CN115370505A - 开式-闭式循环复合的发电系统 - Google Patents

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CN115370505A CN202211167184.1A CN202211167184A CN115370505A CN 115370505 A CN115370505 A CN 115370505A CN 202211167184 A CN202211167184 A CN 202211167184A CN 115370505 A CN115370505 A CN 115370505A
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江泓升
诸葛伟林
张扬军
钱煜平
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Abstract

本申请提出一种开式‑闭式循环复合的发电系统，包括：开式循环系统(1)，所述开式循环系统(1)包括开式循环涡轮发电机、预热器(12)和尾气换热器(16)；以及闭式循环系统(2)，所述闭式循环系统(2)包括闭式循环涡轮发电机，其中，通过所述预热器(12)和所述尾气换热器(16)将所述开式循环系统(1)和所述闭式循环系统(2)耦合，所述开式循环系统(1)的工质的热量能够通过所述尾气换热器(16)传递给所述闭式循环系统(2)的工质，所述闭式循环系统(2)的工质的热量能够通过所述预热器(12)传递给所述开式循环系统(1)的工质。

Description

开式-闭式循环复合的发电系统
技术领域
本申请属于能源动力技术领域，特别涉及一种开式-闭式循环复合的发电系统。
背景技术
涡轮发电系统以涡轮为核心部件，通过高温、高压的工质驱动涡轮做功，进而带动发电机将机械能转化为电能。现有的涡轮发电系统包括开式循环系统、闭式循环系统以及联合循环系统。
开式循环系统的工质与大气相连，通常采用直接燃烧加热工质，系统的发电功率较大，功重比较高。
闭式循环系统的工质与外界不相连，通常采用换热器等方式间接对工质进行加热，因此工质的最高温度比直接燃烧加热的工质温度低。此外，闭式循环系统还需要额外增加冷却器对涡轮出口的工质进行冷却，从而形成闭式循环。
由于开式循环系统与闭式循环系统的工作温度存在差异，可以将二者结合形成联合循环系统。现有的联合循环系统将开式循环系统和闭式循环系统串联起来，将开式循环系统的排气热量传递给闭式循环系统，实现热能梯级利用提高系统热效率。
然而，随着技术进步，开式循环系统的涡轮工作温度和排气温度不断提升，这就要求闭式循环系统的涡轮工作温度也不断提升，导致涡轮出口的温度升高，闭式循环所需的冷却量增大，进而导致部分能量作为废热排散到环境中，使联合循环系统的热效率下降。
发明内容
本申请旨在提出一种开式-闭式循环复合的发电系统，降低循环系统排放的总体废热，从而提升涡轮发电系统的热效率。
本申请的实施方式提出一种开式-闭式循环复合的发电系统，包括：
开式循环系统，所述开式循环系统包括开式循环涡轮发电机、预热器和尾气换热器；以及
闭式循环系统，所述闭式循环系统包括闭式循环涡轮发电机，
其中，通过所述预热器和所述尾气换热器将所述开式循环系统和所述闭式循环系统耦合，所述开式循环系统的工质的热量能够通过所述尾气换热器传递给所述闭式循环系统的工质，所述闭式循环系统的工质的热量能够通过所述预热器传递给所述开式循环系统的工质。
在至少一个可能的实施方式中，所述开式循环系统还包括压气机和燃烧室，所述预热器设置于所述压气机和所述燃烧室之间。
在至少一个可能的实施方式中，所述闭式循环系统还包括冷却器，所述预热器设置于所述闭式循环涡轮发电机和所述冷却器之间。
在至少一个可能的实施方式中，所述闭式循环系统还包括压缩机，所述尾气换热器设置于所述压缩机和所述闭式循环涡轮发电机之间。
在至少一个可能的实施方式中，所述尾气换热器包括尾气换热器第一进料口、尾气换热器第一出料口、尾气换热器第二进料口和尾气换热器第二出料口，
所述尾气换热器第一进料口和所述尾气换热器第一出料口连通，所述尾气换热器第二进料口和所述尾气换热器第二出料口连通，
所述尾气换热器第一进料口连接于所述开式循环涡轮发电机的开式循环涡轮的工质出口，
所述尾气换热器第一出料口连接于大气或尾气处理设备，
所述尾气换热器第二进料口连接于所述压缩机的出口，
所述尾气换热器第二出料口连接于所述闭式循环涡轮发电机的闭式循环涡轮的工质入口。
