CN111946410A - 一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统 - Google Patents

一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，包括：充注工质回路，包括依次连接的充注储罐、预热器及加热器，超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于充注工质的充注接口，加热器连接至充注接口；回收工质回路，包括依次连接的预冷器、冷却器及回收储罐，超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于排出工质的排气接口，预冷器连接至排气接口；预热预冷回路，与预热器和预冷器连接，预热预冷回路用于供换热介质流动，并用于与经过预热器的工质进行换热以实现工质的预热，及与经过预冷器的工质进行换热以实现工质的预冷。本发明提供一种能减小超临界二氧化碳闭式循环储注时加热器和冷却器功率的预热预冷系统。

Description

一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统。
背景技术
超临界二氧化碳闭式循环由于其压缩功小、效率高、设备体积小及可空冷等特点，成为近年国内外研究的热点。在超临界二氧化碳闭式循环系统的起停与变工况阶段，循环回路内二氧化碳工质需要通过充注或排放增减循环内工质总量，因此需要根据循环回路设置相应的充注与排放回收回路。
大功率的二氧化碳循环要求大容量的储注系统，且二氧化碳在大容量储存时通常需要冷却至液态，在向超临界二氧化碳闭式循环系统充注时需要加热至气态，因此储注系统的加热器和冷却器功率往往较大，成本较高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种能减小超临界二氧化碳闭式循环储注系统中加热器和冷却器功率的预热预冷系统。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其中，包括：
充注工质回路，包括依次连接的充注储罐、预热器及加热器，超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于充注工质的充注接口，所述加热器连接至所述充注接口；
回收工质回路，包括依次连接的预冷器、冷却器及回收储罐，所述超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于排出工质的排气接口，所述预冷器连接至所述排气接口；以及
预热预冷回路，与所述预热器和所述预冷器连接，所述预热预冷回路用于供换热介质流动，并用于与经过所述预热器的工质进行换热以实现工质的预热，及与经过所述预冷器的工质进行换热以实现工质的预冷。
可选的，所述预热预冷回路包括：
储罐；
预热回路，包括与所述储罐的出液口连通的预热介质循环管路，所述预热介质循环管路连接所述预热器后与所述储罐的进液口连通；
预冷回路，包括与所述储罐的出液口连通的预冷介质循环管路，所述预冷介质循环管路连接所述预冷器后与所述储罐的进液口连通。
可选的，所述预热预冷系统还包括：
第一泵体或第一压缩机，设于所述预热水循环管路上。
可选的，所述预热预冷系统还包括：
第二泵体或第二压缩机，设于所述预冷水循环管路上。
可选的，所述预热预冷系统还包括：
第三泵体或第三压缩机，设于所述充注工质回路上。
可选的，所述第三泵体设于所述充注储罐与所述预热器之间。
可选的，所述回收工质回路还包括：
孔板，设于所述排气接口与所述预冷器之间。
可选的，所述储罐上设置有保温装置。
可选的，所述预热回路与所述预冷回路汇合后连通所述储罐的进水口。
可选的，所述换热介质包括水、乙醇或水银。
本发明的有益之处在于：设置了预热预冷回路，预热预冷回路与充注工质回路中的预热器连接，能为充注工质回路中的工质预热，预热预冷回路还与回收工质回路中的预冷器连接，为回收工质回路的工质预冷，从而减小了加热器和冷却器的功率，节约了成本。
附图说明
图1是本发明实施例中预热预冷系统的结构示意图。
图中：
100、充注工质回路；200、回收工质回路；300、预热回路；400、预冷回路；
1、充注储罐；2、第三泵体；3、预热器；4、加热器；5、储罐；6、第一泵体；7、第二泵体；8、回收储罐；9、冷却器；10、预冷器；11、孔板；12、充注接口；13、排气接口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供了一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，预热预冷系统用于50MWe超临界二氧化碳储注，如图1所示，预热预冷系统包括充注工质回路100和回收工质回路200，充注工质回路100用于向超临界二氧化碳闭式循环中充注工质，工质即二氧化碳。回收工质回路200用于将超临界二氧化碳闭式循环中的工质排出至外部回收储存。如图1所示，超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于充注二氧化碳的充注接口12，以及设置有用于排出二氧化碳的排气接口13。可以理解的是，充注工质回路100连接至充注接口12，回收工质回路200连接至排气接口13。
