CN112943396B - 工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环系统及方法 - Google Patents

工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环系统及方法 Download PDF

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Abstract

工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环系统及方法，包括超临界动力循环子系统以及混合物组分调节子系统，超临界动力循环子系统包括相连的热源和透平；透平经高温回热器、低温回热器与分流器相连通，分流器的出口一路与冷却器的入口相连通，冷却器的出口一路经混合物组分调节子系统与混合室相连通；冷却器的工质侧出口另一路经混合室与低温回热器的高压侧入口相连通，分流器的另一路与低温回热器高压侧出口经高温回热器与热源工质侧入口相连通。本发明解决了超临界布雷顿循环压缩机吸气温度难以有效冷却至工质临界温度附近的问题，使得偏离工况下压缩机功耗显著下降，因此超临界动力循环在长周期运行过程中的平均热效率得以显著提升。

Description

工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环系统及方法
技术领域
本发明属于发电系统技术领域，具体涉及工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环 系统及方法。
背景技术
解决能源发展质量和效率问题，必须改革以煤炭为主导的能源结构、控制化石能源使用 量、增加可再生能源所占比例，同时，进一步提高能源转换效率。
太阳能是现阶段可开发的存量最大、分布最广的可再生能源。以我国为例，太阳能年辐 射量超过60亿焦耳/平米，每年可接收的辐射能相当于17000亿吨标准煤，利用太阳能发电 潜力巨大。目前，制约太阳能热发电技术发展的主要问题在于效率优势不明显、发电成本较 高。动力循环的高参数化是解决上述问题的有效途径。随着集热技术的进步，光热发电系统 的热源已能达到800～1000℃，但常规蒸汽朗肯循环因效率提升难度大、水介质腐蚀性强等问 题，并不适用于高参数条件下的热功转换。
近年来，以超临界二氧化碳(SCO2)为工质的闭式布雷顿循环引起了国际学术界与工业 界的关注。研究表明，当透平温度大于550℃时，SCO2布雷顿循环热效率要高于蒸汽朗肯循 环及氦气布雷顿循环，且兼具功率密度大、结构紧凑等优势。超临界布雷顿循环的性能优势 主要得益于在临界点附近工质物性存在突变的特点。将压缩机吸气点设置于临界点附近，可 利用近临界区内工质压缩因子小而变化快，密度大而变化慢的特性，最大程度地减小压缩耗 功，从而使循环的热效率显著提升。
然而，能否充分发挥基于近临界点物性特征的效率优势，很大程度上取决于超临界布雷 顿循环的冷源条件及相应的冷却技术。对于光热发电，电站场址年太阳直射辐射总量至少需 要达到1600kWh/m2，而满足此要求的地区主要集中于南北纬15°～40°之间的内陆干旱、半干 旱气候区。太阳辐射能与水资源时空分布的不一致，使得发展基于空冷技术的超临界布雷顿 循环成为必然选择。
由于空气传热能力比水差，空冷器需要更大的换热温差来保证超临界流体的有效冷却， 使得压缩机吸气点在高环境温度下严重偏离临界点，导致压缩功耗急速增加、循环效率显著 下降。此外，环境温度的昼夜变化及季节性起伏对空冷效果影响很大，进一步增加了压缩机 吸气参数的控制难度，从而对长周期运行下的超临界布雷顿循环效率及稳定性产生不利影响。
现有技术主要从循环构型和工质特性两方面入手来解决上述问题。
在改进循环构型方面，文献[1]引入压缩机级间冷却技术构建新型循环，对于降低高吸气 温度条件下的压缩功耗作用明显。在此基础上，文献[2]通过增加压缩级数使压缩过程趋近等 温压缩，使循环理论效率提升了1-3％。总体来看，上述技术可以在一定程度上优化压缩过程， 但无法从根本上解决冷源温度过高带来的不利影响。
在改善工质特性方面，已有技术通过在CO2中添加其他工质形成二元混合物来改变工质 临界点，来解决高冷源温度条件下超临界流体的有效冷却问题。文献[3]对比了不同CO2二元 混合物与纯CO2对超临界布雷顿循环性能的影响，发现使用临界温度更高的二元混合物(如 CO2/丁烷)可减缓因压缩机吸气温度升高而引起的循环效率下降。专利[4]公开了一种二元混 合工质超临界布雷顿循环光热发电系统及方法，其动力循环以CO2和SF6混合物为工质，其 中SF6的临界点比CO2高。上述研究证实了改变工质临界点方法对于解决压缩机入口温度难 以维持在工质临界点附近这一问题的有效性、可行性，但缺乏对冷源温度周期性变化特征的 考虑。将CO2与某一高临界点工质混合可解决高冷源温度(即环境温度)下的压缩功耗过大 问题，但由于环境温度具有昼夜及季节性波动的特点，当环境温度远低于混合工质临界点时， 上述设计方案会限制低温冷源的有益效果，或导致超临界流体的过度冷却，使压缩机吸气点 进入亚临界区，从而对动力循环的稳定性和热效率产生非常不利的影响。
综上，如何在偏离设计工况下(包括环境温度过高、过低及周期性波动的情况)使压缩 机吸气参数始终维持理想的微超临界状态，从而消除热发电系统长周期运行过程中冷源温度 变化对超临界布雷顿循环稳定性和热效率的影响，仍是一项依靠现有技术无法有效解决的关 键问题。
参考文献：
[1]Wang X,Liu Q,Lei J,et al.Investigation of thermodynamicperformances for two-stage recompression supercritical CO2 Brayton cycle withhigh temperature thermal energy storage system[J].Energy Conversion andManagement,2018,165:477-487.
