CN115450720A - 一种低温增压二氧化碳超临界发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温增压二氧化碳超临界发电系统，涉及能源转换领域，包括：若干组增压换热器，透平机械和电能转换装置；其中，增压换热器包括：第一容器，内部容纳有工质，第一容器具有出气口；第二容器，内部用于容纳低温热源，且第一容器部分设于第二容器内；第一容器被配置为在低温热源处吸热以使工质吸热而形成气态工质，气态工质从出气口排出以产生冲击气体；以及芯管，套设于第一容器之内，芯管的内部用于容纳冷却剂；待冲击气体完成冲击操作之后，向芯管注入冷却剂以对第一容器进行降温；各组增压换热器的气态二氧化碳出口均连接透平机械，透平机械将冲击气体的冲击势能转换为机械能，电能转换装置将透平机械的机械能转换为电能。
Description
技术领域
本发明涉及能源转换领域，具体而言，涉及一种低温增压二氧化碳超临界发电系统。
背景技术
目前二氧化碳发电系统还是集中在高温段(350℃以上)，代表技术为布雷顿循环发电系统，在低温段(90～250℃)主要是有机朗肯(ORC)低温发电系统，综合利用后，高温段工业的余热利用基本完成在经历了十几年工业余热，低温段尤其是90～120℃的低温热源，现有的有机朗肯技术热电转化效率较低，投资回收期太长，所以这部分热源很少被有效利用，在技术层面分析，有机朗肯低温发电系统针对90～120℃低温热源，由于有机工质在吸热相变和冷却相变的过程中，能够提供透平机做功的部分很少，低温下有机工质相变后饱和气体压力不高，又不稳定，无法给透平机提供稳定、可靠的动力源，进而不利于后续的发电工作。
发明内容
本发明提供一种低温增压二氧化碳超临界发电系统，可以给透平机提供稳定、可靠的动力源。
在第一方面，本发明实施例提供一种低温增压二氧化碳超临界发电系统，包括：若干组增压换热器，分别与各组增压换热器依次连接的透平机械，以及与所述透平机械连接的电能转换装置；
其中，所述增压换热器包括：
第一容器，内部容纳有工质，所述第一容器具有出气口；
第二容器，内部用于容纳低温热源，且所述第一容器部分设于所述第二容器内；其中，所述第一容器被配置为在所述低温热源处吸热以使所述工质吸热而形成气态工质，所述气态工质从所述出气口排出以产生冲击气体；其中，所述第一容器之内还套设有芯管，所述芯管的内部用于容纳冷却剂；待所述冲击气体完成冲击操作之后，向所述芯管注入所述冷却剂以对所述第一容器进行降温；
各组所述增压换热器的所述第一容器的所述出气口均连接所述透平机械，所述透平机械将所述冲击气体的冲击势能转换为机械能，所述电能转换装置将所述透平机械的机械能转换为电能。
在一些实施例中，先控制所述第一容器处于封闭状态，并当所述第一容器内的环境温度与所述低温热源的温度达到热平衡时，所述第一容器内的所述气体工质形成超临界饱和气体，再控制所述出气口呈导通状态，并通过所述出气口释放所述超临界饱和气体。
在一些实施例中，所述第一容器为蒸发器，所述第二容器为热水罐体，所述芯管为冷却水管，所述工质为液态二氧化碳，所述低温热源为热水，所述冷却剂为冷却水。
在一些实施例中，所述热水罐体上设有热水进口和热水出口，所述热水进口上安设有热水进水口截止阀，所述热水出口上安设有热水出水口截止阀。
在一些实施例中，所述蒸发器上设有液态二氧化碳进口、液态二氧化碳出口以及气态二氧化碳出口，所述液态二氧化
碳进口上安装有液态二氧化碳进口截止阀，所述液态二氧化碳出口上安装有液态二氧化碳出口截止阀，所述气态二氧化碳出口上安装有气态二氧化碳出口截止阀。
在一些实施例中，所述冷却水管两端分别是冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口上安装有冷却水入口截止阀，所述冷却水出口上安装有冷却水出口截止阀。
在一些实施例中，所述热水出水口截止阀、所述液态二氧化碳出口截止阀、冷却水出口截止阀安装有流量传感器，所述二氧化碳出口截止阀处安装有压力传感器，所述热水进水口截止阀处安装有温度传感器，这些传感器连接一控制器，且所述控制器连接有网络模块。
在一些实施例中，还包括二氧化碳储液罐，所述二氧化碳储液罐分别连接各组所述增压换热器的液态二氧化碳进口和液态二氧化碳出口，以向各个蒸发器提供液态二氧化碳。