在至少一个可能的实施方式中，所述预热器包括预热器第一进料口、预热器第一出料口、预热器第二进料口和预热器第二出料口，
所述预热器第一进料口和所述预热器第一出料口连通，所述预热器第二进料口和所述预热器第二出料口连通，
所述预热器第一进料口连接于所述压气机的出口，
所述预热器第一出料口连接于所述燃烧室的入口，
所述预热器第二进料口连接于所述闭式循环涡轮发电机的闭式循环涡轮的工质出口，
所述预热器第二出料口连接于所述冷却器的入口。
在至少一个可能的实施方式中，所述闭式循环系统还包括回热器，
所述预热器设置于所述闭式循环涡轮发电机和所述回热器之间，所述回热器设置于所述压缩机和所述尾气换热器之间，
所述预热器中的闭式循环系统的工质的热量能够通过所述回热器传递给从所述压缩机出来的工质。
在至少一个可能的实施方式中，所述闭式循环系统还包括冷却器，
所述回热器包括回热器第一进料口、回热器第一出料口、回热器第二进料口和回热器第二出料口，所述回热器第一进料口和所述回热器第一出料口连通，所述回热器第二进料口和所述回热器第二出料口连通，
所述回热器第一进料口连接于所述压缩机的出口，
所述回热器第一出料口连接于所述尾气换热器的冷侧进料口，
所述回热器第二进料口连接于所述预热器的热侧出料口，
所述回热器第二出料口连接于所述冷却器的入口。
在至少一个可能的实施方式中，所述开式循环系统还包括次级尾气换热器，
所述次级尾气换热器设置为接收所述尾气换热器排出的所述开式循环系统的工质。
在至少一个可能的实施方式中，所述次级尾气换热器设置为接收所述压缩机排出的所述闭式循环系统的工质，并且将所述闭式循环系统的工质通向所述闭式循环涡轮发电机。
通过采用上述技术方案，通过预热器和尾气换热器将开式循环系统和闭式循环系统耦合，使开式循环系统和闭式循环系统互相利用废热，减少废热排放，提高开式-闭式循环复合的发电系统的热效率。
附图说明
图1示出了根据本申请的第一实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统的结构示意图。
图2示出了根据本申请的第二实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统的结构示意图。
图3示出了根据本申请的第三实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统的结构示意图。
附图标记说明
1开式循环系统11压气机
12预热器121预热器第一进料口122预热器第一出料口123预热器第二进料口124预热器第二出料口
13燃烧室14开式循环涡轮15开式循环电机
16尾气换热器161尾气换热器第一进料口162尾气换热器第一出料口163尾气换热器第二进料口164尾气换热器第二出料口
17次级尾气换热器171次级尾气换热器第一进料口172次级尾气换热器第一出料口173次级尾气换热器第二进料口174次级尾气换热器第二出料口
2闭式循环系统21压缩机22闭式循环涡轮23闭式循环电机24冷却器
25回热器251回热器第一进料口252回热器第一出料口253回热器第二进料口254回热器第二出料口
具体实施方式
为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。
如图1所示，本申请的实施方式提出一种开式-闭式循环复合的发电系统，其包括开式循环系统1和闭式循环系统2。
开式循环系统1包括压气机11、预热器12、燃烧室13、开式循环涡轮14、开式循环电机15和尾气换热器16。
预热器12是热交换设备，通过预热器12可以使第一通道中的工质(开式循环系统的工质)和第二通道中的工质(闭式循环系统的工质)进行热交换。预热器12包括第一通道和第二通道，第一通道的两端分别设置有预热器第一进料口(冷侧进料口)121和预热器第一出料口(冷侧出料口)122，第二通道的两端分别设置有预热器第二进料口(热侧进料口)123和预热器第二出料口(热侧进料口)124。
压气机11用于对开式循环系统的工质(例如空气)压缩，从而连续不断地向燃烧室13提供被压缩的高压工质(空气)。
预热器第一进料口121可以连接于压气机11的出口，预热器第一出料口122可以连接于燃烧室13的入口。预热器第二进料口123和预热器第二出料口124连接于闭式循环系统2。
燃烧室13是将压气机11压缩后的高压空气与燃料的混合物燃烧的装置，通过燃烧可以将燃料的化学能转化为热能。
