CN109519243A - 超临界co2和氨水联合循环系统及发电系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统，该超临界CO2和氨水联合循环系统包括：超临界CO2朗肯循环发电系统、氨水朗肯循环发电系统和溴化锂吸收式制冷机。该系统利用中高温显热热源，加热超临界CO2朗肯循环发电系统的CO2工质；超临界CO2朗肯循环的透平排气余热用于驱动氨水朗肯循环，并且和氨水朗肯循环的透平排汽共同驱动溴化锂吸收式制冷机；制冷机产生的冷量用于完全冷凝CO2工质。该联合循环发电系统利用自身循环余热驱动溴化锂吸收式制冷机，为超临界CO2朗肯循环中的冷凝过程提供低温冷量，保证系统稳定运行。

Description

超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统
技术领域
本公开涉及闭式发电装置技术领域，尤其涉及一种超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统。
背景技术
超临界二氧化碳(S-CO2)的临界点为7.38MPa，30.98℃，对于闭式发电装置是一种理想的工质，它的成本低、不可燃、无腐蚀性、化学性质稳定。超临界二氧化碳流体的密度较大(约为常温常压水的密度的60％)，相应的涡轮机械的尺寸将会非常小，系统的结构将会非常紧凑。超临界二氧化碳对热的利用效率多数情况下比蒸汽更高，这是因为相比水的蒸发过程或者有机朗肯循环中的有机工质的蒸发过程来说，工质CO2在临界点附近的热容可以更好的同显热热源的降温过程相匹配。
超临界CO2循环主要包括超临界CO2布雷顿循环和超临界CO2朗肯循环。对于前者，循环工质的加热和放热过程全部处于超临界压力状态，通过压缩机对降压冷却后的CO2工质进行加压；对于后者，循环工质加热过程处于超临界压力，而放热过程的压力小于临界压力，通过循环泵对临界点以下的液态CO2进行加压。
一般而言，要获得较高的超临界CO2循环效率，系统需要进行回热。而阻碍效率进一步提高的原因主要在于回热器中由于夹点问题引起的较大的换热温差和不可逆损失。而且，由于CO2循环运行压力非常高，高压一般在20MPa左右，低压也一般都在临界压力(7.38MPa)附近，回热器冷、热流体两侧的工作压力都非常高，加工制造难度极大，导致成本很高。另一方面，对于显热热源而言，由于回热器提高了CO2工质从热源吸热的初始温度，导致显热热源不能得到充分利用。除此之外，对于超临界CO2朗肯循环而言，由于环境温度受限，较低的冷凝温度常常难以满足，影响系统稳定运行。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统，以缓解现有技术中的超临界CO2朗肯循环系统回热器冷、热流体两侧的工作压力较高，加工制造难度极大，从而导致成本提高；并且回热器提高了CO2工质从热源吸热的初始温度，导致显热热源不能得到充分利用的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种超临界CO2和氨水联合循环系统，包括：超临界CO2朗肯循环系统，其利用中高温显热热源加热高压CO2流体工质，使其转化为高温高压的超临界状态，再利用所述高温高压的超临界CO2工质推动CO2工质透平膨胀做功；氨水朗肯循环系统，其利用所述CO2工质透平膨胀做功后排出的CO2气体加热氨水溶液，使其转化为氨水过热蒸汽，再利用所述氨水过热蒸汽推动氨水透平膨胀做功；以及溴化锂吸收式制冷机，其利用加热氨水溶液后的CO2气体以及所述氨水透平膨胀做功后排出的氨水混合蒸气作为溴化锂吸收式制冷机的热源，制冷机组制取冷能用于对所述超临界CO2朗肯循环系统中CO2气体的完全冷凝。
在本公开的一些实施例中，其中：所述氨水朗肯循环系统还包括：氨水换热器，其与所述氨水透平连通，并与所述CO2工质透平的排气管路连接，利用所述CO2工质透平排出的CO2气体加热氨水溶液。