如图1所示，充注工质回路100包括依次连接的充注储罐1、预热器3及加热器4，加热器4与充注接口12连接。充注储罐1中的工质从充注储罐1流出后，依次流过预热器3及加热器4加热升温，使工质加热成气态，通过充注接口12充注到超临界二氧化碳闭式循环中。
回收工质回路200包括依次连接的预冷器10、冷却器9及回收储罐8，预冷器10与排气接口13连接。超临界二氧化碳闭式循环中的工质从排气接口13流出后依次流过预冷器10和冷却器9冷却降温，使工质冷却成液态，最后流到回收储罐8中储存。
本发明的预热预冷系统还包括预热预冷回路，预热预冷回路中流动有换热介质，换热介质例如水，预热预冷回路用于与经过预热器3的工质进行换热以实现对经过预热器3的工质进行预热，且预热预冷回路用于与经过预冷器10的工质进行换热以实现对经过预冷器10的工质进行预冷。通过预热预冷回路对工质进行预热和预冷，这样就降低了加热器4和冷却器9的负荷，从而减小了加热器4和冷却器9的功率，节约了设备的成本。
预热预冷回路中的换热介质也不限于水，还可以为其它换热介质，例如乙醇、酒精等，可以根据不同储注回路设计与储注点参数选择换热介质，在此不作限制。
请参考图1，预热预冷回路包括储罐5、预热回路300和预冷回路400。
预热回路300包括与储罐5的出液口连通的预热介质循环管路，预热介质循环管路连接预热器3后与储罐5的进液口连通，以使预热介质循环管路中的换热介质(例如水)流经预热器3，为充注工质回路100中的工质预热。
预冷回路400包括与储罐5的出液口连通的预冷介质循环管路，预冷介质循环管路连接预冷器10后与储罐5的进液口连通，以使预冷介质循环管路中的换热介质流经预冷器10，为回收工质回路200中的工质预冷。
预热回路300与预冷回路400共用储罐5，储罐5中的换热介质从储罐5的出液口流出后分两路，一路为预热回路300，另一路为预冷回路400，预热回路300与预冷回路400分别流过预热器3和预冷器10后，在储罐5的前端汇合，预热回路300与预冷回路400汇合后连通储罐5的进液口。以上结构可以减少储罐5的数量，以及减少储罐5上进液口和出液口的数量，同时减少管路的数量。
另外，可以理解的是，预热回路300与预冷回路400也可以为两条完全分开的回路，各自用一个储罐5。或者直接将预热回路300与预冷回路400合成一个同一条回路，回路中的换热介质经过预热器3和预冷器10，在此不作限制。
当换热介质为水时，储罐5中的水是常温放置，也可以根据需要在储罐5上设置保温装置或加热装置，例如在储罐5上设置保温层，这样可以进一步减小了加热器4和冷却器9的功耗。
如图1所示，预热回路300中的预热介质循环管路连接在预热器3的前后两端，这里的前后是以回路中流体的流向来进行区分，预热器3所在的充注工质回路100中，工质从预热器3前端流到预热器3后端。预热预冷系统还包括第一泵体6或第一压缩机，第一泵体6或第一压缩机设置在预热介质循环管路上，用于促进预热回路300中的换热介质沿从预热器3后端流向预热器3前端的方向流动，具体是选择第一泵体6还是选择压缩机，可根据需要具体设置，在此不作限制。第一泵体6或第一压缩机在预热介质循环管路上的设置位置也不限制。换热介质从预热器3后端流向预热器3前端能提升预热效果，因为预热器3的工质是从前端流向后端，而使换热介质从预热器3后端流向前端，这样换热介质与工质形成逆流，预热效果更好。
类似的，如图1所示，预冷回路400中的预冷介质循环管路连接预冷器10的前后两端。预热预冷系统还包括第二泵体7或第二压缩机，第二泵体7或第二压缩机设置在预冷介质循环管路上，用于促进预冷回路400中的换热介质沿从预冷器10后端流向预冷器10前端的方向流动，而工质从预冷器10的前端流到预冷器10的后端，这样使得预冷器10中的循环水与工质形成逆流，预冷效果更好。具体是在预冷介质循环管路上设置第二泵体7或第二压缩机在此不作限制，同时对于第二泵体7或第二压缩机在预冷介质循环管路上的设置位置也不具体限制。
本发明预热预冷回路的结构及运行方式简单，只需在已有的超临界二氧化碳闭式循环系统的基础上增加本发明的预热预冷回路即可，无需复杂的设计和改造成本；另外，预热预冷回路可选的换热介质种类多，易于实现。
请参考图1，预热预冷系统还包括第三泵体2或第三压缩机，第三泵体2或第三压缩机设置在充注工质回路100上，用于促进充注工质回路100中的工质沿从充注储罐1流向充注接口12的方向流动。另外，第三泵体2可以为增压泵，为工质增压。
较佳的，可以将第三泵体2设于充注储罐1与预热器3之间，使得第三泵体2设于充注工质回路100的较前端，能将工质在较靠前的位置时就进行增压。
如图1所示，回收工质回路200还包括孔板11，孔板11为节流元件。一般的，孔板11是一块具有圆形开孔的金属薄板，为常用的节流元件，在此不再赘述。孔板11设置在排气接口13与预冷器10之间，使得工质从排气接口13流出后即可经过孔板11进行节流降压，使工质降低至储罐压力。