开式循环涡轮14连接于开式循环电机15，开式循环涡轮14和开式循环电机15可以构成开式循环涡轮发电机。燃烧室13的出口连接于开式循环涡轮14，利用燃烧产生的高温高压燃气膨胀做功可以使开式循环涡轮14旋转，将工质的热能转化为机械能。开式循环涡轮14可以带动开式循环电机15工作将机械能转化为电能。
尾气换热器16是热交换设备，尾气换热器16包括第三通道和第四通道，第三通道的两端分别设置有尾气换热器第一进料口161(热侧进料口)和尾气换热器第一出料口(热侧出料口)162，第四通道的两端分别设置有尾气换热器第二进料口(冷侧进料口)163和尾气换热器第二出料口(冷侧出料口)164。
尾气换热器第一进料口161连接于开式循环涡轮14，尾气换热器第一出料口162可以连接到大气或尾气处理设备。
闭式循环系统2包括压缩机21、闭式循环涡轮22、闭式循环电机23和冷却器24。闭式循环系统的工质可以依次流经压缩机21、尾气换热器16、闭式循环涡轮22、预热器12和冷却器24，然后再次回到压缩机21，构成封闭的循环回路，而不会排放到外界。
压缩机21可以对闭式循环系统的工质(例如超临界二氧化碳)进行压缩，从而向尾气换热器16连续不断地提供高压工质。压缩机21的出口连接于尾气换热器第二进料口163，压缩机21的入口连接于冷却器24的出口，压缩机21可以从冷却器24获得较低温的闭式循环系统的工质。
尾气换热器第二出料口164连接于闭式循环涡轮22。尾气换热器16可以利用开式循环涡轮14的出口的开式循环系统的工质加热闭式循环系统2的压缩机21的出口的闭式循环系统的工质，将开式循环涡轮14的出口的高温工质的热量传递给闭式循环系统的工质，从而提高闭式循环涡轮入口工质的温度。
闭式循环涡轮22连接于闭式循环电机23，闭式循环涡轮22和闭式循环电机23可以构成闭式循环涡轮发电机。闭式循环涡轮22利用尾气换热器第二出料口164排出的高温高压气体膨胀做功可以使闭式循环涡轮22旋转，将热能转化为机械能，闭式循环涡轮22可以带动闭式循环电机23工作将机械能转化为电能。
闭式循环涡轮22的出口连接于预热器第二进料口123，使闭式循环涡轮22排出的高温工质用于预热开式循环系统的低温的工质。
冷却器24的入口连接于预热器第二出料口124，冷却器24的出口连接于压缩机21的入口。冷却器24用于对闭式循环系统的工质进行冷却，将工质状态恢复到未被压缩的状态。
预热器12和尾气换热器16是将开式循环系统1和闭式循环系统2耦合的换热设备，使开式循环系统1的工质和闭式循环系统2的工质进行热交换。
本申请的开式-闭式循环复合的发电系统具有以下优点。
(1)预热器12可以利用闭式循环涡轮22的出口的闭式循环系统的工质热量来预热开式循环系统的压气机11的出口的开式循环系统的工质。从而提升开式循环系统中进入燃烧室13的开式循环系统的工质温度，减少燃料的消耗，提升开式循环系统的发电效率。
(2)将闭式循环涡轮22的出口的工质中的部分热量传递给开式循环系统的工质，可以降低闭式循环系统2的冷却器24的入口的闭式循环系统的工质温度，使闭式循环系统对外界环境的散热量较少，使冷却器体积和重量较小，进而提高开式-闭式循环复合的发电系统的功率密度。
(3)本申请的开式-闭式循环复合的发电系统相较于现有的开式-闭式循环复合的发电系统的结构改动较少，易于对现有的开式-闭式循环复合的发电系统进行改进。
(4)开式循环系统1和闭式循环系统2互相利用废热，减少废热排放，提高开式-闭式循环复合的发电系统的热效率。
在上述实施方式中，预热器12和尾气换热器16属于开式循环系统1，然而本申请不限于此，实际上预热器和尾气换热器是开式循环系统和闭式循环系统的耦合部分，预热器和尾气换热器也可以属于闭式循环系统，或者独立于开式循环系统与闭式循环系统。
(第二实施方式)
如图2所示，本申请的实施方式提出一种开式-闭式循环复合的发电系统，其包括开式循环系统1和闭式循环系统2。第二实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统与第一实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统的区别在于闭式循环系统2。对于第二实施方式中与第一实施方式相同或相似的部件使用相同的附图标记表示。
闭式循环系统2包括压缩机21、闭式循环涡轮22、闭式循环电机23、冷却器24和回热器25。
回热器25是热交换设备，回热器25包括第五通道和第六通道，第五通道的两端分别设置有回热器第一进料口(冷侧进料口)251和回热器第一出料口(冷侧出料口)252，第六通道的两端分别设置有回热器第二进料口(热侧进料口)253和回热器第二出料口(热侧出料口)254。
