CN112177694A - 同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统及方法 - Google Patents

同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统及方法，所述循环系统包括主压缩机、低温回热器、高温回热器、预压缩机、透平和热源；所述低温回热器和高温回热器均包括低压侧和高压侧；所述主压缩机将工质压力提升至设计水平后进入低温回热器的高压侧预热，经过低温回热器预热后的工质经过预压缩机提升压力后进入高温回热器的高压侧加热，经过高温回热器加热的工质经过热源吸收热量进入透平做功将热能转换为机械能；所述透平出口的工质依次经过高温回热器的低压侧、低温回热器的低压侧回到主压缩机。本发明解决了单级回热循环的回热器引起有效功损失的问题。

Description

同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统及方法
技术领域
本发明涉及动力转换领域，具体涉及同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统及方法。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环是以超临界二氧化碳为工质、采用气体布雷顿热力学循环、充分结合工质物性、热力学原理与设备特性形成的创新型动力循环方式，具有系统热效率高、体积小、循环流程简单、变工况性能好等优势，是目前热能动力领域研究的前沿热点，可以与核能、太阳能、化石能、余热利用等进行有效结合，具有替代当前大规模使用的蒸汽朗肯循环的技术潜力。
对于常规单级回热超临界二氧化碳布雷顿循环，通过回热器将透平出口的低压高温工质热量传递给高压侧的高压低温工质。在回热器两侧，由于高压侧工质的热容高于低压侧工质热容，使得高压侧工质温升小于低压侧工质温降。即低压侧的高品质热能在传递给低压侧时，降低为低品质热能，减少了系统热效率。回热器两侧工质的热容差异越大，由此引起的有效功损失也越大。
发明内容
本发明所的目的在于提供同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，解决单级回热循环的回热器引起有效功损失的问题。
此外，本发明还提供基于上述循环系统的循环方法。
本发明通过下述技术方案实现：
同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括主压缩机、低温回热器、高温回热器、预压缩机、透平和热源；
所述低温回热器和高温回热器均包括低压侧和高压侧；
所述主压缩机将工质压力提升至设计水平后进入低温回热器的高压侧预热，经过低温回热器预热后的工质经过预压缩机提升压力后进入高温回热器的高压侧加热，经过高温回热器加热的工质经过热源吸收热量进入透平做功将热能转换为机械能；
所述透平出口的工质依次经过高温回热器的低压侧、低温回热器的低压侧回到主压缩机。
本发明的工作原理如下：
从主压缩机出来的流体，在低温回热器内被预热；接着进入预压缩机进一步提升压力后，进入高温回热器；在高温回热器进一步被加热后，进入热源；在热源内，工质吸收热量，在出口达到指定参数后，进入透平做功；在透平出口，工质的压力与温均有所降低；之后，工质先后经过高温回热器与低温回热器的低压侧，通过两个回热器，将工质的热量传递给高压侧；由低温回热器出来的流体回到主压缩机入口，形成一个闭式超临界二氧化碳布雷顿循环。
本发明相对于单级回热循环，本实施例所述临界二氧化碳布雷顿循环系统增加了一台回热器即高温回热器和预压缩机，通过本发明的设计，降低了低温回热器两侧压差，使得两侧物性差异减小，有助于提升回热器效率；通过增加一台预压缩机，提升了高温回热器高压侧温度，有助于进一步提升热源入口温度，提升系统热效率。
进一步地，还包括冷却器，所述冷却器置于低温回热器的低压侧和主压缩机之间的管道上。
进一步地，还包括发电机，所述发电机与透平的出口连接，用于将机械能转换成电能。
进一步地，主压缩机、预压缩机、透平和发电机同轴布置。
进一步地，主压缩机、预压缩机和透平同轴布置。
进一步地，低温回热器和高温回热器平行设置。
进一步地，主压缩机的出口通过管道与低温回热器的高压侧入口连接，所述低温回热器的高压侧出口通过管道与预压缩机的入口连接，所述预压缩机的出口通过管道与高温回热器的高压侧入口连接，所述高温回热器的高压侧出口通过管道与热源的入口连接，所述热源的出口通过管道与透平的入口连接；
所述透平的出口通过管道与高温回热器的低压侧入口连接，所述高温回热器的低压侧出口通过管道与低温回热器的低压侧入口连接，所述低温回热器的低压侧出口通过管道与主压缩机的入口连接。
进一步地，低温回热器的低压侧出口与主压缩机的入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器，所述主压缩机的出口和低温回热器的高压侧入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器。
