CN115013094B - 带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***及循环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***及循环方法，闭式循环回路中包括：加热步骤、做功步骤；换热步骤，提供外部冷源，外部冷源作为换热工质对气态的循环介质进行冷却降温，得到饱和液态的循环介质；压缩步骤；开式回路中包括：增压步骤；换热步骤：增压后的外部冷源对换热步骤中的循环介质进行冷却降温后升温；做功步骤；再加热步骤：加热步骤中部分升温的循环介质、做功后的外部冷源进入再加热装置中再加热；再做功步骤。本发明循环介质拉低做功能力的下限使做功能力更强，外部冷源的冷能被利用之后温度升高获得的热能在开式循环中还能直接膨胀做功，温度升高的循环介质还可以继续通入热源进行利用，实现了能量的充分利用。

Description

带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***及循环方法
技术领域
本发明涉及发电***技术领域，具体为一种带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***及循环方法。
背景技术
在电力生产领域中，燃气轮机、氢气冶金以及燃料电池产生的排气温度较高，所以常常设置底循环搭配上述工业流程，来提高发电效率。基本的动力循环由四种设备组成，分别为加热装置、做功装置、冷凝装置和压缩装置，工质在四种设备中经历四个过程从而完成整个循环：
加热装置中工质流经设备并吸收热能，离开时状态以及参数发生变化，从而产生具有做功能力的高温高压介质，理想状态下此过程为等压过程。
做功装置中做功介质通过在上一步加热装置中吸收的热能在此转化为机械能，理想状态下此过程是一个温度和压力都下降的等熵过程。
冷凝装置中，由于从做功装置里流出的工质通常已不具备做功能力或做功能力不足，因此工质将被冷却用以准备下一次循环，理想状态下此过程为等压过程。
压缩装置中做功介质被压缩以获得压力能，温度一般升高不多，高压工质随后会进入加热装置进一步获取内能，理想状态下此过程为等压过程。
动力循环中效率的计算遵循卡诺定理，效率的提高受制于循环最高温度和冷凝温度。在现有的动力循环中，如水蒸汽朗肯循环最高温度即为水蒸气的气态温度，最低温度即为冷凝器中水蒸气凝结后的环境温度左右，两个温度界限限制了做功介质的做功范围，从而效率无法进一步提高。因此如何通过改变温度界限从而提高循环做功效率是本领域亟需解决的问题。
进一步的，作为动力循环中不可缺少的冷凝装置，其作用在于给已经不具备做功介质的工质进行冷却从而使其具有下一次循环做功的潜质，工质冷凝后的温度越低，整体效率越高，但是作为给做功介质冷凝的载体——冷凝工质，在经历冷凝过程后由于吸收了一部分做功介质的热量，需要进一步冷却从而再次具备冷凝能力，现有的动力循环中通常以自然对流或者海水换热等方式进行冷却，相当于白白耗费了冷凝工质的热量，因此如何进一步利用冷凝工质的余热对于进一步提高整体循环的效率有着重要意义。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，通过选择三相点温度低于0℃的循环介质，并利用外部冷源对闭式循环回路中的循环介质进行换热，拉低做功能力的下限使做功能力更强。冷能被利用之后温度升高获得的热能在开式循环中还能直接膨胀做功；提高了***的效率，实现了能量的充分利用。
本发明提供一种带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，包括闭式循环回路及开式回路，闭式循环回路包括依次接通连接的第一加热装置、第一做功装置、第一换热装置、第一增压装置，开式回路包括依次接通连接的外部冷源、第二增压装置、第二换热装置、第二做功装置、再加热装置、第三做功装置，不同循环介质分别在闭式循环回路、开式回路内流动；外部冷源作为第一换热装置的换热工质与闭式循环回路的循环介质换热，且作为开式回路的循环介质，开式回路通过第二换热装置与第一换热装置共用且再加热装置与第一加热装置、第一换热装置同时连通的形式利用闭式循环回路中的余热；
循环介质的三相点温度低于0℃且三相点压力高于标准大气压；第一加热装置流出的循环介质为超临界状态，外部冷源将第一换热装置中的循环介质冷却至高于循环介质的三相点温度且低于0℃的饱和液态。
根据该技术方案，第二换热装置与第一换热装置为同一换热装置，使得第一换热装置冷却闭式循环回路中的循环介质吸收的热量能够作为开式回路所需的热源，加热开式回路中的温度较低的循环介质，从而使得开式回路中的循环介质具备做功能力，提升***的效率；再加热装置与第一加热装置连通，使得闭式循环回路中的热量能够作为开式回路的热源，进一步加热开式回路中的循环介质，提高了闭式循环回路余热的利用率，进一步提高***的效率。
