CN212406844U - 回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种发电系统，具体为回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。本实用新型包括热源系统、超临界二氧化碳布雷顿循环系统、活塞膨胀直线发电机余热发电系统和二氧化碳预冷器；所述热源系统的工质侧出口连接超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质输入端；热源系统的工质侧入口连接超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质输出端；所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质循环回路上连接二氧化碳预冷器；所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统包括至少一个单级活塞膨胀‑直线发电机余热回收发电子系统。本实用新型采用若干级活塞膨胀‑直线发电机余热回收发电子系统形成梯级余热回收，使整个系统兼具高效、廉价、工作范围广的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种发电系统，具体为回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。
背景技术
不断提高发电机组效率是电力行业研究的永恒主题和目标。传统以蒸汽朗肯循环为主流的能量转换系统需要提高蒸汽参数到700℃，效率才能达到50％左右，因此需要花费高昂的经济和时间成本开发新型镍基高温合金。为了突破传统路线的瓶颈，一些新概念先进动力系统受到越来越多的关注，超临界工质具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性。
二氧化碳以其合适的临界压力、稳定的特性、成熟的物性研究、无毒以及低成本等诸多优势被认为是一个很有前途的替代工质，可以应用在很多先进的热量传输和能量转换系统中，包括直接或间接利用超临界二氧化碳布雷顿循环的新一代核反应堆；利用超临界二氧化碳循环的太阳能供热、供电和制冷的联合分布式供能系统，新型的基于二氧化碳跨临界压缩循环的空调和热泵等等。特别是近年来许多学者广泛关注的超临界二氧化碳布雷顿循环燃煤发电机组，可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，不需要再开发新型的高温合金，应用前景非常好。
超临界CO2布雷顿循环还被太阳能光热发电、核电、船舶动力等领域所广泛关注，成为最有可能代替现有蒸汽机组的热力循环发电系统。但超临界CO2布雷顿循环仍有可以优化改进之处，由于布雷顿循环的特点，超临界CO2布雷顿循环的放热过程不是等温过程而是降温过程，放热的理论最高温度为80-90℃，若由于设计的需要，放热最高温度可能更高，若全部采用冷却介质直接冷却无疑会造成浪费，完全可以将其作为余热进行回收发电。
目前也有一些低温余热回收发电装置，最常见有有机朗肯循环(ORC)余热回收发电系统，这目前来说这些系统都存在一些问题，使其难以大幅推广应用。存在的主要问题是，由于热源温度低，限制了ORC系统的效率，较低的效率下使ORC系统的成本显得很高，系统的投资回收期很长，很多企业不愿意采用。主要原因在于，一方面，余热热源规模往往不大，常常遇到几百kW或几十kW这个量级的热源，针对这个量级的热源，ORC系统中的透平尺寸将变的比较小，否则必须采用效率较低且成本较高的高速电机，在这种条件下，ORC透平的效率往往不高，这进一步限制了余热回收发电的利润空间。同时，即便透平设计在3000rpm转速下，旋转机械的动密封是ORC系统面临的一个难题，常规的轴封系统无法避免0泄漏，一旦有泄漏就意味着有机工质的经济损失，若更采用高级的密封系统，例如干气密封等则成本的增加将使系统面临更大的挑战。另一方面，目前的ORC系统多采用向心式或轴流式透平，无论哪种透平的加工成本都很高。同时，为了保证透平正常工作，透平进出口需要保证相对较高的压差，压差越大则透平的膨胀比越大，透平的做功能力越强，系统热效率越高，则系统必须采用泵等设备进行增压。
同时，目前在低温余热发电领域采用的发电设备大都存在成本较高，系统复杂；在新能源开发和利用时，旋转发电机显然在高速运动情况下更加适用，而且由于旋转发电机所无法在相对较低频率的运动条件下保持较高的效率，普通的透平及普通发电机又无法在很低压差和很低温差的气流进行发电，存在低温余热发电领域不适用的问题。因此，余热回收发电领域亟待出现更加物美价廉的新技术打破目前ORC系统面临的困境。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种采用活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统回收超临界CO2布雷顿循环低温端排除的废热发电，能有效提高系统的发电功率和热效率，设计合理，成本较低的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，包括热源系统、超临界二氧化碳布雷顿循环系统、活塞膨胀直线发电机余热发电系统和二氧化碳预冷器；
所述的热源系统的工质侧出口连接超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质输入端；热源系统的工质侧入口连接超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质输出端；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质循环回路上连接二氧化碳预冷器；