[2]Heo J,Kim M,Baik S,et al.Thermodynamic study of supercritical CO2Brayton cycle using an isothermal compressor[J].Applied Energy,2017,206:1118-1130.
[3]Hu L,Chen D,Huang Y,et al.Investigation on the performance of thesupercritical Brayton cycle with CO2-based binary mixture as working fluidfor an energy transportation system of a nuclear reactor[J].Energy,2015,89:874-886.
[4]白文刚，张旭伟，乔永强，等.混合物工质超临界布雷顿循环光热发电系统及发电方 法[P].发明专利，中国，CN111749862A，2020.
发明内容
本发明的目的在于提供一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统及方法，以解决偏 离设计工况时，高参数太阳能热发电系统中超临界动力循环冷端参数与冷源温度无法匹配的 问题。
为达上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，包括超临界动力循环子系统以及混合物 组分调节子系统，超临界动力循环子系统包括热源、透平、高温回热器、低温回热器、分流 装置、再压缩机、冷却器、第一截止阀、混合室及主压缩机；
其中，透平的入口与热源的工质侧出口相连，透平的出口与高温回热器低压侧入口相连 通，高温回热器低压侧出口与低温回热器低压侧入口相连通，低温回热器低压侧出口与分流 器的入口相连通，分流器的出口为两路，一路与冷却器的工质侧入口相连通，冷却器的工质 侧出口分开两路，一路与混合物组分调节子系统入口相连，冷却器的工质侧出口的另一路经 第一截止阀与混合室入口相连通，混合室的出口与低温回热器的高压侧入口相连通，分流器 的另一路与低温回热器高压侧出口及高温回热器高压侧入口相连通，高温回热器高压侧出口 与热源工质侧入口相连通；混合物组分调节子系统出口经第七截止阀与混合室入口相连通。
本发明进一步的改进在于，混合物组分调节子系统包括混合物分离装置、低临界点混合 物冷凝器、低临界点混合物储罐、高临界点混合物冷凝器、高临界点混合物储罐、工质泵、 加热器、一级减压阀、二级减压阀和二级减压阀、第二截止阀和第六截止阀；
其中，冷却器工质侧出口经第二截止阀、一级减压阀与混合物分离装置的入口相连通， 混合物分离装置的出口分为两路，一路与低临界点混合物储罐的入口相连通，低临界点混合 物储罐的出口与工质泵的入口相连通，另一路与高临界点混合物储罐的入口相连通，高临界 点混合物储罐的出口经第六截止阀、工质泵与加热器工质侧入口相连通，加热器工质侧出口 经第七截止阀与混合室的入口相连通。
本发明进一步的改进在于，混合物分离装置的出口的一路经第三截止阀、二级减压阀、 低临界点混合物冷凝器与低临界点混合物储罐的入口相连通。
本发明进一步的改进在于，低临界点混合物储罐的出口经过第四截止阀与工质泵的入口 相连通。
本发明进一步的改进在于，混合物分离装置的出口的另一路经第五截止阀、二级减压阀、 高临界点混合物冷凝器与高临界点混合物储罐的入口相连通。
本发明进一步的改进在于，混合室的出口经主压缩机与低温回热器的高压侧入口相连通； 分流器的另一路经再压缩机与低温回热器的高压侧出口与高温回热器高压侧入口相连通。
本发明进一步的改进在于，混合物分离装置为精馏装置、气液分离器、膜分离装置、吸 附式分离装置或分流T形管；工质泵为变频工质泵。
一种如上所述的工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统的工作方法，当冷源温度在预 设温度范围内变化时，打开第一截止阀，关闭第二截止阀和第七截止阀，具有初始组分比的 混合物被热源加热升温，热源工质侧出口的高温高压超临界混合物进入透平完成做功发电， 透平出口的超临界混合物依次在高温回热器与低温回热器中进行余热回收，超临界混合物温 度逐渐下降，来自低温回热器低压侧出口的超临界混合物通过分流器分为两路，一路进入冷 却器放热，使混合物温度降至临界温度附近，冷却后的混合物经混合室进入主压缩机完成升 压过程，之后进入低温回热器吸热升温；另一路经再压缩机升压后，与低温回热器高压侧出 口混合物混合，混合后的工质依次进入高温回热器及热源吸热升温，混合物恢复高温高压超 临界状态，完成一次循环；
当冷源温度升高且超过预设温度范围上限值时，关闭第一截止阀，打开第二截止阀和第 七截止阀，由冷却器工质侧出口流出的具有初始组分比的超临界混合物经第二截止阀进入一 级减压阀，降压后混合物由超临界状态转变为亚临界气液两相状态，随后气液两相混合物进 入混合物分离装置进行组分分离，气液两相混合物经分离装置后分为两路，第三截止阀开启， 第四截止阀关闭，分离后的低临界点混合物依次经二级减压阀降压、低临界点冷凝器冷凝后 形成低压过冷液，利用压差将该过冷液储存于低临界点混合物储罐中，第五截止阀和第六截 止阀均为开启状态，分离后的高临界点混合依次经二级减压阀降压、高临界点冷凝器冷凝后 形成低压过冷液，该低压过冷液进入高临界点混合物储罐并与罐中留存的低压高临界点混合 物相混合，混合物后的低压液态高临界点混合物经过第六截止阀后进入工质泵，通过工质泵 升压后高临界点混合物压力超过临界压力，且工质泵出口压力与动力循环低压侧压力水平相 同，工质泵流出的高压液态高临界点混合物进入加热器，在加热器中混合物吸热温度不断升 高直至高于混合物临界点温度并达到微超临界状态，处于微超临界状态的高临界点混合物经 第七截止阀后进入超临界动力循环子系统并完成循环，当临界温度达到预设值后，关闭第二 截止阀和第七截止阀，并打开第一截止阀；
