CN110821584A - 一种超临界二氧化碳朗肯循环系统及联合循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超临界二氧化碳朗肯循环系统及联合循环系统，该超临界二氧化碳朗肯循环系统包括：第一加热器；第二加热器，第二加热器的烟气入口与第一加热器的烟气出口连通，第二加热器的工质出口与第一加热器的工质入口连通；回热器，回热器的冷流体出口和第一加热器的工质入口连通，回热器的热流体出口与冷却系统的入口连接；二氧化碳循环泵，二氧化碳循环泵的工质出口分别与回热器的冷流体入口及第二加热器的工质入口连通；二氧化碳透平，二氧化碳透平的入口与第一加热器的工质出口连通，二氧化碳透平的出口与回热器的热流体入口连通；与所二氧化碳透平连接的第一发电机；以及冷凝器。这样，可以使联合循环系统的结构比较简单和紧凑。

Description

一种超临界二氧化碳朗肯循环系统及联合循环系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳朗肯循环系统及联合循环系统。
背景技术
随着发电技术的不断发展，联合循环技术得到了大力推广和应用。联合循环是系统一种由不同工质的热力循环系统组成的联合工作系统，其在发电时，前一级产生的废气被用来驱动下一级热机推动发电机，这样可以大幅提高燃料的效率，从而提高发电量。通常，现有的联合循环系统主要由燃气轮机系统与水蒸汽朗肯循环系统组成；然而，采用这种结构的联合循环，其结构比较庞大和复杂。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种超临界二氧化碳朗肯循环系统及联合循环系统，解决了现有的联合循环系统的结构比较庞大和复杂的问题。
为达上述目的，本发明实施例提供一种超临界二氧化碳朗肯循环系统，包括：
第一加热器；
第二加热器，所述第二加热器的烟气入口与所述第一加热器的烟气出口连通，所述第二加热器的工质出口与所述第一加热器的工质入口连通；
回热器，所述回热器的冷流体出口和所述第一加热器的工质入口连通；
二氧化碳循环泵，所述二氧化碳循环泵的工质出口分别与所述回热器的冷流体入口及所述第二加热器的工质入口连通；
二氧化碳透平，所述二氧化碳透平的入口与所述第一加热器的工质出口连通，所述二氧化碳透平的出口与所述回热器的热流体入口连通；
与所述二氧化碳透平连接的第一发电机；
以及冷凝器，所述冷凝器的工质入口与所述回热器的热流体出口连通，所述冷凝器的工质出口与所述二氧化碳循环泵的工质入口连通。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
太阳能反射镜；
以及安装于太阳能反射镜上的吸热管，所述吸热管的入口与所述二氧化碳循环泵的出口连通，所述吸热管的出口与所述第一加热器的工质入口连通。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
海水循环泵，所述海水循环泵的入口与海洋连通，所述海水循环泵的出口与所述冷凝器的海水入口连通；
其中，所述冷凝器的的海水出口与海洋连通。
本发明实施例还提供一种联合循环系统，包括：
燃气轮机循环系统，所述燃气轮机循环系统包括压缩机、燃烧室、燃气透平和第二发电机，其中，所述燃烧室分别与所述压缩机和所述燃气透平连通，所述燃气透平分别与所述压缩机和所述第二发电机连接；
超临界二氧化碳朗肯循环系统，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统的烟气入口与所述燃气透平的出口连通。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统包括：
第一加热器，所述第一加热器的烟气入口与所述燃气透平的出口连通，所述第一加热器的烟气入口为所述超临界二氧化碳朗肯循环系统的烟气入口；
第二加热器，所述第二加热器的烟气入口与所述第一加热器的烟气出口连通，所述第二加热器的工质出口与所述第一加热器的工质入口连通；
回热器，所述回热器的冷流体出口和所述第一加热器的工质入口连通；
二氧化碳循环泵，所述二氧化碳循环泵的工质出口分别与所述回热器的冷流体入口及所述第二加热器的工质入口连通；
二氧化碳透平，所述二氧化碳透平的入口与所述第一加热器的工质出口连通，所述二氧化碳透平的出口与所述回热器的热流体入口连通；