所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统包括至少一个单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统；单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统包括废热蒸发器、活塞膨胀-直线发电机系统、冷凝器和储液器；所述的废热蒸发器的蒸发室出口与活塞膨胀-直线发电机系统的入口相连；所述的活塞膨胀-直线发电机系统的出口与冷凝器的冷凝室入口相连；所述的冷凝器的冷凝室出口与储液器的循环工质入口相连；所述的储液器的循环工质出口与废热蒸发器的蒸发室入口侧相连；
所述的废热蒸发器的加热室入口和出口分别作为活塞膨胀-直线发电机余热发电系统的CO2侧入口和出口，连接在超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质循环回路上且位于二氧化碳预冷器的工质入口一侧。
进一步的，所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平发电系统、高温回热器、低温回热器、主压缩机和再压缩机；
所述的透平发电系统的透平入口作为超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质输入端与热源系统的工质侧出口相连通，透平发电系统的透平出口与高温回热器的放热侧入口相连通；
所述的高温回热器的放热侧出口与低温回热器的放热侧入口相连通，低温回热器的放热侧出口分别与活塞膨胀直线发电机余热发电系统的CO2侧入口以及再压缩机的入口相连通；
所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统的CO2侧出口与二氧化碳预冷器的工质侧入口相连通；所述的二氧化碳预冷器的工质侧出口与主压缩机的入口相连通；所述的主压缩机的出口与低温回热器的吸热侧入口相连通；所述的低温回热器的吸热侧出口及再压缩机的出口均与高温回热器的吸热侧入口相连通；所述的高温回热器的吸热侧出口作为超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质输出端与热源系统的入口相连通。
进一步的，所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统包括若干级沿CO2流动方向串联的单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统。
更进一步的，若干级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器的加热室出入口依次串联形成沿CO2流动方向的串联结构；第一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器的CO2侧入口和最后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器的CO2侧出口，分别作为活塞膨胀直线发电机余热发电系统的CO2侧入口和出口。
进一步的，所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统包括若干级沿循环工质传热方向串联的单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统。
更进一步的，前一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的冷凝器的制冷室，作为后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器的加热室，依次串联形成沿循环工质传热方向的串联结构。
进一步的，所述的冷凝器中液态循环工质的液面比废热蒸发器中液态工质的液面高。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，将活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统和超临界CO2布雷顿循环发电系统结合起来，可以回收超临界CO2布雷顿循环低温端放出的热量继续发电，提高了系统输出功率和热效率，并且由于单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统本身是一种效率较高，并且廉价的简单的系统。
进一步的，本实用新型采用若干级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统形成梯级余热回收，使整个系统兼具高效、廉价、工作范围广的优点。
附图说明
图1为本实用新型单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的结构示意图。
图2为本实用新型实施例中所述的结构示意图。
图中：热源系统1，超临界二氧化碳布雷顿循环系统2，透平发电系统21，高温回热器22，低温回热器23，主压缩机24，再压缩机25，活塞膨胀直线发电机余热发电系统3，废热蒸发器31，活塞膨胀-直线发电机系统32，冷凝器33，储液器34，二氧化碳预冷器4，1级废热-1级工质子系统1-1，1级废热-2级工质子系统1-2，2级废热-1级工质子系统2-1。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
如图2所示，本实用新型回收废热的超临界CO2布雷顿循环发电系统，包括热源系统1，超临界二氧化碳布雷顿循环系统2，活塞膨胀直线发电机余热发电系统3和二氧化碳预冷器4；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统2包括透平发电系统21、高温回热器22、低温回热器23、主压缩机24及再压缩机25；
透平发电系统21的透平入口与热源系统1的工质侧出口相连通，透平发电系统21的透平出口与高温回热器22的放热侧入口相连通，高温回热器22的放热侧出口与低温回热器23的放热侧入口相连通，低温回热器23的放热侧出口分别与活塞膨胀直线发电机余热发电系统3的CO2侧入口以及在压缩机25的入口相连通，活塞膨胀直线发电机余热发电系统3的CO2侧出口与二氧化碳预冷器4的工质侧入口相连通，二氧化碳预冷器4的工质侧出口与主压缩机24的入口相连通，主压缩机24的出口与低温回热器23的吸热侧入口相连通，低温回热器23的吸热侧出口及再压缩机25的出口均与高温回热器22的吸热侧入口相连通，高温回热器22的吸热侧出口与热源系统1的入口相连通。