当冷源温度降低且超过预设温度范围下限值时，第六截止阀为关闭状态，分离后的高临 界点混合物在压差作用下储存于高临界点混合物储罐中，第四截止阀为开启状态，分离后的 低临界点混合物经减压、冷凝后进入低临界点混合物储罐，并与低临界点混合物储罐中留存 的低压低临界点混合物混合，混合后的低临界点混合物依次经工质泵升压、加热器升温后达 到微超临界状态，该超临界低临界点混合物经第七截止阀进入动力循环子系统，从而提升动 力循环中低临界点混合物的组分比，实现混合物临界温度的降低，使临界温度达到设定值。
本发明进一步的改进在于，超临界动力循环子系统中工质由CO2与至少一种临界温度低 于CO2的工质及至少一种临界温度高于CO2的工质混合而成。
本发明进一步的改进在于，临界温度低于CO2的工质为甲烷、四氟化碳、六氟乙烷、三 氟化氮、氮气、氩、氦、氪或氙等，临界温度高于CO2的工质为一氟乙烷、二氟甲烷、二氟乙烷、四氟乙烷、丙烷、环丙烷、环己烷或正丁烷。
相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：
将混合物组分调节子系统引入超临界布雷顿循环，能够改变动力循环中混合物的组分比， 使混合物临界温度可随冷源温度的起伏而上下浮动，从而很好地解决冷源温度昼夜或季节性 波动条件下超临界布雷顿循环压缩机吸气温度难以有效冷却至工质临界温度附近的问题，使 得偏离工况下压缩机功耗显著下降，因此超临界动力循环在长周期运行过程中的平均热效率 得以显著提升。
超临界布雷顿循环以三元或多元混合物为工质，混合物中除CO2外还包含至少1种临界 温度高于CO2的工质，以及至少1种临界温度低于CO2的工质，与已有文献或专利中提到的 CO2二元混合物相比，三元或多元CO2混合物可突破二元CO2混合物临界温度调节范围和方 向受限的问题(如CO2与某临界温度高于CO2的工质混合形成二元混合物，该混合物的临界 点只能向高于CO2临界温度的方向变化)。由于混合物中同时包含临界温度低于CO2和临界 温度高于CO2的工质，该混合物具备向高温与低温两个方向拓展的能力(以CO2临界温度为 基准)，因此，在冷源温度升高或降低的情况下，可通过调增或调减混合物临界温度，使压缩 机吸气温度均维持在混合物临界温度附近，从而显著扩大超临界动力循环的适用工况范围， 增强了系统适应性。在混合物临界点调增或调减运行模式下，混合物分离过程是在亚临界条 件而不是超临界条件下完成的，分离后的混合物经过冷凝-升压-升温过程最终恢复至微超临 界状态。采用上述技术方案，可以利用现有成熟的亚临界混合物分离技术和设备(如精馏器、 气液分离器、膜分离器、吸附式分离器)，从而最大程度地降低技术难度和成本。临界点调节 过程不影响动力循环正常运行，结合分段式临界点调控策略，使临界点调节速度能够适应冷 源温度的变化，最大程度地降低调节过程对循环效率的影响。
进一步的，利用高临界点混合物储罐、低临界点混合物储罐及工质泵，可在改变动力循 环中混合物循环组分比的同时，对混合物质量进行有效控制，从而增强系统应对变负荷工况 能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中：1-1为热源，1-2为透平，1-3为高温回热器，1-4为低温回热器，1-5为分流器，1-6为再压缩机，1-7为冷却器，1-8为第一截止阀，1-9为混合室，1-10为主压缩机，2-1为 第二截止阀，2-2为一级减压阀，2-3为混合物分离装置，2-4为第三截止阀，2-5为二级减压阀，2-6为低临界点混合物冷凝器，2-7为低临界点混合物储罐，2-8为第四截止阀，2-9为第五截止阀，2-10为二级减压阀，2-11为高临界点混合物冷凝器，2-12为高临界点混合物储罐， 2-13为第六截止阀，2-14为工质泵，2-15为加热器，2-16为第七截止阀。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在 本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统为闭式系统， 包括超临界动力循环子系统以及混合物组分调节子系统，其中，动力循环子系统可以但不限 于是图中所示的再压缩式超临界布雷顿循环形式，该循环形式是最常见的超临界布雷顿循环 构型，此处仅以此循环构型为例对临界点可调型超临界布雷顿循环的结构和工作过程进行说 明，本发明提出的临界点调节方法可应用于任意的超临界布雷顿循环构型。
所述超临界动力循环子系统以三元或多元CO2混合物为工质，该混合物由CO2与至少一 种临界温度低于CO2的工质(如甲烷CH4、四氟化碳CF4、六氟乙烷C2F6、三氟化氮NF3、 氮气N2、氩Ar、氦He、氪Kr或氙XeCH4等)及至少一种临界温度高于CO2的工质(如一 氟乙烷C2H5F、二氟甲烷CH2F2、二氟乙烷C2H4F2、四氟乙烷C2H2F4、丙烷C3H8、环丙烷 C3H6、环己烷C6H12或正丁烷C4H10等)混合而成。该混合物临界温度具备同时向高温与低 温两个方向拓展的能力，从而解决二元CO2混合物临界温度调节范围有限的问题。