回热器第一进料口251连接于压缩机21的出口，回热器第一出料口252连接于尾气换热器第二进料口163，回热器第二进料口253连接于预热器第二出料口124，回热器第二出料口254连接于冷却器24的入口。
在预热器第二出料口124的工质温度仍高于压缩机21的出口的工质温度时，通过回热器25可以实现能量的回收利用。
在第二实施方式的回热式结构的闭式循环系统中，可以利用预热器第二出料口124排出的较高温度的闭式循环系统的工质将较低温度的闭式循环系统的工质在从压缩机21出来进入尾气换热器16前进行加热，从而提高热能利用效率。
本申请的第二实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统将回热器应用于闭式循环系统中，可以在第一实施方式的基础上进一步提升闭式循环涡轮发电机的效率。
(第三实施方式)
如图3所示，本申请的实施方式提出一种开式-闭式循环复合的发电系统，其包括开式循环系统1和闭式循环系统2。第三实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统与第二实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统的区别在于开式循环系统1。对于第三实施方式中与第二实施方式相同或相似的部件使用相同的附图标记表示。
开式循环系统1包括压气机11、预热器12、燃烧室13、开式循环涡轮14、开式循环电机15、尾气换热器16和次级尾气换热器17。
次级尾气换热器17包括第七通道和第八通道，第七通道的两端分别设置有次级尾气换热器第一进料口(热侧进料口)171和次级尾气换热器第一出料口(热侧出料口)172，第八通道的两端分别设置有次级尾气换热器第二进料口(冷侧进料口)173和次级尾气换热器第二出料口(冷侧出料口)174。
次级尾气换热器第一进料口171连接于尾气换热器第一出料口162，次级尾气换热器第一出料口172可以连接到大气或尾气处理设备。次级尾气换热器第二进料口173可以连接于压缩机21的出口，次级尾气换热器第二出料口174可以连接于尾气换热器第二进料口163。
本实施方式使用多级吸热式循环，其中，换热器可以具有两级，换热器包括尾气换热器16和次级尾气换热器17，这样闭式循环系统的工质可以根据温度的高低进行梯级换热，从而提高系统效率。
预热器12、尾气换热器16和次级尾气换热器17为开式循环系统和闭式循环系统之间的耦合热交换设备。
尾气换热器16和次级尾气换热器17依次利用开式循环涡轮14的出口较高温的工质的热量，加热闭式循环系统的工质。次级尾气换热器17的温度比尾气换热器16的温度低，次级尾气换热器17用于加热压缩机21的出口排出的闭式循环系统的工质。尾气换热器16的温度相对较高，尾气换热器16用于加热回热器第一出料口252和次级尾气换热器17的次级尾气换热器第二出料口排出的混合工质。通过尾气换热器16和次级尾气换热器17二者的共同作用，可以提升总换热量。
从图3中可以看出，从压缩机21的出口排出的闭式循环系统的工质被分成两部分，一部分进入回热器25吸热，一部分进入次级尾气换热器17吸热。
本申请的第三实施方式的开式-闭式循环复合的发电系统将多级(例如，两级)吸热式循环结构应用于闭式循环系统中，可以在第二实施方式的基础上进一步提升闭式循环涡轮发电机的效率。
在上述实施方式中，次级尾气换热器17属于开式循环系统1，然而本申请不限于此，实际上次级尾气换热器是开式循环系统和闭式循环系统的耦合部分，次级尾气换热器也可以属于闭式循环系统，或者独立于开式循环系统与闭式循环系统。
虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。

Claims (10)

1.一种开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，包括：
开式循环系统(1)，所述开式循环系统(1)包括开式循环涡轮发电机、预热器(12)和尾气换热器(16)；以及
闭式循环系统(2)，所述闭式循环系统(2)包括闭式循环涡轮发电机，
其中，通过所述预热器(12)和所述尾气换热器(16)将所述开式循环系统(1)和所述闭式循环系统(2)耦合，所述开式循环系统(1)的工质的热量能够通过所述尾气换热器(16)传递给所述闭式循环系统(2)的工质，所述闭式循环系统(2)的工质的热量能够通过所述预热器(12)传递给所述开式循环系统(1)的工质。
