CN206816364U - 一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统。包括燃气轮机和跨临界二氧化碳冷凝循环系统，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统包括主压气机、副压气机、高温回热器、低温回热器、冷凝器、发电机以及至少一级相对应设置的换热器和涡轮。本实用新型通过燃气轮机排出的燃气进入各级换热器反复对循环工质进行换热后，再使循环工质依次进入各级涡轮膨胀做功带动发电机转动进行发电，以此反复使得燃气轮机的排气温度得到逐步降低和有效利用，从而将更多的热能转换为机械能进行发电，进而提高燃气轮机的循环使用效率。

Description

一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统

技术领域

本实用新型涉及电力能源技术领域，具体涉及一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统。

背景技术

分布式供电是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近，其为未来高效能源利用、减少污染和排放的有效方式，而燃气轮机是分布式供电的主要形式之一。由于二氧化碳无毒、无污染，在临界点附近具有优良的气动热力性质，且储量丰富廉价易得，对环境的影响小，它不可燃且具有良好的化学稳定性，因此，二氧化碳也作为近年来新兴的绿色工质，在热力循环方面有着巨大的发展前景。

目前国内外研究均集中于超临界二氧化碳布雷顿循环在核电以及燃气轮机联合循环方向，二氧化碳的临界温度为304.21K，临界压力为7.377MPa，较容易实现超临界性态，对设备的要求较低，降低了制造成本。超临界二氧化碳具有近似液体的高密度、近似气体的低粘度，在热力循环中压缩功耗低，有利于提高热力系统净效率。以超临界二氧化碳为工质的压缩机、气轮机等动力机械的结构紧凑、体积较小。

为提高燃气轮机循环效率，总是希望降低燃气轮机排气温度，以将更多的热能转换为机械能，进而转换为电能。但是，对于燃气轮机超临界二氧化碳联合循环时，低的燃气轮机排气温度意味着低的超临界二氧化碳循环涡轮前温度，这会显著降低超临界二氧化碳循环的循环效率。

实用新型内容

本实用新型目的在于：针对目前在燃气轮机超临界二氧化碳联合循环发电时，超临界二氧化碳循环的循环效率较低的问题，提供一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，通过采用跨临界二氧化碳冷凝循环，有利于提高循环效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，包括燃气轮机和跨临界二氧化碳冷凝循环系统，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统包括主压气机、副压气机、高温回热器、低温回热器、冷凝器、发电机以及至少一级相对应设置的换热器和涡轮，其中，燃气轮机的排气连接于换热器热端入口，换热器冷端出口与涡轮入口相连，涡轮出口与高温回热器热端入口相连，高温回热器热端出口与低温回热器热端入口相连，低温回热器热端出口分别与副压气机入口和冷凝器入口相连，冷凝器出口与主压气机入口相连，主压气机出口与低温回热器冷端入口相连，低温回热器冷端出口、副压气机出口均与高温回热器冷端入口相连，高温回热器冷端出口与换热器冷端入口相连。

本实用新型通过将燃气轮机排出的燃气进入各级换热器进行换热，在该循环系统中，工质分成两部分，其中一部分经冷凝器冷凝后进入主压气机压缩后经低温回热器冷端加热，另一部分工质直接进入副压气机压缩后和低温回热器冷端出口的工质掺混并进入高温回热器，回热后的工质通过换热器加热后，进入涡轮膨胀做功，然后进入下一级换热器加热后，进入下一级涡轮膨胀做功，以此反复使得燃气轮机的排气温度得到逐步降低和有效利用，从而将更多的热能转换为机械能进行发电，进而提高燃气轮机的循环使用效率。

作为本实用新型的优选方案，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统的工质为饱和液态二氧化碳及超临界二氧化碳。超临界二氧化碳具有近似液体的高密度、近似气体的低粘度，在热力循环中压缩功耗低，有利于提高热力系统净效率和减小系统结构，且饱和液态二氧化碳容易实现超临界性态，两个状态之间转换容易，对设备要求较低，降低制造成本。

作为本实用新型的优选方案，冷凝器出口处的工质状态为饱和液态二氧化碳。在主压气机入口其他参数不变的情况下，将超临界二氧化碳经冷凝器冷凝为饱和液态二氧化碳并进入主压气机，在压比相同的条件下主压气机功更小，假设反应堆对二氧化碳的加热量不变，压气机功减小就意味着可以将更多的涡轮功输出到发电机，从而进一步提高整机的热效率。