根据该技术方案，循环介质可以加热到高于气态的超临界状态，并且，循环介质在第一换热装置中冷却到略高于其三相点的温度(即高于三相点0℃-20℃)，此温度下对应的循环介质饱和蒸汽压力即为最末级做功装置的排气压力，可以最大限度提高闭式循环的工作效率；进一步地，循环介质的三相点温度低于0℃，能够将循环工质降低至更低的温度，三相点压力高于标准大气压，使得在冷凝过程中不需要借助外部设备维持第一换热装置内真空，也避免了空气向第一换热装置内的渗漏；同理选用可以在低温区做功以及高于大气压的冷凝温度的氦气或氮气作为循环介质也能达到相同效果，这样在结合利用优质低温外部冷源之后，从热力学角度上来说，能够大幅提高循环效率。
在热力学分析方面，***的冷端损失一直是制约***效率的最重要因素，在冷端因为要把失去做功能力的循环工质进一步冷却至可以加压的状态下，加压后又要送去热端重新加热，这一段通路会白白损失热量，因此如何降低***的冷端损失对***效率的提升至关重要。在本发明中，开式循环采用直接膨胀做功的方式，以闭式循环回路的余热作为开式循环的热源，并且抛弃开式循环的冷源，液态的工质经第二增压装置升压及第二换热装置或第一换热装置加热后随即经第二做功装置膨胀做功至背压出口，出口处的背压为大气压，同理也能最大限度提高开式循环的工作效率；之后经与环境加热装置换热回收一部分能量后送入其他***进一步使用。这样可以避免***的冷端损失，从热力学的角度上来看进一步的大幅提升***效率。
本发明的优选实施方式中，还包括回热器，回热器的热侧入口与第一做功装置的介质出口连通，回热器的热侧出口与第一换热装置的热侧入口连通，回热器的冷侧入口与第一增压装置的介质出口连通，回热器的冷侧出口与第一加热装置连通。
根据该技术方案，在闭式循环回路中加入回热器，第一做功装置出口的循环介质进入回热器与冷却压缩后的循环介质在回热器中进行换热，从而循环介质在回热器中被提前冷却后再通入第一换热装置进行冷却，而经第一增压装置加压后的循环介质在进入第一加热装置之前在回热器中被提前加热，从而能够对于第一做功装置后的循环介质的余热进行利用，降低第一加热装置与第一换热装置所需要提供的能量，从而提高闭式循环的做功效率。
本发明的优选实施方式中，第一加热装置包括并列设置于第一做功装置的介质入口的第一加热器、第二加热器；带直接膨胀的中低温热源回收动力***还包括三通阀，三通阀的三个接口分别与第一加热器、回热器及第一增压装置连通。
根据该技术方案，由于第一换热装置可以将闭式循环回路中的循环介质冷却至比常规***更低的温度，导致回热器处的冷端传热温差会不可避免的增大，因此将进入回热器前的冷流分流后，进入回热器的冷流循环介质流量变小，冷端传热温差因此也得以减小，从而可以提高回热器的换热效率。
本发明的可选技术方案中，还包括外部热源，外部热源提供第一加热装置所需的热量，外部热源为燃气机组的排气余热、氢气冶金***的排气余热或燃料电池的排气余热。
根据该技术方案，将燃气机组、氢气冶金***或燃料电池的排气余热作为热源，对于其产生的多余热量(例如高温烟气)进行再次利用。
本发明的可选技术方案中，还包括外部冷源，外部冷源提供开式回路所需的冷量，外部冷源的温度为-252℃～0℃。
根据该技术方案，使用较低温度的冷源可以迅速地使气态的循环介质降温至三相点附近的饱和液态，且冷源温度低有利于提升动力循环***的作业效率。开式回路中极低的工质温度不仅可以用作闭式循环回路的冷源，将闭式循环回路中做功之后的循环介质冷却到比常规朗肯循环更低的温度，从而节省之后压缩机的耗功进而提升效率；还可以借冷却之后吸收的热量预热开式回路中的循环工质，使其在进入加热装置之前预先升温获取一定热量，节约了加热装置处的能量损耗，更进一步提升了效率。
本发明的可选技术方案中，开式回路中的循环介质为液态天然气或液化氢气。
根据该技术方案，液化天然气、液化氢气的冷源温度为-162℃和-252℃，从而可以迅速将气态的循环介质降温至三相点附近，且冷源温度低有利于提升动力循环***的作业效率，另外液化天然气或液化氢气作为冷源通入第二换热装置中与循环介质换热后能够继续通入燃气机组以及氢气冶金***以及燃料电池***作为燃料，随即产生的多余热量又可以作为外部热源向循环中供给热量，从而实现对于冷源材料的充分合理利用。液化天然气以及液化氢气由于是液态，采用增压泵作为增压装置同样可以节省压缩功提高效率。
本发明的可选技术方案中，闭式循环回路包括多层闭式循环回路，每层闭式循环回路的第一加热装置之间以连通的形式逐层换热，每层闭式循环回路的第一换热装置之间连通，循环介质在其中逐层吸热并通过直接膨胀进行做功。
根据该技术方案，上层闭式循环回路加热装置的余热可以作为下层闭式循环回路的热源，提高了余热的利用率；开式回路流经闭式循环回路余热部分，多级吸热后直接膨胀做功，使得冷凝损失可以被开式循环利用，充分发挥了循环介质的做功能量，提升***效率。