如图1所示，单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统中，二氧化碳工质废热通过废热蒸发器31的加热室对蒸发室中的循环工质进行加热，放热后的二氧化碳工质接回到工质循环回路中；循环工质向上流动并在流动过程中逐渐蒸发为气态进入活塞膨胀-直线发电机系统32的膨胀腔对活塞做功；活塞带动直线发电机发电，复位弹簧推动活塞复位并将做功后的循环工质排入到冷凝器33中；进入冷凝器33中的循环工质向下流动并冷却为液态后进入储液器34中；进入储液器34中的液态循环工质再进入废热蒸发器31中进行循环作业。其中，冷凝器33中液态循环工质的液面比废热蒸发器31中液态工质的液面高。
活塞膨胀直线发电机余热发电系统3可以为采用多级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，余热热源即为超临界二氧化碳布雷顿循环系统2中低温回热器23放热侧出口工质放出的热量，在整体余热回收系统中沿着CO2流动方向串联若干级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，若干级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器31的加热室出入口依次串联形成沿CO2流动方向的串联结构；第一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器31的CO2侧入口和最后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器31的CO2侧出口，分别作为活塞膨胀直线发电机余热发电系统3的CO2侧入口和出口。其中，活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的级数根据CO2的温度以及子系统所选用的工质种类等因素确定，每一级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统回收利用一定温度范围内的余热；
布置于温度相对较高位置的单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，其后还可以沿循环工质传热方向串联若干活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，后一级子系统的热源即前一级子系统释放的废热，子系统的级数根据废热热源的温度以及子系统所选用的工质种类等因素确定，每一级单级子系统回收利用一定温度范围内的余热。前一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的冷凝器33的制冷室，作为后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器31的加热室，依次串联形成沿循环工质传热方向的串联结构。
以二级系统为例，如图2所示，沿着超临界二氧化碳布雷顿循环系统2中低温回热器23放热侧出口工质流动方向串联两级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统，低温回热器23放热侧出口与1级废热-1级工质子系统1-1中废热蒸发器31中CO2侧入口相连通，1级废热-1级工质子系统1-1子系统中废热蒸发器31中CO2侧出口与2级废热-1级工质子系统2-1中废热蒸发器31中CO2侧入口相连通，2级废热-1级工质子系统2-1中废热加热器31中CO2侧出口与二氧化碳预冷器4工质侧入口相连通；1级废热-1级工质子系统1-1中的冷凝器33即为1级废热-2级工质子系统1-2中的废热加热器31，1级废热-1级工质子系统1-1的循环工质在此换热器中的热侧放热，1级废热-2级工质子系统1-2的循环工质在此换热器中的冷侧吸热，1级废热-2级工质子系统1-2和2级废热-1级工质子系统2-1子系统是末级子系统，其冷凝器33中的冷却工质为冷风或冷水，冷风或冷水通过对应的制冷室对末级子系统中冷凝室的循环工质进行冷却。
在实际应用中，通过热源系统1提供的超临界二氧化碳工质，采用超临界二氧化碳布雷顿循环系统2进行发电的同时，采用活塞膨胀直线发电机余热发电系统3，对超临界二氧化碳布雷顿循环系统2中工质循环回路的二氧化碳工质废热进行回收利用；
所述采用活塞膨胀直线发电机余热发电系统3，对超临界二氧化碳布雷顿循环系统2中工质循环回路的二氧化碳工质废热进行回收利用时，
二氧化碳工质废热通过废热蒸发器31的加热室对蒸发室中的循环工质进行加热，放热后的二氧化碳工质接回到工质循环回路中；循环工质向上流动并在流动过程中逐渐蒸发为气态进入活塞膨胀-直线发电机系统32的膨胀腔对活塞做功；活塞带动直线发电机发电，复位弹簧推动活塞复位并将做功后的循环工质排入到冷凝器33中；进入冷凝器33中的循环工质向下流动并冷却为液态后进入储液器34中；进入储液器34中的液态循环工质再进入废热蒸发器31中进行循环作业。
其中，采用活塞膨胀直线发电机余热发电系统3，对超临界二氧化碳布雷顿循环系统2中工质循环回路的二氧化碳工质废热进行回收利用时，
通过若干级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器31的加热室串联，对二氧化碳工质废热进行多级的回收利用。
其中，采用活塞膨胀直线发电机余热发电系统3，对超临界二氧化碳布雷顿循环系统2中工质循环回路的二氧化碳工质废热进行回收利用时，
通过将前一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的冷凝器33的制冷室，作为后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器31的加热室形成串联，对第一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的循环工质回收的二氧化碳工质废热进行多级的回收利用。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，包括热源系统(1)、超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)、活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)和二氧化碳预冷器(4)；
