CN114135351A - 一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统及方法 - Google Patents

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王俊峰
刘光旭
黄彦平
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Abstract

本发明公开了一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，输出总管线的一端与低温回热器的高温低压侧输出端连接、另一端分为两条并联的分支管线I和分支管线II；分支管线I和分支管线II最终汇合后又分为两条并联的分支管线III和分支管线Ⅳ；分支管线III和分支管线Ⅳ最终汇合后接入输入总管线的一端，输入总管线的另一端接入低温回热器高温低压侧的输入端；分支管线I和分支管线II上均设有压缩机，且其中一条分支管线接入低温回热器的低温高压侧；分支管线I和分支管线II的工作温度区间不同；分支管线III和分支管线Ⅳ上均设有高温回热器、透平和热源，且工作温度区间不同。本发明可以有效提升超临界二氧化碳热力循环的热源温差。

Description

一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统及方法
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳技术领域，具体涉及一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统。
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。
超临界二氧化碳布雷顿循环的热源温差一般在150℃～200℃左右，对于燃气电厂或者高温气冷堆等，热源进口与出口温差可以达到400℃，是典型的大温差热源。对于大温差热源，需要创新研究超临界二氧化碳布雷顿循环的方式，使其更好满足特定环境下的热源温差需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对热源进出口温差大的使用需求，本发明提供了解决上述问题的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，包括低温回热器、输出总管线和输入总管线；所述输出总管线的一端与低温回热器的高温低压侧输出端连接、另一端分为两条并联的分支管线I和分支管线II；分支管线I和分支管线II最终汇合后又分为两条并联的分支管线III和分支管线Ⅳ；分支管线III和分支管线Ⅳ最终汇合后接入输入总管线的一端，输入总管线的另一端接入低温回热器高温低压侧的输入端；分支管线I和分支管线II上均设有压缩机，且其中一条分支管线接入低温回热器的低温高压侧；分支管线I和分支管线II的工作温度区间不同；分支管线III和分支管线Ⅳ上均设有高温回热器、透平和热源；分支管线III和分支管线Ⅳ的工作温度区间不同。
针对热源进出口温差大的使用需求，本发明提供了解决上述问题的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，可使再压缩循环的热源温差得到有效提升，对于燃气电厂等大热源温差具有较好的匹配适用要求。
进一步优选，按照二氧化碳工质流动方向，所述分支管线I上依次主压缩机和低温回热器的低温高压侧；所述分支管线II上连接再压缩机。
进一步优选，所述分支管线I上、且位于主压缩机的上游还设有冷却器。
进一步优选，按照二氧化碳工质流动方向：所述分支管线III上依次连接一级高温回热器的低温高压侧、热源高温段、一级透平、一级高温回热器的高温低压侧；所述分支管线Ⅳ上依次连接二级高温回热器的低温高压侧、热源低温段、二级透平、二级高温回热器的高温低压侧。
进一步优选，所述一级透平与二级透平采用同轴布置方案，两级透平合成一个透平。
进一步优选，还包括发电机，所述合并后的透平驱动发电机工作。
进一步优选，所述分支管线III和分支管线Ⅳ相互独立运行。
一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环方法，实现方法包括以下流程：首先，将从低温回热器高温低压侧出来的二氧化碳工质，分成两路：第一路二氧化碳工质先后经过冷却器、主压缩机、低温回热器的低温高压侧；第二路二氧化碳工质经过再压缩机，之后第一路二氧化碳工质与第二路二氧化碳工质混合；其次，混合后的二氧化碳工质分成两路：第三路二氧化碳工质先后经过一级高温回热器的低温高压侧、热源高温段、一级透平和高一级高温回热器的高温低压侧；第四路二氧化碳工质先后经二级高温回热器低温高压侧、热源低温段、二级透平和二级高温回热器的高温低压侧；最后，第三路二氧化碳工质与第四路二氧化碳工质混合后进入低温回热器的高温低压侧，形成闭式循环。
进一步优选，所述一级高温回热器和二级高温回热器分别用于回收不同温度区间的热量；所述热源的用于不同温度区间加热，所述一级透平和二级透平分别对应不同的工质温度区间。
进一步优选，所述第三路二氧化碳工质和第四路二氧化碳工质相对独立流通运行。
本发明具有如下的优点和有益效果：
使用本发明提供的双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统及方法，可以提升热源的进出口温差，进一步拓广超临界二氧化碳动力循环的热源适应性。
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为本发明的双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-主压缩机，2-再压缩机，3-一级透平，4-二级透平，5-发电机，6-冷却器，7-低温回热器，8-一级高温回热器，9-二级高温回热器，10-热源，A-热源高温段，B-热源低温段。
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
本实施提供了一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，如图1所示，具体如下所述：双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统包括低温回热器、输出总管线和输入总管线。输出总管线的一端与低温回热器7的高温低压侧输出端连接、另一端分为两条并联的分支管线I和分支管线II；分支管线I和分支管线II最终汇合后又分为两条并联的分支管线III和分支管线Ⅳ；分支管线III和分支管线Ⅳ最终汇合后接入输入总管线的一端，输入总管线的另一端接入低温回热器7的高温低压侧的输入端；
分支管线I和分支管线II上均设有压缩机，且其中一条分支管线接入低温回热器的低温高压侧；分支管线I和分支管线II的工作温度区间不同。具体的，按照二氧化碳工质流动方向，所述分支管线I上依次连接冷却器6、主压缩机1和低温回热器7的低温高压侧；分支管线II上连接再压缩机2。
分支管线III和分支管线Ⅳ上均设有高温回热器、透平和热源；分支管线III和分支管线Ⅳ的工作温度区间不同。具体的，按照二氧化碳工质流动方向：分支管线III上依次连接一级高温回热器8的低温高压侧、热源高温段A、一级透平3、一级高温回热器8的高温低压侧；分支管线Ⅳ上依次连接二级高温回热器9的低温高压侧、热源低温段B、二级透平4、二级高温回热器9的高温低压侧。
本实施例涉及高温回热器分为两级，分别是一级高温回热器和二级高温回热器，用于回收不同温度区间的热量。热源10与透平也各包括两级，热源10的I级为高温段，用于高温区间加热；热源组的II级为低温段，用于低温区间加热。透平的两级也分别对应不同的温度区间。分支管线III和分支管线Ⅳ是完全并联的两个支路，两个支路分别运行在高温区间和低温区间，每个支路与压缩机、低温回热器一起构成再压缩循环，两个支路可以独立运行，独立调节。此外，一级透平3与二级透平4可根据需求，采用同轴布置方案，两个透平合成一个透平，减小系统体积。
实施例2
本实施例提供了一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环方法，采用实施例1提供的双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统实现，流程如下所示：
首先，将从低温回热器7的高温低压侧出来的二氧化碳工质，分成两路：第一路二氧化碳工质先后经过冷却器6，然后再主压缩机1内被压缩升压，再进入低温回热器7的低温高压侧被预热；第二路二氧化碳工质经过再压缩机升压，之后第一路二氧化碳工质与第二路二氧化碳工质混合；
其次，混合后的二氧化碳工质分成两路：第三路二氧化碳工质先后经过一级高温回热器8的低温高压侧预热，再进入热源高温段A吸收热源的热量，并在热源出口达到循环最高温度，之后进入一级透平3膨胀做功，做功后的高温二氧化碳工质经过一级高温回热器8的高温低压侧，将热量传递给低温高压侧的冷流体(冷二氧化碳工质)并被冷却；第四路二氧化碳工质先经过二级高温回热器9的低温高压侧吸收热量，再进入热源低温段B吸收热量，然后进入二级透平4膨胀做功，最后进入二级高温回热器9的高温低压侧被冷却。
最后，第三路二氧化碳工质与第四路二氧化碳工质混合后进入低温回热器7的高温低压侧，形成闭式循环。
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)