在向超临界二氧化碳闭式循环充注工质时，充注过程如下：
S1：启动预热回路300，让储罐5中的换热介质流过预热器3；
S2：开启充注工质回路100的阀门、第三泵体2及加热器4，将充注储罐1中的工质充入超临界二氧化碳闭式循环；
S3：充注达到需求质量后，停止充注，关闭充注工质回路100的阀门、第三泵体2及加热器4；
S4：停止运行预热回路300，关闭预热回路300的第一泵体6与阀门。
储罐1的工作压力约为2.16MPa，体积约为60-100m3；储罐5水温约为20℃，储罐5工作压力为2.16MPa，体积约为60-100m3；第三泵体2将工质升压至8MPa，第三泵体2的额定流量为5kg/s；预热器3将工质预热至15℃，加热器4将预热后的工质加热至32℃。
在将超临界二氧化碳闭式循环中的工质排出时，排出工质过程如下：
S11：启动预冷回路400，让储罐5中的换热介质流过预冷器10；
S12：开启回收工质回路200的阀门、第二泵体7及冷却器9，将超临界二氧化碳闭式循环排出的工质冷凝回收至回收储罐8；
S13：排出工质量达到目标后，停止排出，关闭回收工质回路200的阀门、第二泵体7及冷却器9；
S14：停止运行预冷回路400，关闭预冷回路400的第二泵体7与阀门。
孔板11将工质节流至2.3Mpa，工质回收额定流量5kg/s。预冷器10将工质冷却至25℃。冷却器9将工质冷却至-17℃，形成液态二氧化碳。
本发明实施例中，预热器3功率约为343kW，加热器4功率约为318kW，本发明可减小加热功耗51.9％；预冷器10功率约为343.4kW，冷却器9功率约为1616.2kW，本发明可减小冷却功耗17.5％。
通常情况下，充注工质回路100与回收工质回路200不同时工作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于，包括：
充注工质回路(100)，包括依次连接的充注储罐(1)、预热器(3)及加热器(4)，超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于充注工质的充注接口(12)，所述加热器(4)连接至所述充注接口(12)；
回收工质回路(200)，包括依次连接的预冷器(10)、冷却器(9)及回收储罐(8)，所述超临界二氧化碳闭式循环中设置有用于排出工质的排气接口(13)，所述预冷器(10)连接至所述排气接口(13)；以及
预热预冷回路，与所述预热器(3)和所述预冷器(10)连接，所述预热预冷回路用于供换热介质流动，并用于与经过所述预热器(3)的工质进行换热以实现工质的预热，及与经过所述预冷器(10)的工质进行换热以实现工质的预冷。
2.根据权利要求1所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述预热预冷回路包括：
储罐(5)；
预热回路(300)，包括与所述储罐(5)的出液口连通的预热介质循环管路，所述预热介质循环管路连接所述预热器(3)后与所述储罐(5)的进液口连通；
预冷回路(400)，包括与所述储罐(5)的出液口连通的预冷介质循环管路，所述预冷介质循环管路连接所述预冷器(10)后与所述储罐(5)的进液口连通。
3.根据权利要求2所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述预热预冷系统还包括：
第一泵体(6)或第一压缩机，设于所述预热介质循环管路上。
4.根据权利要求2所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述预热预冷系统还包括：
第二泵体(7)或第二压缩机，设于所述预冷介质循环管路上。
5.根据权利要求1所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述预热预冷系统还包括：
第三泵体(2)或第三压缩机，设于所述充注工质回路(100)上。
6.根据权利要求5所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述第三泵体(2)设于所述充注储罐(1)与所述预热器(3)之间。
7.根据权利要求1所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述回收工质回路(200)还包括：
孔板(11)，设于所述排气接口(13)与所述预冷器(10)之间。
8.根据权利要求2所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述储罐(5)上设置有保温装置。
9.根据权利要求2所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述预热回路(300)与所述预冷回路(400)汇合后连通所述储罐(5)的进液口。
10.根据权利要求1所述的用于超临界二氧化碳闭式循环储注的预热预冷系统，其特征在于：
所述换热介质包括水、乙醇或水银。
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