在本公开的一些实施例中，所述溴化锂吸收式制冷机还包括：蒸气冷凝器，其与所述溴化锂吸收式制冷机的发生器连通，用于将所述发生器产生的蒸气完全冷凝为液体；蒸汽节流阀，其与所述蒸汽冷凝器连通，用于将所述蒸汽冷凝器冷凝的液体压力降低至其蒸发压力；以及蒸发-冷凝器，其与所述蒸汽节流阀连通，并与所述超临界CO2朗肯循环系统中的所述发生器下游管路连接，其利用处于蒸发压力的所述液体吸收所述超临界CO2朗肯循环系统中的所述发生器下游的所述CO2工质的冷凝热，使CO2工质完全冷凝；其中，所述超临界CO2朗肯循环系统中所述氨水换热器下游的管路和所述氨水朗肯循环系统中所述氨水透平下游的管路分别进入所述溴化锂吸收式制冷机的所述发生器中，且所述超临界CO2朗肯循环系统的管路位于所述氨水朗肯循环系统的管路的下方。
在本公开的一些实施例中，所述超临界CO2朗肯循环系统还包括：CO2循环泵，其与所述蒸发-冷凝器连接，用于将完全冷凝的CO2工质压缩成高压CO2流体工质；CO2换热器，其分别与所述CO2循环泵和所述CO2工质透平连通，并与所述中高温显热热源连接，用于将高压CO2流体工质转化为高温高压的超临界状态；CO2冷却器，其分别与所述CO2工质透平和所述CO2循环泵连通，并位于所述发生器的下游以及所述蒸发-冷凝器的上游，用于对所述CO2工质进行初步冷却。
在本公开的一些实施例中，所述氨水朗肯循环系统还包括：氨气冷凝器，其与所述氨水透平连通，且设置在所述氨水朗肯循环系统中所述发生器的下游，用于将所述氨水透平排出的、经过所述发生器的氨气完全冷凝成氨水；氨水循环泵，其分别与所述氨水换热器和所述氨气冷凝器连通，用于对完全冷凝的氨水加压。
在本公开的一些实施例中，所述溴化锂吸收式制冷机还包括：吸收器，其分别与所述发生器和所述蒸发-冷凝器连通，用于吸收所述蒸发-冷凝器排出的蒸汽，使其与所述发生器排出的溴化锂浓溶液混合成为溴化锂稀溶液；溶液换热器，其分别与所述发生器和所述吸收器连通，且设置于其二者之间，其利用所述发生器排出的溴化锂浓溶液预热所述吸收器排出的溴化锂稀溶液。
在本公开的一些实施例中，所述溴化锂吸收式制冷机还包括：溴化锂溶液泵，其设置在所述吸收器和所述溶液换热器之间，用于将所述吸收器排出的溴化锂稀溶液加压，使其经过溶液换热器后进入发生器中；以及溶液节流阀，其设置在所述吸收器和所述溶液换热器之间，用于对所述发生器排出的、经过溶液换热器换热后的溴化锂浓溶液进行降压，再使其流入所述吸收器。
在本公开的一些实施例中，所述中高温显热热源包括发动机排烟和/或工业余热。
根据本公开的另一个方面，还提供一种超临界CO2和氨水联合发电系统，包括：本公开提供的超临界CO2和氨水联合循环系统；以及发电机，其动力输入端与所述CO2工质透平和/或所述氨水透平的动力输出端同轴连接，用于产生电能。
在本公开的一些实施例中，所述CO2工质透平和所述氨水透平同轴连接，所述发电机的所述动力输入端与所述氨水透平的所述动力输出端同轴连接。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统具有以下有益效果的其中之一或一部分：
(1)本公开提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统取消了传统超临界CO2循环中的回热器，可在保证较高热力性能的前提下，减小系统中的不可逆损失，同时避免了由于回热器工作压力高导致的加工制造难度大、成本高的问题；
(2)由于取消了回热器，因此可降低CO2循环工质从显热热源吸热的初始温度，降低显热热源排出系统的温度，提高显热热源的利用效率；
(3)本公开提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统可充分利用联合循环的余热驱动吸收式制冷机，为超临界CO2朗肯循环的冷凝过程提供稳定冷源，保证系统正常运行，另外还能在热源充足的条件下，降低循环冷凝温度，进一步提高循环效率。
附图说明
图1为本公开实施例提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-CO2工质透平； 2-氨水透平； 3-发生器；
4-氨水换热器； 5-蒸气冷凝器； 6-蒸汽节流阀；
7-蒸发-冷凝器； 8-CO2循环泵； 9-CO2换热器；
10-CO2冷却器； 11-氨气冷凝器； 12-氨水循环泵；
13-吸收器； 14-溶液换热器； 15-溴化锂溶液泵；
16-溶液节流阀； 17-发电机。
