CN110966058A - 一种跨临界co2闭式循环*** - Google Patents

一种跨临界co2闭式循环*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及能量转化领域，旨在解决现有的跨临界CO2发电/驱动机组运行范围较窄、循环效率较低的问题，提供一种跨临界CO2闭式循环***，其包括预压缩机、主压缩机、再压缩机、透平、冷却器、低温回热器、高温回热器和加热器；它们连接形成闭式CO2循环回路；并且在闭式CO2循环回路上设有分流点和混合点，再压缩机的入口连通于分流点，再压缩机的出口连通于混合点，形成分流支路，分流支路从第一通道的出口分流出一路并在第二通道的出口处汇合。本发明的有益效果是***循环效率高，且机组运行范围较宽。

Description

一种跨临界CO2闭式循环***
技术领域
本发明涉及能量转化领域，具体而言，涉及跨临界CO2闭式循环***。
背景技术
跨临界CO2闭式循环指的是CO2作为循环工质，循环的最高参数在CO2的临界点以上，为超临界态；循环的最低参数在CO2的临界点以下，为液态。
由于临界点附近CO2物性变化剧烈，预压缩机出口参数接近临界点，参数的变化会导致机组运行不稳定，尤其在机组变工况时，从而导致机组的运行范围较窄，变工况性能差。
发明内容
本发明旨在提供一种跨临界CO2闭式循环***，以解决现有的跨临界 CO2发电/驱动机组运行范围较窄、循环效率较低的问题。
本发明的实施例是这样实现的：
一种跨临界CO2闭式循环***，其包括预压缩机、主压缩机、再压缩机、透平、冷却器、低温回热器、高温回热器和加热器；
低温回热器具有第一通道和第二通道，第一通道作为低温回热器的热端，第二通道作为低温回热器的冷端；
高温回热器具有第三通道和第四通道，第三通道作为高温回热器的热端，第四通道作为低温回热器的冷端；
预压缩机的出口连通冷却器，冷却器的出口连通主压缩机的入口，主压缩机的出口连通第二通道的入口，第二通道的出口连通第四通道的入口，第四通道的出口连通加热器的入口，加热器的出口连通透平的入口，透平的出口连通第三通道的入口，第三通道的出口连通第一通道的入口，第一通道的出口连通冷却器的入口，冷却器的出口连通回预压缩机的入口，以形成闭式CO2循环回路；
闭式CO2循环回路上设有分流点和混合点，再压缩机的入口连通于分流点，再压缩机的出口连通于混合点，形成分流支路，分流支路从第一通道的出口分流出一路并在第二通道的出口处汇合。
本方案中，以CO2作为循环工质。预压缩机将工质由气态压缩至超临界态，主压缩机将工质由超临界态增压至设计点压力；再压缩机将冷却器前压力低于临界点的工质由气态增压至设计压力；冷却器位于主压缩机前，将主压缩机的进口工质冷却至临界点附近；加热器位于透平前，是***热源，可采用锅炉、燃烧室、换热器等多种形式；对于低温回热器，主压缩机出口作为冷端入口与经过高温回热器的透平排气进行换热；对于高温回热器，经过低温回热器的主压缩机出口工质与再压缩机出口混合后作为冷端入口工质，与透平排气进行换热。由于分流支路的存在，低温回热器将主压气机的出口工质与高温回热器的热端出口进行换热，由于分流支路的分流作用，使得经过第二通道(冷端)的流量仅为***的部分流量，而经过第一通道(热端)的为***的全部流量，从而可有效减少低温回热器由于两端工质物性(如密度等物理性质)差别较大而造成的夹点问题。
本方案至少具有以下有益效果之一：
1)***适用于跨临界CO2闭式循环，可有效提高***循环效率；
2)由于预压缩机温度升高，出口离临界点较远，避免了由于参数波动导致的机组运行不稳定，可有效改善机组运行范围；
3)由于预压缩机进口温度升高，进气体积流量增加，对于小功率机组而言最佳工作转速降低，有利于降低机组的设计难度；
4)由于预压缩机进口温度升高，保证压比不变情况下，出口温度也将升高，预冷器高温端出口温度也将提高，供热品质上升。
在一种实施方式中，混合点设置于第四通道和第二通道之间。
在一种实施方式中，分流点设置于预压缩机的出口和冷却器的入口之间。
在一种实施方式中，分流点设置于预压缩机的入口和第一通道的出口之间。
在一种实施方式中，在闭式CO2循环回路上还串设有第二冷却器，第二冷却器位于第一通道的出口和预压缩机的入口之间；分流点设置于第一通道的出口和第二冷却器的入口之间。
在一种实施方式中，透平外接电机，用于发电。
在一种实施方式中，透平外接负载，以对外做功。
在一种实施方式中，加热器通过外接热源供热。
