CN110486968B - 一种基于co2工质的冷电联供系统 - Google Patents

一种基于co2工质的冷电联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CO2工质的冷电联供系统，包括有超临界CO2布雷顿循环发电系统、跨临界CO2循环制冷系统。本发明中超临界布雷顿循环与跨临界制冷循环的CO2在低温回热器的高温端入口混合，与高压低温的CO2换热，并在CO2冷却器中冷却至近临界区域，分成两部分，一部分CO2进入超临界布雷顿循环系统的压缩机升压，通过在回热器及加热器中吸收热量成高温高压的CO2，并在膨胀机中做功发电；另一部分CO2流入跨临界制冷循环系统的冷却器继续冷却至临界温度以下的液态，通过膨胀阀的降温降压，在蒸发器中蒸发制冷。本发明通过低温回热器及CO2冷却器将超临界CO2循环与跨临界CO2循环耦合，实现了发电系统及制冷系统的热量回收及冷却排热。

Description

一种基于CO2工质的冷电联供系统
技术领域
本发明属于动力工程及工程热物理技术领域，具体涉及一种基于CO2工质的冷电联供系统。
背景技术
随着能源需求的多样化，冷电联供系统得到了广泛的关注及研究，以同时满足发电和制冷的需求。
CO2作为一种自然工质，由于临界点(Tc＝30.98℃,Pc＝7.38MPa)较低，容易达到超临界状态，已被广泛用于能量的高效转换。在发电领域，国内外学者展开了超临界CO2布雷顿循环及跨临界CO2朗肯循环发电技术的研究，部分国家已展开了样机的制造和试验。在制冷领域，跨临界CO2制冷循环系统已日趋成熟，逐步向商业化应用发展。
将CO2的发电特性与制冷特性适当结合，可组成冷电联供系统。例如：在 2015年西安交通大学学报报导的吴毅等人研究《以液化天然气为冷源的超临界 CO2-跨临界CO2冷电联供系统》中，采用跨临界CO2循环作为底循环对再压缩式S-CO2循环进行余热回收，并采用液化天然气(LNG)为冷源对工质进行冷凝，建立了以LNG为冷源的冷电联供系统。又如2018年发电技术报导的夏文凯等人研究的《一种新型跨临界CO2冷电联供系统热力分析》中，提出了一种跨临界二氧化碳再压缩循环和喷射器制冷循环耦合的冷电联供系统，利用低品位工质驱动喷射器，以减少工质在预冷器中的能量损失。上述的冷电联供系统，两个循环之间或是通过换热器进行换热实现，或是通过喷射器耦合，因而CO2的联供系统多数存在结构复杂、成本偏高、难以控制等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CO2工质的高效、紧凑、成本低廉的冷电联供系统。
本发明这种基于CO2工质的冷电联供系统，包括超临界CO2布雷顿循环发电系统和跨临界CO2循环制冷系统，
其中：所述的超临界CO2布雷顿循环发电系统包括有S-CO2加热器(1)、经S-CO2加热器(1)的CO2进入S-CO2膨胀机(2)做功，S-CO2膨胀机(2)出口与高温回热器(4)高温端入口相连，高温回热器(4)低温端出口与制冷系统的压缩机(11)出口都与低温回热器(5)的高温端入口连接，低温回热器(5) 的低温端出口与S-CO2冷却器(6)的CO2入口相连，S-CO2冷却器(6)的CO2出口分成两部分，分别与S-CO2压缩机(7)和制冷循环的冷却器(8)的CO2入口相连，S-CO2压缩机(7)出口与低温回热器(5)低温端入口相连，低温回热器(5)高温端出口与高温回热器(4)的低温端入口相连，高温回热器(4) 高温端出口与S-CO2加热器(1)的CO2入口相连；所述的S-CO2膨胀机(2) 与第一发电机(3)相连；
所述的跨临界CO2循环制冷系统包括有S-CO2冷却器(6)，S-CO2冷却器(6) 的CO2出口分成两部分，分别与S-CO2压缩机(7)和制冷循环的冷却器(8) 的CO2入口相连，制冷循环的冷却器(8)的CO2液体出口与膨胀阀(9)入口，膨胀阀(9)CO2两相出口与蒸发器(10)的CO2入口相连，蒸发器(10)的CO2出口与制冷系统的压缩机(11)的入口相连，压缩机(11)的入口与低温回热器(5)的高温端入口连接，低温回热器(5)的低温端出口与S-CO2冷却器(6) 的CO2入口连接；