进一步地，热源的出口和透平的入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器。
基于同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统的循环方法，包括以下步骤：
S1、工质在主压缩机内将压力提升至设计水平；
S2、压力提升至设计水平后的工质在低温回热器内被预热；
S3、预热后的工质进入预压缩机进一步提升压力后，进入高温回热器内加热；
S4、工质在高温回热器内被加热后进入热源吸收热量，在出口达到指定参数后进入透平做功；
S6、透平出口的工质先后经过高温回热器的低压侧、低温回热器的低压侧回到主压缩机，形成一个闭式超临界二氧化碳布雷顿循环。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明相对于单级回热循环，本实施例所述临界二氧化碳布雷顿循环系统增加了一台回热器即高温回热器和预压缩机，通过本发明的设计，降低了低温回热器两侧压差，使得两侧物性差异减小，有助于提升回热器效率；通过增加一台预压缩机，提升了高温回热器高压侧温度，有助于进一步提升热源入口温度，提升系统热效率。
2、本发明的主压缩机、预压缩机、透平以及电机采用同轴布置，有利用于减小设备体积和成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为超临界二氧化碳布雷顿循环系统的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-主压缩机，2-低温回热器，3-高温回热器，4-预压缩机，5-透平，6-发电机，7-冷却器，8-热源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，包括主压缩机1、低温回热器2、高温回热器3、预压缩机4、透平5和热源8；
所述低温回热器2和高温回热器3均包括低压侧和高压侧；
所述主压缩机1将工质压力提升至设计水平后进入低温回热器2的高压侧预热，经过低温回热器2预热后的工质经过预压缩机4提升压力后进入高温回热器3的高压侧加热，经过高温回热器3加热的工质经过热源8吸收热量进入透平5做功将热能转换为机械能；
所述透平5出口的工质依次经过高温回热器3的低压侧、低温回热器2的低压侧回到主压缩机1。
在本实施例中，所述主压缩机1的出口通过管道与低温回热器2的高压侧入口连接，所述低温回热器2的高压侧出口通过管道与预压缩机4的入口连接，所述预压缩机4的出口通过管道与高温回热器3的高压侧入口连接，所述高温回热器3的高压侧出口通过管道与热源8的入口连接，所述热源8的出口通过管道与透平5的入口连接；
所述透平5的出口通过管道与高温回热器3的低压侧入口连接，所述高温回热器3的低压侧出口通过管道与低温回热器2的低压侧入口连接，所述低温回热器2的低压侧出口通过管道与主压缩机1的入口连接。
本实施例的循环方法包括以下步骤：
S1、工质在主压缩机1内将压力提升至设计水平；
S2、压力提升至设计水平后的工质在低温回热器2内被预热；
S3、预热后的工质进入预压缩机4进一步提升压力后，进入高温回热器3内加热；
S4、工质在高温回热器3内被加热后进入热源8吸收热量，在出口达到指定参数后进入透平5做功；
S6、透平5出口的工质先后经过高温回热器3的低压侧、低温回热器2的低压侧回到主压缩机1，形成一个闭式超临界二氧化碳布雷顿循环。
在本实施例中，主压缩机1是系统主动力源，将工质压力提升至设计水平；低温回热器2与高温回热器3用于将透平出口的热量回收至高压侧，提升高压侧工质的做功能力；预压缩机4位于低温回热器2与高温回热器3冷侧即高压侧，将低温回热器2高压侧出口流体进一步提升压力后，进入高温回热器高压侧入口；透平5是系统的动能转换设备，将工质的热能转换为机械能；热源8是系统内的热量输入装置。
相对于单级回热循环，本实施例所述临界二氧化碳布雷顿循环系统增加了一台回热器即高温回热器3和预压缩机4，通过本实施例的设计，降低了低温回热器2两侧压差，使得两侧物性差异减小，有助于提升回热器效率；通过增加一台预压缩机4，提升了高温回热器3高压侧温度，有助于进一步提升热源8入口温度，提升系统热效率。
实施例2：
如图1所示，本实施例基于实施例1，还包括冷却器7和发电机6，所述冷却器7置于低温回热器2的低压侧和主压缩机1之间的管道上；所述发电机6与透平5的出口连接，用于将机械能转换成电能。
在本实施例中，发电机6将透平转轴的机械能转换成电能，向外输出电力；冷却器7是系统的热阱，进一步降低工质的温度，达到主压缩机1入口的设计要求。
实施例3：
如图1所示，本实施例基于实施例2，所述主压缩机1、预压缩机4、透平5和发电机6同轴布置，有利用于减小设备体积和成本；所述低温回热器2和高温回热器3平行设置。
实施例4：