所述三元或多元CO2混合物的组成(包括组元工质及各组元工质的比例)需要根据具体 工况进行优选。以三元混合物CH4/CO2/C3H8为例，当初始混合物中各组元工质比例(质量比) 为10/50/40时，该三元混合物临界温度约为35℃，假设冷却器内平均传热温差为10℃，此时 三元混合物的临界温度可与设计冷源温度(25℃)相匹配。只需对三元混合物中各组元工质 比例进行有限调节(组分比30/40/30对应临界温度约为-1℃，组分比10/20/70对应临界温度 约为61℃)，即可实现临界温度在0℃～60℃范围内的变化，足以应对冷源温度在-10℃～50℃ 范围内的波动。
参见图1，所述的超临界动力循环子系统包括热源1-1、透平1-2、高温回热器1-3、低温 回热器1-4、分流装置1-5、再压缩机1-6、冷却器1-7、第一截止阀1-8、混合室1-9及主压 缩机1-10。其中，透平1-2的入口与热源1-1的工质侧出口相连，透平1-2的出口与高温回热 器1-3低压侧入口相连通，高温回热器1-3低压侧出口与低温回热器1-4低压侧入口相连通， 低温回热器1-4低压侧出口与分流器1-5的入口相连通，超临界工质在分流器1-5的出口为两 路，其中一路与冷却器1-7的工质侧入口相连通，冷却器1-7的工质侧出口分开两路，一路 与混合物组分调节子系统入口相连，另一路经过第一截止阀1-8后与混合室1-9相连通，此 时第一截止阀1-8处于开启状态，截至阀2-1和第七截止阀2-16处于关闭状态(即混合物组 分调节子系统未接入动力循环子系统)，混合室1-9的出口与主压缩机1-10的入口相连通， 主压缩机1-10的出口与低温回热器1-4的高压侧入口相连通，分流器1-5分流出来的另一路 与再压缩机1-6的入口相连通，再压缩机1-6的出口与低温回热器1-4的高压侧出口通过管道 并管后与高温回热器1-3高压侧入口相连通，高温回热器1-3高压侧出口与热源1-1工质侧入 口相连通；混合物组分调节子系统出口与混合室1-9入口相连通。
所述混合物组分调节子系统，包括混合物分离装置2-3、低临界点混合物冷凝器2-6、低 临界点混合物储罐2-7、高临界点混合物冷凝器2-11、高临界点混合物储罐2-12、工质泵2-14、 加热器2-15、一级减压阀2-2、二级减压阀2-5和二级减压阀2-10、第二截止阀2-1、第三截 止阀2-4、第四截止阀2-8、第五截止阀2-9、第六截止阀2-13和第七截止阀2-16。
其中，动力循环子系统中冷却器1-7工质侧出口经过第二截止阀2-1后与一级减压阀2-2 相连通，工质经一级减压阀2-2后状态由超临界状态转变为亚临界状态，一级减压阀2-2的 出口与混合物分离装置2-3的入口相连通，亚临界工质经过混合物分离装置2-3的出口分为 两路，其中一路混合物临界温度较低(即低临界点混合物)，该路混合物经过第三截止阀2-4 后与二级减压阀2-5相连通，二级减压阀2-5的出口与低临界点混合物冷凝器2-6的工质侧入 口相连通，低临界点混合物冷凝器2-6的工质侧出口与低临界点混合物储罐2-7的入口相连 通，低临界点混合物储罐2-7的出口经过第四截止阀2-8后与工质泵2-14的入口相连通，混 合物分离装置2-3出口的另一路混合物临界温度较高(即高临界点混合物)，该路混合物经过 第五截止阀2-9后与二级减压阀2-10相连通，二级减压阀2-10的出口与高临界点混合物冷凝 器2-11的工质侧入口相连通，高临界点混合物冷凝器2-11的工质侧出口与高临界点混合物储 罐2-12的入口相连通，高临界点混合物储罐2-12的出口经过第六截止阀2-13后与工质泵2-14 的入口相连通，第四截止阀2-8的出口与第六截止阀2-13的出口可通过管道并管后与工质泵 2-14的入口相连通，工质泵2-14的出口与加热器2-15工质侧入口相连通，加热器2-15工质 侧出口经过第七截止阀2-16与超临界动力循环子系统中的混合室1-9的另一入口相连通。
混合物组分调节子系统通过第二截止阀2-1和第七截止阀2-16与动力循环子系统相连， 通过改变第二截止阀2-1和第七截止阀2-16的开闭状态，可控制两个子系统之间的通断状态。
所述的混合物分离装置2-3是在亚临界条件下完成混合工质组分分离过程的，可以利用 多种现有的混合物分离装置和技术，包括但不限于精馏装置、气液分离器、膜分离装置、吸 附式分离装置以及分流T形管等。分离后的亚临界混合物经过减压-冷凝-升压-升温一系列过 程后恢复为超临界流体。
本发明能够解决偏离设计工况时，高参数太阳能热发电系统中超临界动力循环冷端参数 与冷源温度无法匹配的问题(即实现在任意工况下，超临界布雷顿循环中压缩机吸气点均能 够维持在工质临界点附近，从而充分利用近临界区气体真实效应来减小压缩机功耗，提升长 周期运行条件下动力循环的稳定性和热效率)。
本发明的工作方法如下：
所述工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统依据冷源温度的变化情况，存在三种工作 模式：
(1)动力循环子系统独立运行模式(混合物临界点无需改变)：当冷源温度在设计温度 范围内变化时，无需改变混合物的临界温度，此时打开第一截止阀1-8，同时关闭第二截止阀 2-1和第七截止阀2-16，混合物组分调节子系统与动力循环子系统断开，动力循环子系统独 立运行。
