员均从循环内部着手，通过增加热力过程和相应设备，综合调节系统流量、焓值、压力级数等参量，进而达到减小回热器两端温差的目的。而本行业的技术人员的常规方法导致系统更加复杂、设备更多、调节更加困难，难以适应负荷快速变化的运行要求。

为了在不增加系统复杂度的前提下提高系统效率，本发明提出另一种思路，即通过引入外部中低温热源的方式来调节回热器两端温差，将高温和中低温两种热源耦合梯级利用，高温热源用于发电，中低温热源只用于发电系统的回热调节和供热，形成一种基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法。即，超临界二氧化碳工质经高温热源加热后，进入透平膨胀做功，推动发电机发电，经主回热器、冷却器后，进入压气机升压。之后工质分为主路和支路两路，主路与主回热器高温侧换热，支路吸收中低温热源的热量，以此最大限度地降低主回热器和支回热器两端温差，提高系统效率。主路和支路汇合后再进入高温热源吸热，循环往复发电。中低温热源的工质将热量传递给支路的超临界二氧化碳后，仍有70-80℃的温度，可继续用于供暖。

本发明能在不增加系统复杂度的情况下，实现了系统效率的大幅提升，两种热源的综合利用效率远高于单独利用的加权效率。并且，该方法中两种热源耦合利用省去了原本中低温热源的成套发电系统，大幅度降低了投资成本；同时，由于系统保持了最为简单的配置，系统运行调节简便，能实现快速负荷跟踪，特别适用于太阳能、工业余热等间歇性能源。

进一步，所述中低温热源通过支回热器为超临界二氧化碳加热；该支回热器的低温侧两端分别与压气机的出口端和高温热源的入口端连通，该支回热器的高温测具有给水端和供热端，该中低温热源为支回热器的高温测的工质供热；所述支回热器的高温测的工质为水或蒸汽。

更进一步，所述高温热源的进出口的温差在200℃以内，所述中低温热源的出口温度比高温热源的出口温度低150℃以上。

本发明还提供了一种适用于上述基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法的系统，其包括高温热源、透平、发电机、主回热器、冷却器、压气机与电动机，所述高温热源的出口顺次连通透平、主回热器的高温测、冷却器、压气机、主回热器的低温侧和高温热源的入口后形成一个闭合回路，所述透平为发电机提供发电动能，所述电动机为压气机提供动力；

所述主回热器的低温侧并联有支回热器；所述支回热器的低温侧入口端连接到主回热器的低温侧与压气机之间的连接管路上，所述支回热器的低温侧出口端连接到主回热器的低温侧与高温热源之间的连接管路上，该支回热器的高温测的工质先经过中低温热源加热后再从支回热器的进口端进入到支回热器中。

进一步，所述支回热器的高温测的工质为水或蒸汽。

更进一步，所述高温热源的进出口的温差在200℃以内，所述中低温热源的出口温度比高温热源的出口温度低150℃以上。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明在不增加系统复杂度的前提下，实现了高效率、低成本、易于运行操控的目标；

2、本发明中的基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，可比当前热量利用系统的效率提高10％以上，设备数量减少50％以上，投资成本降低30％以上，启停变工况运行时间缩短50％以上，大幅提升经济竞争力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明中系统的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-高温热源，2-透平，3-发电机，4-主回热器，5-冷却器，6-压气机，7-电动机，8-中低温热源，9-支回热器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法，包括将超临界二氧化碳顺次流经高温热源1透平2、主回热器4的高温测、冷却器5、压气机6后，输入到主回热器4的低温侧，该主回热器4的低温侧中的超临界二氧化碳通过与主回热器4的高温测中的超临界二氧化碳换热后返回到高温热源1中形成循环。

循环系统包含高温热源1和中低温热源8两套独立热源；流经压气机6后的超临界二氧化碳分为两路，一路超临界二氧化碳经过主回热器4的低温侧换热，另一路超临界二氧化碳经过中低温热源8加热，两路超临界二氧化碳分别经过主回热器4的低温侧换热和中低温热源8加热后汇合，汇合后的超临界二氧化碳回到高温热源1中。

实施例2

基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，包括高温热源1、透平2、发电机3、主回热器4、冷却器5、压气机6、电动机7、中低温热源8、支回热器9。