具体实施方式
本公开实施例提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统通过设置氨水朗肯循环系统，取消了传统超临界CO2循环中的回热器，减小系统中的不可逆损失，同时避免了由于回热器工作压力高导致的加工制造难度大、成本高的问题。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
根据本公开的一个方面，提供一种超临界CO2和氨水联合循环系统，如图1所示，包括：超临界CO2朗肯循环系统、氨水朗肯循环系统以及溴化锂吸收式制冷机；超临界CO2朗肯循环系统利用中高温显热热源加热高压CO2流体工质，使其转化为高温高压的超临界状态，再利用高温高压的超临界CO2工质推动CO2工质透平膨胀做功；氨水朗肯循环系统利用CO2工质透平1膨胀做功后排出的CO2气体加热氨水溶液，使其转化为氨水过热蒸汽，再利用氨水过热蒸汽推动氨水透平2膨胀做功；溴化锂吸收式制冷机利用加热氨水溶液后的CO2气体以及氨水透平2膨胀做功后排出的氨水混合气作为溴化锂吸收式制冷机的热源，制冷机组制取冷能对超临界CO2朗肯循环系统中CO2气体的完全冷凝。本公开实施例提供的超临界CO2和氨水联合循环系统取消了传统超临界CO2循环中的回热器，可在保证较高热力性能的前提下，减小系统中的不可逆损失，同时避免了由于回热器工作压力高导致的加工制造难度大、成本高的问题；由于取消了回热器，因此可降低CO2循环工质从显热热源吸热的初始温度，降低显热热源排出系统的温度，提高显热热源的利用效率；同时可充分利用联合循环的余热驱动吸收式制冷机，为超临界CO2朗肯循环的冷凝过程提供稳定冷源，保证系统正常运行，另外还能在热源充足的条件下，降低循环冷凝温度，进一步提高循环效率。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，氨水朗肯循环系统还包括：氨水换热器4，其与氨水透平2连通，并与CO2工质透平1的排气管路连接，利用CO2工质透平1排出的CO2气体加热氨水溶液；
在本公开的一些实施例中，如图1所示，溴化锂吸收式制冷机还包括：蒸气冷凝器5、蒸汽节流阀6以及蒸发-冷凝器7，蒸气冷凝器5与发生器3连通，用于将发生器3产生的蒸气完全冷凝为液体；蒸汽节流阀6与蒸汽冷凝器5连通，用于将蒸汽冷凝器冷凝的液体压力降低至其蒸发压力；蒸发-冷凝器7与蒸汽节流阀6连通，并与超临界CO2朗肯循环系统中的发生器3下游管路连接，其利用处于蒸发压力的液体吸收超临界CO2朗肯循环系统中的发生器3下游的CO2工质的冷凝热，使CO2工质完全冷凝。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，超临界CO2朗肯循环系统还包括：CO2循环泵8、CO2换热器9以及CO2冷却器10；CO2循环泵8与蒸发-冷凝器7连接，用于将完全冷凝的CO2工质压缩成高压CO2流体工质；CO2换热器9分别与CO2循环泵8和CO2工质透平1连通，并与中高温显热热源连接，用于将高压CO2流体工质转化为高温高压的超临界状态；CO2冷却器10分别与CO2工质透平1和CO2循环泵8连通，并位于发生器3的下游以及蒸发-冷凝器7的上游，用于对CO2工质进行初步冷却。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，氨水朗肯循环系统还包括：氨气冷凝器11以及氨水循环泵12，氨气冷凝器11与氨水透平2连通，且设置在氨水朗肯循环系统中发生器的下游，用于将氨水透平2排出的、经过发生器3的氨气完全冷凝成氨水；氨水循环泵12分别与氨水换热器4和氨气冷凝器11连通，用于对完全冷凝的氨水加压。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，溴化锂吸收式制冷机还包括：吸收器13以及溶液换热器14，吸收器13分别与发生器3和蒸发-冷凝器7连通，用于吸收蒸发-冷凝器7排出的蒸汽，使其与发生器3排出的溴化锂浓溶液混合成为溴化锂稀溶液；溶液换热器14分别与发生器3和吸收器13连通，且设置于其二者之间，其利用发生器3排出的溴化锂浓溶液预热吸收器13排出的溴化锂稀溶液。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，溴化锂吸收式制冷机还包括：溴化锂溶液泵15和溶液节流阀16；溴化锂溶液泵15设置在吸收器13和溶液换热器14之间，用于将吸收器13排出的溴化锂稀溶液加压，使其经过溶液换热器14后进入发生器3中；溶液节流阀16设置在吸收器13和溶液换热器14之间，用于对发生器3排出的、经过溶液换热器14换热后的溴化锂浓溶液进行降压，再使其流入吸收器13。
