CN114352504B - 一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用 - Google Patents
一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114352504B CN114352504B CN202111673735.7A CN202111673735A CN114352504B CN 114352504 B CN114352504 B CN 114352504B CN 202111673735 A CN202111673735 A CN 202111673735A CN 114352504 B CN114352504 B CN 114352504B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- group
- stage
- compressor
- outlet
- compression
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
本发明公开了一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用,结构工质入口分别与压缩储存组的第1级A组压缩机和压缩机组的第1级B组压缩机的入口相连,压缩储存组的第n级A组压缩机和压缩机组的第n级B组压缩机的出口汇合至结构工质出口,压缩机组包括出口和入口逐级依次相连的n级B组压缩机;压缩储存组包括n级A组压缩机和n‑1级储质罐,其中n‑1级A组压缩机和n‑1级储质罐以依次交替的顺序逐级设置于第n级A组压缩机的入口之前;各级储质罐的临组出口与同级B组压缩机的出口管路相连。本发明借助更多级的压缩和级间汇流冷却降低平均放热温度,摆脱了压缩级数限制,便于实现多级压缩过程,提高循环净效率。
Description
技术领域
本发明属于应用特殊工作流体的发动机技术领域,具体为一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构。
背景技术
各式的布雷顿循环以其优越性能及碳排放优势逐渐成为能源动力循环领域的热点研究方向。按照循环工质的不同,有发展较早的氦气布雷顿循环和近些年被广泛关注的二氧化碳布雷顿循环等,根据二氧化碳状态的不同又可分为亚临界二氧化碳布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环。按照循环结构的不同,又可分为闭式布雷顿循环和半闭式布雷顿循环。
在工质选取方面,氦气和二氧化碳是被广泛讨论的两种。其中,氦气以其较好的稳定性和热传导性广泛应用于核电高温气冷堆中,但也存在一些不足,比如耐高温性差、压缩困难等。在此基础上,以二氧化碳为工质的布雷顿循环逐渐发展起来。一种是处于亚临界状态的二氧化碳循环,循环的最高压力大概在1-2MPa,最高温度是1000℃。另一种是处于超临界状态的二氧化碳循环,循环最高压力大概30MPa,最高温度有1200℃,这种运行参数的不同也导致了循环效率和设备材料选取方面的差异。其中,超临界二氧化碳(S-CO2)循环以其独特的应用前景逐渐成为研究热门方向。
S-CO2是指温度和压力均在临界值以上的二氧化碳流体,将其用来做动力循环的工质,能在很小的体积内传递很大的能量。S-CO2工质在临界点附近具有高密度、低可压缩性、物性变化剧烈等特点。此外,其无毒、无污染和价廉等优点又使得S-CO2循环具备非常优越的环境和经济性能。S-CO2循环,是指以S-CO2为循环工质吸收热源热量并驱动透平做功,带动发电机发电的热力循环。其中应用和研究最广的就是S-CO2布雷顿循环,它以S-CO2为工质,利用布雷顿循环完成热电转换,该循环可利用的热源温度范围广(400℃~700℃),适用于太阳能、核能等多个领域。
根据不同的循环结构,S-CO2布雷顿循环又有闭式和半闭式两种形式。闭式S-CO2布雷顿循环起步较早,在结构上类似最初的简单布雷顿循环,只是用回热器对透平出口高温工质与压缩机出口低温工质进行了热交换,整个循环完全封闭,采用的是外部热源加热的方式。自20世纪末开始,半闭式S-CO2布雷顿循环逐渐发展起来。1992年,Bolland等人提出了一种类似常规燃气蒸汽联合循环的半闭式氧燃烧联合循环(SCOC-CC)。2013年,美国8.River公司的R.J.Allam等人提出了一种结构简单、运行参数更高的直燃半闭式S-CO2布雷顿循环,有关半闭式S-CO2循环的研究再次掀起热潮。该循环是由燃料和氧化剂直接通入燃烧室,利用燃料反应热实现加热过程,且在后续过程中有水和碳捕集工质的分离,因此属于一种半封闭式循环。
