CN110043337B - 一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法，该系统包括高温热源、汽轮机、回热系统、冷却系统、压缩机和低温泵；本发明还公开了该系统的工作方法。本发明是一种全新的热力循环系统，系统理论计算循环效率远远超过了同条件下现有的热力循环系统，且实现了零成本、100％的碳捕集；与现有超临界二氧化碳动力循环系统相比，仅低温泵到汽轮机入口段为高压运行，其余设备均为低压运行，高压设备数量大大减小，建设成本大大降低，安全性大幅提高；液化天然气、太空环境可在冷却系统中作为低温热源，在航天、航海等领域应用中性能优异、潜力巨大。
Description
技术领域
本发明涉及热能动力工程领域，具体涉及一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环凭借其能量密度大、系统结构紧凑、循环效率较高的特点，有望取代蒸汽动力循环。但由于在超临界二氧化碳布雷顿循环中工质不能被加热到很高温度(低于620℃)，系统效率没有明显的竞争优势；压缩机功耗占比太大，严重影响系统效率；循环过程中工质压力全部位于临界压力以上，对各部件的材料提出更高要求，需要重新设计设备，投资成本很大。
关于Allam循环，Allam循环实际上就是一个富氧燃烧的布雷顿循环，其效率达到了59％，但这是在初温为1500℃、初压为30MPa的条件下得到的，且其循环过程工质压力全部大于临界压力，对设备的抗高温能力和承压能力提出了很高要求，实现的难度极大，不易于推广实施。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法，高温热源可以将工质加热到600～1500℃；将以二氧化碳为循环工质的汽轮机的出口压力降到临界压力以下，从而提高汽轮机的比焓降；将二氧化碳冷却为饱和液体后再用低温泵加压，使压缩每单位质量二氧化碳的功耗大幅减少，且当高温热源采用天然气和氧气在超临界二氧化碳气氛中燃烧的燃烧方法时，可以将循环中多余的二氧化碳直接提出而无需再冷凝压缩，实现零成本的100％的碳捕集与封存；冷却系统可以采用太空环境、液化天然气作为冷源，有效利用了天然冷量，且使本循环可以在太空中应用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，该系统包括高温热源A、汽轮机B、回热系统C、冷却系统D、压缩机E和低温泵F；
具体连接关系为：高温热源A出口连接汽轮机B入口，汽轮机B出口连接回热系统C放热侧一级入口，回热系统C放热侧的一级出口连接冷却系统D的放热侧一级入口，冷却系统D放热侧一级出口连接压缩机E入口，压缩机E出口连接回热系统C放热侧二级入口，回热系统C放热侧二级出口连接冷却系统D放热侧二级入口，冷却系统D放热侧二级出口连接低温泵F入口，低温泵F出口连接回热系统C吸热侧入口，回热系统C吸热侧出口连接高温热源A入口形成二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统回路。
所述汽轮机B出口压力为0.005～0.5MPa。
所述回热系统C包括若干换热器。
所述冷却系统D包括若干低温换热装置，冷源由外界提供。
所述冷却系统D放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上汽轮机B出口压力对应的温度。
所述压缩机E出口压力大于0.6MPa。
所述冷却系统D放热侧二级出口温度等于压缩机E出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。
所述低温泵F出口压力为10～30MPa。
所述二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统使用的工质为二氧化碳。
上述一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统的工作方法，二氧化碳饱和液体经低温泵F加压后进入回热系统C定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在高温热源A中定压吸热，进入汽轮机B做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统中定压放热，进入冷却系统D定压放热，又经压缩机E压缩并再次进入回热系统C定压放热，再进入冷却系统D定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵F升压完成循环。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明可以采取多种热源为高温热源A，尤其在采用天然气和氧气在超临界二氧化碳气氛中燃烧的燃烧室后，工质可以被加热到1500℃以上，系统效率得以大幅提高。Allam循环的汽轮机入口温度和压力分别为1500℃和30MPa，系统效率为59.0％，经计算，本发明的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，在汽轮机B入口温度和压力分别为1200℃和10MPa、汽轮机B出口压力为0.01MPa、压缩机出口压力为0.7MPa时，系统实际循环效率为67.0％，与Allam循环相比，本系统在汽轮机入口的温度和压力分别减少20％和50％的情况下，效率提高了8.0％。
2.本发明提高了汽轮机比焓降，不仅使系统效率大幅提高，且与Allam循环相比，在相同功率条件下，单次循环净功增加50％～60％，工质质量流量减少33％～38％。
3.本发明中冷却系统可以采用液化天然气作为冷源，有效利用了天然冷量；太空环境温度极低，是一个天然的取之不尽、用之不竭的大冷库，因此本发明的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统在太空发电领域潜力巨大。
4.在本循环中，只有低温泵F至汽轮机B这段区域是高压的，其他设备不需要承受高压，与现有的超临界二氧化碳热力循环系统相比，高压设备数量大大减小，建设成本大大降低，安全性提高。
5.本发明将二氧化碳液化后再压缩，系统的压缩功减少70～80％；当高温热源采用天然气和氧气在超临界二氧化碳气氛中燃烧的燃烧方法时，可以将循环中多余的二氧化碳直接提出而无需再收集冷凝压缩，实现零成本的100％的碳捕集与封存，有望在今后建立高效率、零排放的新型绿色电站。
附图说明
图1为本发明一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统示意图。
图2为本发明一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统的温熵图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，包括高温热源A、汽轮机B、回热系统C、冷却系统D、压缩机E和低温泵F；
