CN114151153B - 一种用于s-co2布雷顿循环的高效热回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种用于S‑CO2布雷顿循环的高效热回收系统，属于属于电力领域和余热利用领域；包括S‑CO2布雷顿循环、多压蒸发卡琳娜余热回收循环以及位于两者之间的冷却器—蒸发器。所述多压蒸发的卡琳娜循环采用串联结构，在当换热器温差过大时，将氨水的蒸发截断，再将氨水经过泵增压后继续与CO2换热并蒸发，此时的氨水蒸发线斜率更大，温度滑移更大，与CO2在温度较高的降温线的斜率更接近，换热器内温差得到降低，
Figure DDA0003353301120000011
损失降低。当采用两次以上的多压蒸发时，氨水蒸发过程有多次温度滑移，每次温度滑移后，换热线的斜率都会发生变化，与CO2的换热相耦合变得更好。

Description

一种用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统
技术领域
本发明属于电力领域和余热利用领域，具体涉及一种用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统。
背景技术
超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环被认为是极具前途的舰船动力循环之一，具有热效率高、布局简单、结构紧凑并结合水蒸气朗肯循环和气体布雷顿循环的优点。在S-CO2布雷顿循环中，为将CO2冷却到临界点，有大量的热量在冷却器中被冷却水带走，为了进一步提升S-CO2布雷顿循环的性能，许多人致力于开发余热回收系统来再利用这种低品位的热能。
在以往的用于S-CO2布雷顿循环的余热回收系统中，大多数采用有机朗肯循环，因为SCO2布雷顿循环所排出的带有可利用余热的CO2在CO2冷却器(余热回收系统底循环的蒸发器)中的温度和压力接近临界点，热物理性质随温度变化非常明显,如图1所示，有机朗肯循环的有机工质和单压蒸发的卡琳娜的氨水均无法与CO2在蒸发器中换热更好的耦合。如图1所示，有机朗肯循环中的有机工质，在蒸发过程中处于等温等压蒸发状态，饱和点的温度限制了有机朗肯循环温度的上升，蒸发器后半部分温差很大，即
Figure GDA0003851841870000011
损失很大，余热回收底循环的效率很难进一步提升。
文献(DOI:10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000411)公开了一种利用卡琳娜循环回收SCO2布雷顿循环余热的联合循环系统，后续研究证明，采用卡琳娜循环回收SCO2布雷顿循环余热可以提供相较于有机朗肯循环更高的热效率。但此种卡琳娜循环蒸发过程种只有单独的一个蒸发器，虽然氨水的蒸发过程具有温度滑移，然而由于CO2在接近临界点时的换热线接近水平，且余热回收底循环冷热源温差相差很低，导致单压蒸发的卡琳娜循环的温度滑移不能太大，蒸发器后半部分温差仍然很大，即
Figure GDA0003851841870000012
损失仍然很大，余热回收底循环的效率依然难以进一步提升。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于S-CO2布雷顿循环的新型高效热回收系统，以解决现有余热回收技术在CO2冷却器(底循环蒸发器)中与CO2换热耦合困难的问题。由S-CO2布雷顿循环、多压蒸发卡琳娜余热回收循环以及位于他们之间的冷却器—蒸发器组成，可回收CO2冷却器余热，将余热通过膨胀机转换为机械功输出，机械功可通过联轴器等输送至S-CO2布雷顿的压缩机，驱动其运转，减小压缩机的总耗功，或者用于发电等其他用途，使得系统的性能得到提升。