在本公开的一些实施例中，中高温显热热源包括发动机排烟、工业余热或其二者的结合。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，超临界CO2朗肯循环系统中氨水换热器4下游的管路和氨水朗肯循环系统中氨水透平2下游的管路分别伸入溴化锂吸收式制冷机的发生器3中，且超临界CO2朗肯循环系统的管路位于氨水朗肯循环系统的管路的下方。
在本公开的一些实施例中，本公开提供的超临界CO2和氨水联合循环系统的具体工作过程为：
在超临界CO2朗肯循环系统中，完全冷凝的CO2工质被CO2循环泵8压缩成高压流体，在CO2换热器9中进一步被中高温显热热源(例如：燃气轮机排烟)加热到高温高压的超临界状态，高温高压的超临界CO2工质推动CO2工质透平1膨胀做功，CO2工质透平1的排气依次通过氨水换热器4和发生器3进行热回收，然后进入CO2冷却器10被冷却水冷却，最后进入蒸发-冷凝器7中，将热量传递给来自溴化锂吸收式制冷机的低温工质，实现完全冷凝，然后进入CO2循环泵8开始下一个循环。
在氨水朗肯循环系统中，氨水溶液通过氨水循环泵12加压，然后在氨水换热器4中吸收来自CO2工质透平1排气中的排热变成氨水过热蒸汽，然后推动氨水透平2膨胀做功，氨水透平2排汽进入发生器3中进行热回收，然后在氨气冷凝器11中通过与冷却水进行换热实现完全冷凝，随后进入氨水循环泵12中开始下一个循环。
在溴化锂吸收式制冷机中，从吸收器13出来的溴化锂稀溶液通过溴化锂溶液泵15加压后，进入溶液换热器14被来自发生器3的浓溶液预热，然后进入发生器3中的上部和下部，分别被来自氨水透平2排汽中的热和CO2工质透平1排出的、经过氨水换热器4的热量加热产生水蒸汽，并使发生器3中的溴化锂溶液浓度升高，发生器3底部的溴化锂浓溶液进入溶液换热器14进行热回收后，通过溶液节流阀16降压后进入吸收器13，发生器3顶部的蒸汽进入蒸汽冷凝器5中，被冷却水完全冷凝为液体，然后通过蒸汽节流阀6降低至蒸发压力，然后以较低温度进入蒸发-冷凝器7中，吸收CO2工质的冷凝热，从蒸发-冷凝器7排出的蒸汽进入吸收器13中，被来自发生器3底部的溴化锂浓溶液吸收使其转化为溴化锂稀溶液，同时向冷却水放热。
根据本公开的另一个方面，还提供一种超临界CO2和氨水联合发电系统，如图1所示，包括：本公开实施例提供的超临界CO2和氨水联合循环系统以及发电机17，发电机17的动力输入端与CO2工质透平1或氨水透平2中至少一个的动力输出端同轴连接，用于产生电能。
在本公开的一些实施例中，如图1所示，CO2工质透平1和氨水透平2同轴连接，发电机17的动力输入端与氨水透平2的动力输出端同轴连接。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的超临界CO2和氨水联合循环系统及发电系统取消了传统超临界CO2循环中的回热器，可在保证较高热力性能的前提下，减小系统中的不可逆损失，同时避免了由于回热器工作压力高导致的加工制造难度大、成本高的问题。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超临界CO2和氨水联合循环系统，包括：
超临界CO2朗肯循环系统，其利用中高温显热热源加热高压CO2流体工质，使其转化为高温高压的超临界状态，再利用所述高温高压的超临界CO2工质推动CO2工质透平膨胀做功；
氨水朗肯循环系统，其利用所述CO2工质透平膨胀做功后排出的CO2气体加热氨水溶液，使其转化为氨水过热蒸汽，再利用所述氨水过热蒸汽推动氨水透平膨胀做功；以及
溴化锂吸收式制冷机，其利用加热氨水溶液后的CO2气体以及所述氨水透平膨胀做功后排出的氨水混合蒸气作为溴化锂吸收式制冷机的热源，制冷机组制取冷能用于对所述超临界CO2朗肯循环系统中CO2气体的完全冷凝。