作为本实用新型的优选方案，相对应设置的换热器和涡轮为三级，其分别为一级换热器、一级涡轮、二级换热器、二级涡轮、三级换热器和二级涡轮，其中，一级换热器热端入口与燃气轮机的排气相连，一级换热器热端出口与二级换热器热端入口相连，二级换热器热端出口与三级换热器热端入口相连，三级换热器热端出口与大气相通，一级换热器冷端入口与高温回热器冷端出口相连，一级换热器冷端出口与一级涡轮入口相连，一级涡轮出口与二级换热器冷端入口相连，二级换热器冷端出口与二级涡轮入口相连，二级涡轮出口与三级换热器冷端入口相连，三级换热器冷端出口与三级涡轮入口相连，三级涡轮出口与高温回热器热端入口相连。通过设置三级相对应的换热器和涡轮，经过计算涡轮前温度仅为310℃，且循环效率达到38％，循环效率显著提高，由于稳定高效工作所要求的涡轮前温度较低，因而可以广泛应用于各类现有燃气轮机的废气利用中。

作为本实用新型的优选方案，所有的涡轮、副压气机、主压气机和发电机同轴设置。采用这样的设计可以通过涡轮带动副压气机、主压气机和发电机工作，无需再另外设置动力源，同时这样布置可以进一步减小系统整体结构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过将燃气轮机排出的燃气进入各级换热器进行换热，在该循环系统中，工质分成两部分，其中一部分经冷凝器冷凝后进入主压气机压缩后经低温回热器冷端加热，另一部分工质直接进入副压气机压缩后和低温回热器冷端出口的工质掺混并进入高温回热器，回热后的工质通过换热器加热后，进入涡轮膨胀做功，然后进入下一级换热器加热后，进入下一级涡轮膨胀做功，以此反复使得燃气轮机的排气温度得到逐步降低和有效利用，从而将更多的热能转换为机械能进行发电，进而提高燃气轮机的循环使用效率；

2、本实用新型中冷凝器出口处的工质状态为饱和液态二氧化碳，在主压气机入口其他参数不变的情况下，将超临界二氧化碳经冷凝器冷凝为饱和液态二氧化碳并进入主压气机，在压比相同的条件下主压气机功更小，假设反应堆对二氧化碳的加热量不变，压气机功减小就意味着可以将更多的涡轮功输出到发电机，从而进一步提高整机的热效率；

3、本实用新型中通过设置三级相对应的换热器和涡轮，经过计算涡轮前温度仅为310℃，且循环效率达到38％，循环效率显著提高，由于稳定高效工作所要求的涡轮前温度较低，因而可以广泛应用于各类现有燃气轮机废气利用中。

附图说明

图1为本实用新型中的燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统结构示意图。

图中标记：1-燃气轮机，2-负载，3-主压气机，4-副压气机，5-低温回热器，6-高温回热器，71-一级换热器，72-二级换热器，7N-N级换热器，81-一级涡轮，82-二级涡轮，8N-N级涡轮，9-冷凝器，10-发电机。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实用新型提供一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统；

如图1所示，本实施例中的燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，包括燃气轮机1和跨临界二氧化碳冷凝循环系统，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统包括主压气机3、副压气机4、高温回热器6、低温回热器5、冷凝器9、发电机10以及多级相对应设置的换热器和涡轮，其中，一级换热器71热端入口与燃气轮机1的排气相连，一级换热器71热端出口与二级换热器72热端入口相连，二级换热器72热端出口与N级换热器7N热端入口相连，N级换热器7N热端出口与大气相通，一级换热器71冷端出口与一级涡轮81入口相连，一级涡轮81出口与二级换热器72冷端入口相连，二级换热器72冷端出口与二级涡轮82入口相连，二级涡轮82出口与N级换热器7N冷端入口相连，N级换热器7N冷端出口与N级涡轮8N入口相连，N级涡轮8N出口与高温回热器6热端入口相连，高温回热器6热端出口与低温回热器5热端入口相连，低温回热器5热端出口分别与副压气机4入口和冷凝器9入口相连，冷凝器9出口与主压气机3入口相连，主压气机3出口与低温回热器5冷端入口相连，低温回热器5冷端出口、副压气机4出口均与高温回热器6冷端入口相连，高温回热器6冷端出口与一级换热器71冷端入口相连。