与所述二氧化碳透平连接的第一发电机；
以及冷凝器，所述冷凝器的工质入口与所述回热器的热流体出口连通，所述冷凝器的工质出口与所述二氧化碳循环泵的工质入口连通。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
太阳能反射镜；
以及安装于太阳能反射镜上的吸热管，所述吸热管的入口与所述二氧化碳循环泵的出口连通，所述吸热管的出口与所述第一加热器的工质入口连通。
可选的，所述太阳能反射镜为抛物槽式反射镜或线性菲涅尔反射镜。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
海水循环泵，所述海水循环泵的入口与海洋连通，所述海水循环泵的出口与所述冷凝器的海水入口连通；
其中，所述冷凝器的的海水出口与海洋连通。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明实施例，通过所述超临界二氧化碳朗肯循环系统与所述燃气轮机循环系统组成所述联合循环系统，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统采用超临界二氧化碳作为工质，这样可以使所述联合循环系统的结构比较简单和紧凑。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种联合循环系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种超临界二氧化碳朗肯循环系统1，包括：
第一加热器11；
第二加热器12，所述第二加热器12的烟气入口与所述第一加热器11的烟气出口连通，所述第二加热器12的工质出口与所述第一加热器11的工质入口连通；
回热器13，所述回热器13的冷流体出口和所述第一加热器11的工质入口连通；
二氧化碳循环泵14，所述二氧化碳循环泵14的工质出口分别与所述回热器13的冷流体入口及所述第二加热器12的工质入口连通；
二氧化碳透平15，所述二氧化碳透平15的入口与所述第一加热器11的工质出口连通，所述二氧化碳透平15的出口与所述回热器13的热流体入口连通；
与所述二氧化碳透平15连接的第一发电机16；
以及冷凝器17，所述冷凝器17的工质入口与所述回热器13的热流体出口连通，所述冷凝器17的工质出口与所述二氧化碳循环泵14的工质入口连通。
本实施例中，所述第一加热器11、所述第二加热器12、所述回热器13以及所述冷凝器17，均为换热器。具体地，所述第一加热器11和所述第二加热器12主要用于对超临界二氧化碳工质加热，且所述第一加热器11的烟气入口可以用于与其他热力循环系统中的排烟的出口连通，以对从其他热力循环系统出来的烟气进行回收利用；而通过所述第二加热器12的烟气出口可以对前述其他热力循环系统的排烟进行排出。所述回热器13主要用于对热能进行回收，而所述冷凝器17则主要用于把气体工质的热量带走，以使气体工质完全冷凝。
此外，所述超临界二氧化循环系统1采用所述二氧化碳循环泵14，相对于布雷顿循环系统中的压缩机，可以实现在降低设备投资的同时，减少循环工质增压的功耗；此外，所述二氧化碳循环泵14的出口侧工质温度较低，能够将系统排烟温度降到最低，从而最大限度的回收烟气余热。
应说明的是，朗肯循环系统是以水蒸汽作为工质的一种热力循环系统，其可以在联合循环系统中作为底循环；所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1则是以超临界二氧化碳作为工质的热力循环系统。其中，超临界二氧化碳是温度和压力均高于临界值的二氧化碳流体；其介于气体和液体之间，同时具有气体和液体的物理和化学性质。超临界二氧化碳的能量密度大，压缩性好，从而能够大幅节省空间，有利于提高舰船等用能设备的空间利用率，此外还可以降低设备初期投资，易于安装和维护。进一步地，超临界二氧化碳循环工质在加热过程中存在温度滑移现象，从而能够与烟气等显热热源较好地匹配。