高温热源1与透平2的入口相连通，透平2的出口与主回热器4的高温侧入口相连通，主回热器4的高温侧出口与冷却器5的入口相连通，冷却器5的出口与压气机6的入口相连通，压气机6的出口分为两路，一路与主回热器4的低温侧入口相连通，另一路与支回热器9的低温侧入口相连通，主回热器4的低温侧出口与支回热器9的低温侧出口汇合后再与高温热源1的入口相连通，形成一个闭合回路。中低温热源8的入口与给水端相连通，中低温热源8的出口与支回热器9高温侧入口相连通，支回热器9高温侧出口与供热端相连通，实现供热。

上述基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统的方法，包括：超临界二氧化碳工质经高温热源1加热后，进入透平2膨胀做功，推动发电机3发电，超临界二氧化碳工质经主回热器4的高温侧、冷却器5冷却后，进入压气机6升压。之后超临界二氧化碳工质分流为主路和支路两路，主路与主回热器4高温侧换热，支路与支回热器高温侧换热，吸收中低温热源8的热量。主路和支路汇合后再进入高温热源1吸热，循环往复发电。中低温热源8将热量传递给支路的超临界二氧化碳后，仍有70-80℃的温度，继续与供热端连接供热。

本实施例中，所述从高温热源1吸热的工质为超临界二氧化碳，所述从中低温热源8吸热的工质为水或蒸汽。

本实施例中，所述高温热源1的进出口温差必须在200℃以内。中低温热源8的出口温度比高温热源1的出口温度低150℃以上。

本发明提出的基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，可应用于核能、化石能、太阳能等高品位能源与余热、废热等低品位能源的综合利用，比目前单独利用的系统效率可提高10％以上，设备数量减少50％以上，投资成本降低30％以上，启停变工况运行时间缩短50％以上，具有较好的推广应用前景。

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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (6)

1.基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法，包括将超临界二氧化碳顺次流经高温热源(1)透平(2)、主回热器(4)的高温测、冷却器(5)、压气机(6)后，输入到主回热器(4)的低温侧，该主回热器(4)的低温侧中的超临界二氧化碳通过与主回热器(4)的高温测中的超临界二氧化碳换热后返回到高温热源(1)中形成循环；其特征在于，

系统包含高温热源(1)和中低温热源(8)两套独立热源；流经压气机(6)后的超临界二氧化碳分为两路，一路超临界二氧化碳经过循环内的主回热器(4)的低温侧换热，另一路超临界二氧化碳经过循环外的中低温热源(8)加热，两路超临界二氧化碳分别经过主回热器(4)的低温侧换热和中低温热源(8)加热后汇合，汇合后的超临界二氧化碳回到高温热源(1)中。

2.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法，其特征在于，所述中低温热源(8)通过支回热器(9)为超临界二氧化碳加热；该支回热器(9)的低温侧两端分别与压气机(6)的出口端和高温热源(1)的入口端连通，该支回热器(9)的高温测具有给水端和供热端，该中低温热源(8)为支回热器(9)的高温测的工质供热；

所述支回热器(9)的高温测的工质为水或蒸汽。

3.根据权利要求1所述的基于超临界二氧化碳的热量梯级利用方法，其特征在于，所述高温热源(1)的进出口的温差在200℃以内，所述中低温热源(8)的出口温度比高温热源(1)的出口温度低150℃以上。

4.基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，包括高温热源(1)、透平(2)、发电机(3)、主回热器(4)、冷却器(5)、压气机(6)与电动机(7)，所述高温热源(1)的出口顺次连通透平(2)、主回热器(4)的高温测、冷却器(5)、压气机(6)、主回热器(4)的低温侧和高温热源(1)的入口后形成一个闭合回路，所述透平(2)为发电机(3)提供发电动能，所述电动机(7)为压气机(6)提供动力；其特征在于，

所述主回热器(4)的低温侧并联有支回热器(9)；所述支回热器(9)的低温侧入口端连接到主回热器(4)的低温侧与压气机(6)之间的连接管路上，所述支回热器(9)的低温侧出口端连接到主回热器(4)的低温侧与高温热源(1)之间的连接管路上，该支回热器(9)的高温测的工质先经过中低温热源(8)加热后再从支回热器(9)的进口端进入到支回热器(9)中。

5.根据权利要求4所述的基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，其特征在于，所述支回热器(9)的高温测的工质为水或蒸汽。

6.根据权利要求4所述的基于超临界二氧化碳的热量梯级利用系统，其特征在于，所述高温热源(1)的进出口的温差在200℃以内，所述中低温热源(8)的出口温度比高温热源(1)的出口温度低150℃以上。