在一种实施方式中，外接热源采用锅炉、燃烧室或换热器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，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为本发明实施例一的跨临界CO2闭式循环***的连接示意图(图中用箭头示出了工质流动方向)；
图2为本发明实施例二的跨临界CO2闭式循环***的连接示意图(图中用箭头示出了工质流动方向)。
图标：10-跨临界CO2闭式循环***，1-预压缩机，2-主压缩机，3-再压缩机，4-透平，5-冷却器，6-低温回热器，7-高温回热器，8-加热器，9-第二冷却器，A-分流点，B-混合点，C1-闭式CO2循环回路，C2-分流支路。
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做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，若出现术语“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，本发明的描述中若出现术语“第一”、“第二”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，本发明的描述中若出现“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，若出现术语“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。
实施例一
请配合参见图1，本实施例提供一种跨临界CO2闭式循环***10，其包括预压缩机1、主压缩机2、再压缩机3、透平4、冷却器5、低温回热器6、高温回热器7和加热器8。
其中，低温回热器6具有第一通道和第二通道，第一通道作为低温回热器6的热端，第二通道作为低温回热器6的冷端；高温回热器7具有第三通道和第四通道，第三通道作为高温回热器7的热端，第四通道作为低温回热器6的冷端。
本实施例中，预压缩机1的出口连通冷却器5，冷却器5的出口连通主压缩机2的入口，主压缩机2的出口连通第二通道的入口，第二通道的出口连通第四通道的入口，第四通道的出口连通加热器8的入口，加热器8 的出口连通透平4的入口，透平4的出口连通第三通道的入口，第三通道的出口连通第一通道的入口，第一通道的出口连通冷却器5的入口，冷却器5的出口连通回预压缩机1的入口，以形成闭式CO2循环回路C1。
在闭式CO2循环回路C1上设有分流点A和混合点B，再压缩机3的入口连通于分流点A，再压缩机3的出口连通于混合点B，形成分流支路C2，分流支路C2从第一通道的出口分流出一路并在第二通道的出口处汇合。可选地，本实施方式中，混合点B设置于第四通道和第二通道之间，分流点A 设置于预压缩机1的出口和冷却器5的入口之间。
本方案中，以CO2作为循环工质。预压缩机1将工质由气态压缩至超临界态，主压缩机2将工质由超临界态增压至设计点压力；再压缩机3将冷却器5前压力低于临界点的工质由气态增压至设计压力；冷却器5位于主压缩机2前，将主压缩机2的进口工质冷却至临界点附近；加热器8位于透平4前，是***热源，可采用锅炉、燃烧室、换热器等多种形式；对于低温回热器6，主压缩机2出口作为冷端入口与经过高温回热器7的透平4 排气进行换热；对于高温回热器7，经过低温回热器6的主压缩机2出口工质与再压缩机3出口混合后作为冷端入口工质，与透平4排气进行换热。由于分流支路C2的存在，低温回热器6将主压气机的出口工质与高温回热器7的热端出口进行换热，由于分流支路C2的分流作用，使得经过第二通道(冷端)的流量仅为***的部分流量，而经过第一通道(热端)的为***的全部流量，从而可有效减少低温回热器6由于两端工质物性(如密度等物理性质)差别较大而造成的夹点问题。
并且，对于预压缩机1，由于该部分温度直接来自于低温回热器6出口，其温度高于主压缩机2的出口温度，由于主压缩机2为压缩过程，其出口温度高于进口温度，同时，主压缩机2进口由于冷却器5确保温度在临界点附近，因此，预压缩机1的进口温度高于临界点温度。随着预压缩机1 将工质增压，预压缩机1出口工质达到临界点压力时，温度较临界点高，从而避免由于临界点附近物性变化剧烈导致的机组运行不稳定。同时，由于温度偏离较多，进口压力波动对机组的影响较小，机组也可通过增加转速，功率等方式运行在进口压力低于设计压力的条件下，从而进一步扩展机组的运行范围。由于进气温度升高，工质体积流量增大，对于小功率机组而言，可有效降低机组的运行转速，从而减小机组的设计难度。另外由于预压缩机1出口温度升高，其出口的冷却器5热端温度升高，将有效提高冷却器5冷却水出口温度，从而提高供热品质。