本发明的可选技术方案中，多层闭式循环回路中的一个或多个闭式循环回路中的循环介质为二氧化碳，其余闭式循环回路中的循环介质为氦气、氮气、氧气、空气或天然气；一个或多个闭式循环回路中循环介质的参数达到超临界状态时，通过超临界状态下循环介质的焓值变化对外做功，其余闭式循环中的循环介质通过吸热膨胀方式做功。
根据该技术方案，目前CO2作为循环介质的应用主要在于超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环，S-CO2布雷顿循环的高温热源循环效率高、压缩耗功小、透平设备结构紧凑占地小、腐蚀性小等诸多优势，是工业领域高温排气余热高效发电的潜在选择之一。但在超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环中，冷源温度不得低于CO2临界温度(31.1℃)，该冷源温度限制了超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环***的作业效率。
进一步地，H2O的三相点为0.01℃、610.75Pa，其冷端温度最低也只能降到0℃以上，而且由于H2O的三相点压力过低(只有不到1kPa)，且为开式循环，若要其使其降至接近三相点压力，需使用真空泵进行抽气做功，对循环效率的提升较为有限。相比之下，CO2的三相点温度为-56.6℃、三相点压力为0.52MPa，其冷源温度可以降到更低，而且三相点压力在大气压之上，循环形式为闭式循环，不需要使用真空泵抽真空，使得循环整体处于大气压之上，避免了在循环低压处渗入不凝气体。这样在结合利用优质低温冷源之后，从热力学角度上来说，能够大幅提高循环效率。
闭式循环回路通过多层布置动力循环***，从而将第一加热装置中的热量通过多级换热装置传输给循环介质，随后充分转换为机械能，从而提高整体循环***的作业效率。
本发明的可选技术方案中，开式回路中的第三做功装置包括多级子做功装置，每个子做功装置的入口分别设有环境加热装置，第一换热装置与再加热装置之间也设有环境加热装置，第一换热装置与再加热装置之间的环境加热装置的出口与外部热源连通。
根据该技术方案，循环介质通过环境加热装置和/或再加热装置对循环介质加热后再进入做功装置直接膨胀做功，提高了外部资源的利用率和/或加热效率，环境加热装置加热后的循环介质进入外部热源实现了能量的循环利用，有利于节约资源。
本发明另提供一种上述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***的循环方法，闭式循环回路中包括：
加热步骤，提供外部热源和循环介质，外部热源对循环介质进行加热，使其升温；做功步骤，循环介质对外做功，自身压力温度下降；换热步骤，提供外部冷源，外部冷源作为换热工质对气态的循环介质进行冷却降温，得到低温的循环介质；压缩步骤，对低温的循环介质进行增压；
开式回路中包括：
增压步骤：对外部冷源进行增压；换热步骤：增压后的外部冷源对换热步骤中的循环介质进行冷却降温后升温；做功步骤：升温后的外部冷源对外直接膨胀做功；再加热步骤：加热步骤中部分升温的循环介质进入再加热装置再加热、做功后的外部冷源进入再加热装置中再加热；再做功步骤：再加热步骤得到的循环介质对外直接膨胀做功。
附图说明
图1为本发明第一实施方式中带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***结构示意图。
图2为本发明第二实施方式中带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***结构示意图。
图3为本发明第三实施方式中带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***结构示意图。
图4为本发明第四实施方式中带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***结构示意图。
附图标记：
第一加热装置11；第一加热器111；第二加热器112；第一做功装置12；第一换热装置13；第一增压装置14；第一做功装置12a；第一换热装置13a；第一增压装置14a；回热器15；第一级回热器151；第二级回热器15a；外部冷源20；第二增压装置21；第二换热装置22；第二做功装置23；第一环境加热装置24；第二环境加热装置241；第三环境加热装置242；第四环境加热装置243；再加热装置25；第三做功装置26；子做功装置261；子做功装置262。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
【第一实施方式】