在一些实施例中，还包括热水储水罐，所述热水储水罐分别连接各组增压换热器的热水进口和热水出口，以向各个热水罐体提供热水。
在一些实施例中，还包括冷却水储水罐，所述冷却水储
水罐分别连接各组增压换热器的冷却水管两端，以向各个冷却水管提供冷却水。
在一些实施例中，所述第一容器的数量为多组，且均部分设于所述第二容器内，各个所述第一容器呈并联状态，各个所述第一容器的出气口并联至一个总出气口，各个所述第一容器的各个芯管也呈并联状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的低温增压二氧化碳超临界发电系统结构示意图；
图2为图1中的增压换热器结构示意图；
图3为图2所示的增压换热器的一种改进型结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1和图2，本实施例提供一种低温增压二氧化碳超临界发电系统，其包括：若干并联的增压换热器3A。
以下详细的描述增压换热器3A的结构，请结合参照图2，
该增压换热器3A主要包括热水罐体14，蒸发器2和冷却水管其中，蒸发器2设置于热水罐体14之内，蒸发器2的顶端和底端可以伸出热水罐体14之外。冷却水管12贯穿蒸发器2并设于蒸发器2之内，即冷却水管12套装在蒸发器2之内。
蒸发器2带有导热翅片6，导热翅片6能够从热水中快速吸收热量，同时该蒸发器2有冷却水管12置于内部，可以快速对蒸发器2内部降温、降压，方便再次向蒸发器2内注入液态二氧化碳，考虑到各类管道和截止阀的安装和后期维护，可把热水罐体14置于蒸发器2的中间位置，即蒸发器2的顶端和底端伸出热水罐体14之外，热水罐体14的下部是底座8，热水罐体14的上部带有盖板9，有了底座8和盖板9的之后，可以将蒸发器2整个封装在一个封闭空间内，避免与外界接触而产生安全隐患。
热水罐体14上设有热水进口和热水出口，热水进口上安设有热水进水口截止阀4，热水出口上安设有热水出水口截止阀15。
蒸发器2上设有液态二氧化碳进口、液态二氧化碳出口，以及气态二氧化碳出口，液态二氧化碳进口上安装有液态二氧化碳进口截止阀3，液态二氧化碳出口上安装有液态二氧化碳出口截止阀16，气态二氧化碳出口上安装有气态二氧化碳出口截止阀11。
冷却水管12两端分别是冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口上安装有冷却水入口截止阀1，冷却水出口上安装有冷却水出口截止阀17。
该增压换热器3A的工作原理如下：
首先打开液态二氧化碳进口截止阀3和液态二氧化碳出口
截止阀16，向蒸发器2注入液态二氧化碳，注满后关闭液态二氧化碳进口截止阀3和液态二氧化碳出口截止阀16，此时气态二氧化碳出口截止阀11是处于关闭状态，其次打开热水进水口截止阀4，热水出水口截止阀15，向热水罐体14内注满热水，注满后关闭，液态二氧化碳吸收热水中热量迅速相变气化膨胀，蒸发器2内饱和气体压力可以快速升高到25Mpa，当压力达到预设值，打开二氧化碳出口截止阀11，释放高压饱和二氧化碳气体，释放完毕关闭二氧化碳出口截止阀11，打开热水出水口截止阀15，排除罐体内部热水，此时蒸发器2中有残余二氧化碳气体，包括蒸发器2本身金属存有热量，打开冷却水入口截止阀1、冷却水出口截止阀17，冷却水对蒸发器2内部降温、降压，至此，一个工作循环完成，即可进入下一个循环程序。
进一步的，还可以在增压换热器内部安装有各类自控传感器，在热水出水口截止阀15、液态二氧化碳出口截止阀16、冷却水出口截止阀17安装流量传感器，在二氧化碳出口截止阀11处安装压力传感器，在热水进水口截止阀4处安装温度传感器，这些传感器连接一控制器，如PLC控制器，用于控制各自的截止阀，整体控制采用PLC可编程进行控制，具备联网控制能力，例如可以为PLC控制器连接有网络模块，例如，可以通过编写对应的控制程序来完成对上述各截止阀和各传感器的智能化自动控制。
值得强调的是，本实施例虽然以液态二氧化碳为例进行说明，也可以采用其它液态工质，虽然冷却水管12中是以冷却水作为示例进行说明，但是也可以采用具有冷却功能的其它物质作为冷却剂使用，虽然热水罐体14中是以热水作为热源进行示例，但是在其它实施例中也可以采用诸如热水的其它热源。