本方案至少具有以下有益效果之一：
1)***适用于跨临界CO2闭式循环，可有效提高***循环效率；
2)由于预压缩机1温度升高，出口离临界点较远，避免了由于参数波动导致的机组运行不稳定，可有效改善机组运行范围；
3)由于预压缩机1进口温度升高，进气体积流量增加，对于小功率机组而言最佳工作转速降低，有利于降低机组的设计难度；
4)由于预压缩机1进口温度升高，保证压比不变情况下，出口温度也将升高，预冷器高温端出口温度也将提高，供热品质上升。
在本实施例的可选实施方式中，透平4外接电机(图中未示出)，用于发电；或者透平4外接负载(图中未示出)，以对外做功。
本实施例中的加热器8可通过外接热源供热，外接热源例如采用锅炉、燃烧室或换热器。
实施例二
请配合参见图2，本实施例提供一种跨临界CO2闭式循环***10，相对实施例一的不同之处在于，分流点A设置于预压缩机1的入口和第一通道的出口之间。进一步地，还在闭式CO2循环回路C1上额外串设有第二冷却器9，第二冷却器9位于第一通道的出口和预压缩机1的入口之间；分流点 A设置于第一通道的出口和第二冷却器9的入口之间。
该实施例中的跨临界CO2闭式循环***10除具有实施例一中对应的有益效果外，
还可通过控制额外设置的第二冷却器9工质出口温度，来调整预压缩机1的进口温度，使其在合适的范围内，从而保证机组的稳定运行。该实施例由于预压缩机1进口温度可控，可适当降低进口温度，从而减小预压缩机1功耗，进一步提高***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 (9)

1.一种跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
包括预压缩机、主压缩机、再压缩机、透平、冷却器、低温回热器、高温回热器和加热器；
所述低温回热器具有第一通道和第二通道，所述第一通道作为所述低温回热器的热端，所述第二通道作为所述低温回热器的冷端；
所述高温回热器具有第三通道和第四通道，所述第三通道作为所述高温回热器的热端，所述第四通道作为所述低温回热器的冷端；
所述预压缩机的出口连通所述冷却器，所述冷却器的出口连通所述主压缩机的入口，所述主压缩机的出口连通所述第二通道的入口，所述第二通道的出口连通所述第四通道的入口，所述第四通道的出口连通所述加热器的入口，所述加热器的出口连通所述透平的入口，所述透平的出口连通所述第三通道的入口，所述第三通道的出口连通所述第一通道的入口，所述第一通道的出口连通所述冷却器的入口，所述冷却器的出口连通回所述预压缩机的入口，以形成闭式CO2循环回路；
所述闭式CO2循环回路上设有分流点和混合点，所述再压缩机的入口连通于所述分流点，所述再压缩机的出口连通于所述混合点，形成分流支路，分流支路从所述第一通道的出口分流出一路并在所述第二通道的出口处汇合。
2.根据权利要求1所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述混合点设置于所述第四通道和所述第二通道之间。
3.根据权利要求2所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述分流点设置于所述预压缩机的出口和所述冷却器的入口之间。
4.根据权利要求2所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述分流点设置于所述预压缩机的入口和所述第一通道的出口之间。
5.根据权利要求4所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
在所述闭式CO2循环回路上还串设有第二冷却器，所述第二冷却器位于所述第一通道的出口和所述预压缩机的入口之间；
所述分流点设置于所述第一通道的出口和所述第二冷却器的入口之间。
6.根据权利要求1所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述透平外接电机，用于发电。
7.根据权利要求1所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述透平外接负载，以对外做功。
8.根据权利要求1所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述加热器通过外接热源供热。
9.根据权利要求8所述的跨临界CO2闭式循环***，其特征在于：
所述外接热源采用锅炉、燃烧室或换热器。
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