超临界CO2布雷顿循环发电系统和跨临界CO2循环制冷系统通过低温回热器(5)与S-CO2冷却器(6)共用CO2循环介质，两股CO2循环介质在低温回热器(5)高温端入口混合，在S-CO2冷却器(6)的CO2出口分流。
所述的S-CO2加热器(1)中需要提供热源，热源通过S-CO2加热器(1) 热源管路为CO2循环介质提供热能；所述的蒸发器(10)中，CO2通过蒸发吸热的方式为外界流体提供冷能；S-CO2冷却器(6)和制冷循环的冷却器(8)中需要提供冷源，冷源通过S-CO2冷却器(6)和制冷循环的冷却器(8)冷源管路为CO2循环介质提供冷能，S-CO2冷却器(6)和制冷循环的冷却器(8)共用冷源，冷源是先经过制冷循环的冷却器(8)，然后再通过S-CO2冷却器(6)。
所述的跨临界CO2循环制冷系统还包括回热器(12)，所述的冷却器(8) CO2液体出口与回热器(12)高温端入口相连，回热器(12)低温端出口与所述的膨胀阀(9)入口相连，膨胀阀(9)出口与蒸发器(10)CO2进口连接，蒸发器(10)CO2气体出口与回热器(12)低温端入口相连，回热器(12)高温端出口与压缩机(11)入口连接，压缩机(11)、低温回热器(5)、S-CO2冷却器(6)、冷却器(8)连接关系不变。
所述的超临界CO2布雷顿循环发电系统还包括S-CO2中间冷却器(13)、第二级S-CO2压缩机(14)、S-CO2再热器(15)、第二级S-CO2膨胀机(16)、第二发电机(17)。
所述的S-CO2中间冷却器(13)的CO2入口与S-CO2压缩机(7)的出口相连，S-CO2中间冷却器(13)的CO2出口连接于第二级S-CO2压缩机(14)入口，第二级S-CO2压缩机(14)出口与低温回热器(5)低温端入口相连；低温回热器(5)高温端出口与高温回热器(4)的低温端入口相连，高温回热器(4)高温端出口与S-CO2加热器(1)的CO2入口相连，S-CO2加热器(1)的CO2出口与S-CO2膨胀机(2)入口，S-CO2膨胀机(2)出口与S-CO2再热器(15)的 CO2入口相连，S-CO2再热器(15)的CO2出口与第二级S-CO2膨胀机(16)入口相连，第二级S-CO2膨胀机(16)的出口与高温回热器(4)高温端入口相连，高温回热器(4)、低温回热器(5)、S-CO2冷却器(6)、S-CO2压缩机(7)的连接关系不变。
所述的S-CO2加热器(1)和S-CO2再热器(15)共用热源，热源先经过S-CO2加热器(1)，然后再经过S-CO2再热器(15)，S-CO2中间冷却器(13)需要通过冷源管路提供冷能。
所述的冷电联供系统的各设备之间通过管道相连。
所述的冷电联供系统的S-CO2膨胀机(2)、第二级S-CO2膨胀机(16)、S-CO2压缩机(7)、第二级S-CO2压缩机(14)、压缩机(11)按系统的具体空间布局，可以选择同轴或不同轴。
本发明的有益效果：(1)本发明在一定冷热源的工况下，可同时满足发电和制冷的要求。(2)本发明通过低温回热器及S-CO2冷却器将超临界CO2循环与跨临界CO2循环耦合，使系统更加紧凑。(3)本发明中超临界CO2循环与跨临界CO2循环共用低温回热器及S-CO2冷却器，且减少了超临界CO2循环所需的再压缩机，降低了系统成本。(4)本发明中跨临界CO2循环的部分冷却热在低温回热器中被超临界CO2循环的高压低温流体吸收，不仅使低温回热器两侧流体的热容更加匹配，也极大提高了冷电联供系统的效率。(5)所用的跨临界CO2制冷循环，可通过布置回热器进一步提高制冷效率。(6)所用的超临界CO2循环系统具有多种系统形式，如再热式、中间冷却-多级压缩式，系统布置灵活、可进一步提高系统的发电效率。
附图说明
图1实施例1中的冷电联供系统连接示意图；
图2实施例2中的冷电联供系统连接示意图；
图3实施例3中的冷电联供系统连接示意图；
图中，1-S-CO2加热器、2-S-CO2膨胀机、3-第一发电机、4-高温回热器、 5-低温回热器、6-S-CO2冷却器、7-S-CO2压缩机、8-冷却器、9-膨胀阀、10-蒸发器、11-压缩机、12-回热器、13-S-CO2中间冷却器、14-第二级S-CO2压缩机、 15-S-CO2再热器、16-第二级S-CO2膨胀机、17-第二发电机