本实施例中，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统的工质为超临界二氧化碳，且冷凝器出口处的工质状态为饱和液态二氧化碳。在主压气机入口其他参数不变的情况下，将超临界二氧化碳经冷凝器冷凝为饱和液态二氧化碳并进入主压气机，在压比相同的条件下主压气机功更小，假设反应堆对二氧化碳的加热量不变，压气机功减小就意味着可以将更多的涡轮功输出到发电机，从而进一步提高整机的热效率。

本实施例中，当相对应设置的换热器和涡轮为三级时，经过计算涡轮前温度仅为310℃，且循环效率达到38％，循环效率显著提高，由于稳定高效工作所要求的涡轮前温度较低，因而可以广泛应用于各类现有燃气轮机的废气利用中。

本实施例中，所有的涡轮、副压气机、主压气机和发电机同轴设置。采用这样的设计可以通过涡轮带动副压气机、主压气机和发电机工作，无需再另外设置动力源，同时这样布置可以进一步减小系统整体结构。

具体的，燃气轮机1带动负载2工作，排出的燃气进入一、二、…、N级换热器71、72、…、7N进行换热。跨临界二氧化碳冷凝循环系统中，超临界二氧化碳分成两部分，其中一部分经冷凝器9冷凝为饱和液态二氧化碳并进入主压气机3，压缩后经低温回热器5冷端加热；另一部分超临界二氧化碳直接进入副压气机4压缩，压缩后的二氧化碳和低温回热器5冷端出口的二氧化碳掺混并进入高温回热器6，回热后的超临界二氧化碳依次通过一级换热器71加热、一级涡轮81膨胀做功，二级换热器72加热、二级涡轮82膨胀做功，…，N级换热器7N加热、N级涡轮8N膨胀做功。所有涡轮同轴，并带动同轴的主压气机3、副压气机4、发电机10旋转。N级换热器7N出口燃气排入大气，N级涡轮8N出口的超临界二氧化碳依次通过高温回热器6、低温回热器5热端降温，最终形成跨临界二氧化碳冷凝闭式循环。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的原理之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，其特征在于，包括燃气轮机和跨临界二氧化碳冷凝循环系统，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统包括主压气机、副压气机、高温回热器、低温回热器、冷凝器、发电机以及至少一级相对应设置的换热器和涡轮，其中，燃气轮机的排气连接于换热器热端入口，换热器冷端出口与涡轮入口相连，涡轮出口与高温回热器热端入口相连，高温回热器热端出口与低温回热器热端入口相连，低温回热器热端出口分别与副压气机入口和冷凝器入口相连，冷凝器出口与主压气机入口相连，主压气机出口与低温回热器冷端入口相连，低温回热器冷端出口、副压气机出口均与高温回热器冷端入口相连，高温回热器冷端出口与换热器冷端入口相连。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，其特征在于，所述跨临界二氧化碳冷凝循环系统的工质为饱和液态二氧化碳及超临界二氧化碳。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，其特征在于，冷凝器出口处的工质状态为饱和液态二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，其特征在于，相对应设置的换热器和涡轮为三级，其分别为一级换热器、一级涡轮、二级换热器、二级涡轮、三级换热器和二级涡轮，其中，一级换热器热端入口与燃气轮机的排气相连，一级换热器热端出口与二级换热器热端入口相连，二级换热器热端出口与三级换热器热端入口相连，三级换热器热端出口与大气相通，一级换热器冷端入口与高温回热器冷端出口相连，一级换热器冷端出口与一级涡轮入口相连，一级涡轮出口与二级换热器冷端入口相连，二级换热器冷端出口与二级涡轮入口相连，二级涡轮出口与三级换热器冷端入口相连，三级换热器冷端出口与三级涡轮入口相连，三级涡轮出口与高温回热器热端入口相连。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机跨临界二氧化碳冷凝循环联合发电系统，其特征在于，所有的涡轮、副压气机、主压气机和发电机同轴设置。