所述的热源系统(1)的工质侧出口连接超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)的工质输入端；热源系统(1)的工质侧入口连接超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)的工质输出端；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)的工质循环回路上连接二氧化碳预冷器(4)；
所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)包括至少一个单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统；单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统包括废热蒸发器(31)、活塞膨胀-直线发电机系统(32)、冷凝器(33)和储液器(34)；所述的废热蒸发器(31)的蒸发室出口与活塞膨胀-直线发电机系统(32)的入口相连；所述的活塞膨胀-直线发电机系统(32)的出口与冷凝器(33)的冷凝室入口相连；所述的冷凝器(33)的冷凝室出口与储液器(34)的循环工质入口相连；所述的储液器(34)的循环工质出口与废热蒸发器(31)的蒸发室入口侧相连；
所述的废热蒸发器(31)的加热室入口和出口分别作为活塞膨胀-直线发电机余热发电系统(3)的CO2侧入口和出口，连接在超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)的工质循环回路上且位于二氧化碳预冷器(4)的工质入口一侧。
2.根据权利要求1所述的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)包括透平发电系统(21)、高温回热器(22)、低温回热器(23)、主压缩机(24)和再压缩机(25)；
所述的透平发电系统(21)的透平入口作为超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)的工质输入端与热源系统(1)的工质侧出口相连通，透平发电系统(21)的透平出口与高温回热器(22)的放热侧入口相连通；
所述的高温回热器(22)的放热侧出口与低温回热器(23)的放热侧入口相连通，低温回热器(23)的放热侧出口分别与活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)的CO2侧入口以及再压缩机(25)的入口相连通；
所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)的CO2侧出口与二氧化碳预冷器(4)的工质侧入口相连通；所述的二氧化碳预冷器(4)的工质侧出口与主压缩机(24)的入口相连通；所述的主压缩机(24)的出口与低温回热器(23)的吸热侧入口相连通；所述的低温回热器(23)的吸热侧出口及再压缩机(25)的出口均与高温回热器(22)的吸热侧入口相连通；所述的高温回热器(22)的吸热侧出口作为超临界二氧化碳布雷顿循环系统(2)的工质输出端与热源系统(1)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)包括若干级沿CO2流动方向串联的单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统。
4.根据权利要求3所述的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，若干级单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器(31)的加热室出入口依次串联形成沿CO2流动方向的串联结构；第一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器(31)的CO2侧入口和最后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器(31)的CO2侧出口，分别作为活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)的CO2侧入口和出口。
5.根据权利要求1所述的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述的活塞膨胀直线发电机余热发电系统(3)包括若干级沿循环工质传热方向串联的单级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统。
6.根据权利要求5所述的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，前一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的冷凝器(33)的制冷室，作为后一级活塞膨胀-直线发电机余热回收发电子系统的废热蒸发器(31)的加热室，依次串联形成沿循环工质传热方向的串联结构。
7.根据权利要求1所述的回收废热的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述的冷凝器(33)中液态循环工质的液面比废热蒸发器(31)中液态工质的液面高。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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