本发明的技术方案是：一种用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：包括S-CO2布雷顿循环、多压蒸发卡琳娜余热回收循环以及连接两组循环的冷却器—蒸发器；
所述S-CO2布雷顿循环包括压缩机1、回热器2、加热器3、涡轮4、再热器5、再热涡轮6和冷却器—蒸发器7、8；接近临界点位置的CO2在压缩机1中压缩至高压状态输出，经回热器2加热、再经加热器3被加热至最高温度，进入涡轮4中进行膨胀做功，膨胀到中间压力后，进入再热器5补充温度，之后再进入再热涡轮6中进行膨胀做功，并膨胀到接近临界点附近的压力，膨胀后的CO2通过回热器2预热从压缩机1中流出的CO2，再通过冷却器—蒸发器7、8冷却到压缩机1入口状态，以此循环；
所述多压蒸发卡琳娜余热回收循环包括泵9、11、回热器10、涡轮12、13、节流减压阀14和吸收器15，以及和S-CO2布雷顿循环共用的冷却器—蒸发器7、8，冷却器—蒸发器7作为高温段蒸发器，冷却器—蒸发器8作为低温段蒸发器；低温低压的浓氨水在泵9中被加压，然后在回热器10中被预热后进入低温段蒸发器；所述冷却器—蒸发器8中CO2将低温的浓氨水蒸发成中浓度的氨水和氨气的混合物，然后将混合物分流为中温氨气和中浓度的氨水，中温中压的氨气进入涡轮13膨胀并驱动透平涡轮旋转并输出功；中浓度的氨水在被泵11加压后进入高温段蒸发器，在冷却器—蒸发器7中CO2将中温的中浓度氨水蒸发成高温稀氨水和高温氨气的混合物，然后将混合物分流为高温氨气和稀氨水，高温高压的氨气进入涡轮12膨胀并驱动透平涡轮旋转并输出功；高温稀氨水进入回热器10预热从泵9里流出的浓氨水，然后低温稀氨水经过节流减压阀14节流降压到最低压力，最后进入吸收器15中吸收由涡轮12、13流出的低温低压的氨蒸气，吸收、汇流并冷却后的浓氨水再流进9泵加压，以此循环。
本发明的进一步技术方案是：所述S-CO2布雷顿循环为满足CO2排温终点在临界点附近的S-CO2布雷顿循环。
本发明的进一步技术方案是：所述S-CO2布雷顿循环为再热S-CO2循环、简单S-CO2布雷顿循环、再压缩S-CO2布雷顿循环或预压缩S-CO2布雷顿循环。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却器—蒸发器7、8包括换热器与分流器两部分，所述换热器部分采用逆流式布置，换热器类型为印制电路板换热器。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却器—蒸发器7和8包括CO2冷却侧和氨水加热侧，CO2冷却侧为热侧，氨水加热侧为冷测；热侧包括CO2流入端和CO2流出端，冷测包括氨水流入端、氨气流出端和氨水流出端；
CO2经过换热器被氨水冷却后流向CO2流出端，氨水在换热器中被CO2加热并管内沸腾成氨水混合物；蒸发后的氨气-氨水混合物流向分流器，并被分离为氨气和浓度较进入冷却器—蒸发器时低的氨水后分别流向氨气流出端和氨水流出端。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却器—蒸发器7为高温段蒸发器，其CO2流入端与回热器2连通，将回热器2流出的高温CO2输入冷却器—蒸发器7，经CO2流出端流出；其氨水流入端与泵11连通，将泵11流出的中温氨水输入冷却器—蒸发器7，中温氨水在换热器中被加热后流入到分流器中分流为氨气和浓度较进入蒸发器时低的氨水，氨气和氨水分别流向氨气流出端和氨水流出端，从氨气流出端流出的氨气流向涡轮12中膨胀做工，从氨水流出端流出的氨水流向回热器10。