具体连接关系为：高温热源A出口连接汽轮机B入口，汽轮机B出口连接回热系统C放热侧一级入口，回热系统C放热侧的一级出口连接冷却系统D的放热侧一级入口，冷却系统D放热侧一级出口连接压缩机E入口，压缩机E出口连接回热系统C放热侧二级入口，回热系统C放热侧二级出口连接冷却系统D放热侧二级入口，冷却系统D放热侧二级出口连接低温泵F入口，低温泵F出口连接回热系统C吸热侧入口，回热系统C吸热侧出口连接高温热源A入口形成二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统回路。
作为本发明的优选实施方式，所述高温热源A可以采用天然气和氧气在超临界二氧化碳气氛中燃烧的燃烧方法，也可以与核反应堆、太阳能光热等其他热源系统配合运行。
作为本发明的优选实施方式，所述汽轮机B出口压力为0.005～0.5MPa。
作为本发明的优选实施方式，所述回热系统C包括若干换热器。
作为本发明的优选实施方式，所述冷却系统D包括若干低温换热装置，冷源由外界提供，例如液化天然气、太空环境。
作为本发明的优选实施方式，所述冷却系统D放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上汽轮机B出口压力对应的温度。
作为本发明的优选实施方式，所述压缩机E可以采取带级间冷却的多级压缩方式。
作为本发明的优选实施方式，所述压缩机E出口压力大于0.6MPa。
作为本发明的优选实施方式，所述冷却系统D放热侧二级出口温度等于压缩机出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。
作为本发明的优选实施方式，所述低温泵F出口压力为10～30MPa。
作为本发明的优选实施方式，所述二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统使用的工质为二氧化碳。
如图1所示，本发明一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统的工作方法，二氧化碳饱和液体在低温泵F压力上升至10～30MPa,成为二氧化碳过冷液体，后进入回热系统C定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳循环工质在高温热源A中定压吸热，温度上升到600～1500℃，进入汽轮机B，温度和压力不断降低并做功，从超临界二氧化碳变成二氧化碳过热气体，最终压力降至0.005～0.01MPa，又在回热系统中定压放热，进入冷却系统D定压放热，又经压缩机E压缩并再次进入回热系统C定压放热，再进入冷却系统D定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵F升压完成循环。
如图2所示，上述一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统的温熵图，1-2过程中工质进入汽轮机B做功，2-3过程工质在回热系统C中定压放热，3-4过程工质在冷却系统D中定压放热，4-5过程工质在压缩机E中升压，5-6过程工质在回热系统C中定压放热，6-7过程工质在冷却系统D中定压放热直到成为饱和液体，7-8过程工质在低温泵F中近似等熵压缩，8-9过程工质在回热系统C中定压吸热，9-1过程工质在高温热源A中定压吸热。
Claims (10)
1.一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于，包括高温热源（A）、汽轮机（B）、回热系统（C）、冷却系统（D）、压缩机（E）和低温泵（F）；
具体连接关系为：高温热源（A）出口连接汽轮机（B）入口，汽轮机（B）出口连接回热系统（C）放热侧一级入口，回热系统（C）放热侧的一级出口连接冷却系统（D）的放热侧一级入口，冷却系统（D）放热侧一级出口连接压缩机（E）入口，压缩机（E）出口连接回热系统（C）放热侧二级入口，回热系统（C）放热侧二级出口连接冷却系统（D）放热侧二级入口，冷却系统（D）放热侧二级出口连接低温泵（F）入口，低温泵（F）出口连接回热系统（C）吸热侧入口，回热系统（C）吸热侧出口连接高温热源（A）入口形成二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统回路；所述二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统回路中的循环工质为二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述汽轮机（B）出口压力为0.005～0.5MPa。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述回热系统（C）包括若干换热器。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述冷却系统（D）包括若干低温换热装置，冷源由外界提供。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述冷却系统（D）放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上汽轮机（B）出口压力对应的温度。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述压缩机（E）出口压力大于0.6MPa。
7.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述冷却系统（D）放热侧二级出口温度等于压缩机（E）出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。
8.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述低温泵（F）出口压力为10～30MPa。
9.根据权利要求1所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，其特征在于：所述二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统使用的工质为二氧化碳。
10.权利要求1至9任一项所述的一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统的工作方法，其特征在于：二氧化碳饱和液体经低温泵（F）加压后进入回热系统（C）定压吸热，成为超临界二氧化碳，超临界二氧化碳在高温热源（A）中定压吸热，进入汽轮机（B）做功后成为二氧化碳过热气体，又在回热系统中定压放热，进入冷却系统（D）定压放热，又经压缩机（E）压缩并再次进入回热系统（C）定压放热，再进入冷却系统（D）定压放热直到成为二氧化碳饱和液体后，进入低温泵（F）升压完成循环。
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