在动力循环子系统中，具有初始组分比的混合物被高温热源1-1加热升温，热源1-1工 质侧出口的高温高压超临界混合物进入透平1-2完成做功发电，此过程中混合物压力不断下 降但仍维持在临界压力之上，透平1-2出口的超临界混合物依次在高温回热器1-3与低温回 热器1-4中进行余热回收，超临界混合物温度逐渐下降，来自低温回热器1-4低压侧出口的 超临界混合物通过分流器1-5分为两路，一路进入冷却器1-7放热，使混合物温度降至临界 温度附近(微超临界状态)，冷却后的混合物经混合室1-9进入主压缩机1-10完成升压过程， 之后进入低温回热器1-4吸热升温；与此同时，另一路经再压缩机1-6升压后，与低温回热 器1-4高压侧出口混合物混合，混合后的工质依次进入高温回热器1-3及热源1-1吸热升温， 混合物恢复高温高压超临界状态，完成一次循环。
(2)混合物临界点调增运行模式：当冷源温度升高且超过设计温度范围上限值后，已无 法对具有初始组分比的超临界混合物进行有效冷却，以使压缩机吸气点维持在混合物临界点 附近，导致压缩功耗显著增加，循环效率迅速下降。此时，需要接入混合物组分调节子系统， 并通过该系统使混合物中临界温度高于CO2的工质的比例增加，以提升混合物的临界温度， 使其与变化后的冷源温度重新匹配。
当冷源温度升高且超过设计温度范围上限值后，触发混合物临界点调增运行模式，将混 合物组分调节子系统接入动力循环子系统，混合物组分调节子系统向动力循环子系统提供富 含高临界温度组元工质(以CO2临界温度为基准)的混合物，使动力循环中混合物的临界点 逐渐提升，达到预设值后，混合物组分调节子系统与动力循环子系统断开，动力循环子系统 重新独立运行。
此模式下，关闭第一截止阀1-8，同时打开第二截止阀2-1和第七截止阀2-16，使动力循 环子系统与混合物组分调节子系统相连通。由冷却器1-7工质侧出口流出的具有初始组分比 的超临界混合物经第二截止阀2-1进入混合物组分调节子系统，超临界工质首先进入一级减 压阀2-2，降压后混合物由超临界状态转变为亚临界气液两相状态，随后气液两相混合物进入 混合物分离装置2-3进行组分分离，需要说明的是此处的组分分离装置可以但不限于是精馏 装置、离心式气液分离装置、重力式气液分离装置、膜分离装置、吸附式分离装置、T形管 分离装置等不同类型的分离装置或其组合，气液两相混合物经分离装置后分为两路，一路混 合物中的低临界温度工质含量较高，即为低临界点混合物回路，另一路混合物中高临界温度 工质含量较高，即为高临界点混合物回路。在混合物临界点调增模式下，低临界点混合物回 路中的第三截止阀2-4开启、第四截止阀2-8关闭，分离后的低临界点混合物依次经二级减 压阀2-5降压、低临界点混合物冷凝器2-6冷凝后形成低压过冷液，利用压差将该过冷液储 存于低临界点混合物储罐2-7中，这部分工质将不再经工质泵2-14升压后返回动力循环子系 统；同时，高临界点混合物回路中的第五截止阀2-9和2-13均为开启状态，分离后的高临界 点混合依次经二级减压阀2-10降压、高临界点混合物冷凝器2-11冷凝后形成低压过冷液，该 液态混合物进入高临界点混合物储罐2-12并与罐中留存的低压高临界点混合物相混合，混合 物后的低压液态高临界点混合物经过第六截止阀2-13后进入工质泵2-14，通过工质泵2-14 升压后高临界点混合物压力由低于临界压力转变为高于临界压力，且工质泵2-14出口压力与 动力循环低压侧压力水平相同，工质泵2-14为变频工质泵，可通过调节泵的频率控制流出高 临界点混合物储罐2-12的工质流量，工质泵流出的高压液态高临界点混合物进入加热器2-15， 在加热器2-15中混合物吸热温度不断升高直至稍高于混合物临界点温度，处于微超临界状态 的高临界点混合物经第七截止阀2-16后进入超临界动力循环子系统并完成循环，通过多次分 离-循环过程，动力循环中混合物的临界温度逐渐升高，当临界温度达到设定值后，关闭第二 截止阀2-1和第七截止阀2-16，并打开第一截止阀1-8，使混合物组分调节子系统脱离动力循 环子系统，此后动力循环子系统以最终得到的高临界点混合物为工质进行独立运行。
(3)混合物临界点调减运行模式：当冷源温度降低且超过设计温度范围下限值后，触发 混合物临界点调减运行模式，混合物组分调节子系统接入动力循环子系统，混合物组分调节 子系统向动力循环子系统提供富含低临界温度组元工质(以CO2临界温度为基准)的混合物， 使动力循环中混合物的临界温度逐渐降低，达到预设值后，混合物组分调节子系统与动力循 环子系统断开，动力循环子系统重新独立运行。
具体的，通过混合物组分分离及对分离后的高临界点混合物的储存，逐步提升动力循环 中低临界点工质的组分比，使混合物的临界温度逐渐下降，直至与变化后的冷源温度重新匹 配。临界点调减运行模式的工作流程与临界点调增运行模式的工作流程基本相同，其主要区 别是在临界点调减运行模式下，混合物分离装置2-3下游高临界点混合物回路中第六截止阀 2-13为关闭状态，分离后的高临界点混合物在压差作用下储存于高临界点混合物储罐2-12中 而不再进入动力循环子系统，同时，低临界点混合物回路中的第四截止阀2-8为开启状态， 分离后的低临界点混合物经减压、冷凝后进入低临界点混合物储罐2-7，并与其中留存的低临 界点混合物混合，混合后的低临界点混合物依次经工质泵2-14升压、加热器2-15升温后达 到微超临界状态，该超临界低临界点混合物经第七截止阀2-16进入动力循环子系统，从而提 升动力循环中低临界点混合物的组分比，实现混合物临界温度的提升，通过多次分离-循环过 程，使临界温度达到设定值，随后混合物组分调节子系统再次与动力循环子系统脱离。