2.根据权利要求1所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述开式循环系统(1)还包括压气机(11)和燃烧室(13)，所述预热器(12)设置于所述压气机(11)和所述燃烧室(13)之间。
3.根据权利要求2所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述闭式循环系统(2)还包括冷却器(24)，所述预热器(12)设置于所述闭式循环涡轮发电机和所述冷却器(24)之间。
4.根据权利要求1所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述闭式循环系统(2)还包括压缩机(21)，所述尾气换热器(16)设置于所述压缩机(21)和所述闭式循环涡轮发电机之间。
5.根据权利要求4所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述尾气换热器(16)包括尾气换热器第一进料口(161)、尾气换热器第一出料口(162)、尾气换热器第二进料口(163)和尾气换热器第二出料口(164)，
所述尾气换热器第一进料口(161)和所述尾气换热器第一出料口(162)连通，所述尾气换热器第二进料口(163)和所述尾气换热器第二出料口(164)连通，
所述尾气换热器第一进料口(161)连接于所述开式循环涡轮发电机的开式循环涡轮的工质出口，
所述尾气换热器第一出料口(162)连接于大气或尾气处理设备，
所述尾气换热器第二进料口(163)连接于所述压缩机(21)的出口，
所述尾气换热器第二出料口(164)连接于所述闭式循环涡轮发电机的闭式循环涡轮的工质入口。
6.根据权利要求3所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述预热器(12)包括预热器第一进料口(121)、预热器第一出料口(122)、预热器第二进料口(123)和预热器第二出料口(124)，
所述预热器第一进料口(121)和所述预热器第一出料口(122)连通，所述预热器第二进料口(123)和所述预热器第二出料口(124)连通，
所述预热器第一进料口(121)连接于所述压气机(11)的出口，
所述预热器第一出料口(122)连接于所述燃烧室(13)的入口，
所述预热器第二进料口(123)连接于所述闭式循环涡轮发电机的闭式循环涡轮的工质出口，
所述预热器第二出料口(124)连接于所述冷却器(24)的入口。
7.根据权利要求4所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述闭式循环系统(2)还包括回热器(25)，
所述预热器(12)设置于所述闭式循环涡轮发电机和所述回热器(25)之间，所述回热器(25)设置于所述压缩机(21)和所述尾气换热器(16)之间，
所述预热器(12)中的闭式循环系统的工质的热量能够通过所述回热器(25)传递给从所述压缩机(21)出来的工质。
8.根据权利要求7所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述闭式循环系统(2)还包括冷却器(24)，
所述回热器(25)包括回热器第一进料口(251)、回热器第一出料口(252)、回热器第二进料口(253)和回热器第二出料口(254)，所述回热器第一进料口(251)和所述回热器第一出料口(252)连通，所述回热器第二进料口(253)和所述回热器第二出料口(254)连通，
所述回热器第一进料口(251)连接于所述压缩机(21)的出口，
所述回热器第一出料口(252)连接于所述尾气换热器(16)的冷侧进料口，
所述回热器第二进料口(253)连接于所述预热器(12)的热侧出料口，
所述回热器第二出料口(254)连接于所述冷却器(24)的入口。
9.根据权利要求4所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述开式循环系统(1)还包括次级尾气换热器(17)，
所述次级尾气换热器(17)设置为接收所述尾气换热器(16)排出的所述开式循环系统(1)的工质。
10.根据权利要求9所述的开式-闭式循环复合的发电系统，其特征在于，所述次级尾气换热器(17)设置为接收所述压缩机(21)排出的所述闭式循环系统(2)的工质，并且将所述闭式循环系统(2)的工质通向所述闭式循环涡轮发电机。
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