无论是以氦气还是二氧化碳为循环工质,亦或是封闭式还是半封闭式的循环结构,不同布局的布雷顿循环均包含四个基本过程:加热器升温、透平膨胀做功、冷却器降温和压缩机压缩。其中,压缩机的压缩耗功是整个系统能耗的主要来源。基于此,学者们提出了多级压缩、级间冷却结构,旨在通过降低平均放热温度来减少压缩机耗功。在普通间冷的结构中,由于所有的流量直接进入到冷却器,因此设计时需要在很短的时间内完成降温,然而,受限于系统复杂度和巨大的放热损失,压缩级数一般不超过三级(间冷结构不超过两级),从而不利于循环效率的继续提升。
本发明主要针对压缩机的升压过程提出了一种多级压缩储质结构,对这一部分进行了结构上的优化;摆脱了压缩级数的限制,便于实现多级压缩过程,从而趋近极限的等温放热过程;同时进入储质罐内的工质储存在储质罐内在下一阶段的循环中释放,给储质罐内的冷却过程提供了足够的时间。
发明内容
针对背景技术中存在的问题,本发明提供了一种通过汇流冷却降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,包括:压缩机组和压缩储存组,结构工质入口分别与压缩储存组的第1级A组压缩机和压缩机组的第1级B组压缩机的入口相连,压缩储存组的第n级A组压缩机和压缩机组的第n级B组压缩机的出口汇合至结构工质出口,其中2≤n;
压缩机组包括出口和入口逐级依次相连的n级B组压缩机,工质依次加压;
压缩储存组包括n级A组压缩机和n-1级储质罐,其中n-1级A组压缩机和n-1级储质罐以依次交替的顺序逐级设置于第n级A组压缩机的入口之前,工质依次加压并储存;各级储质罐的临组出口与同级B组压缩机的出口管路相连,各级储质罐入口和出口之间的压降均为同样的压降值。
除最后一级汇合至结构工质出口的两压缩机出口外,同一级中A组压缩机出口压力值比B组压缩机出口压力值高一个压降值,以保证两股混合流体压力相同。
所述压降值≤0.2MPa。
所述压降值>0。
所述结构工质出口、第二冷却器、泵、回热器的冷侧、燃烧器、透平、回热器的热侧、水分离器、碳捕集支路接口、第一冷却器和所述结构工质入口顺序相连。
所述结构工质出口、回热器的冷侧、燃烧器、透平、回热器的热侧、水分离器、碳捕集支路接口、第一冷却器和所述结构工质入口顺序相连。
所述支路接口与碳捕集相连。
所述结构工质出口、回热器、加热器、透平、第一冷却器和所述结构工质入口顺序相连。
n≤20。
还公开了一种如所述降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构的应用,其特征在于,所述多级压缩储质结构用于布雷顿循环需要降低放热温度的变温放热过程中。
本发明的有益效果在于:
1.本发明所提供的结构借助更多级的压缩和级间汇流冷却降低平均放热温度,摆脱了压缩级数的限制,便于实现多级压缩过程,从而在形式上趋近极限的等温放热过程,在结果上趋近卡诺效率,从而有效降低压缩耗功量,提高循环净效率。
2.在本发明的多级压缩储质结构中,工质并非一次性全部进入冷却器向环境放热,而是通过高低温工质的混合来实现一部分降温,储质罐的出口一路直接冷却一路与临组汇流冷却(高低温流体混合),且直接冷却的部分可以在较长时间内完成,有了缓冲;在一定程度上减小了压力损失。由于在储质过程使得工质的“储”和“放”产生了时间差,进入储质罐内的工质不用立刻流出与热流股混合,而是储存在储质罐内在下一阶段的循环中释放,即“放”明显滞后于“储”,这就给储质罐内的冷却过程提供了足够的时间,工质并不需要在极短的时间内将热量释放从而得到了缓冲,在保证同等冷却效果的同时降低了部件和经济成本。
3.本发明对各种形式的布雷顿循环的普遍适用性,类似于常规的多级压缩、级间冷却,本发明的多级压缩储质结构是通过将大压比的单级压缩拆分为多个小压比的多级压缩,从而使级间放热趋近于极限等温放热过程,该结构对循环形式没有任何的约束,可普遍应用于布雷顿循环的压缩结构中。
4.应用于循环为完全封闭式的多级压缩储质结构的闭式布雷顿循环系统时,以He和CO2为工质的两种循环案例;工质首先在加热器内经外部热源加热,而后进入透平膨胀做功,并作为高温侧流股流经回热器热端放热,随后由冷却器将热量排放给环境。降温后的低温工质进入五极压缩储质结构中完成升压和级间冷却,最后在回热中吸收透平排气热后返回加热器,有效的提升循环净效率。
5.应用于循环为半封闭式的多级压缩储质结构的煤气化半闭式S-CO2布雷顿循环系统时,有合成气、氧气的输入以及水、碳捕集工质的分离。该系统的特征在于极高的运行参数,燃烧室出口是一个1200℃/30MPa的高温高压环境。此外,用空气分离系统制得的氧气为氧化剂而并非空气,减少了NOx的排放,环保性能好。同时,循环工质中CO2浓度高达98.5%,在低捕集成本的同时具备天然的零碳排放优势。