2.根据权利要求1所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，其中：
所述氨水朗肯循环系统还包括：氨水换热器，其与所述氨水透平连通，并与所述CO2工质透平的排气管路连接，利用所述CO2工质透平排出的CO2气体加热氨水溶液。
3.根据权利要求1所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，所述溴化锂吸收式制冷机还包括：
蒸气冷凝器，其与所述溴化锂吸收式制冷机的发生器连通，用于将所述发生器产生的蒸气完全冷凝为液体；
蒸汽节流阀，其与所述蒸汽冷凝器连通，用于将所述蒸汽冷凝器冷凝的液体压力降低至其蒸发压力；以及
蒸发-冷凝器，其与所述蒸汽节流阀连通，并与所述超临界CO2朗肯循环系统中的所述发生器下游管路连接，其利用处于蒸发压力的所述液体吸收所述超临界CO2朗肯循环系统中的所述发生器下游的所述CO2工质的冷凝热，使CO2工质完全冷凝；
其中，所述超临界CO2朗肯循环系统中所述氨水换热器下游的管路和所述氨水朗肯循环系统中所述氨水透平下游的管路分别进入所述溴化锂吸收式制冷机的所述发生器中，且所述超临界CO2朗肯循环系统的管路位于所述氨水朗肯循环系统的管路的下方。
4.根据权利要求3所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，所述超临界CO2朗肯循环系统还包括：
CO2循环泵，其与所述蒸发-冷凝器连接，用于将完全冷凝的CO2工质压缩成高压CO2流体工质；
CO2换热器，其分别与所述CO2循环泵和所述CO2工质透平连通，并与所述中高温显热热源连接，用于将高压CO2流体工质转化为高温高压的超临界状态；
CO2冷却器，其分别与所述CO2工质透平和所述CO2循环泵连通，并位于所述发生器的下游以及所述蒸发-冷凝器的上游，用于对所述CO2工质进行初步冷却。
5.根据权利要求4所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，所述氨水朗肯循环系统还包括：
氨气冷凝器，其与所述氨水透平连通，且设置在所述氨水朗肯循环系统中所述发生器的下游，用于将所述氨水透平排出的、经过所述发生器的氨气完全冷凝成氨水；
氨水循环泵，其分别与所述氨水换热器和所述氨气冷凝器连通，用于对完全冷凝的氨水加压。
6.根据权利要求3所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，所述溴化锂吸收式制冷机还包括：
吸收器，其分别与所述发生器和所述蒸发-冷凝器连通，用于吸收所述蒸发-冷凝器排出的蒸汽，使其与所述发生器排出的溴化锂浓溶液混合成为溴化锂稀溶液；
溶液换热器，其分别与所述发生器和所述吸收器连通，且设置于其二者之间，其利用所述发生器排出的溴化锂浓溶液预热所述吸收器排出的溴化锂稀溶液。
7.根据权利要求6所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，所述溴化锂吸收式制冷机还包括：
溴化锂溶液泵，其设置在所述吸收器和所述溶液换热器之间，用于将所述吸收器排出的溴化锂稀溶液加压，使其经过溶液换热器后进入发生器中；以及
溶液节流阀，其设置在所述吸收器和所述溶液换热器之间，用于对所述发生器排出的、经过溶液换热器换热后的溴化锂浓溶液进行降压，再使其流入所述吸收器。
8.根据权利要求1所述的超临界CO2和氨水联合循环系统，所述中高温显热热源包括发动机排烟和/或工业余热。
9.一种超临界CO2和氨水联合发电系统，包括：
如上述权利要求1至8中任一项所述的超临界CO2和氨水联合循环系统；以及
发电机，其动力输入端与所述CO2工质透平和/或所述氨水透平的动力输出端同轴连接，用于产生电能。
10.根据权利要求9所述的超临界CO2和氨水联合发电系统，所述CO2工质透平和所述氨水透平同轴连接，所述发电机的所述动力输入端与所述氨水透平的所述动力输出端同轴连接。
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