如图1所示，本发明第一实施方式提供一种带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，包括闭式循环回路及开式回路，闭式循环回路包括依次接通连接的第一加热装置11、第一做功装置12、第一换热装置13、第一增压装置14，开式回路包括依次接通连接的外部冷源20、第二增压装置21、第二换热装置22、第二做功装置23、第一环境加热装置24、再加热装置25、第三做功装置26，循环介质在闭式循环回路、开式回路内流动；外部冷源20作为第一换热装置13的换热工质与闭式循环回路的循环介质换热，且作为开式回路的循环介质，开式回路通过第二换热装置22与第一换热装置13共用且再加热装置25与第一加热装置11、第一换热装置13同时连通的形式利用闭式循环回路中的余热；循环介质的三相点温度低于0℃且三相点压力高于标准大气压；第一加热装置11流出的循环介质为超临界状态，外部冷源20将第一换热装置13中的循环介质冷却至高于循环介质的三相点温度且低于0℃的饱和液态。
具体来说，第二换热装置22与第一换热装置13为同一换热装置，使得第一换热装置13冷却闭式循环回路中的循环介质吸收的热量能够作为开式回路所需的热源，加热开式回路中的温度较低的循环介质，从而使得开式回路中的循环介质具备做功能力，提升***的效率；再加热装置25与第一加热装置11连通，使得闭式循环回路中的热量能够作为开式回路的热源，进一步加热开式回路中的循环介质，提高了闭式循环回路余热的利用率，进一步提高***的效率。
循环介质可以加热到高于气态的超临界状态，并且，循环介质在第一换热装置13中冷却到略高于其三相点的温度(即高于三相点0℃-20℃)，此温度下对应的循环介质饱和蒸汽压力即为最末级做功装置的排气压力，可以最大限度提高闭式循环的工作效率；进一步地，循环介质的三相点温度低于0℃，能够将循环工质降低至更低的温度，三相点压力高于标准大气压，使得在冷凝过程中不需要借助外部设备维持第一换热装置13内真空，也避免了空气向第一换热装置13内的渗漏；同理选用可以在低温区做功以及高于大气压的冷凝温度的氦气或氮气作为循环介质也能达到相同效果，这样在结合利用优质低温外部冷源之后，从热力学角度上来说，能够大幅提高循环效率。
在热力学分析方面，***的冷端损失一直是制约***效率的最重要因素，在冷端因为要把失去做功能力的循环工质进一步冷却至可以加压的状态下，加压后又要送去热端重新加热，这一段通路会白白损失热量，因此如何降低***的冷端损失对***效率的提升至关重要。在本发明实施方式中，开式回路采用直接膨胀做功的方式，以闭式循环回路的余热作为开式循环的热源，并且抛弃开式循环的冷源，液态的工质经第二增压装置21升压及第二换热装置22或第一换热装置13加热后随即经第二做功装置23膨胀做功至背压出口，出口处的背压为大气压，同理也能最大限度提高开式循环的工作效率；之后经与第一环境加热装置24换热回收一部分能量后送入其他***进一步使用。这样可以避免***的冷端损失，从热力学的角度上来看进一步的大幅提升***效率。
本发明的优选实施方式中，还包括外部热源10，外部热源10提供闭式循环回路所需的热量，外部热源10为燃气机组的排气余热、氢气冶金***的排气余热或燃料电池的排气余热。将燃气机组、氢气冶金***或燃料电池的排气余热作为热源，对于其产生的多余热量(例如高温烟气)进行再次利用，提高了余热的利用率，节约能源。
本发明的优选实施方式中，外部冷源20的温度为-252℃～0℃。使用较低温度的冷源可以迅速地使气态的循环介质降温至三相点附近的饱和液态，且冷源温度低有利于提升动力循环***的作业效率。开式回路中极低的循环介质温度不仅可以用作闭式循环回路的冷源，将闭式循环回路中做功之后的循环介质冷却到比常规朗肯循环更低的温度，从而节省之后压缩机的耗功进而提升效率；还可以借冷却之后吸收的热量预热开式回路中的循环介质，使其在进入加热装置之前预先升温获取一定热量，节约了加热装置处的能量损耗，更进一步提升了效率。
本发明的优选实施方式中，外部冷源20为液态天然气或液化氢气。液化天然气、液化氢气的冷源温度为-162℃和-252℃，从而可以迅速将气态的循环介质降温至三相点附近，且冷源温度低有利于提升动力循环***的作业效率。液化天然气以及液化氢气由于是液态，采用增压泵作为增压装置同样可以节省压缩功提高效率。
第一加热装置11可以为任意能够对循环介质进行加热的装置；具体地，第一加热装置11可以为利用外部热源10对循环介质进行加热的换热器，第一加热装置11的一端通入外部热源10，另一端则通入循环介质，从而循环介质通过热交换吸收外部热源10的热量升温，以便于后续做功，再加热装置25为利用第一加热装置11出口的热源对循环介质进行加热的换热器，较优地，该外部热源10的能量来源可以为太阳能、核能和化石燃料等。除此之外，底循环中加热器还另外采用周围环境如海水进行加热，可以进一步节约资源提高效率。
第一做功装置12、第二做功装置23、第三做功装置26可以为能够利用循环介质的膨胀做功将热能转换为机械能的装置，例如，利用气体膨胀推动传动杆往复运动的气缸结构，或者利用气体膨胀旋转做功的旋转透平结构，本实施方式以做功装置2为旋转透平为例进行进一步地说明。