本发明的进一步技术方案是：所述冷却器—蒸发器8为低温段蒸发器，其CO2流入端与冷却器—蒸发器7连通，将冷却器—蒸发器7的CO2流出端中流出的CO2输入冷却器—蒸发器8的CO2流入端，经冷却器—蒸发器8的CO2流向压缩机1；其氨水流入端与回热器10连通，将回热器10流出的低温氨水输入冷却器—蒸发器8，低温氨水在换热器中被加热后流入到分流器中分流为氨气和浓度较进入蒸发器时低的氨水，氨气和氨水分别流向氨气流出端和氨水流出端，从氨气流出端流出的氨气流向涡轮13中膨胀做工，从氨水流出端流出的氨水流向泵11中加压。
本发明的进一步技术方案是：所述多压蒸发是指将原单压蒸发在氨水温度较高、换热器内温差过大时将蒸发过程截断，将氨水-氨气混合物分流后，将氨气送往涡轮，而氨水再进入泵11中加压后再次被蒸发为氨水-氨气混合物的过程。
本发明的进一步技术方案是：所述多压蒸发的级数大于双压蒸发时，在原末级冷却器—蒸发器后添加泵、涡轮、以及新冷却器—蒸发器，连接顺序为将原末级冷却器—蒸发器的氨水流出端连接到新冷却器—蒸发器氨水流入端，新冷却器—蒸发器的氨水流出端连接到回热器10，氨气流出端连接到新添加的涡轮，流出的氨气流向吸收器 15。
有益效果
本发明的有益效果在于：相对于现有技术，本发明所述的利用多压蒸发的卡琳娜循环回收SCO2布雷顿循环余热的高效热回收系统具有以下优势：
采用多压蒸发的卡琳娜余热回收循环相较于其他已有余热回收循环能在冷却器—蒸发器中更好的匹配CO2的降温线。原单压蒸发的卡琳娜循环虽然氨水的蒸发过程具有温度滑移，然而由于CO2在接近临界点时的换热线接近水平，且余热回收底循环冷热源温差相差很低，导致单压蒸发的卡琳娜循环的温度滑移不能太大，蒸发器后半部分温差仍然很大，即
Figure GDA0003851841870000041
损失仍然很大，余热回收底循环的效率依然难以进一步提升。
本发明提出了一种新的多压蒸发的卡琳娜循环，相对于传统并联的多压卡琳娜循环，本发明所述的多压蒸发的卡琳娜循环采用串联结构，在当换热器温差过大时，将氨水的蒸发截断，再将氨水经过泵增压后继续与CO2换热并蒸发，此时的氨水蒸发线斜率更大，温度滑移更大，与CO2在温度较高的降温线的斜率更接近，换热器内温差得到降低，
Figure GDA0003851841870000042
损失降低。当采用两次以上的多压蒸发时，氨水蒸发过程有多次温度滑移，每次温度滑移后，换热线的斜率都会发生变化，与CO2的换热相耦合变得更好。
本余热回收系统可操作空间更大，底多压蒸发的卡琳娜循环拥有多个可操作参数，例如初始氨水浓度、不同蒸发器中的分流比、分流后的氨气温度，上述多种参数均可根据顶循环的不同输入条件进行选取，实现最优配置。
附图说明
图1是不同余热回收循环在冷却器—蒸发器内与CO2的换热示意图。
图2是本发明的利用多压蒸发的卡琳娜循环回收S-CO2布雷顿循环的循环原理图。
图3是本发明的冷却器—蒸发器结构示意图。
附图标记说明：1.压缩机，2.回热器，3.加热器，4.涡轮，5.再热器，6.再热再热，7.高温段蒸发器(冷却器—蒸发器)，8.低温段蒸发器(冷却器—蒸发器)，9.泵， 10.回热器，11.泵，12.涡轮，13.涡轮，14.节流减压阀，15.吸收器。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
现有的用于S-CO2布雷顿循环的余热回收系统的有机朗肯循环和单压蒸发的卡琳娜循环均无法与CO2在冷却器—蒸发器中换热较好的耦合，导致冷却器—蒸发器温差很大，
Figure GDA0003851841870000051