图1所示的低温增压二氧化碳超临界发电系统还包括分别与各组增压换热器3A依次连接的透平机械5A(汽轮机或螺杆机)和电能转换装置(与该透平机械5A连接)，透平机械5A通过环境温度转换装置6A连接冷却模块，该冷却模块
包括制冷设备7A(如空调)和冷却塔8A，冷却模块再连接液态二氧化碳储液罐1A，该液态二氧化碳储液罐1A分别连接各组增压换热器3A的蒸发器2的液态二氧化碳进口和液态二氧化碳出口，以为各组增压换热器3A的蒸发器2提供液态二氧化碳。
还包括分别连接各组增压换热器3A的热水储水罐2A及冷却水储水罐4A。
其中，热水储水罐2A分别连接各组增压换热器3A的热水进口和热水出口，以向各个热水罐体14提供源源不断的热水。
冷却水储水罐4A分别连接各组增压换热器3A的冷却水管12两端，以向各个冷却水管12提供源源不断的冷却水。
各组增压换热器3A的气态二氧化碳出口均连接该透平机械5A(汽轮机或螺杆机)。各组增压换热器3A的气态二氧化碳出口所输出的冲击气体(二氧化碳气体)产生冲击势能，透平机械5A将冲击气体的冲击势能转换为机械能，电能转换装置(该电能转换装置例如可以是发电机，优选采用直流发电机)将透平机械5A的机械能转换为电能，如此循环往复以实现发电效果。
详细而言，例如，在第一组增压换热器3A通过其气态二氧化碳出口完成了气体释放后带动透平机械5A将冲击气体的冲击势能转换为机械能之后，再使用第二组增压换热器3A进行气体释放，然后再使用第三组增压换热器3A,依次类推，从而保障一直有持续的冲击气体输送给该透平机械5A以使该透平机械5A产生稳定的机械能输出，从而可以持续带动该电能转换装置(如直流发电机)旋转，从而产生稳定持续的电能。
上述若干组增压换热器3A以接力的工作模式实现循环，增压换热器3A给透平机5A提供高压饱和二氧化碳气体，做完功的二氧化碳气体进入环境温度转换装置6A(该装置可对透平机5A输出的二氧化碳气体进行初步降温，即可将高温二氧化碳气体降为室温)，制冷设备7A和冷却塔8A，环境温度转换装置6A，制冷设备7A(如空调)和冷却塔8A构成二氧化碳回收冷却装置，采用制冷设备7A加冷却塔8A的组合方式，主要是考虑降低制冷能耗，只有在夏季中午高温阶段，才能采用制冷设备7A和冷却塔8A同时工作，其他时间段以冷却塔8A为主，制冷设备7A为辅的模式，冬季只需要冷却
塔8A工作即可，二氧化碳气体经过环境温度转换装置6A，制冷设备7A和冷却塔8A后，成为液态二氧化碳回到液态储液罐1A。
作为系统的核心动力源的增压换热器3A，保证增压换热器3A正常工作需要有外界热源—热水储水罐2A，从图1中可以看到，增压换热器3A是并联安装的，一个增压换热器3A工作，其它增压换热器3A待命，各个增压换热器3A依次以接力方式工作，实现发电系统连续循环，整个循环工作依据安装在增压换热器上的各种传感器(包括温度传感器、压力传感器、流体状态传感器等)所给出的指令，控制相应的执行阀门(截止阀)，由计算机管理系统统一管理、控制和执行。
如图3，与图2所示出的增压换热器3A不同之处在于，本实施例的增压换热器具有多组蒸发器和配套的多组冷却水管，为了方便说明，可以分别给各组蒸发器进行编号，如图3所示分别是1号，2号...N号。
在本实施例中，1号蒸发器的液态二氧化碳入口A1、2号蒸发器的液态二氧化碳入口A2一直至N号蒸发器的液态二氧化碳入口AN并联至总液态二氧化碳入口A。
1号蒸发器的液态二氧化碳出口E1、2号蒸发器的液态二氧化碳出口E2一直至N号蒸发器的液态二氧化碳出口EN并联至总液态二氧化碳出口E。
1号蒸发器的气态二氧化碳出口C1、2号蒸发器的气态二氧化碳出口C2一直至N号蒸发器的气态二氧化碳出口CN并联至总气态二氧化碳出口C。
1号蒸发器的冷却水管的冷却水入口B1、2号蒸发器的冷却水管的冷却水入口B2一直至N号蒸发器的冷却水管的冷却水入口BN并联至总冷却水管的冷却水入口B。
1号蒸发器的冷却水管的冷却水出口F1、2号蒸发器的冷却水管的冷却水出口F2一直至N号蒸发器的冷却水管的冷却水出口FN并联至总冷却水管的冷却水出口F。
上述1号至N号蒸发器共用一个总的热水罐体，热水罐体具有一个总热水入口G和总热水出口D。
本实施例这样设计的目的是可以使得1号至N号蒸发器同时吸收热水罐体内热水的热量以加热各自蒸发器内的液态二氧化碳，这样可以在预定的时间内积聚更多的气态二氧化