所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的工作过程可以是：将所述第一加热器11与燃气轮机循环系统中的燃气透平的烟气出口相连通，这样，燃气轮机系统的排烟将依次经过所述第一加热器11和所述第二加热器12，以实现烟气余热的梯级利用。而在所述超临界二氧化碳循环系统1中，超临界二氧化碳工质经过所述二氧化碳循环泵14提高压力后分流为两股，其中一股流经所述回热器13吸收所述二氧化碳透平15的排气热量，另一股流经所述第二加热器12以吸收燃气轮机系统排出至所述第二加热器12的烟气的低温余热；之后，两股被加热的超临界二氧化碳工质流体合并汇入所述第一加热器11，被进一步加热至高温高压的状态；而被加热至高温高压的超临界二氧化碳工质之后会进入所述二氧化碳透平15膨胀做功，以带动所述第一发电机16发电。所述二氧化碳透平15的的排气经过所述回热器13，使热量得以回收利用，而从所述回热器13出来的排气将会进入所述冷凝器17进行冷凝，以转变成液态二氧化碳，进而开始下一个循环。
这样，可以减少所述回热器13在冷流体侧的工质流量，进而缓解了所述回热器13中的冷热流体由于比热容差异大而导致的换热效率低的问题；此外，所述二氧化碳循环泵14分流出的流经所述第二加热器12的流体能够实现燃气轮机系统烟气余热的深度梯级利用，降低系统排烟温度，从而增加余热利用量，进而提高发电量。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1还包括：
太阳能反射镜18；
以及安装于太阳能反射镜18上的吸热管19，所述吸热管19的入口与所述二氧化碳循环泵14的出口连通，所述吸热管19的出口与所述第一加热器11的工质入口连通。
其中，所述太阳能反射镜18可以是多个，从而形成太阳能反射镜场。此外，所述太阳能反射镜18可以是抛物槽式反射镜或线性菲涅尔反射镜，根据系统设计参数的不同，还可以采用其他太阳能反射镜，对此并不作限制。注意，所述吸热管19可以是一种吸收太阳辐射能并向传热工质传递热量的管状部件。
所述太阳能反射镜18可和所述吸热管19可以组成一太阳能集热器系统，以通过聚光收集中低温的太阳热能，以用于加热所述超临界二氧化碳系统的部分超临界二氧化碳工质，从而可以作为所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的辅助驱动热源。
这样，通过所述二氧化碳循环泵14加压后的超临界二氧化碳工质还可以分流出一股流体进入所述吸热管19以吸收中低温太阳热能，从而借助所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1实现中低温太阳能的高效发电。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1还包括：
海水循环泵110，所述海水循环泵110的入口与海洋连通，所述海水循环泵110的出口与所述冷凝器17的海水入口连通；
其中，所述冷凝器17的的海水出口与海洋连通。
本实施方式中，由于二氧化碳的的临界压力和温度分别为7.38MPa和31.1℃，而所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的冷凝温度一般为20～25℃，这样的冷凝温度通常难以得到，因而对系统的稳定运行存在较大影响。而我国沿海次表层的水深通常介于10至300米之间，温度为12至20℃，甚至可以低至6至12摄氏度，容易看出这是超临界二氧化碳循环系统的良好天然冷源。
通过所述海水循环泵110即可抽取海水作为所述超临界二氧化碳的低温冷源，从而实现所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1中超临界二氧化碳循环工质的完全冷凝，同时可以有效降低透平排气压力，使单位工质流量作功量增加，从而提高所述超临界二氧化碳循环系统的发电效率。此过程中，只需要额外为所述海水循环泵110提高极少的电能即可，且该天然冷源温度稳定。
本实施例中，通过使所述二氧化碳循环泵14的工质出口分别与所述回热器13的冷流体入口及所述第二加热器12的工质入口连通，能够使被所述二氧化碳循环泵14加压后的二氧化碳分为两股，一股经过所述回热器13回收所述二氧化碳透平15的排气热量，另一股进入所述第二加热器12回收燃气轮机烟气中的低温余热；这样可以增加联合循环系统余热利用量，从而提高发电量。
如图1所示，本发明实施例还提供一种联合循环系统，包括：
燃气轮机循环系统2，所述燃气轮机循环系统包括压缩机21、燃烧室22、燃气透平23和第二发电机24，其中，所述燃烧室22分别与所述压缩机21和所述燃气透平23连通，所述燃气透平23分别与所述压缩机21和所述第二发电机24连接；