损失很大，循环效率无法进一步提高。本发明通过使用多压蒸发的卡琳娜循环取代以往的有机朗肯循环和单压蒸发的卡琳娜循环，在当换热器温差过大时，将氨水的蒸发截断，再将氨水经过泵增压后继续与CO2换热并蒸发，此时的氨水蒸发线斜率更大，温度滑移更大，与CO2在温度较高的降温线的斜率更接近，降低换热温差，提高蒸发器/>
Figure GDA0003851841870000052
效率，进一步提高整个S-CO2布雷顿循环的经济性。
图2中展示出了用多压蒸发的卡琳娜循环回收S-CO2布雷顿循环余热的高效热回收系统的主要部件和基本流向，包括S-CO2布雷顿循环、多压蒸发卡琳娜余热回收循环以及位于他们之间的冷却器—蒸发器。
本实施例中所述S-CO2布雷顿循环不仅限于图2所示的再热S-CO2循环，本实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，所述本系统应包括所有的CO2排温终点在临界点附近的S-CO2布雷顿循环，包括但不限于简单S-CO2布雷顿循环、再热S-CO2循环、再压缩S-CO2布雷顿循环、预压缩S-CO2布雷顿循环等多种循环布局。首先接近临界点位置的CO2在压缩机1中经过压缩到高压状态，经过回热器2被加热，在加热器3 中被加热到最高温度，进入涡轮4中进行膨胀做功，膨胀到中间压力后，进入再热器 5补充温度，之后再进入再热涡轮6中进行膨胀做功，并膨胀到接近临界点附近的压力，膨胀后的CO2通过回热器2预热从压缩机1中流出的CO2，再通过冷却器—蒸发器 7、8冷却到压缩机1入口状态，以此循环。
本实施例中所述的多压蒸发的卡琳娜余热回收循环为双压蒸发卡琳娜余热回收循环，实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，所述多压蒸发的卡琳娜余热回收循环中蒸发的级数可根据实际需要自行调整，以实现最优配置。低温低压的浓氨水在泵9中被加压，然后在回热器10中被预热后进入低温段蒸发器8，在低温段蒸发器 8中CO2将低温的浓氨水蒸发成中浓度的氨水和氨气的混合物，然后将混合物分流为中温氨气和中浓度的氨水，中温中压的氨气进入涡轮13膨胀并驱动透平涡轮旋转并输出功。中浓度的氨水在被泵11加压后进入高温段蒸发器7，在高温段蒸发器7中CO2将中温的中浓度氨水蒸发成高温稀氨水和高温氨气的混合物，然后将混合物分流为高温氨气和稀氨水，高温高压的氨气进入涡轮12膨胀并驱动透平涡轮旋转并输出功。高温稀氨水进入回热器10预热从泵9里流出的浓氨水，然后低温稀氨水经过节流减压阀 14节流降压到最低压力，最后进入吸收器15中吸收由涡轮12、13流出的低温低压的氨蒸气，吸收、汇流并冷却后的浓氨水再流进泵9加压，以此循环。
参照图3所示，所述冷却器—蒸发器7、8包括换热器与分流器两部分，所述换热器部分采用逆流式布置，换热器类型为印制电路板换热器。
所述冷却器—蒸发器7和8包括CO2冷却侧和氨水加热侧，CO2冷却侧为热侧，氨水加热侧为冷测；热侧包括CO2流入端和CO2流出端，冷测包括氨水流入端、氨气流出端和氨水流出端；CO2经过换热器被氨水冷却后流向CO2流出端，氨水在换热器中被CO2加热并管内沸腾成氨水混合物；蒸发后的氨气-氨水混合物流向分流器，并被分离为氨气和浓度较进入冷却器—蒸发器时低的氨水后分别流向氨气流出端和氨水流出端。
所述冷却器—蒸发器7为高温段蒸发器，其CO2流入端与回热器2连通，将回热器2流出的高温CO2输入冷却器—蒸发器7，经CO2流出端流出；其氨水流入端与泵11连通，将泵11流出的中温氨水输入冷却器—蒸发器7，中温氨水在换热器中被加热后流入到分流器中分流为氨气和浓度较进入蒸发器时低的氨水，氨气和氨水分别流向氨气流出端和氨水流出端，从氨气流出端流出的氨气流向涡轮12中膨胀做工，从氨水流出端流出的氨水流向回热器10。
所述冷却器—蒸发器8为低温段蒸发器，其CO2流入端与冷却器—蒸发器7连通，将冷却器—蒸发器7的CO2流出端中流出的CO2输入冷却器—蒸发器8的CO2流入端，经冷却器—蒸发器8的CO2流向压缩机1；其氨水流入端与回热器10连通，将回热器10流出的低温氨水输入冷却器—蒸发器8，低温氨水在换热器中被加热后流入到分流器中分流为氨气和浓度较进入蒸发器时低的氨水，氨气和氨水分别流向氨气流出端和氨水流出端，从氨气流出端流出的氨气流向涡轮13中膨胀做工，从氨水流出端流出的氨水流向泵11 中加压。
所述多压蒸发是指将原单压蒸发在氨水温度较高、换热器内温差过大时将蒸发过程截断，将氨水-氨气混合物分流后，将氨气送往涡轮，而氨水再进入泵11中加压后再次被蒸发为氨水-氨气混合物的过程。
图2所示仅为双压蒸发的循环原理图，所述多压蒸发的级数大于双压蒸发时，在原末级冷却器—蒸发器后添加泵、涡轮、以及新冷却器—蒸发器，连接顺序为将原末级冷却器—蒸发器的氨水流出端连接到新冷却器—蒸发器氨水流入端，新冷却器—蒸发器的氨水流出端连接到回热器10，氨气流出端连接到新添加的涡轮，流出的氨气流向吸收器15。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：包括S-CO2布雷顿循环、多压蒸发卡琳娜余热回收循环以及连接两组循环的冷却器—蒸发器；
所述S-CO2布雷顿循环包括压缩机(1)、第一回热器(2)、加热器(3)、第一涡轮(4)、再热器(5)、再热涡轮(6)和第一冷却器—蒸发器(7)、第二冷却器—蒸发器(8)；接近临界点位置的CO2在压缩机(1)中压缩至高压状态输出，经第一回热器(2)加热、再经加热器(3)被加热至最高温度，进入第一涡轮(4)中进行膨胀做功，膨胀到中间压力后，进入再热器(5)补充温度，之后再进入再热涡轮(6)中进行膨胀做功，并膨胀到接近临界点附近的压力，膨胀后的CO2通过第一回热器(2)预热从压缩机(1)中流出的CO2，再通过第一冷却器—蒸发器(7)、第二冷却器—蒸发器(8)冷却到压缩机(1)入口状态，以此循环；
所述多压蒸发卡琳娜余热回收循环包括第一泵(9)、第二泵(11)、第二回热器(10)、第二涡轮(12)、第三涡轮(13)、节流降压阀(14)和吸收器(15)，以及和S-CO2布雷顿循环共用的第一冷却器—蒸发器(7)、第二冷却器—蒸发器(8)，第一冷却器—蒸发器(7)作为高温段蒸发器，第二冷却器—蒸发器(8)作为低温段蒸发器；低温低压的浓氨水在第一泵(9)中被加压，然后在第二回热器(10)中被预热后进入低温段蒸发器；所述第二冷却器—蒸发器(8)中CO2将低温的浓氨水蒸发成中浓度的氨水和氨气的混合物，然后将混合物分流为中温氨气和中浓度的氨水，中温中压的氨气进入第三涡轮(13)膨胀并驱动第三涡轮旋转并输出功；中浓度的氨水在被第二泵(11)加压后进入高温段蒸发器，在第一冷却器—蒸发器(7)中CO2将中温的中浓度氨水蒸发成高温稀氨水和高温氨气的混合物，然后将混合物分流为高温氨气和稀氨水，高温高压的氨气进入第二涡轮(12)膨胀并驱动第二涡轮旋转并输出功；高温稀氨水进入第二回热器(10)预热从第一泵(9)里流出的浓氨水，然后低温稀氨水经过节流降压阀(14)节流降压到最低压力，最后进入吸收器(15)中吸收由第二涡轮(12)、第三涡轮(13)流出的低温低压的氨蒸气，吸收、汇流并冷却后的浓氨水再流进第一泵(9)加压，以此循环。
2.根据权利要求1所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述S-CO2布雷顿循环为满足CO2排温终点在临界点附近的S-CO2布雷顿循环。
3.根据权利要求1所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述S-CO2布雷顿循环为再热S-CO2循环、再压缩S-CO2布雷顿循环或预压缩S-CO2布雷顿循环。
4.根据权利要求1所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述第一冷却器—蒸发器(7)、第二冷却器—蒸发器(8)包括换热器与分流器两部分，所述换热器部分采用逆流式布置，换热器类型为印制电路板换热器。
5.根据权利要求4所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述第一冷却器—蒸发器(7)和第二冷却器—蒸发器(8)包括CO2冷却侧和氨水加热侧，CO2冷却侧为热侧，氨水加热侧为冷测；热侧包括CO2流入端和CO2流出端，冷测包括氨水流入端、氨气流出端和氨水流出端；
CO2经过换热器被氨水冷却后流向CO2流出端，氨水在换热器中被CO2加热并管内沸腾成氨水混合物；蒸发后的氨气-氨水混合物流向分流器，并被分离为氨气和浓度较进入冷却器—蒸发器时低的氨水后分别流向氨气流出端和氨水流出端。
6.根据权利要求5所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述第一冷却器—蒸发器(7)为高温段蒸发器，其CO2流入端与第一回热器(2)连通，将第一回热器(2)流出的高温CO2输入第一冷却器—蒸发器(7)，经CO2流出端流出；其氨水流入端与第二泵(11)连通，将第二泵(11)流出的中温氨水输入第一冷却器—蒸发器(7)，中温氨水在换热器中被加热后流入到分流器中分流为氨气和浓度较进入第一冷却器—蒸发器(7)时低的氨水，氨气和氨水分别流向氨气流出端和氨水流出端，从氨气流出端流出的氨气流向第二涡轮(12)中膨胀做工，从氨水流出端流出的氨水流向第二回热器(10)。
7.根据权利要求5所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述第二冷却器—蒸发器(8)为低温段蒸发器，其CO2流入端与第一冷却器—蒸发器(7)连通，将第一冷却器—蒸发器(7)的CO2流出端中流出的CO2输入第二冷却器—蒸发器(8)的CO2流入端，经第二冷却器—蒸发器(8)的CO2流向压缩机(1)；其氨水流入端与第二回热器(10)连通，将第二回热器(10)流出的低温氨水输入第二冷却器—蒸发器(8)，低温氨水在换热器中被加热后流入到分流器中分流为氨气和浓度较进入二冷却器—蒸发器(8)时低的氨水，氨气和氨水分别流向氨气流出端和氨水流出端，从氨气流出端流出的氨气流向第三涡轮(13)中膨胀做工，从氨水流出端流出的氨水流向第二泵(11)中加压。
8.根据权利要求1所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述多压蒸发是指将原单压蒸发在氨水温度较高、换热器内温差过大时将蒸发过程截断，将氨水-氨气混合物分流后，将氨气送往第三涡轮，而氨水再进入第二泵(11)中加压后再次被蒸发为氨水-氨气混合物的过程。
9.根据权利要求1所述用于S-CO2布雷顿循环的高效热回收系统，其特征在于：所述多压蒸发的级数大于双压蒸发时，在原末级冷却器—蒸发器后添加泵、涡轮、以及新冷却器—蒸发器，连接顺序为将原末级冷却器—蒸发器的氨水流出端连接到新冷却器—蒸发器氨水流入端，新冷却器—蒸发器的氨水流出端连接到第二回热器(10)，氨气流出端连接到新添加的涡轮，流出的氨气流向吸收器(15)。
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