CN113958379A - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法，发电系统包括换热器、热源系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平、第一高温回热器、第二高温回热器、低温回热器、主冷却器、主压缩机组件及旁路压缩机；透平的出口分流为两路，一路与第一高温回热器的低压侧进口连通，另一路与第二高温回热器的低压侧进口连通。本发明中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，通过将透平的出口分流为两路，不仅避免了低温回热器、第一高温回热器及第二高温回热器中夹点现象的发生，而且在保证系统内部回热量和系统发电效率的同时降低了换热器进口的温度、提高了换热器的吸热温差。

Description

一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，具体地，涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统以其发电效率高、环保无污染等优势被普遍认为是下一代革命性的发电技术，在600℃以上区域，相比于现有的蒸汽循环发电技术具有明显的优势。

传统超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统如图1所示，包括透平、熔盐换热器、第一高温回热器、低温回热器、主冷却机、第一主压缩机及旁路压缩机。现有超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与蒸汽循环发电技术相比存在以下缺陷：吸热温差太小，在相同工况条件下，超临界二氧化碳循环的吸热温差比蒸汽循环小约40％，如果光热电站中采用超临界二氧化碳布雷顿循环代替蒸汽循环，则储热介质的用量要增加40％，即储热系统的投资要增加40％以上，而储热系统的投资额占比光热电站的总投资额约25％，因而超临界二氧化碳布雷顿循环应用于光热电站，会使总投资额增加10％，因此，超临界二氧化碳布雷顿循环应用于光热电站提升发电效率的同时也提升了光热电站的度电成本。

传统超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统研究基本都集中于发电效率的提高，希望借此降低成本，然而效率的提高往往难以弥补超临界二氧化碳布雷顿循环系统带来的成本上升。因此，需要研究一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，在基本维持发电效率的前提下，降低成本。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法。

本发明第一方面提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，换热器、热源系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；

所述热源系统向所述换热器供给用于加热超临界二氧化碳的换热介质，所述热源系统的出口与所述换热器的放热侧入口连通，所述热源系统的进口与所述换热器的放热侧出口连通；

所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平、第一高温回热器、第二高温回热器、低温回热器、主冷却器、主压缩机组件及旁路压缩机；所述换热器的吸热侧出口与所述透平的入口连通，所述透平的出口分流为两路，一路与所述第一高温回热器的低压侧进口连通，另一路与所述第二高温回热器的低压侧进口连通；

所述第一高温回热器的低压侧出口、所述第二高温回热器的低压侧出口均与所述低温回热器的低压侧进口连通，所述低温回热器的低压侧出口分流为两路，一路与所述主冷却器的工质侧入口连通，另一路与所述旁路压缩机的入口连通，所述主冷却器的工质侧出口与所述主压缩机组件的入口连通，所述主压缩机组件的出口与所述低温回热器的高压侧入口连通，所述低温回热器的高压侧出口与所述第一高温回热器的高压侧入口连通，所述旁路压缩机的出口与所述第二高温回热器的高压侧入口连通，所述第一高温回热器的高压侧出口、所述第二高温回热器的高压侧出口均与所述换热器的吸热侧入口连通。

通过将透平的出口输出的超临界二氧化碳分流为两路，不仅避免了低温回热器、第一高温回热器及第二高温回热器中夹点现象的发生，而且在保证系统内部回热量和系统发电效率的同时，降低了换热器进口的温度，提高了换热器的吸热温差，进而降低光热电热的度电成本。

在本发明的一实施方式中，所述主压缩机组件包括至少一个主压缩机。

在本发明的一实施方式中，所述主压缩机组件包括多个依次串联连接的主压缩机，相邻的两个所述主压缩机之间通过一个中间冷却器连接；通过设置多个串联连接的主压缩机且相邻主压缩机之间通过中间冷却器连接，与设置单个主压缩机相比，主压缩机组件的整体耗功可有效降低，从而提升整个发电系统的循环效率，同时有效降低换热器进口温度，进一步提升换热器两端温差。

在本发明的一实施方式中，所述热源系统为太阳能集热系统。

在本发明的一实施方式中，所述太阳能集热系统包括定日镜场、吸热塔、低温储罐及高温储罐，所述吸热塔顶部设置有吸热器，所述吸热器的出口与所述高温储罐的入口连通，所述高温储罐的出口与所述换热器的放热侧入口连通，所述换热器的放热侧出口与所述低温储罐的入口连通，所述低温储罐的出口与所述吸热器的入口连通。

吸热器吸收定日镜场的太阳能对换热介质进行升温，升温后的换热介质进入高温储罐内，然后进入换热器内对进入换热器内的超临界二氧化碳进行加热，换热完成后的低温换热介质进入低温储罐内，低温储罐内的低温换热介质进入吸热器内通过太阳能进行换热升温。