第一换热装置13或第二换热装置可以为任意能够对循环介质进行冷却降温的装置，具体地，该第一换热装置13可以为利用外部冷源20对循环介质进行冷却的换热器，该换热器的一端通入外部冷源20，另一端则通入循环介质，从而气态的循环介质通过热交换，自身的热量被外部冷源20吸收，大部分循环介质可以降温至其三相点附近，以便于后续吸热，并且，提高了动力循环冷端和热端的温度差，从而提高循环效率。
第一增压装置14、第二增压装置21可以为液体增压泵或空气压缩机，具体地，第一增压装置14对第一换热装置13流出的低温循环介质进行增压；第二增压装置对外部冷源20进行增压。
第一环境加热装置24的入口与第二做功装置23的出口连通，第一环境加热装置24的第一出口与再加热装置25连通，第一环境加热装置24的第二出口与外部热源10连通。升温后的循环介质经第二做功装置23膨胀做功后进入第一环境加热装置24、再加热装置25进一步加热；液化天然气或液化氢气作为冷源通入第二换热装置22中与循环介质换热后经过第一环境加热装置24后能够继续通入燃气机组、氢气冶金***以及燃料电池等***作为燃料(第一环境加热装置24的出口与外部热源10连通)，随即产生的多余热量又可以作为外部热源向闭式循环回路中供给热量，从而实现对于冷源材料的充分合理利用。
闭式循环回路中循环介质的流程为：第一闭式循环中循环介质的三相点温度低于0℃，循环介质的三相点压力高于标准大气压，循环介质在第一加热装置11中吸收热能后变为超临界流体，之后再流入第一做功装置12中膨胀做功，从而将热能转化为更便于利用的机械能，经过第一做功装置12的气态循环介质进入第一换热装置13进行降温，将气态的循环介质冷却至略高于循环介质的三相点0℃-20℃的温度后，处于饱和液体状态下的循环介质进入第一增压装置14进行增压，增压后的液态循环介质重新进入第一加热装置11中进行新的循环，从而循环地将热能转化为机械能。
开式回路中循环介质的流程为：循环介质进入循环前的温度处于-252℃-0℃之间，且为液态。在作为外部冷源20冷却第一闭式循环回路中的循环介质的同时自身吸热，随后进入第二做功装置23膨胀做功随后送入其他***进一步利用。
对应于本发明的第一实施方式，本发明另提供一种上述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***的循环方法，闭式循环回路中包括：
加热步骤，提供外部热源和循环介质，外部热源对循环介质进行加热，使其升温；做功步骤，循环介质对外做功，变为气态的循环介质；换热步骤，提供外部冷源20，外部冷源20作为换热工质对气态的循环介质进行冷却降温，得到饱和液态的循环介质；压缩步骤，对饱和液态的循环介质进行增压。
开式回路中包括：
增压步骤：对外部冷源20进行增压；换热步骤：增压后的外部冷源20对换热步骤中的循环介质进行冷却降温后升温；做功步骤：升温后的外部冷源20对外直接膨胀做功；再加热步骤：加热步骤中部分升温的循环介质进入再加热装置再加热、做功后的外部冷源20进入再加热装置25中再加热；再做功步骤：再加热步骤得到的循环介质对外直接膨胀做功。
【第二实施方式】
请参阅图2所示，本发明的第二实施方式提供一种带直接膨胀的中低温热源循环动力***，与第一实施方式的不同之处在于，在本实施方式中，还包括回热器15，回热器15可以为具有冷热两条流路并且对两条流路内介质进行换热的装置，具体地，回热器15的热侧入口可以与第一做功装置2的介质出口连通，回热器15的热侧出口与第一换热装置13的热侧入口连通，回热器15的冷侧入口与第一增压装置14的介质出口连通，回热器15的冷侧出口与第一加热装置11连通。
在本实施方式中，第一做功装置12出口的循环介质进入回热器15与冷却压缩后的液态循环介质在回热器15中进行换热，从而气态循环介质在回热器15中被提前冷却后再通入第一换热装置13进行冷却，而经第一增压装置14加压后的液态循环介质在进入第一加热装置11之前在回热器15中被提前加热，从而能够对于第一做功装置12后的循环介质的余热进行利用，降低第一加热装置11与第一换热装置13所需要提供的能量，从而提高动力循环***的作业效率。
回热器15在本实施方式中是用于对第一做功装置12后的余热进行再次利用的装置，即在本实施方式中对于增加了回热器15的动力循环的优选方案进行了举例说明，但是，本领域技术人员能够理解的是，本发明提供的闭式循环回路可以不包括回热器15，而直接由第一加热器111、第一做功装置12、第一换热装置13和第一增压装置14依次连接组成。
本发明的优选实施方式中，开式回路中的第三做功装置26包括多级子做功装置(如包括子做功装置261、子做功装置262，也可以包括三级以上子做功装置，本发明对子做功装置的数量不做限定)，每个子做功装置的入口分别设有环境加热装置(如子做功装置261、子做功装置262的入口分别设有第二环境加热装置241、第三环境加热装置242)，子做功装置261、第二环境加热装置241、子做功装置262及第三环境加热装置242依次连通，第一换热装置13与再加热装置25之间设有第一环境加热装置24，第一环境加热装置24的出口与外部热源10连通。具体地，第一环境加热装置24、第二环境加热装置241、第三环境加热装置242可以是采用周围环境如海水进行加热，可以进一步节约资源，提高效率。
对应于本发明的第二实施方式，本发明另提供一种上述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***的循环方法，与第一实施方式中的方法的不同之处在于，闭式循环回路中还包括：
回热步骤：做功步骤出口的循环介质进入回热器15与经换热步骤、冷却步骤后的液态循环介质在回热器15中进行换热，换热后的循环介质回到加热步骤。
【第三实施方式】
请参阅图3所示，本发明的第三实施方式提供一种带直接膨胀的中低温热源循环动力***，与第二实施方式的不同之处在于，本发明第三实施方式中,第一加热装置11包括并列设置于第一做功装置12的介质入口的第一加热器111、第二加热器112；带直接膨胀的中低温热源循环动力***还包括三通阀(图中未示出)，三通阀的三个接口分别与第一加热器112、回热器15及第一增压装置14连通。具体地，第一做功装置12的入口连接第一加热器111、第二加热器112的出口，第一做功装置12的出口连接回热器15；第一加热器111、第二加热器112的出口汇合后还与再加热装置25连通，从而充分利用第一加热器111、第二加热器112的余热。
通过上述方式，由于第一换热装置13结合外部冷源20可以将闭式循环回路中的循环介质冷却至比常规***更低的温度，导致回热器15处的冷端传热温差会不可避免的增大，因此将进入回热器15前的冷流分流后，进入回热器15的冷流循环介质流量变小，冷端传热温差因此也得以减小，从而可以提高回热器15的换热效率。
【第四实施方式】
请参阅图4所示，本发明的第四实施方式提供一种带直接膨胀的中低温热源循环动力***，与第三实施方式的不同之处在于，本发明第四实施方式中，闭式循环回路包括多层闭式循环回路，每层闭式循环回路的第一加热装置11之间以连通的形式逐层换热，每层闭式循环回路的第一换热装置13之间连通，开式回路的循环介质在其中逐层吸热并通过直接膨胀进行做功。
通过上述方式，上层闭式循环回路的余热可以作为下层闭式循环回路的热源，提高了余热的利用率；开式回路流经闭式循环回路余热部分，多级吸热后直接膨胀做功，使得冷凝损失可以被开式循环利用，充分发挥了循环介质的做功能量，提升***效率。
以双层闭式循环回路为例进行说明，双层闭式循环回路中回热器15包括第一级回热器151和第二级回热器15a，第一级回热器151的热侧入口与第一做功装置12的介质出口连通，第一级回热器151的热侧出口与第一换热装置13的热侧入口连通，第一级回热器151的冷侧出口与第二加热器112的冷侧入口连通，第一级回热器51的冷侧入口与第一增压装置14的出口连通；第二级回热器15a的热侧入口与第一做功装置12a的介质出口连通，第二级回热器15a的热侧出口与第一换热装置13a的热侧入口连通，第二级回热器15a的冷侧出口与再加热装置25的冷侧入口连通，第二级回热器15a的冷侧入口与第一增压装置14a的出口连通。
双层闭式循环回路中的做功装置为多级旋转透平，做功装置包括第一做功装置12、第一做功装置12a、第二做功装置23、子做功装置261、子做功装置262。第一做功装置12可以在循环介质的超临界状态下通过焓值变化对外做功，第一做功装置12a利用其他工质气态膨胀做功；开式循环中第二做功装置23吸收第一做功装置12出来的余热，通过气态焓值变化做功，子做功装置261吸收来自做功装置12a的余热，接受上一步的工质通过气态工质的焓值变化进行膨胀做功，子做功装置262接收来自子做功装置261的气态循环介质，同样利用气态循环介质的焓值变化对外作功。
在本实施方式中，通过将做功装置设置为多级旋转透平，从而将第一加热装置11中传输给循环介质的热能通过多级透平充分转换为机械能，提高整体循环***的作业效率，但本领域技术人员能够理解的是，设置单个或其它数量的透平均可实现循环介质在做功装置内进行做功的效果，均未超出本发明的保护范围。开式循环中的多级透平对应多层闭式循环回路，对闭式循环回路中的循环介质余热进行进一步地利用，从而增加循环***整体的作业效率。
作为一个运行例，如图4所示，在上层闭式循环回路中，循环介质首先进入第一加热器111的冷侧入口与第二加热器112的冷侧入口，燃气机组高温排气进入第一加热器111的热侧入口与第二加热器112的热侧入口，各流股在第一加热器111、第二加热器112中实现热交换；
升温后的循环介质从第一加热器111的冷侧出口、第二加热器112的冷侧出口流出，合流后继续进入第一做功装置12中膨胀做功。第一做功装置12出口的循环介质进入第一级回热器151的热侧，与第一级回热器151冷侧的循环介质换热降温；经过降温的循环介质经第一换热装置13冷却至液态，进入第一增压装置14增压后，通过三通阀分流一部分进入第一级回热器151中回热升温随后再进入第二加热器112；一部分进入第一加热器111加热后，进入第一做功装置12，持续循环过程。
在下层闭式循环回路中，烟气通过第一加热器111的热侧出口、第二加热器112的热侧出口排出随后合流至第一加热器11a，升温后的循环介质从第一加热器11a的出口流出至第一做功装置12a膨胀做功；第一做功装置12a出口的循环介质进入第二级回热器15a，与第二级回热器15a冷侧的循环介质换热降温，经过降温的循环介质经第一换热装置13a冷却，进入第一增压装置14a增压后，进入第二级回热器15a中回热升温随后进入第一加热器11a加热后，进入第一做功装置12a，持续循环过程。其中，第二级回热器15a与第一加热器11a之间设有第四环境加热装置243。
本发明的优选实施方式中，多层闭式循环回路中的一个或多个闭式循环回路中的循环介质为二氧化碳，其余闭式循环回路中的循环介质为氦气、氮气、氧气、空气或天然气；进一步地，一个或多个闭式循环回路中循环介质的参数达到超临界状态时，通过超临界状态下循环介质的焓值变化对外做功，其余闭式循环中的循环介质通过吸热膨胀方式做功。
目前CO2作为循环介质的应用主要在于超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环，S-CO2布雷顿循环的高温热源循环效率高、压缩耗功小、透平设备结构紧凑占地小、腐蚀性小等诸多优势，是工业领域高温排气余热高效发电的潜在选择之一。但在超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环中，冷源温度不得低于CO2临界温度(31.1℃)，该冷源温度限制了超临界CO2(S-CO2)布雷顿循环***的作业效率。
进一步地，H2O的三相点为0.01℃、610.75Pa，其冷端温度最低也只能降到0℃以上，而且由于H2O的三相点压力过低(只有不到1kPa)，且为开式循环，若要其使其降至接近三相点压力，需使用真空泵进行抽气做功，对循环效率的提升较为有限。相比之下，CO2的三相点为-56.6℃、0.52MPa，其冷源温度可以降到更低，而且三相点压力在大气压之上，循环形式为闭式循环，不需要使用真空泵抽真空，使得循环整体处于大气压之上，避免了在循环低压处渗入不凝气体。这样在结合利用优质低温冷源之后，从热力学角度上来说，能够大幅提高循环效率。
另外，CO2循环介质的腐蚀性相比H2O蒸汽温和很多，可大大减轻对高温部件设备材料的耐蚀要求。并且，CO2循环介质的比容相比H2O小很多，可大大减少做功设备的尺寸，节约厂房面积。
进一步地，在本发明实施方式中，闭式循环回路采用多层动力循环***，在每一级中都进行如上文的过程，从而可以充分利用外部热源10所携带的热量，进一步提高整个***的作业效率。
本发明实施方式中，闭式循环回路通过多层布置动力循环***，从而将第一加热装置11中的热量通过多级换热装置传输给循环介质，随后充分转换为机械能，从而提高整体循环***的作业效率。其中，当闭式循环布置两层动力闭式循环***，且上层闭式循环回路内的循环介质保持在超临界状态时，此时循环介质的密度较高，此层循环中的做功装置的结构可以更加紧凑。而下层闭式循环回路中的循环介质可以是常规的动力循环，其循环介质在冷端损失的热量较少。
本发明实施方式通过多层布置动力循环***可以逐一利用其乏汽余热，辅以环境温度预先加热，从而充分的将闭式循环回路的余热在开式回路中转化为机械能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，包括：闭式循环回路及开式回路，所述闭式循环回路包括依次接通连接的第一加热装置、第一做功装置、第一换热装置、第一增压装置，所述开式回路包括依次接通连接的外部冷源、第二增压装置、第二换热装置、第二做功装置、再加热装置、第三做功装置，不同循环介质分别在所述闭式循环回路、所述开式回路内流动；所述外部冷源作为所述第一换热装置的换热工质与所述闭式循环回路的循环介质换热，且作为所述开式回路的循环介质，所述开式回路通过所述第二换热装置与所述第一换热装置共用且所述再加热装置与所述第一加热装置、所述第一换热装置同时连通的形式利用所述闭式循环回路中的余热；
所述闭式循环回路中的循环介质为二氧化碳，所述二氧化碳的三相点温度低于0℃且三相点压力高于标准大气压；所述第一加热装置流出的循环介质为超临界状态，所述外部冷源将所述第一换热装置中的循环介质冷却至高于所述循环介质的三相点温度且低于0℃的饱和液态；所述外部冷源的温度为-252℃～-162℃，所述开式回路中的循环介质为液态天然气或液化氢气。
2.根据权利要求1所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，还包括外部热源，所述外部热源提供所述闭式循环回路所需的热量，所述外部热源为燃气机组的排气余热、氢气冶金***的排气余热或燃料电池的排气余热。
3.根据权利要求1或2所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，还包括回热器，所述回热器的热侧入口与所述第一做功装置的介质出口连通，所述回热器的热侧出口与所述第一换热装置的热侧入口连通，所述回热器的冷侧入口与所述第一增压装置的介质出口连通，所述回热器的冷侧出口与所述第一加热装置连通。
4.根据权利要求3所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，所述第一加热装置包括并列设置于所述第一做功装置的介质入口的第一加热器、第二加热器；所述带直接膨胀的中低温热源回收动力***还包括三通阀，所述三通阀的三个接口分别与所述第一加热器、所述回热器及所述第一增压装置连通。
5.根据权利要求1或2所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，所述闭式循环回路包括多层闭式循环回路，每层所述闭式循环回路的所述第一加热装置之间以连通的形式逐层换热，每层所述闭式循环回路的所述第一换热装置之间连通，循环介质在其中逐层吸热并通过直接膨胀进行做功。
6.根据权利要求5所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，所述多层闭式循环回路中的一个或多个闭式循环回路中的循环介质为二氧化碳，其余闭式循环回路中的循环介质为氦气、氮气、氧气、空气或天然气；多层闭式循环回路中的一个或多个闭式循环回路中循环介质的参数达到超临界状态时，通过超临界状态下循环介质的焓值变化对外做功，其余闭式循环中的循环介质通过吸热膨胀方式做功。
7.根据权利要求5所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***，其特征在于，所述开式回路中的所述第三做功装置包括多级子做功装置，每个所述子做功装置的入口分别设有环境加热装置，所述第一换热装置与所述再加热装置之间也设有环境加热装置，所述第一换热装置与所述再加热装置之间的环境加热装置的出口与所述外部热源连通。
8.一种如权利要求1至7中任一权利要求所述的带直接膨胀的中低温热源回收动力循环***的循环方法，其特征在于，所述闭式循环回路中包括：
加热步骤，提供外部热源和所述循环介质，所述外部热源对所述循环介质进行加热，使其升温；
做功步骤，所述循环介质对外做功，变为气态的循环介质；
换热步骤，提供外部冷源，所述外部冷源作为换热工质对气态的循环介质进行冷却降温，得到饱和液态的循环介质；
压缩步骤，对饱和液态的循环介质进行增压；
所述开式回路中包括：
增压步骤：对所述外部冷源进行增压；
换热步骤：增压后的所述外部冷源对所述换热步骤中的循环介质进行冷却降温后升温；
做功步骤：升温后的所述外部冷源对外直接膨胀做功；
再加热步骤：所述加热步骤中部分升温的循环介质进入所述再加热装置再加热、做功后的所述外部冷源进入所述再加热装置中再加热；
再做功步骤：所述再加热步骤得到的循环介质对外直接膨胀做功。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114412595A (zh) * 2022-02-23 2022-04-29 浙江大学 燃料烟气多温区利用发电***

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01113506A (ja) * 1987-10-26 1989-05-02 Kobe Steel Ltd 熱回収装置
CN1653253A (zh) * 2002-03-14 2005-08-10 阿尔斯通技术有限公司 动力发生设备
CN101614139A (zh) * 2009-07-31 2009-12-30 王世英 多循环发电热力***
CN204691906U (zh) * 2015-04-27 2015-10-07 南京瑞柯徕姆环保科技有限公司 一种复叠式布列顿联合循环发电装置
CN110925041B (zh) * 2019-12-03 2022-04-05 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种联合循环高效燃煤发电***
CN112576327A (zh) * 2020-12-28 2021-03-30 西安交通大学 一种高效超低排放的燃煤发电***及其动力循环方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114412595A (zh) * 2022-02-23 2022-04-29 浙江大学 燃料烟气多温区利用发电***

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