碳气体以供从总气态二氧化碳出口C持续性地输出，极大提高了系统工作效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，包括：若干组增压换热器，分别与各组增压换热器依次连接的透平机械，以及与所述透平机械连接的电能转换装置；
其中，所述增压换热器包括：
第一容器，内部容纳有工质，所述第一容器具有出气口；
第二容器，内部用于容纳低温热源，且所述第一容器部分设于所述第二容器内；其中，所述第一容器被配置为在所述低温热源处吸热以使所述工质吸热而形成气态工质，所述气态工质从所述出气口排出以产生冲击气体；
其中，所述第一容器之内还套设有芯管，所述芯管的内部用于容纳冷却剂；待所述冲击气体完成冲击操作之后，向所述芯管注入所述冷却剂以对所述第一容器进行降温；
各组所述增压换热器的所述第一容器的所述出气口均连接所述透平机械，所述透平机械将所述冲击气体的冲击势能转换为机械能，所述电能转换装置将所述透平机械的机械能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，先控制所述第一容器处于封闭状态，并当所述第一容器内的环境温度与所述低温热源的温度达到热平衡时，所述第一容器内的所述气体工质形成超临界饱和气体，再控制所述出气口呈导通状态，并通过所述出气口释放所述超临界饱和气体。
3.根据权利要求1所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，所述第一容器为蒸发器，所述第二容器为热水罐体，所述芯管为冷却水管，所述工质为液态二氧化碳，所述低温热源为热水，所述冷却剂为冷却水。
4.根据权利要求3所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，所述热水罐体上设有热水进口和热水出口，所述热水进口上安设有热水进水口截止阀，所述热水出口上安设有热水出水口截止阀。
5.根据权利要求4所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，所述蒸发器上设有液态二氧化碳进口、液态二氧化碳出口以及气态二氧化碳出口，所述液态二氧化碳进口上安装有液态二氧化碳进口截止阀，所述液态二氧化碳出口上安装有液态二氧化碳出口截止阀，所述气态二氧化碳出口上安装有气态二氧化碳出口截止阀。
6.根据权利要求5所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，所述冷却水管两端分别是冷却水入口和冷却水出口，所述冷却水入口上安装有冷却水入口截止阀，所述冷却水出口上安装有冷却水出口截止阀。
7.根据权利要求6所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，所述热水出水口截止阀、所述液态二氧化碳出口截止阀、冷却水出口截止阀安装有流量传感器，所述二氧化碳出口截止阀处安装有压力传感器，所述热水进水口截止阀
处安装有温度传感器，这些传感器连接一控制器，且所述控制器连接有网络模块。
8.根据权利要求7所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，还包括二氧化碳储液罐，所述二氧化碳储液罐分别连接各组所述增压换热器的液态二氧化碳进口和液态二氧化碳出口，以向各个蒸发器提供液态二氧化碳。
9.根据权利要求8所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，还包括热水储水罐，所述热水储水罐分别连接各组增压换热器的热水进口和热水出口，以向各个热水罐体提供热水；还包括冷却水储水罐，所述冷却水储水罐分别连接各组增压换热器的冷却水管两端，以向各个冷却水管提供冷却水。
10.根据权利要求1所述的低温增压二氧化碳超临界发电系统，其特征在于，所述第一容器的数量为多组，且均部分设于所述第二容器内，各个所述第一容器呈并联状态，各个所述第一容器的出气口并联至一个总出气口，各个所述第一容器的各个芯管也呈并联状态。
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