本发明第二发明提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法，包括以下步骤：

经过换热器的高温高压超临界二氧化碳工质进入透平并在透平中膨胀做功，使高温超临界二氧化碳工质变为低压超临界二氧化碳，透平输出的低压超临界二氧化碳分流为两路，一路进入第一高温回热器的低压侧进口中，另一路进入第二高温回热器的低压侧进口中；

第一高温回热器的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质和第二高温回热器的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入到低温回热器的低压侧进口内；

低温回热器的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质分流为两路，一路进入旁路压缩机中压缩升压，另一路进入主冷却器中进行冷却，经主冷却器冷却后的超临界二氧化碳工质进入主压缩机组件中压缩升压，主压缩机组件输出的超临界二氧化碳工质进入低温回热器的高压侧进口中进行吸热，低温回热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质进入第一高温回热器的高压侧进口中进行吸热；旁路压缩机输出的超临界二氧化碳工质进入第二高温回热器的高压侧进口中进行吸热；

第一高温回热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质与第二高温回热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入换热器形成高温高压超临界二氧化碳工质。

与现有技术相比，本发明的实施例具有如下的有益效果：

1、本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，通过将透平的出口输出的超临界二氧化碳分流为两路，不仅避免了低温回热器、第一高温回热器及第二高温回热器中夹点现象的发生，而且在保证系统内部回热量和系统发电效率的同时，降低了换热器进口的温度，提高了换热器的吸热温差，进而有效降低了发电系统度电成本。

2、本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，在相同发电量的条件下，与传统超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，保证发电效率的同时，有效提高了换热器的吸热温差和发电系统的度电成本；在相同发电量的条件下，与现有采用蒸汽循环的光热电站相比，虽然吸热温差有所降低，但发电效率有效提高且度电成本也有效降低。

3、本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，通过设置多个串联连接的主压缩机且相邻主压缩机之间通过中间冷却器连接，与设置单个主压缩机相比，主压缩机组件的整体耗功可有效降低，从而提升了整个发电系统的循环效率，同时进一步有效降低换热器进口温度，进一步提升了换热器的吸热侧入口与吸热侧出口之间的温差。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统(只设有一个主压缩机)的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统；

图3为对比例1提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的结构示意图；

图5为实施例1中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的发电效率、熔盐换热器温差与分流比之间的关系曲线；

图6为实施例1中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的分流比与图1所示发电系统相同相比，同等发电量的情况下分流比与储热成本降幅之间的关系曲线；

各标记与部件名称对应关系如下：

透平1、第一高温回热器2、第二高温回热器3、低温回热器4、主冷却器5、主压缩机组件6、第一主压缩机610、第二主压缩机620、中间冷却器630、旁路压缩机7、换热器8、定日镜场9、吸热塔10、高温储罐11、低温储罐12。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

参照图2所示，本实施例提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，包括换热器8、热源系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统。

其中，本实施例中的热源系统向换热器8供给用于加热超临界二氧化碳的换热介质，热源系统的出口与换热器8的放热侧入口连通，热源系统的进口与换热器8的放热侧出口连通；热源系统输入至换热器内的换热介质加热进入换热器内的超临界二氧化碳。其中，本实施例中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平1、第一高温回热器2、第二高温回热器3、低温回热器4、主冷却器5、主压缩机组件6及旁路压缩机7；热源系统的出口与透平1的入口连通，透平1的出口分流为两路，一路与第一高温回热器2的低压侧进口连通，另一路与第二高温回热器3的低压侧进口连通；

第一高温回热器2的低压侧出口、第二高温回热器3的低压侧出口均与低温回热器4的低压侧进口连通，低温回热器4的低压侧出口分流为两路，一路与主冷却器5的工质侧入口连通，另一路与旁路压缩机7的入口连通，主冷却器5的工质侧出口与主压缩机组件6的入口连通，主压缩机组件6的出口与低温回热器4的高压侧入口连通，低温回热器4的高压侧出口与第一高温回热器2的高压侧入口连通，旁路压缩机7的出口与第二高温回热器3的高压侧入口连通，第一高温回热器2的高压侧出口、第二高温回热器3的高压侧出口均与热源系统的入口连通。

其中，主压缩机组件6包括至少一个主压缩机。

本实施例中的主压缩机组件6包括2个主压缩机，分别为第一主压缩机610和第二主压缩机620，主冷却器5的工质侧出口与第一主压缩机610的入口连通，第一主压缩机610的出口与中间冷却器630的工质侧入口连通，中间冷却器630的工质侧出口与第二主压缩机620的入口连通，第二主压缩机620的出口与低温回热器4的高压侧入口连通。