如图1所示，本实施例基于实施例1，所述低温回热器2的低压侧出口与主压缩机1的入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器，所述主压缩机1的出口和低温回热器2的高压侧入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器；所述热源8的出口和透平5的入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器。
在本实施例中，通过在相应的管道上设置温度传感器和压力传感器测量工质的温度和压力，确保工质满足进入相关设备的条件。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，包括主压缩机(1)、低温回热器(2)、高温回热器(3)、预压缩机(4)、透平(5)和热源(8)；
所述低温回热器(2)和高温回热器(3)均包括低压侧和高压侧；
所述主压缩机(1)将工质压力提升至设计水平后进入低温回热器(2)的高压侧预热，经过低温回热器(2)预热后的工质经过预压缩机(4)提升压力后进入高温回热器(3)的高压侧加热，经过高温回热器(3)加热的工质经过热源(8)吸收热量进入透平(5)做功将热能转换为机械能；
所述透平(5)出口的工质依次经过高温回热器(3)的低压侧、低温回热器(2)的低压侧回到主压缩机(1)。
2.根据权利要求1所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，还包括冷却器(7)，所述冷却器(7)置于低温回热器(2)的低压侧和主压缩机(1)之间的管道上。
3.根据权利要求1所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，还包括发电机(6)，所述发电机(6)与透平(5)的出口连接，用于将机械能转换成电能。
4.根据权利要求3所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述主压缩机(1)、预压缩机(4)、透平(5)和发电机(6)同轴布置。
5.根据权利要求1所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述主压缩机(1)、预压缩机(4)和透平(5)同轴布置。
6.根据权利要求1所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述低温回热器(2)和高温回热器(3)平行设置。
7.根据权利要求1所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述主压缩机(1)的出口通过管道与低温回热器(2)的高压侧入口连接，所述低温回热器(2)的高压侧出口通过管道与预压缩机(4)的入口连接，所述预压缩机(4)的出口通过管道与高温回热器(3)的高压侧入口连接，所述高温回热器(3)的高压侧出口通过管道与热源(8)的入口连接，所述热源(8)的出口通过管道与透平(5)的入口连接；
所述透平(5)的出口通过管道与高温回热器(3)的低压侧入口连接，所述高温回热器(3)的低压侧出口通过管道与低温回热器(2)的低压侧入口连接，所述低温回热器(2)的低压侧出口通过管道与主压缩机(1)的入口连接。
8.根据权利要求7所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述低温回热器(2)的低压侧出口与主压缩机(1)的入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器，所述主压缩机(1)的出口和低温回热器(2)的高压侧入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器。
9.根据权利要求7所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于，所述热源(8)的出口和透平(5)的入口之间的管道上设置有温度传感器和压力传感器。
10.基于权利要求1-9任一项所述的同轴冷侧预压缩超临界二氧化碳布雷顿循环系统的循环方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、工质在主压缩机(1)内将压力提升至设计水平；
S2、压力提升至设计水平后的工质在低温回热器(2)内被预热；
S3、预热后的工质进入预压缩机(4)进一步提升压力后，进入高温回热器(3)内加热；
S4、工质在高温回热器(3)内被加热后进入热源(8)吸收热量，在出口达到指定参数后进入透平(5)做功；
S6、透平(5)出口的工质先后经过高温回热器(3)的低压侧、低温回热器(2)的低压侧回到主压缩机(1)，形成一个闭式超临界二氧化碳布雷顿循环。
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