CN211598771U - 级联型式的超临界二氧化碳动力循环*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，包括直燃加热超临界二氧化碳循环子***和间接加热超临界二氧化碳循环子***，由二氧化碳泵、中间冷却器、高低温回热器、燃烧室、高低温透平、发电机、冷却器、水分离器、冷凝器、二氧化碳收集装置、高温热交换器等构成。本实用新型提供的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，将直燃加热超临界二氧化碳循环子***的透平排气热量作为间接加热超临界二氧化碳循环子***的主加热器热源，实现二者优势互补。本实用新型***能量利用率高，热端温度高，循环效率高，且可吸收外部低品位热量并以高效率发电，***不排放污染物，100％捕集二氧化碳，***无压缩机，设备简化，可靠性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，属于动力循环技术领域。
背景技术
超临界二氧化碳动力循环是当前的研究热点，其循环效率高，用途广，具有良好的应用前景。超临界二氧化碳动力循环可分为两类：一类采用直燃加热方式，超临界二氧化碳在燃烧器中被燃气直接加热至高温，燃烧产物在透平出口后的处理工艺中排放或收集；另一类采用间接加热方式，超临界二氧化碳由主加热器加热至高温，主加热器可由燃料燃烧、聚光太阳能热、核能等多种方式提供热量。
由于直燃加热可以获得高的初参数，且超临界二氧化碳循环采用回热、临界点附近压缩减少耗功，使直燃加热循环具有远高于间接加热循环的热效率。
但是，直燃加热的超临界二氧化碳循环透平进气温度和压力高，在最优膨胀比下，透平排气温度过高，材料许用应力难以满足要求，无法直接进入回热器，这就不得不增大膨胀比，从而就需要在冷端增加压缩设备，导致循环效率损失。
因此，如何充分发挥间接加热与直燃加热的超临界二氧化碳循环各自的优势，屏蔽其缺陷，构建高效率的超临界二氧化碳动力循环***，是本领域技术人员致力于解决的难题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是如何充分发挥间接加热与直燃加热的超临界二氧化碳循环的优势，构建高效率的超临界二氧化碳动力循环***。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：包括直燃加热超临界二氧化碳循环子***和间接加热超临界二氧化碳循环子***；
所述直燃加热超临界二氧化碳循环子***包括第一二氧化碳泵，第一二氧化碳泵出口连接中间冷却器进口，中间冷却器出口连接第二二氧化碳泵进口，第二二氧化碳泵出口连接第一低温回热器低温侧进口，第一低温回热器低温侧出口连接第一高温回热器低温侧进口，第一高温回热器低温侧出口连接燃烧室工质进口，燃烧室工质出口连接高温透平进口，高温透平连接发电机，高温透平出口连接高温热交换器高温侧进口，高温热交换器高温侧出口连接第一高温回热器高温侧进口，第一高温回热器高温侧出口连接第一低温回热器高温侧进口，第一低温回热器高温侧出口连接冷却器进口，冷却器出口连接水分离器进口，水分离器工质出口连接冷凝器进口，冷凝器出口分两路，分别连接第一二氧化碳泵进口和二氧化碳收集装置进口；
所述间接加热超临界二氧化碳循环子***包括第二低温回热器，第二低温回热器低温侧进口连接所述第一二氧化碳泵出口，第二低温回热器低温侧出口连接第二高温回热器低温侧进口，第二高温回热器低温侧出口连接所述高温热交换器低温侧进口，所述高温热交换器低温侧出口连接低温透平进口，低温透平连接所述发电机，低温透平出口连接第二高温回热器高温侧进口，第二高温回热器高温侧出口连接第二低温回热器高温侧进口，第二低温回热器高温侧出口连接所述冷凝器进口。
优选地，所述直燃加热超临界二氧化碳循环子***还包括燃料供给装置和氧气供给装置，燃料供给装置连接所述燃烧室的燃料进口，氧气供给装置连接所述燃烧室的氧气进口。
优选地，所述第一低温回热器连接来自低品位热量或废热的第一外部热源。
优选地，所述第二低温回热器连接来自低品位热量或废热的第二外部热源。
优选地，所述高温透平、低温透平、发电机同轴布置。
优选地，所述间接加热超临界二氧化碳循环子***采用一次或多次再热方式，并相应的配置多段透平。
上述的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***使用时，步骤为：液态二氧化碳工质经第一二氧化碳泵增压后分为两路，一路供给直燃加热超临界二氧化碳循环子***，另一路供给间接加热超临界二氧化碳循环子***；
第一二氧化碳泵出来的第一路液态二氧化碳工质经中间冷却器冷却后，进入第二二氧化碳泵进一步增压，再依次经第一低温回热器和第一高温回热器吸热，然后进入燃烧室被燃烧加热，形成的混合工质进入高温透平，混合工质在高温透平中膨胀做功推动发电机产生电力；高温透平排气进入高温热交换器，将高温段热量传递给间接加热超临界二氧化碳循环子***的工质，再依次经第一高温回热器和第一低温回热器释放余热，然后经冷却器冷却，进入水分离器除湿，再进入冷凝器凝结成液态，燃烧产生的多余二氧化碳进入二氧化碳收集装置，其余的回到第一二氧化碳泵；