具体实施方式
下面结合附图中所列的三种联合循环结构说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所示的内容轻易的了解本发明的其它优点及功效。
实施例1
所述的冷电联供系统，S-CO2在S-CO2加热器1中被热源加热到高温高压的状态后，进入S-CO2膨胀机2做功并带动第一发电机3进行发电，接着S-CO2膨胀机2出来的高温低压S-CO2进入高温回热器4高温端入口，从高温回热器4 低温端出口的S-CO2与制冷系统的压缩机11出口的S-CO2混合并流入低温回热器5的高温端入口，接着低温回热器5的低温端出口的S-CO2进入S-CO2冷却器6被冷源冷却至近临界区域(～>31℃)，在S-CO2冷却器6出口分成两部分，一部分S-CO2进入发电系统，另一部分S-CO2进入制冷系统。
在发电系统中，S-CO2冷却器6出口的S-CO2一部分流入S-CO2压缩机7成为低温高压S-CO2后进入低温回热器5中，与从高温回热器4及压缩机11进入的高温低压CO2进行换热后升温，升温后的高压S-CO2从低温回热器5的高温端出口进入高温回热器4低温端入口，与从高温端入口进入的高温低压CO2进行换热后，流入S-CO2加热器1，完成发电循环。
对于制冷系统，从S-CO2冷却器6流出的另一部分S-CO2进入冷却器8进一步冷却至液态，接着液态CO2进入膨胀阀9中降温降压，膨胀阀9出口的CO2进入蒸发器10中蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器10出来的气体CO2在压缩机11中被压缩至超临界状态，并与发电循环的高温回热器4低温端出口的S-CO2混合进入低温回热器5，完成制冷循环。
此冷电联供系统中，S-CO2膨胀机2与S-CO2压缩机7、压缩机11同轴，即S-CO2膨胀机2做功时会带动同轴S-CO2压缩机7和压缩机11对CO2进行压缩。S-CO2冷却器(6)和制冷循环的冷却器(8)共用冷源，冷源是先经过制冷循环的冷却器(8)，然后再通过S-CO2冷却器(6)。
实施例2
所述的冷电联供系统，S-CO2在S-CO2加热器1中被热源加热到高温高压的状态后，进入S-CO2膨胀机2做功并带动第一发电机3进行发电，接着S-CO2膨胀机2出来的高温低压S-CO2进入高温回热器4高温端入口，从高温回热器4 低温端出口的S-CO2与制冷系统的压缩机11出口的S-CO2混合并流入低温回热器5的高温端入口，接着低温回热器5的低温端出口的S-CO2进入S-CO2冷却器6被冷源冷却至近临界区域(～>31℃)，在S-CO2冷却器6出口分成两部分，一部分S-CO2进入发电系统，另一部分S-CO2进入制冷系统。
在发电系统中，S-CO2冷却器6出口的S-CO2一部分流入S-CO2压缩机7成为低温高压S-CO2后进入低温回热器5中，与从高温回热器4及压缩机11进入的高温低压CO2进行换热，升温后的高压S-CO2从低温回热器5的高温端出口进入高温回热器4与进入的高温低压CO2进行换热后，流入S-CO2加热器1，完成发电循环。
对于制冷系统，从S-CO2冷却器6流出的另一部分S-CO2进入冷却器8进一步冷却至液态，接着液态CO2进入回热器12放热，从回热器12流出的液态 CO2在膨胀阀9中降温降压后，进入蒸发器10中蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器10出来的气体CO2进入回热器12，与进入的高温液态CO2进行热交换，进一步吸热的气体CO2在压缩机11中被压缩至超临界状态，并与发电循环的高温回热器4低温端出口的S-CO2混合进入低温回热器5，完成制冷循环。
此冷电联供系统中，S-CO2膨胀机2与S-CO2压缩机7、压缩机11同轴，即S-CO2膨胀机2做功时会带动同轴S-CO2压缩机7和压缩机11对CO2进行压缩。S-CO2冷却器(6)和制冷循环的冷却器(8)共用冷源，冷源是先经过制冷循环的冷却器(8)，然后再通过S-CO2冷却器(6)。本实施例在制冷循环中采用回热器，可提高系统的制冷效率，进一步保证制冷压缩机的安全运行。