6.应用于循环为半封闭式的多级压缩储质结构的天然气半闭式布雷顿循环系统时,有天然气、空气的输入以及水、碳捕集工质的分离,工质工作的压力范围为0.12MPa-1.2MPa,明显低于煤气化半闭式S-CO2布雷顿循环,最高温度也有近1200℃。
附图说明
图1为本发明一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构实施例的流程示意图;
图2为本发明实施例2~实施例5与现有技术前后的效率对比;
图3为本发明实施例2或实施例3应用五级压缩储质结构的闭式布雷顿循环系统图;
图4为本发明实施例4应用五级压缩储质结构的煤气化半闭式S-CO2布雷顿循环系统图;
图5为本发明实施例5应用五级压缩储质结构的天然气半闭式布雷顿循环系统图。
其中:3--加热器,4--透平,5--回热器,6--第一冷却器,7--燃烧器,8--水分离器,9--第二冷却器、10-泵,A1--第1级A组压缩机,A2--第2级A组压缩机,A3--第3级A组压缩机,An-2--第n-2级A组压缩机,An-1--第n-1级A组压缩机,An--第n级A组压缩机,B1--第1级B组压缩机,B2--第2级B组压缩机,B3--第3级B组压缩机,Bn-2--第n-2级B组压缩机,Bn-1--第n-1级B组压缩机,Bn--第n级B组压缩机,S1--第1级储质罐,S2--第2级储质罐,Sn-1--第n-1级储质罐,Sn--第n级储质罐。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明实施例1,多级压缩储质结构包括:压缩储存组和压缩机组,结构工质入口分别与压缩储存组的第1级A组压缩机的入口和压缩机组的第1级B组压缩机的入口相连,压缩储存组的第n级A组压缩机的出口和压缩机组的第n级B组压缩机的出口汇合至结构工质出口后流出,其中2≤n≤20;压缩机组包括出口和入口逐级依次相连的n级B组压缩机(B1~Bn),工质依次加压;压缩储存组包括n级A组压缩机(A1~An)和n-1级储质罐(S1~Sn-1),其中n-1级A组压缩机和n-1级储质罐以依次交替的顺序逐级设置于第n级A组压缩机An的入口之前,工质依次加压并储存;同时,各级储质罐的临组出口与同级B组压缩机的出口管路相连。
具体的,结构工质入口分别与第1级A组压缩机A1的入口和第1级B组压缩机B1的入口相连,第n级A组压缩机An的出口和第n级B组压缩机Bn的出口均与结构工质出口相连,第1级A组压缩机A1的出口、第1级储质罐S1的入口、第1级储质罐S1的组内出口、第2级A组压缩机A2的入口、第2级A组压缩机A2的出口、第2级储质罐S2的入口、第2级储质罐S2的组内工质出口、第3级A组压缩机A3的入口、第3级A组压缩机A3的出口、…第n-2级A组压缩机An-2的入口、第n-2级A组压缩机An-2的出口、第n-2级储质罐Sn-2的入口、第n-2级储质罐Sn-2的组内出口、第n-1级A组压缩机An-1的入口、第n-1级A组压缩机An-1的出口、第n-1级储质罐Sn-1的入口、第n-1级储质罐Sn-1的组内出口和第n级A组压缩机的入口依次顺序相连;同时,第1级储质罐S1的临组出口和第2级B组压缩机B2的入口相连,第2级储质罐S2的临组出口和第3级B组压缩机B3的入口相连,…,第n-2级储质罐Sn-2的临组出口和第n-1级B组压缩机Bn-1的入口相连,第n-1级储质罐Sn-1的临组出口和第n级B组压缩机Bn的入口相连;
各储质罐入口和出口(临组出口和组内出口的压力相同)之间的压降均为同样的压降值;在B组中,第1级B组压缩机B1的出口压力和第n级B组压缩机Bn的出口压力根据设计值给出,B组压缩机中其它各级出口压力由寻优计算得出;A组压缩机和B组压缩机中同级压缩机的出口压力固定的,均为A组压缩机的出口压力比相应级的B组压缩机的出口压力高一个压降值,即第m级A组压缩机出口压力=第m级B组压缩机出口压力+压降值,其中m∈n。
在实施例1中,压降值的理论设计范围为:0≤压降值≤0.2MPa,其中压降值=0为理想值;
在实施例1中,n级B组压缩机的主轴依次相连,具体相连的形式为同轴;
在实施例1中,n级A组压缩机的主轴依次相连,具体相连的形式为同轴;
实施例1的多级压缩储质结构可以应用于任何布雷顿循环需要降低放热温度的变温放热过程中;且可以选择氦气或二氧化碳等不同物质作为循环工质,区别仅在于性能结果和应用领域。