本实施例中的热源系统为太阳能集热系统。其中，太阳能集热系统包括定日镜场9、吸热塔10、高温储罐11及低温储罐12，吸热塔10顶部设置有吸热器，吸热器的出口与高温储罐11的入口连通，高温储罐11的出口与换热器8的放热侧入口连通，换热器8的放热侧出口与低温储罐12的入口连通，低温储罐12的出口与吸热器的入口连通。

吸热器吸收定日镜场9的太阳能对换热介质进行升温，升温后的换热介质进入高温储罐11内，然后进入换热器8内对进入换热器8内的超临界二氧化碳进行加热，换热完成后的换热介质进入低温储罐12内，低温储罐12内的换热介质进入吸热器内通过太阳能进行换热升温。其中，本实施例中的换热介质为熔盐，对应地，高温储罐11为热熔盐储罐、低温储罐12为冷熔盐储罐，需要说明地是，这里的换热介质为熔盐、高温储罐11为热熔盐储罐、低温储罐12为冷熔盐储罐，仅为举例，换热介质的选择只要能够与太阳能之间进行换热升温，进而对超临界二氧化碳进行升温，例如颗粒、导热油、水等，本发明不对热源系统向换热器8提供的换热介质的具体种类进行限定。

另外，本实施例中的热源系统也并不局限于上述选择，对于本领域技术人员而言，可以选择合适的热源系统对超临界二氧化碳进行加热，例如生活余热、工业余热、地热能等。

基于图2所示的上述本实施例中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，本发明还提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法，该方法包括以下步骤：

热源系统输出的高温超临界二氧化碳工质进入透平1并在透平1中膨胀做功后形成低压超临界二氧化碳，透平1输出的低压超临界二氧化碳分流为两路，一路进入第一高温回热器2的低压侧进口中，另一路进入第二高温回热器3的低压侧进口中；

第一高温回热器2的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质和第二高温回热器3的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入到低温回热器4的低压侧进口内；

低温回热器4的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质分流为两路，一路进入旁路压缩机7中压缩升压，另一路进入主冷却器5中进行冷却，经主冷却器5冷却后的超临界二氧化碳工质进入主压缩机中压缩升压，主压缩机输出的超临界二氧化碳工质进入低温回热器4的高压侧进口中进行吸热，低温回热器4的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质进入第一高温回流换热器的高压侧进口中进行吸热；旁路压缩机7输出的超临界二氧化碳工质进入第二高温回热器的高压侧进口中进行吸热；第一高温回流换热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质与第二高温回热器3输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入换热器中吸热形成高温高压超临界二氧化碳工质，超临界二氧化碳从而形成闭式循环。

本实施例中的的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，通过将透平1的出口输出的超临界二氧化碳分流为两路，不仅避免了低温回热器4、第一高温回热器2及第二高温回热器3中夹点现象的发生，而且在保证系统内部回热量和系统发电效率基本不变的同时，降低了换热器8进口的温度，提高了换热器8的吸热温差。

实施例2

参照图4所示，本实施例提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，与实施例1中超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，结构区别在于：主压缩机仅设置有一个，为第一主压缩机。

对比例1

参照图3所示，本对比例提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，与图1所示现有超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，结构区别在于：主压缩机设置有两个，两个主压缩机之间通过中间冷却器连通，两个主压缩机分别为第一主压缩机、第一主压缩机。

试验例

采用aspen plus对实施例1中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统、图1所示现有技术中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统、对比例1中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及实施例2中的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统进行进行建模模拟；

具体模拟过程如下：

①设定工质物性：选中CO₂工质，工质物性选用Aspen plus软件中自带的NIST数据库；

②搭建工艺流程：的第一主压缩机、第二主压缩机、旁路压缩机及透平均选用工艺库中Pressure Changer-Compr组件，输入出口压力和等熵效率；回热器选择Exchangers-HeatX组件，输入换热面积和最小温差；预冷器、热源换热器选择Exchangers-Heater组件，输入出口温度、出口压力；分流和汇流分别选用Mixer和Fsplit组件。

③输出结果：发电效率＝(透平输出功-压缩机耗功)/熔盐换热器换热功率。其中，系统中设置两个主压缩机时，压缩机耗功＝第一主压缩机耗功+第二主压缩机耗功+旁路压缩机耗功；其中，系统中进设置一个主压缩机时，压缩机耗功＝第一主压缩机耗功+旁路压缩机耗功。

具体参数及模拟结果如表1所示。

表1

由表1可知，实施例2中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与图1中所示的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，发电效率降低5.6％，熔盐换热器进出口温差提升12％，在相同发电量下，储热成本降低5.4％。