1.一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，包括低温回热器、输出总管线和输入总管线；
所述输出总管线的一端与低温回热器的高温低压侧输出端连接、另一端分为两条并联的分支管线I和分支管线II；分支管线I和分支管线II最终汇合后又分为两条并联的分支管线III和分支管线Ⅳ；分支管线III和分支管线Ⅳ最终汇合后接入输入总管线的一端，输入总管线的另一端接入低温回热器高温低压侧的输入端；
分支管线I和分支管线II上均设有压缩机，且其中一条分支管线接入低温回热器的低温高压侧；分支管线I和分支管线II的工作温度区间不同；
分支管线III和分支管线Ⅳ上均设有高温回热器、透平和热源；分支管线III和分支管线Ⅳ的工作温度区间不同。
2.根据权利要求1所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，按照二氧化碳工质流动方向，所述分支管线I上依次主压缩机和低温回热器的低温高压侧；所述分支管线II上连接再压缩机。
3.根据权利要求2所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，所述分支管线I上、且位于主压缩机的上游还设有冷却器。
4.根据权利要求1所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，按照二氧化碳工质流动方向：所述分支管线III上依次连接一级高温回热器的低温高压侧、热源高温段、一级透平、一级高温回热器的高温低压侧；所述分支管线Ⅳ上依次连接二级高温回热器的低温高压侧、热源低温段、二级透平、二级高温回热器的高温低压侧。
5.根据权利要求4所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，所述一级透平与二级透平采用同轴布置方案，两级透平合成一个透平。
6.根据权利要求5所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，还包括发电机，所述合并后的透平驱动发电机工作。
7.根据权利要求1所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环系统，其特征在于，所述分支管线III和分支管线Ⅳ相互独立运行。
8.一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环方法，其特征在于，实现方法包括以下流程：
首先，将从低温回热器高温低压侧出来的二氧化碳工质，分成两路：第一路二氧化碳工质先后经过冷却器、主压缩机、低温回热器的低温高压侧；第二路二氧化碳工质经过再压缩机，之后第一路二氧化碳工质与第二路二氧化碳工质混合；
其次，混合后的二氧化碳工质分成两路：第三路二氧化碳工质先后经过一级高温回热器的低温高压侧、热源高温段、一级透平和高一级高温回热器的高温低压侧；第四路二氧化碳工质先后经二级高温回热器低温高压侧、热源低温段、二级透平和二级高温回热器的高温低压侧；
最后，第三路二氧化碳工质与第四路二氧化碳工质混合后进入低温回热器的高温低压侧，形成闭式循环。
9.根据权利要求8所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环方法，其特征在于，所述一级高温回热器和二级高温回热器分别用于回收不同温度区间的热量；所述热源的用于不同温度区间加热，所述一级透平和二级透平分别对应不同的工质温度区间。
10.根据权利要求8所述的一种双级并联超临界二氧化碳再压缩循环方法，其特征在于，所述第三路二氧化碳工质和第四路二氧化碳工质相对独立流通运行。
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