实施例1的基本工作流程如下,来自结构工质入口的低温工质(通常来源于前方的冷却器)被分流成两股,分别进入第1级A组压缩机A1和第1级B组压缩机B1中,经第1级A组压缩机A1压缩后的工质直接进入第1级储质罐S1,这一部分需要在第1级储质罐内S1完成一级间冷却过程,并在分流后有两股去向;一路由组内出口流出储质罐S1并进入A组的下一级的第2级A组压缩机A2中进行后续压缩;另一路由临组出口流出并与B组的第1级B组压缩机B1出口的高温工质混合,并保证汇流后的温度与第1级B组压缩机B1入口压缩前的初始温度一致,这一约束需要通过不断调整储质罐内的分流比来满足;随后该混合流股与第2级储质罐S2的临组出口流出再次混合后再进入B组的下一级第2级压缩机B2中压缩。如此进行反复的分组多级压缩和罐内汇流冷却,在结构形式上压缩级数越多,实际的放热过程越趋近于等温放热。由于流经A组压缩机的工质在储质罐内的冷却及分流过程存在一定的压力降,为了尽可能的减小高低温流体汇流时的损失,除最后一级汇合至结构工质出口的两压缩机出口外,将同一级中A组压缩机出口压力值设置为略高于B组压缩机出口压力值,即保证两股混合流体压力相同。
在实施例1中所提供的多级压缩储质结构是多级压缩、中间冷却结构的优化成果,可用于不同布局的布雷顿循环(实施例2~5)中。它是由并排工作的两组压缩机实现升压过程,并在每一级中通过调整分流比(组内出口和临组出口之比)确定流经两组压缩机中同级压缩机的流量。储质罐作为该结构的核心部件,负责完成工质的冷却、储存和释放。通过降温后的冷流体和主流热流体的直接混合保证进入下一级压缩机的工质温度与第一级压缩前温度相同。与被大家熟知的多级压缩、级间冷却结构相比,该多级压缩储质结构首先摆脱了压缩级数的限制,便于实现多级压缩过程,从而趋近极限的等温放热过程。在压缩储质结构中,工质并非一次性全部进入冷却器向环境放热,而是通过高低温工质的混合来实现一部分降温,减小了压力损失。其次,储质过程使得工质的“储”和“放”产生了时间差,进入储质罐内的工质并非立刻流出与热流股混合,而是储存在储质罐内在下一阶段释放,即“放”明显滞后于“储”,这给储质罐内的冷却过程提供了足够的时间,工质并不需要在极短的时间内将热量释放而是得到了缓冲,在保证同等冷却效果的同时降低了部件和经济成本。从这个角度上看,储质可视为储能的逆过程。在性能方面,多级压缩储质的基本热力学原理是借助更多级的压缩和级间冷却降低平均放热温度,在形式上趋近等温放热,在结果上趋近卡诺效率,从而有效降低压缩耗功量。
如图3所示的实施例2和实施例3,未描述部分和实施例1相同;实施例2和实施例3的结构相同,区别在于工质不同;
在实施例2和实施例3中,n=5,即压缩机组包括5级B组压缩机(B1~B5),压缩储存组包括5级A组压缩机(A1~A5)和4级储质罐(S1~S4);多级压缩储质结构设置于闭式布雷顿循环中,具体的,结构工质出口、回热器5、加热器3、透平4、第一冷却器6和结构工质入口顺序相连;
第1级A组压缩机的出口、第1级储质罐的入口、第1级储质罐的组内出口、第2级A组压缩机的入口、第2级A组压缩机的出口、第2级储质罐的入口、第2级储质罐的组内工质出口、第3级A组压缩机的入口、第3级A组压缩机的出口、第3级储质罐的入口、第3级储质罐的组内工质出口、第4级A组压缩机的出口、第4级储质罐的入口、第4级储质罐的组内出口和第5级A组压缩机的入口依次顺序相连;同时,第1级储质罐的临组出口和第2级B组压缩机的入口相连,第2级储质罐的临组出口和第3级B组压缩机的入口相连,第3级储质罐的临组出口和第4级B组压缩机的入口相连,第4级储质罐的临组出口和第5级B组压缩机的入口相连。
在实施例2和实施例3中,第1级B组压缩机出口的工质压力为7.6MPa,第n级B组压缩机出口的工质压力为25MPa,B组的中间各级在7.6MPa-25MPa之间取值,A组中的各级也通过级数寻优计算得出;
在实施例2和实施例3中,压降值均为0.14MPa;
实施例2和3的工作流程为:
首先在加热器内的工质经外部热源加热后进入透平膨胀做功,主气参数为600℃/25MPa,透平排气作为高温侧流股流经回热器热端,随后由冷却器将热量排放给环境。此时,接近环境温度的低温工质进入五极压缩储质结构中完成升压和中间冷却,流出最后一级压缩机的工质温度较低,故进入回热器冷侧吸收透平出口的高温排气热,最后返回加热器完成整个循环。
在实施例2中该系统使用二氧化碳作为循环工质,在实施例3中该系统使用氦气作为循环工质;容易理解的是,该系统还可以选择其他不同物质作为循环的工质,区别在于性能结果和应用领域。
如图4所示的实施例4,未描述部分和实施例1相同;