其中，储热成本降低比率计算公式如下：

式中：

a：发电效率降低比例；

b：换热器进出口温差提升比例；

c：储热成本降低比例。

由表1可知，实施例1中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与对比例1所示的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，发电效率降低4％，熔盐换热器进出口温差提升11％，在相同发电量下，储热成本降低6.2％。

由表1可知，实施例1中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与对比例2中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，发电效率提升2％，熔盐换热器进出口温差提升5％，即，与设置单个主压缩机相比，设置多个主压缩机使得压缩机整体耗功可有效降低，从而提升整个发电系统的循环效率，同时有效降低熔盐换热器进口温度，进一步提升熔盐换热器两端温差。

由表1可知，对比例1中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与图1中所式的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，发电效率提升0.2％，熔盐换热器进出口温差提升6％，在相同发电量下，储热成本降低5.7％。

另外，实施例1所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与蒸汽发电系统(具体地，以东方汽轮机生产的10MW级汽轮机为例)相比，发电效率提升29％，热源换热器进出口温差降低22％，在相同发电量下，储热成本降低7％。

实施例1中的低温回热器的低压侧出口分流为两路，一路与所述主冷却器的工质侧入口连通，另一路与所述旁路压缩机的入口连通，主冷却器与旁路压缩机的分流比为SR，本实施例中对分流比与系统发电效率及熔盐换热器温差之间的关系进行模拟研究，如图5所示，考虑到低温回热器夹点，SR设定为0.01～0.5，其中当分流比为0.025时存在发电效率的最佳分流比，此时发电效率为42.8％，熔盐换热器温差为211℃。

参照图6所示，实施例1中所提供的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与图2所示传统超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统相比，随分流比增大，相同发电量下实施例1中的发电系统的储热成本降幅越小，当分流比为0.01时，相同发电量下储热成本降幅最大，为19％。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，包括换热器、热源系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统；

所述热源系统向所述换热器供给用于加热超临界二氧化碳的换热介质，所述热源系统的出口与所述换热器的放热侧入口连通，所述热源系统的进口与所述换热器的放热侧出口连通；

所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平、第一高温回热器、第二高温回热器、低温回热器、主冷却器、主压缩机组件及旁路压缩机；所述换热器的吸热侧出口与所述透平的入口连通，所述透平的出口分流为两路，一路与所述第一高温回热器的低压侧进口连通，另一路与所述第二高温回热器的低压侧进口连通；

所述第一高温回热器的低压侧出口、所述第二高温回热器的低压侧出口均与所述低温回热器的低压侧进口连通，所述低温回热器的低压侧出口分流为两路，一路与所述主冷却器的工质侧入口连通，另一路与所述旁路压缩机的入口连通，所述主冷却器的工质侧出口与所述主压缩机组件的入口连通，所述主压缩机组件的出口与所述低温回热器的高压侧入口连通，所述低温回热器的高压侧出口与所述第一高温回热器的高压侧入口连通，所述旁路压缩机的出口与所述第二高温回热器的高压侧入口连通，所述第一高温回热器的高压侧出口、所述第二高温回热器的高压侧出口均与所述换热器的吸热侧入口连通。

2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述主压缩机组件包括至少一个主压缩机。

3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述主压缩机组件包括多个依次串联连接的主压缩机，相邻的两个所述主压缩机之间通过一个中间冷却器连接。

4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述热源系统为太阳能集热系统。

5.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述太阳能集热系统包括定日镜场、吸热塔、低温储罐及高温储罐，所述吸热塔顶部设置有吸热器，所述吸热器的出口与所述高温储罐的入口连通，所述高温储罐的出口与所述换热器的放热侧入口连通，所述换热器的放热侧出口与所述低温储罐的入口连通，所述低温储罐的出口与所述吸热器的入口连通。

6.一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

经过换热器加热的高温高压超临界二氧化碳工质进入透平并在透平中膨胀做功，使高温超临界二氧化碳工质变为低压超临界二氧化碳，透平输出的低压超临界二氧化碳分流为两路，一路进入第一高温回热器的低压侧进口中，另一路进入第二高温回热器的低压侧进口中；

第一高温回热器的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质和第二高温回热器的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入到低温回热器的低压侧进口内；

低温回热器的低压侧出口输出的超临界二氧化碳工质分流为两路，一路进入旁路压缩机中压缩升压，另一路进入主冷却器中进行冷却，经主冷却器冷却后的超临界二氧化碳工质进入主压缩机组件中压缩升压，主压缩机组件输出的超临界二氧化碳工质进入低温回热器的高压侧进口中进行吸热，低温回热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质进入第一高温回热器的高压侧进口中进行吸热；旁路压缩机输出的超临界二氧化碳工质进入第二高温回热器的高压侧进口中进行吸热；

第一高温回热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质与第二高温回热器的高压侧出口输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入换热器形成高温高压超临界二氧化碳工质。

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