第一二氧化碳泵出来的另一路液态二氧化碳工质依次进入第二低温回热器和第二高温回热器吸热，再经高温热交换器加热，然后进入低温透平膨胀做功推动发电机产生电力，低温排气依次经第二高温回热器和第二低温回热器释放余热，然后经冷凝器凝结成液态，再回到第一二氧化碳泵。
优选地，所述第一二氧化碳循环泵出口压力为15～25MPa。
优选地，所述第二二氧化碳循环泵出口压力为25～40MPa。
优选地，所述高温透平的进气温度为1000～1200℃。
优选地，所述高温透平的高温部件通过抽取进入燃烧室之前的较低温度的工质进行冷却。
优选地，所述高温透平的排气气温度不超过900℃。
优选地，所述高温透平的排气压力高于且接近二氧化碳冷凝温度对应的饱和压力。
优选地，所述低温透平的进气温度不超过750℃。
优选地，所述低温透平的排气压力高于且接近二氧化碳冷凝温度对应的饱和压力。
优选地，所述级联型式的超临界二氧化碳动力循环***的发电容量为50MWe～1000MWe。
相比现有技术，本实用新型提供的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***具有如下有益效果：
1、***能量利用率高，热端温度高，循环效率高，且可吸收外部低品位热量并以高效率发电。
2、***不排放污染物，100％捕集二氧化碳。
3、***无压缩机，设备简化，可靠性提高。
附图说明
图1为本实施例提供的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***示意图；
附图标记说明：
1-第一二氧化碳泵，2-中间冷却器，3-第二二氧化碳泵，4-第一低温回热器，5-第一外部热源，6-第一高温回热器，7-燃烧室，8-燃料供给装置，9-氧气供给装置，10-高温透平，11-发电机，12-冷却器，13-水分离器，14-冷凝器，15-二氧化碳收集装置，16-第二低温回热器，17-第二外部热源，18-第二高温回热器，19-高温热交换器，20-低温透平。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。
考虑到间接加热超临界二氧化碳循环的特点，直燃加热超临界二氧化碳循环的透平排气热量适合作为前者的主加热器热源(透平进气温度750℃以下)，且间接加热超临界二氧化碳循环的压力通常选在20MPa左右，不存在上述的材料问题。直燃加热与间接加热的超临界二氧化碳循环互补性好，两者的级联型式可实现高的循环效率，相比扩大膨胀比和冷端压缩方案，还可以省去复杂的压缩设备。
图1为本实施例提供的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***示意图，所述的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***包括直燃加热超临界二氧化碳循环子***和间接加热超临界二氧化碳循环子***。
直燃加热超临界二氧化碳循环子***和间接加热超临界二氧化碳循环子***均为简单回热循环。
直燃加热超临界二氧化碳循环子***包括第一二氧化碳泵1，第一二氧化碳泵1出口连接中间冷却器2进口，中间冷却器2出口连接第二二氧化碳泵3进口，第二二氧化碳泵3出口第一低温回热器4低温侧进口，第一低温回热器4低温侧出口连接第一高温回热器6低温侧进口，第一高温回热器6低温侧出口连接燃烧室7工质进口，燃料供给装置8和氧气供给装置9分别连接燃烧室7的燃料进口和氧气进口，燃烧室7工质出口连接高温透平10进口，高温透平10连接发电机11，高温透平10出口连接高温热交换器19高温侧进口，高温热交换器19高温侧出口连接第一高温回热器6高温侧进口，第一高温回热器6高温侧出口连接第一低温回热器4高温侧进口，第一低温回热器4高温侧出口连接冷却器12进口，冷却器12出口连接水分离器13进口，水分离器13工质出口连接冷凝器14进口，冷凝器14出口分两路，分别连接第一二氧化碳泵1进口和二氧化碳收集装置15进口。
间接加热超临界二氧化碳循环子***包括所述第一二氧化碳泵1，第一二氧化碳泵1出口连接第二低温回热器16低温侧进口，第二低温回热器16低温侧出口连接第二高温回热器18低温侧进口，第二高温回热器18低温侧出口连接所述高温热交换器19低温侧进口，高温热交换器19低温侧出口连接低温透平20进口，低温透平20连接所述发电机11，低温透平20出口连接第二高温回热器18高温侧进口，第二高温回热器18高温侧出口连接第二低温回热器16高温侧进口，第二低温回热器16高温侧出口连接所述冷凝器14进口，冷凝器14出口连接所述第一二氧化碳泵1进口。
第一低温回热器4和第二低温回热器16分别连接第一外部热源5和第二外部热源17，第一外部热源5和第二外部热源17来自低品位热量和废热。高温透平10、低温透平20、发电机11同轴布置。
上述循环***中各个设备之间通过管道连接，根据***控制需要，管道上可布置阀门、仪表，组成***的其它部分还有辅助设施、电气***、控制***等。
本实施例提供的级联型式的超临界二氧化碳动力循环***的具体实施步骤如下：