下面以三元CO2混合物CH4/CO2/C3H8为例对混合物临界点可调的超临界布雷顿循环系 统的工作过程进行说明。
动力循环子系统独立运行模式的工作过程如下：
三元CO2混合物CH4/CO2/C3H8初始组分比为10/50/40(质量比)，该混合物临界温度为 35℃，临界压力为7.8MPa，适用的冷源温度范围为20℃～25℃，当冷源温度在此设计温度 范围内变化时，无需改变混合物的临界温度，此时打开第一截止阀1-8，同时关闭第二截止阀 2-1和第七截止阀2-16，混合物组分调节子系统与动力循环子系统断开，动力循环子系统独 自运行。在动力循环子系统中，混合物CH4/CO2/C3H8(10/50/40)被高温热源1-1加热升温， 热源1-1工质侧出口的高温(如400-600℃)高压(如10-20MPa)超临界混合物进入透平1-2 完成做功发电，此过程中混合物压力不断下降但仍维持在临界压力之上(稍高于7.8MPa)， 透平1-2出口的超临界混合物依次在高温回热器1-3与低温回热器1-4中进行余热回收，超临 界混合物温度逐渐下降，来自低温回热器1-4低压侧出口的超临界混合物通过分流器1-5分 为两路，一路进入冷却器1-7放热，使混合物温度降至临界温度附近(稍高于35℃)，冷却后 的混合物经混合室1-9进入主压缩机1-10完成升压过程，之后进入低温回热器1-4吸热升温； 与此同时，另一路经再压缩机1-6升压后，与低温回热器1-4高压侧出口混合物混合，混合 后的工质依次进入高温回热器1-3及热源1-1吸热升温，混合物恢复高温高压超临界状态， 完成一次循环。
混合物临界点调增运行模式工作过程如下：
当冷源温度逐渐升高并超过25℃后，混合物临界点调增运行模式被触发。此时，需要接 入混合物组分调节子系统，并通过该系统使混合物中高临界点工质C3H8的比例不断增加，以 提升混合物的临界温度。假设冷源温度升高至35℃，此时混合物的临界点应相应增加到至少45℃(假设传热温差至少为10℃)，以确保超临界流体能被高温冷源有效冷却至临界温度附 近。
关闭第一截止阀1-8，同时打开第二截止阀2-1和第七截止阀2-16，使动力循环子系统与 混合物组分调节子系统相连通。由冷却器1-7工质侧出口流出的混合物CH4/CO2/C3H8 (10/50/40)经第二截止阀2-1进入混合物组分调节子系统，该超临界混合物首先进入一级减 压阀2-2，压力降至临界压力以下(如5.5MPa)，降压后混合物由超临界状态转变为亚临界 气液两相状态，随后气液两相混合物进入混合物分离装置2-3进行组分分离，需要说明的是 此处的组分分离装置可以但不限于是精馏装置、离心式气液分离装置、重力式气液分离装置、 膜分离装置、吸附式分离装置、T形管分离装置等不同类型的分离装置或其组合，气液两相 混合物经分离装置后分为两路，一路混合物中高临界温度工质C3H8含量增加，即为高临界温 度混合物回路，另一路混合物中低临界温度工质CH4含量增加，即为低临界温度混合物回路。 在混合物临界点调增模式下，低临界点混合物回路中的第三截止阀2-4开启、第四截止阀2-8 关闭，分离后的低临界点混合物依次经二级减压阀2-5降压(如降至4MPa)、低临界点混合 物冷凝器2-6冷凝后形成低压过冷液，利用压差将该过冷液储存于低临界点混合物储罐2-7 中，这部分工质将不再经工质泵2-14升压后返回动力循环子系统；同时，高临界点混合物回 路中的第五截止阀2-9和第六截止阀2-13均为开启状态，分离后的高临界点混合物依次经二 级减压阀2-10降压(如降至4MPa，不必与另一路压降相同)、高临界点混合物冷凝器2-11 冷凝后形成低压过冷液，该液态混合物进入高临界点混合物储罐2-12并与罐中留存的低压高 临界点混合物相混合(罐中留存的混合物组成不必与进入储罐的混合物组分比相同)，混合后 的低压液态高临界点混合物经过第六截止阀2-13后进入工质泵2-14，通过工质泵2-14升压 后高临界点混合物由低于临界压力值转变为高于临界压力值，且工质泵2-14出口压力与动力 循环低压侧压力水平相同，工质泵2-14为变频工质泵，可通过调节泵的频率控制流出高临界 点混合物储罐2-12的工质流量，工质泵流出的高压液态高临界点混合物进入加热器2-15，在 加热器2-15中混合物吸热温度不断升高直至稍高于混合物临界点温度，处于微超临界状态的 高临界点混合物经第七截止阀2-16后进入超临界动力循环子系统并完成循环。
通过多次分离-循环过程，动力循环中高临界温度工质的含量逐渐增加，当三元CO2混合 物CH4/CO2/C3H8的组分比变为10/40/50时，临界温度增至45℃，达到预设值，此后关闭第 二截止阀2-1和第七截止阀2-16，并打开第一截止阀1-8，使混合物组分调节子系统脱离动力 循环子系统，此后动力循环子系统以最终得到的高临界温度混合物CH4/CO2/C3H8(10/40/50) 为工质进行独立运行。
混合物临界点调减运行模式工作过程如下：