超临界二氧化碳朗肯循环系统1，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的烟气入口与所述燃气透平23的出口连通。
其中，在所述联合循环系统中，所述燃气轮机循环系统22为顶循环系统，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1为底循环系统。所述燃气轮机系统2通过燃料和空气的燃烧，实现输入燃料化学能，输出机械功和烟气余热，而机械功带动发电机发电，烟气余热则可以作为超临界二氧化碳朗肯循环的驱动热源。
本实施例，通过采用所述超临界二氧化碳朗肯循环系统与所述燃气轮机循环系统组成所述联合循环系统，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统采用超临界二氧化碳作为工质，可以使所述联合循环系统的结构比较简单和紧凑。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1包括：
第一加热器11，所述第一加热器11的烟气入口与所述燃气透平23的出口连通，所述第一加热器11的烟气入口为所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的烟气入口；
第二加热器12，所述第二加热器12的烟气入口与所述第一加热器11的烟气出口连通，所述第二加热器12的工质出口与所述第一加热器11的工质入口连通；
回热器13，所述回热器13的冷流体出口和所述第一加热器11的工质入口连通；
二氧化碳循环泵14，所述二氧化碳循环泵14的工质出口分别与所述回热器13的冷流体入口及所述第二加热器12的工质入口连通；
二氧化碳透平15，所述二氧化碳透平15的入口与所述第一加热器11的工质出口连通，所述二氧化碳透平15的出口与所述回热器13的热流体入口连通；
与所述二氧化碳透平15连接的第一发电机16；
以及冷凝器17，所述冷凝器17的工质入口与所述回热器13的热流体出口连通，所述冷凝器17的工质出口与所述二氧化碳循环泵14的工质入口连通。
其中，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的相关说明已经在第一个实施例中作了详细阐述，为避免重复，在此不再赘述。
这样，通过使所述二氧化碳循环泵14的工质出口分别与所述回热器13的冷流体入口及所述第二加热器12的工质入口连通，能够使被所述二氧化碳循环泵14加压后的二氧化碳分为两股，一股经过所述回热器13回收所述二氧化碳透平15的排气热量，另一股进入所述第二加热器12回收燃气轮机烟气中的低温余热；这样可以增加联合循环系统余热利用量，从而提高发电量。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1还包括：
太阳能反射镜18；
以及安装于太阳能反射镜18上的吸热管19，所述吸热管19的入口与所述二氧化碳循环泵14的出口连通，所述吸热管19的出口与所述第一加热器11的工质入口连通。
其中，所述太阳能反射镜18以及所述吸热管19的相关说明已经在第一个实施例中作了详细阐述，为避免重复，在此不再赘述。
这样，通过所述二氧化碳循环泵14加压后的超临界二氧化碳工质还可以分流出一股进入所述吸热管19以吸收中低温太阳热能，从而进一步提升所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1的发电效率。
可选的，所述太阳能反射镜18为抛物槽式反射镜或线性菲涅尔反射镜；这样可以具备较低的维护和清洗成本。当然，所述太阳能反射镜还可以为其他反射镜，具体可以根据系统的参数进行设计，对此并不作限制。
可选的，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统1还包括：
海水循环泵110，所述海水循环泵110的入口与海洋连通，所述海水循环泵110的出口与所述冷凝器17的海水入口连通；
其中，所述冷凝器17的的海水出口与海洋连通。
本实施方式中，关于所述海水循环泵110的相关说明已经在第一个实施例中作了详细阐述，为避免重复，在此不再赘述。