液态二氧化碳工质经第一二氧化碳泵1增压至20MPa后，分为两路，一路供给直燃加热超临界二氧化碳循环子***，另一路供给间接加热超临界二氧化碳循环子***。第一路经中间冷却器2冷却后(约20℃)，再进入第二二氧化碳泵3进一步增压至35MPa，再经第一低温回热器4和第一高温回热器6吸热，再进入燃烧室7被燃料(天然气)和氧气燃烧加热至1150℃，形成的高温高压混合工质进入高温透平10，工质在高温透平10中膨胀至约6MPa/850℃，高温透平10做功推动发电机11产生电力，高温透平10排气进入高温热交换器19，将高温透平10排气的高温段热量传递给间接加热超临界二氧化碳循环子***的工质，再经第一高温回热器6和第一低温回热器4释放余热，然后经冷却器12冷却，进入水分离器13除湿，再进入冷凝器14凝结成液态(约20℃)，燃烧产生的多余二氧化碳进入二氧化碳收集装置15，其余的回到第一二氧化碳泵1。第一二氧化碳泵1出来的另一路工质依次进入第二低温回热器16和第二高温回热器18吸热，再经高温热交换器19加热至750℃，然后进入低温透平20膨胀至约6MPa/570℃，低温透平20做功推动发电机11产生电力，低温排气依次经第二高温回热器18和第二低温回热器16释放余热，然后经冷凝器14凝结成液态(约20℃)，再回到第一二氧化碳泵1。
根据上述的实施例，可组成50MWe～1000MWe的中、大容量等级的机组，扣除氧气供应装置(如：空分设备)及其它厂用电后，天然气发电的净效率接近60％，相当于F级燃气轮机联合循环的水平，并且100％捕碳、无污染物排放，具有相当优良的环境效益。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：包括直燃加热超临界二氧化碳循环子***和间接加热超临界二氧化碳循环子***；
所述直燃加热超临界二氧化碳循环子***包括第一二氧化碳泵(1)，第一二氧化碳泵(1)出口连接中间冷却器(2)进口，中间冷却器(2)出口连接第二二氧化碳泵(3)进口，第二二氧化碳泵(3)出口连接第一低温回热器(4)低温侧进口，第一低温回热器(4)低温侧出口连接第一高温回热器(6)低温侧进口，第一高温回热器(6)低温侧出口连接燃烧室(7)工质进口，燃烧室(7)工质出口连接高温透平(10)进口，高温透平(10)连接发电机(11)，高温透平(10)出口连接高温热交换器(19)高温侧进口，高温热交换器(19)高温侧出口连接第一高温回热器(6)高温侧进口，第一高温回热器(6)高温侧出口连接第一低温回热器(4)高温侧进口，第一低温回热器(4)高温侧出口连接冷却器(12)进口，冷却器(12)出口连接水分离器(13)进口，水分离器(13)工质出口连接冷凝器(14)进口，冷凝器(14)出口分两路，分别连接第一二氧化碳泵(1)进口和二氧化碳收集装置(15)进口；
所述间接加热超临界二氧化碳循环子***包括第二低温回热器(16)，第二低温回热器(16)低温侧进口连接所述第一二氧化碳泵(1)出口，第二低温回热器(16)低温侧出口连接第二高温回热器(18)低温侧进口，第二高温回热器(18)低温侧出口连接所述高温热交换器(19)低温侧进口，所述高温热交换器(19)低温侧出口连接低温透平(20)进口，低温透平(20)连接所述发电机(11)，低温透平(20)出口连接第二高温回热器(18)高温侧进口，第二高温回热器(18)高温侧出口连接第二低温回热器(16)高温侧进口，第二低温回热器(16)高温侧出口连接所述冷凝器(14)进口。
2.如权利要求1所述的一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：所述直燃加热超临界二氧化碳循环子***还包括燃料供给装置(8)和氧气供给装置(9)，燃料供给装置(8)连接所述燃烧室(7)的燃料进口，氧气供给装置(9)连接所述燃烧室(7)的氧气进口。
3.如权利要求1所述的一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：所述第一低温回热器(4)连接来自低品位热量或废热的第一外部热源(5)。
4.如权利要求1所述的一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：所述第二低温回热器(16)连接来自低品位热量或废热的第二外部热源(17)。
5.如权利要求1所述的一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：所述高温透平(10)、低温透平(20)、发电机(11)同轴布置。
6.如权利要求1所述的一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***，其特征在于：所述间接加热超临界二氧化碳循环子***采用一次或多次再热方式，并相应的配置多段透平。
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| CN111102026B (zh) * | 2019-12-12 | 2023-11-24 | 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司 | 一种级联型式的超临界二氧化碳动力循环***及方法 |
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned | ||
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20200929 Effective date of abandoning: 20231124 |
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