当冷源温度逐渐下降并低于20℃后，混合物临界点调减运行模式被触发。此时，需要接 入混合物组分调节子系统，并通过该系统使混合物中高临界点工质C3H8的比例不断减小，以 降低混合物的临界温度。假设冷源温度降低至10℃，此时混合物的临界温度应相应下降到至 少20℃(假设传热温差至少为10℃)，以确保超临界流体能被低温冷源有效冷却至临界温度 附近而不出现过度冷却的问题。
临界点调减运行模式的工作流程与临界点调增运行模式的工作流程基本相同，其主要区 别是在临界点调减运行模式下，混合物分离装置2-3下游高临界点混合物回路中第六截止阀 2-13为关闭状态，分离后的高临界点混合物在压差作用下储存于高临界点混合物储罐2-12中 而不再进入动力循环子系统，同时，低临界点混合物回路中的第四截止阀2-8为开启状态， 分离后的低临界点混合物经减压、冷凝后进入低临界点混合物储罐2-7，并与其中留存的低临 界点混合物混合，混合后的低临界点混合物依次经工质泵2-14升压、加热器2-15升温后达 到微超临界状态，该超临界低临界点混合物经第七截止阀2-16进入动力循环子系统，从而提 升动力循环中低临界点工质的组分比，实现混合物临界温度的下降。
通过多次分离-循环过程，动力循环中高临界温度工质的含量逐渐减小，当三元CO2混合 物CH4/CO2/C3H8的组分比变为10/70/20时，临界温度降至约20℃，达到预设值，此后关闭 第二截止阀2-1和第七截止阀2-16，并打开第一截止阀1-8，使混合物组分调节子系统脱离动 力循环子系统，此后动力循环子系统以最终得到的高临界温度混合物CH4/CO2/C3H8(10/70/20) 为工质进行独立运行。
理论上，利用所述混合物组分调节子系统可以实现较大范围内三元或多元CO2混合物组 分比的连续调节。但考虑到组分调节过程需要一定的时间，并存在额外能量投入或能量损失 的情况，为了使调节速度能够适应环境温度的变化速度，同时最大程度地降低变组分比过程 对循环效率的影响，需要采用基于冷源温度的分段式临界点调控策略，也就是将整个冷源温 度变化范围划分为若干段(不一定均匀划分)，各段冷源温度分别对应一个混合物临界温度值， 当冷源温度在该温度段范围内变化时，不需要改变混合物的组分比/临界温度，当冷源温度变 化突破该温度段上限值或下限值时，将分别触发混合物临界点调增或调减运行模式，通过多 次分离-循环过程，使超临界动力循环中高临界点工质的组分比逐渐提高或降低。
如将-10～50℃的冷源温度变化范围划分为-10～0℃、0～10℃、10～15℃、15～20℃、 20～25℃、25～35℃，35～40℃，40～50℃，上述各冷源温度段对应的混合物临界温度分别 为10℃、20℃、25℃、30℃、35℃、45℃、50℃和60℃。

Claims (9)

1.一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，其特征在于，包括超临界动力循环子系统以及混合物组分调节子系统，超临界动力循环子系统包括热源(1-1)、透平(1-2)、高温回热器(1-3)、低温回热器(1-4)、分流器(1-5)、再压缩机(1-6)、冷却器(1-7)、第一截止阀(1-8)、混合室(1-9)及主压缩机(1-10)；
其中，透平(1-2)的入口与热源(1-1)的工质侧出口相连，透平(1-2)的出口与高温回热器(1-3)低压侧入口相连通，高温回热器(1-3)低压侧出口与低温回热器(1-4)低压侧入口相连通，低温回热器(1-4)低压侧出口与分流器(1-5)的入口相连通，分流器(1-5)的出口为两路，一路与冷却器(1-7)的工质侧入口相连通，冷却器(1-7)的工质侧出口分开两路，一路与混合物组分调节子系统入口相连，冷却器(1-7)的工质侧出口的另一路经第一截止阀(1-8)与混合室(1-9)入口相连通，混合室(1-9)的出口与低温回热器(1-4)的高压侧入口相连通，分流器(1-5)的另一路与低温回热器(1-4)高压侧出口及高温回热器(1-3)高压侧入口相连通，高温回热器(1-3)高压侧出口与热源(1-1)工质侧入口相连通；混合物组分调节子系统出口经第七截止阀(2-16)与混合室(1-9)入口相连通；
混合物组分调节子系统包括混合物分离装置(2-3)、低临界点混合物冷凝器(2-6)、低临界点混合物储罐(2-7)、高临界点混合物冷凝器(2-11)、高临界点混合物储罐(2-12)、工质泵(2-14)、加热器(2-15)、一级减压阀(2-2)、二级减压阀(2-5)和二级减压阀(2-10)、第二截止阀(2-1)和第六截止阀(2-13)；
其中，冷却器(1-7)工质侧出口经第二截止阀(2-1)、一级减压阀(2-2)与混合物分离装置(2-3)的入口相连通，混合物分离装置(2-3)的出口分为两路，一路与低临界点混合物储罐(2-7)的入口相连通，低临界点混合物储罐(2-7)的出口与工质泵(2-14)的入口相连通，另一路与高临界点混合物储罐(2-12)的入口相连通，高临界点混合物储罐(2-12)的出口经第六截止阀(2-13)、工质泵(2-14)与加热器(2-15)工质侧入口相连通，加热器(2-15)工质侧出口经第七截止阀(2-16)与混合室(1-9)的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，其特征在于，混合物分离装置(2-3)的出口的一路经第三截止阀(2-4)、二级减压阀(2-5)、低临界点混合物冷凝器(2-6)与低临界点混合物储罐(2-7)的入口相连通。