在实施例4中,n=5,即压缩机组包括5级B组压缩机(B1~B5),压缩储存组包括5级A组压缩机(A1~A5)和4级储质罐(S1~S4);多级压缩储质结构设置于煤气化半闭式S-CO2布雷顿循环中,具体的,结构工质出口、第二冷却器9、泵10、回热器5的冷侧、燃烧器7、透平4、回热器5的热侧、水分离器8、碳捕集支路接口、第一冷却器6和结构工质入口顺序相连;支路接口与碳捕集相连;
第1级A组压缩机的出口、第1级储质罐的入口、第1级储质罐的组内出口、第2级A组压缩机的入口、第2级A组压缩机的出口、第2级储质罐的入口、第2级储质罐的组内工质出口、第3级A组压缩机的入口、第3级A组压缩机的出口、第3级储质罐的入口、第3级储质罐的组内工质出口、第4级A组压缩机的出口、第4级储质罐的入口、第4级储质罐的组内出口和第5级A组压缩机的入口依次顺序相连;同时,第1级储质罐的临组出口和第2级B组压缩机的入口相连,第2级储质罐的临组出口和第3级B组压缩机的入口相连,第3级储质罐的临组出口和第4级B组压缩机的入口相连,第4级储质罐的临组出口和第5级B组压缩机的入口相连。
在实施例4中,第1级B组压缩机出口的工质压力为7.4MPa,第n级B组压缩机出口的工质压力为30MPa,B组的中间各级在7.4MPa-30MPa之间取值,A组中的各级也通过级数寻优计算得出;
在实施例4中,压降值=0.14MPa;
实施例4的工作流程为:经煤气化系统制得的合成气和空气分离系统制得的氧气经回热器5预热后,共同进入燃烧室7中燃烧,并由循环回流的CO2工质将燃烧室出口控制在一个1200℃/30MPa的高温高压环境,气体工质随后进入透平4对外做功,膨胀到足以冷却工质进入回热器的温度压力。透平乏气随后进入回热器放热,放热后经水分离模块将大部分的水分离出去。剩余的CO2工质中将多余的那部分进行碳捕捉,其余主流工质经冷却器降温后进入多级压缩储质结构中,在其内完成多级加压和储质冷却过程,出口工质再次被冷却到环境温度,最后在CO2泵中压缩到循环最高压力,并作为回热器低温侧流体与透平排气进行换热,回收其释放的热量,最后返回燃烧室吸热,即完成了整个热力学循环。
如图5所示的实施例5,未描述部分和实施例1相同;
在实施例4中,n=5,即压缩机组包括5级B组压缩机(B1~B5),压缩储存组包括5级A组压缩机(A1~A5)和4级储质罐(S1~S4);多级压缩储质结构设置于天然气半闭式布雷顿循环中,具体的,结构工质出口、回热器5的冷侧、燃烧器7、透平4、回热器5的热侧、水分离器8、碳捕集支路接口、第一冷却器6和结构工质入口顺序相连;支路接口与碳捕集相连;
第1级A组压缩机的出口、第1级储质罐的入口、第1级储质罐的组内出口、第2级A组压缩机的入口、第2级A组压缩机的出口、第2级储质罐的入口、第2级储质罐的组内工质出口、第3级A组压缩机的入口、第3级A组压缩机的出口、第3级储质罐的入口、第3级储质罐的组内工质出口、第4级A组压缩机的出口、第4级储质罐的入口、第4级储质罐的组内出口和第5级A组压缩机的入口依次顺序相连;同时,第1级储质罐的临组出口和第2级B组压缩机的入口相连,第2级储质罐的临组出口和第3级B组压缩机的入口相连,第3级储质罐的临组出口和第4级B组压缩机的入口相连,第4级储质罐的临组出口和第5级B组压缩机的入口相连。
在实施例5中,第1级B组压缩机出口的工质压力为0.12MPa,第n级B组压缩机出口的工质压力为1.2MPa,B组的中间各级在0.12MPa-1.2MPa之间取值,A组中的各级也通过级数寻优计算得出;
在实施例5中,压降值=0.01MPa;
实施例5的工作流程为:富含高浓度CH4的天然气和空气经回热器预热后,直接进入燃烧室燃烧,循环回流的CO2工质将燃烧排气控制于1200℃/1.2MPa的高温环境状态,随后进入透平膨胀做功。而后,透平乏气进入回热器将热量排放给冷侧工质,放热后由水分离模块分离出大部分的水;剩余的工质被分为两股,一股作为碳捕集工质进行捕集,另一股主流工质经冷却器降温后进入多级压缩储质结构中,在其内完成五级加压和储质冷却过程,此时,出口工质的温度仅略高于环境温度,因此在进入燃烧室之前先在回热器中吸收一部分透平排气余热,最后再返回燃烧室完成整个热力学循环。
本发明选取了四个具体的实施例,分别是实施例2(闭式S-CO2循环)、实施例3(闭式He循环)、实施例4(煤气化半闭式S-CO2循环)和实施例5(天然气半闭式循环)四种布雷顿循环为基础案例,对每种循环设置了多级压缩储质结构,并将其与原始单级压缩的循环净效率进行了对比,获得了良好的性能增益。其基本热力学原理是借助更多级的压缩和级间汇流冷却降低平均放热温度,在形式上趋近等温放热,在结果上趋近卡诺效率,从而有效降低压缩耗功量,提高循环净效率。
同时,在表1中我们整理了四种案例中的每个压缩机的压比及入口温度值,可以发现同一级的A组压缩机和B组压缩机压比和入口温度是不同的,这使得初始的分流比成为影响压缩耗功量的关键因素。