实施例3
所述的冷电联供系统，S-CO2在S-CO2加热器1中被热源加热到高温高压的状态后，进入S-CO2膨胀机2做功并带动第一发电机3进行发电，接着S-CO2膨胀机2出来的S-CO2进入S-CO2再热器15被热源再次加热后，进入第二级 S-CO2膨胀机16，膨胀机16做功，并带动第二发电机17进行发电，第二级S-CO2膨胀机16出口的S-CO2流入高温回热器4高温端入口，从高温回热器4低温端出口的S-CO2与制冷系统的压缩机11出口的S-CO2混合并流入低温回热器5的高温端入口，接着低温回热器5的低温端出口的S-CO2进入S-CO2冷却器6被冷源冷却至近临界区域(～>31℃)，在S-CO2冷却器6出口分成两部分，一部分 S-CO2进入发电系统，另一部分S-CO2进入制冷系统。
在发电系统中，S-CO2冷却器6出口的S-CO2一部分流入S-CO2压缩机7后再次进入中间冷却器13被冷源冷却，中间冷却器13出口的S-CO2进入第二级 S-CO2压缩机14成为低温高压S-CO2后进入低温回热器5中，与从高温回热器 4及压缩机11进入的高温低压CO2进行换热，升温后的高压S-CO2从低温回热器5的高温端出口进入高温回热器4与进入的高温低压CO2进行换热后，流入 S-CO2加热器1，完成发电循环。
对于制冷系统，从S-CO2冷却器6流出的另一部分S-CO2进入冷却器8进一步冷却至液态，接着液态CO2进入膨胀阀9中降温降压，膨胀阀9出口的CO2进入蒸发器10中蒸发吸热并产生制冷量，从蒸发器10出来的气体CO2在压缩机11中被压缩至超临界状态，并与发电循环的高温回热器4低温端出口的S-CO2混合进入低温回热器5，完成制冷循环。
此冷电联供系统中，S-CO2膨胀机2、第二级S-CO2膨胀机16与S-CO2压缩机7、第二级S-CO2压缩机14、压缩机11同轴，即S-CO2膨胀机2、第二级 S-CO2膨胀机16做功时会带动同轴S-CO2压缩机7、第二级S-CO2压缩机14、压缩机11对CO2进行压缩。S-CO2冷却器(6)和制冷循环的冷却器(8)共用冷源，冷源是先经过制冷循环的冷却器(8)，然后再通过S-CO2冷却器(6)；所述的S-CO2加热器(1)和S-CO2再热器(15)共用热源，热源先经过S-CO2加热器(1)，然后再经过S-CO2再热器(15)。
本实施例在发电循环中布置的再热器、第二级S-CO2膨胀机可在同等配置下提高系统的发电量，而所布置的中间中间冷却器、第二级S-CO2压缩机14可显著降低实施例1中的S-CO2压缩机功耗，进一步提高系统的发电效率。

Claims (9)

1.一种基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，包括超临界CO2布雷顿循环发电系统和跨临界CO2循环制冷系统，
其中：所述的超临界CO2布雷顿循环发电系统包括有S-CO2加热器（1）、经S-CO2加热器（1）的CO2进入S-CO2膨胀机（2）做功，S-CO2膨胀机（2）出口与高温回热器（4）高温端入口相连，高温回热器（4）低温端出口与制冷系统的压缩机（11）出口都与低温回热器（5）的高温端入口连接，低温回热器（5）的低温端出口与S-CO2冷却器（6）的CO2入口相连，S-CO2冷却器（6）的CO2出口分成两部分，分别与S-CO2压缩机（7）和制冷循环的冷却器（8）的CO2入口相连，S-CO2压缩机（7）出口与低温回热器（5）低温端入口相连，低温回热器（5）高温端出口与高温回热器（4）的低温端入口相连，高温回热器（4）高温端出口与S-CO2加热器（1）的CO2入口相连；所述的S-CO2膨胀机（2）与第一发电机（3）相连；
所述的跨临界CO2循环制冷系统包括有S-CO2冷却 器（6），S-CO2冷 却器（6）的CO2出口分成两部分，分别与S-CO2压缩机（7）和制冷循环的冷却器（8）的CO2入口相连，制冷循环的冷却器（8）的CO2液体出口与膨胀阀（9）入口，膨胀阀（9）CO2两相出口与蒸发器（10）的CO2入口相连，蒸发器（10）的CO2出口与制冷系统的压缩机（11）的入口相连，压缩机（11）的出口与低温回热器（5）的高温端入口连接，低温回热器（5）的低温端出口与S-CO2冷却器（6）的CO2入口连接；