3.根据权利要求2所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，其特征在于，低临界点混合物储罐(2-7)的出口经过第四截止阀(2-8)与工质泵(2-14)的入口相连通。
4.根据权利要求3所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，其特征在于，混合物分离装置(2-3)的出口的另一路经第五截止阀(2-9)、二级减压阀(2-10)、高临界点混合物冷凝器(2-11)与高临界点混合物储罐(2-12)的入口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，其特征在于，混合室(1-9)的出口经主压缩机(1-10)与低温回热器(1-4)的高压侧入口相连通；分流器(1-5)的另一路经再压缩机(1-6)与低温回热器(1-4)的高压侧出口与高温回热器(1-3)高压侧入口相连通。
6.根据权利要求1所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统，其特征在于，混合物分离装置(2-3)为精馏装置、气液分离器、膜分离装置、吸附式分离装置或分流T形管；工质泵(2-14)为变频工质泵。
7.一种如权利要求4所述的工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统的工作方法，其特征在于，
当冷源温度在预设温度范围内变化时，打开第一截止阀(1-8)，关闭第二截止阀(2-1)和第七截止阀(2-16)，具有初始组分比的混合物被热源(1-1)加热升温，热源(1-1)工质侧出口的高温高压超临界混合物进入透平(1-2)完成做功发电，透平(1-2)出口的超临界混合物依次在高温回热器(1-3)与低温回热器(1-4)中进行余热回收，超临界混合物温度逐渐下降，来自低温回热器(1-4)低压侧出口的超临界混合物通过分流器(1-5)分为两路，一路进入冷却器(1-7)放热，使混合物温度降至临界温度附近，冷却后的混合物经混合室(1-9)进入主压缩机(1-10)完成升压过程，之后进入低温回热器(1-4)吸热升温；另一路经再压缩机(1-6)升压后，与低温回热器(1-4)高压侧出口混合物混合，混合后的工质依次进入高温回热器(1-3)及热源(1-1)吸热升温，混合物恢复高温高压超临界状态，完成一次循环；
当冷源温度升高且超过预设温度范围上限值时，关闭第一截止阀(1-8)，打开第二截止阀(2-1)和第七截止阀(2-16)，由冷却器(1-7)工质侧出口流出的具有初始组分比的超临界混合物经第二截止阀(2-1)进入一级减压阀(2-2)，降压后混合物由超临界状态转变为亚临界气液两相状态，随后气液两相混合物进入混合物分离装置(2-3)进行组分分离，气液两相混合物经分离装置后分为两路，第三截止阀(2-4)开启，第四截止阀(2-8)关闭，分离后的低临界点混合物依次经二级减压阀(2-5)降压、低临界点混合物冷凝器(2-6)冷凝后形成低压过冷液，利用压差将该过冷液储存于低临界点混合物储罐(2-7)中，第五截止阀(2-9)和第六截止阀(2-13)均为开启状态，分离后的高临界点混合依次经二级减压阀(2-10)降压、高临界点混合物冷凝器(2-11)冷凝后形成低压过冷液，该低压过冷液进入高临界点混合物储罐(2-12)并与罐中留存的低压高临界点混合物相混合，混合物后的低压液态高临界点混合物经过第六截止阀(2-13)后进入工质泵(2-14)，通过工质泵(2-14)升压后高临界点混合物压力超过临界压力，且工质泵(2-14)出口压力与动力循环低压侧压力水平相同，工质泵(2-14)流出的高压液态高临界点混合物进入加热器(2-15)，在加热器(2-15)中混合物吸热温度不断升高直至高于混合物临界点温度并达到微超临界状态，处于微超临界状态的高临界点混合物经第七截止阀(2-16)后进入超临界动力循环子系统并完成循环，当临界温度达到预设值后，关闭第二截止阀(2-1)和第七截止阀(2-16)，并打开第一截止阀(1-8)；
当冷源温度降低且超过预设温度范围下限值时，第六截止阀(2-13)为关闭状态，分离后的高临界点混合物在压差作用下储存于高临界点混合物储罐(2-12)中，第四截止阀(2-8)为开启状态，分离后的低临界点混合物经减压、冷凝后进入低临界点混合物储罐(2-7)，并与低临界点混合物储罐(2-7)中留存的低压低临界点混合物混合，混合后的低临界点混合物依次经工质泵(2-14)升压、加热器(2-15)升温后达到微超临界状态，形成超临界低临界点混合物，该超临界低临界点混合物经第七截止阀(2-16)进入动力循环子系统，从而提升动力循环中低临界点混合物的组分比，实现混合物临界温度的降低，使临界温度达到设定值。
8.根据权利要求7所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统的工作方法，其特征在于，超临界动力循环子系统中工质由CO2与至少一种临界温度低于CO2的工质及至少一种临界温度高于CO2的工质混合而成。
9.根据权利要求7所述的一种工质临界点可调的超临界布雷顿循环系统的工作方法，其特征在于，临界温度低于CO2的工质为甲烷、四氟化碳、六氟乙烷、三氟化氮、氮气、氩、氦、氪或氙，临界温度高于CO2的工质为一氟乙烷、二氟甲烷、二氟乙烷、四氟乙烷、丙烷、环丙烷、环己烷或正丁烷。
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