同时,表2和图2中还增加了两级间冷结构的对比案例,可以看出,与两级间冷相比,多级压缩储质结构能够有效的提升循环净效率,此处所比对的两级间冷结构为常规布雷顿循环的散热部分,即工质管路先与一个压缩机和一个冷却器相连,再与一个压缩机和一个回热器(或冷却器)相连。
本发明通过选取多种不同工质和不同循环结构的布雷顿循环为具体的实施例,以保证多级压缩储质结构对各式布雷顿循环的普适性。
表1不同实施例下的每个压缩机的压比及入口温度值
表2不同布雷顿循环下应用两级间冷或多级压缩储质结构前后的效率对比
Claims (10)
1.一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,包括:压缩机组和压缩储存组,结构工质入口分别与压缩储存组的第1级A组压缩机和压缩机组的第1级B组压缩机的入口相连,压缩储存组的第n级A组压缩机和压缩机组的第n级B组压缩机的出口汇合至结构工质出口,其中2≤n;
压缩机组包括出口和入口逐级依次相连的n级B组压缩机,工质依次加压;
压缩储存组包括n级A组压缩机和n-1级储质罐,其中n-1级A组压缩机和n-1级储质罐以依次交替的顺序逐级设置于第n级A组压缩机的入口之前,工质依次加压并储存;各级储质罐的临组出口与同级B组压缩机的出口管路相连,各级储质罐入口和出口之间的压降均为同样的压降值。
2.根据权利要求1所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,除最后一级汇合至结构工质出口的两压缩机出口外,同一级中A组压缩机出口压力值比B组压缩机出口压力值高一个压降值,以保证两股混合流体压力相同。
3.根据权利要求1或2之一所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,所述压降值≤0.2MPa。
4.根据权利要求1或2之一所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,所述压降值>0。
5.根据权利要求1所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,所述结构工质出口、第二冷却器(9)、泵(10)、回热器(5)的冷侧、燃烧器(7)、透平(4)、回热器(5)的热侧、水分离器(8)、碳捕集支路接口、第一冷却器(6)和所述结构工质入口顺序相连。
6.根据权利要求1所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,所述结构工质出口、回热器(5)的冷侧、燃烧器(7)、透平(4)、回热器(5)的热侧、水分离器(8)、碳捕集支路接口、第一冷却器(6)和所述结构工质入口顺序相连。
7.根据权利要求5或6之一所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,所述支路接口与碳捕集相连。
8.根据权利要求1所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,所述结构工质出口、回热器(5)、加热器(3)、透平(4)、第一冷却器(6)和所述结构工质入口顺序相连。
9.根据权利要求5、6或8之一所述的一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构,其特征在于,n≤20。
10.一种如权利要求1所述降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构的应用,其特征在于,所述多级压缩储质结构用于布雷顿循环需要降低放热温度的变温放热过程中。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111673735.7A CN114352504B (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111673735.7A CN114352504B (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114352504A CN114352504A (zh) | 2022-04-15 |
CN114352504B true CN114352504B (zh) | 2023-05-05 |
Family
ID=81105761