超临界CO2布雷顿循环发电系统和跨临界CO2循环制冷系统通过低温回热器（5）与S-CO2冷却器（6）共用CO2循环介质的，两股CO2循环介质在低温回热器（5）高温端入口混合，在S-CO2冷却器（6）的CO2出口分流。
2.根据权利要求1所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的S-CO2加热器（1）中需要提供热源，热源通过S-CO2加热器（1）热源管路为CO2循环介质提供热能；所述的蒸发器（10）中CO2通过蒸发吸热的方式为外界流体提供冷能；S-CO2冷却器（6）和制冷循环的冷却器（8）中需要提供冷源，冷源通过S-CO2冷却器（6）和制冷循环的冷却器（8）冷源管路为CO2循环介质提供冷能，S-CO2冷却器（6）和制冷循环的冷却器（8）共用冷源，冷源是先经过制冷循环的冷却器（8），然后再通过S-CO2冷却器（6）。
3.根据权利要求1或2所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的跨临界CO2循环制冷系统还包括回热器（12）。
4.根据权利要求3所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的冷却器（8）CO2液体出口与回热器（12）高温端入口相连，回热器（12）低温端出口与所述的膨胀阀（9）入口相连，膨胀阀（9）出口与蒸发器（10）CO2进口连接，蒸发器（10）CO2气体出口与回热器（12）低温端入口相连，回热器（12）高温端出口与压缩机（11）入口连接，压缩机（11）、低温回热器（5）、S-CO2冷却器（6）、冷却器（8）连接关系不变。
5.根据权利要求1或2所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的超临界CO2布雷顿循环发电系统还包括S-CO2中间冷却器（13）、第二级S-CO2压缩机（14）、S-CO2再热器（15）、第二级S-CO2膨胀机（16）、第二发电机（17）。
6.根据权利要求5所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的S-CO2中间冷却器（13）的CO2入口与S-CO2压缩机（7）的出口相连，S-CO2中间冷却器（13）的CO2出口连接于第二级S-CO2压缩机（14）入口，第二级S-CO2压缩机（14）出口与低温回热器（5）低温端入口相连；低温回热器（5）高温端出口与高温回热器（4）的低温端入口相连，高温回热器（4）高温端出口与S-CO2加热器（1）的CO2入口相连，S-CO2加热器（1）的CO2出口与S-CO2膨胀机（2）入口，S-CO2膨胀机（2）出口与S-CO2再热器（15）的CO2入口相连，S-CO2再热器（15）的CO2出口与第二级S-CO2膨胀机（16）入口相连，第二级S-CO2膨胀机（16）的出口与高温回热器（4）高温端入口相连，高温回热器（4）、低温回热器（5）、S-CO2冷却器（6）、S-CO2压缩机（7）的连接关系不变。
7.根据权利要求6所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的S-CO2加热器（1）和S-CO2再热器（15）共用热源，热源先经过S-CO2加热器（1），然后再经过S-CO2再热器（15），S-CO2中间冷却器（13）需要通过冷源管路提供冷能。
8.根据权利要求4或6所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的冷电联供系统的各设备之间通过管道相连。
9.根据权利要求6所述的基于CO2工质的冷电联供系统，其特征在于，所述的冷电联供系统的S-CO2膨胀机（2）、第二级S-CO2膨胀机（16）、S-CO2压缩机（7）、第二级S-CO2压缩机（14）、压缩机（11）按系统的具体空间布局，可以选择同轴或不同轴。
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