这样，通过所述海水循环泵110即可将海水作为所述超临界二氧化碳的低温冷源，而且只需要额外为所述海水循环泵110提高极少的电能，便可最终实现超临界二氧化碳工质的完全冷凝，提高发电效率，且冷源温度稳定。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超临界二氧化碳朗肯循环系统，其特征在于，包括：
第一加热器；
第二加热器，所述第二加热器的烟气入口与所述第一加热器的烟气出口连通，所述第二加热器的工质出口与所述第一加热器的工质入口连通；
回热器，所述回热器的冷流体出口和所述第一加热器的工质入口连通；
二氧化碳循环泵，所述二氧化碳循环泵的工质出口分别与所述回热器的冷流体入口及所述第二加热器的工质入口连通；
二氧化碳透平，所述二氧化碳透平的入口与所述第一加热器的工质出口连通，所述二氧化碳透平的出口与所述回热器的热流体入口连通；
与所述二氧化碳透平连接的第一发电机；
以及冷凝器，所述冷凝器的工质入口与所述回热器的热流体出口连通，所述冷凝器的工质出口与所述二氧化碳循环泵的工质入口连通。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳朗肯循环系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
太阳能反射镜；
以及安装于太阳能反射镜上的吸热管，所述吸热管的入口与所述二氧化碳循环泵的出口连通，所述吸热管的出口与所述第一加热器的工质入口连通。
3.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳朗肯循环系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
海水循环泵，所述海水循环泵的入口与海洋连通，所述海水循环泵的出口与所述冷凝器的海水入口连通；
其中，所述冷凝器的的海水出口与海洋连通。
4.一种联合循环系统，其特征在于，包括：
燃气轮机循环系统，所述燃气轮机循环系统包括压缩机、燃烧室、燃气透平和第二发电机，其中，所述燃烧室分别与所述压缩机和所述燃气透平连通，所述燃气透平分别与所述压缩机和所述第二发电机连接；
超临界二氧化碳朗肯循环系统，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统的烟气入口与所述燃气透平的出口连通。
5.根据权利要求4所述的联合循环系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统包括：
第一加热器，所述第一加热器的烟气入口与所述燃气透平的出口连通，所述第一加热器的烟气入口为所述超临界二氧化碳朗肯循环系统的烟气入口；
第二加热器，所述第二加热器的烟气入口与所述第一加热器的烟气出口连通，所述第二加热器的工质出口与所述第一加热器的工质入口连通；
回热器，所述回热器的冷流体出口和所述第一加热器的工质入口连通；
二氧化碳循环泵，所述二氧化碳循环泵的工质出口分别与所述回热器的冷流体入口及所述第二加热器的工质入口连通；
二氧化碳透平，所述二氧化碳透平的入口与所述第一加热器的工质出口连通，所述二氧化碳透平的出口与所述回热器的热流体入口连通；
与所述二氧化碳透平连接的第一发电机；
以及冷凝器，所述冷凝器的工质入口与所述回热器的热流体出口连通，所述冷凝器的工质出口与所述二氧化碳循环泵的工质入口连通。
6.根据权利要求5所述的联合循环系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
太阳能反射镜；
以及安装于太阳能反射镜上的吸热管，所述吸热管的入口与所述二氧化碳循环泵的出口连通，所述吸热管的出口与所述第一加热器的工质入口连通。
7.根据权利要求6所述的联合循环系统，其特征在于，所述太阳能反射镜为抛物槽式反射镜或线性菲涅尔反射镜。
8.根据权利要求5所述的联合循环系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳朗肯循环系统还包括：
海水循环泵，所述海水循环泵的入口与海洋连通，所述海水循环泵的出口与所述冷凝器的海水入口连通；
其中，所述冷凝器的的海水出口与海洋连通。
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