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202111673735.7A Active CN114352504B (zh) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | 一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114352504B (zh) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101883913A (zh) * | 2007-10-03 | 2010-11-10 | 等熵有限公司 | 能量储存装置 |
CN103748323A (zh) * | 2011-06-28 | 2014-04-23 | 布莱特能源存储科技有限责任公司 | 带分开的燃烧器和膨胀器的半等温压缩发动机、以及相关联的系统和方法 |
CN203584748U (zh) * | 2013-12-03 | 2014-05-07 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种压缩空气储能装置 |
CN103939214A (zh) * | 2014-04-02 | 2014-07-23 | 绿能高科集团有限公司 | 一种原动机的半闭式定压内燃热力循环方法及系统 |
WO2015185891A1 (en) * | 2014-06-06 | 2015-12-10 | Isentropic Ltd | Hybrid electricity storage and power generation system and method of operating such a system |
CN106438297A (zh) * | 2016-11-09 | 2017-02-22 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统 |
CN110582631A (zh) * | 2016-12-28 | 2019-12-17 | 马耳他股份有限公司 | 在热力发动机的冷侧存储多余热量 |
CN113175415A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-07-27 | 西安热工研究院有限公司 | 一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014036258A1 (en) * | 2012-08-30 | 2014-03-06 | Enhanced Energy Group LLC | Cycle turbine engine power system |
US11202987B2 (en) * | 2018-10-18 | 2021-12-21 | Honeywell International Inc. | Multi-stage compression and component removal |
-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111673735.7A patent/CN114352504B/zh active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101883913A (zh) * | 2007-10-03 | 2010-11-10 | 等熵有限公司 | 能量储存装置 |
CN103748323A (zh) * | 2011-06-28 | 2014-04-23 | 布莱特能源存储科技有限责任公司 | 带分开的燃烧器和膨胀器的半等温压缩发动机、以及相关联的系统和方法 |
CN203584748U (zh) * | 2013-12-03 | 2014-05-07 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种压缩空气储能装置 |
CN103939214A (zh) * | 2014-04-02 | 2014-07-23 | 绿能高科集团有限公司 | 一种原动机的半闭式定压内燃热力循环方法及系统 |
WO2015185891A1 (en) * | 2014-06-06 | 2015-12-10 | Isentropic Ltd | Hybrid electricity storage and power generation system and method of operating such a system |
CN106438297A (zh) * | 2016-11-09 | 2017-02-22 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种温度自适应的蓄热式压缩空气储能系统 |
CN110582631A (zh) * | 2016-12-28 | 2019-12-17 | 马耳他股份有限公司 | 在热力发动机的冷侧存储多余热量 |
CN113175415A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-07-27 | 西安热工研究院有限公司 | 一种海上风电耦合等温压缩膨胀空气储能系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
邓广义 ; 郭祚刚 ; 陈光明 ; .压缩空气储能系统设计及其热力学分析.储能科学与技术.2013,(第06期),全文. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114352504A (zh) | 2022-04-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN114320504B (zh) | 一种液态跨临界二氧化碳储能系统及方法 | |
CN114111413B (zh) | 一种采用二氧化碳混合工质的压缩储能系统及其工作方法 | |
Yari et al. | A novel recompression S-CO2 Brayton cycle with pre-cooler exergy utilization | |
CN110761980B (zh) | 一种功及冷能梯级利用的超临界压缩空气储能系统 | |
CN111075671A (zh) | 一种耦合集成太阳能、超临界二氧化碳和压缩空气储能的发电系统 | |
CN210977616U (zh) | 一种超临界压缩空气储能系统 | |
CN112901299A (zh) | 一种带电热储能的超临界co2布雷顿循环发电系统及方法 | |
CN217737678U (zh) | 一种耦合lng冷能及orc的液化空气储能系统 | |
CN113280573A (zh) | 蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置 | |
CN114709934A (zh) | 一种常温液态压缩二氧化碳混合工质储能系统及方法 | |
CN113090506B (zh) | 一种以压缩空气为能量来源的冷热电联供系统与方法 | |
CN114352504B (zh) | 一种降低布雷顿循环放热温度的多级压缩储质结构及应用 | |
CN209990560U (zh) | 一种基于热声技术的冷能梯级利用系统 | |
Sun et al. | Proposal of multistage mass storage process to approach isothermal heat rejection of semi-closed S–CO2 cycle | |
CN108252757B (zh) | 一种采用超临界二氧化碳的多级压缩循环发电方法 | |
CN115773180A (zh) | 与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统及低温循环方法 | |
CN214660402U (zh) | 一种带电热储能的超临界co2布雷顿循环发电系统 | |
CN215724549U (zh) | 蓄冷器冷能自补偿的液态空气储能装置 | |
CN102162397A (zh) | 压水堆核动力燃汽轮机循环发电系统 | |
CN113958374A (zh) | 一种部分抽气的多级换热液化空气储能系统及方法 | |
CN112112694A (zh) | 压缩热自消纳的液态空气储能系统及方法 | |
CN115013094B (zh) | 带直接膨胀的中低温热源回收动力循环系统及循环方法 | |
CN110043337B (zh) | 一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法 | |
CN112832881B (zh) | 超临界二氧化碳发电系统及运行方法 | |
CN114687824B (zh) | 适应氟盐高温堆温度调控的超临界二氧化碳循环系统及方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |