一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统技术方案

本发明专利技术提供了一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；一级He压缩机、中间冷却器氦气侧、二级He压缩机、He回热器、He加热器、He透平、He/sCO2换热器氦气侧构成氦气循环；sCO2压缩机、中间冷却器超临界二氧化碳侧、He/sCO2换热器超临界二氧化碳侧、低温sCO2回热器、高温sCO2回热器、sCO2加热器、sCO2透平、预冷器构成超临界二氧化碳循环。氦气循环为顶循环，超临界二氧化碳循环为底循环，联合循环的热效率比单独的顶循环或底循环高，当顶循环参数较高时，联合循环比分流再压缩方式的超临界二氧化碳循环的热效率还要高，同时降低了制造成本。

A supercritical CO2 and helium combined cycle system

The invention provides a supercritical carbon dioxide and helium gas combined cycle system, which comprises a helium loop and the supercritical carbon dioxide loop; a He compressor intercooler, helium side, two He He compressor, heat exchanger, He heater, He turbine, He/sCO2 heat exchanger composed of helium helium side cycle; sCO2 compressor intercooler, supercritical carbon dioxide, He/sCO2 side heat exchanger of supercritical carbon dioxide, sCO2 low temperature side heat exchanger, sCO2 high temperature regenerator, sCO2 heater, sCO2 turbine, pre cooling device of supercritical carbon dioxide cycle. For the top helium circulation cycle, supercritical carbon dioxide cycle as the bottom cycle, the thermal efficiency of combined cycle cycle is higher than the top or bottom of the single cycle, when the cycle parameters is higher than the combined cycle distributing and compression of the supercritical carbon dioxide cycle and high thermal efficiency, while reducing the manufacturing cost.

【技术实现步骤摘要】
一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统
本专利技术涉及热能动力循环
，具体涉及一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统。
技术介绍
二氧化碳的临界点为31℃/7.4MPa，在温度和压力超过临界点时的状态为超临界态。近年来，以超临界二氧化碳为工质的动力循环系统成为研究热点，引起国内外学者的广泛兴趣。由于二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，循环系统简单、结构紧凑、效率较高，超临界二氧化碳动力循环被认为在化石能源发电、核能发电、聚光型太阳能热发电、余热发电、地热发电等领域具有良好的应用前景。简单的带回热的超临界二氧化碳动力循环发电系统主要由压缩机、透平、发电机、热交换器、回热器、预冷器等组成。低温低压工质首先进入压缩机压缩至高压，经回热器吸收透平排出工质的热量，再经热交换器从热源吸收热量达到最高温度，然后进入透平做功推动发电机工作，透平排出的工质经回热器释放部分热量，最后经预热器冷却后进入下一个循环过程。对此简单循环结构进行改进和优化，可以提高循环的热效率，目前被广泛采用的方法是分流再压缩。分流再压缩循环比简单循环增加一台压缩机，并且回热器分为高温回热器和低温回热器。与简单循环不同之处在于，再压缩循环的工质在进入预冷器前分流成两路，一路工质进入预冷器，再经主压缩机和低温回热器，然后与进入分压缩机的另一路工质汇合进入高温回热器。分流再压缩可以显著提高简单循环的热效率，其本质相当于两个超临界二氧化碳的联合循环，顶循环即为进入分压缩机的一路循环，底循环即为进入主压缩机的一路循环。底循环高压侧工质在低温区的比热大，升温过程需要的吸热量大，顶循环的工质经高温回热器后将剩余的热量传递给底循环，从而补充这部分热量，且顶循环不向环境释放热量，因此，整个循环的热效率提高。在此基础上，如何进一步提高超临界二氧化碳循环的热效率，是本领域技术人员致力于解决的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何进一步提高超临界二氧化碳循环的热效率。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；氦气循环回路包括一级He压缩机，一级He压缩机出口连接中间冷却器氦气侧进口，中间冷却器氦气侧出口连接二级He压缩机进口，二级He压缩机出口连接He回热器高压侧进口，He回热器高压侧出口连接He加热器进口，He加热器出口连接He透平进口，He透平出口连接He回热器低压侧进口，He回热器低压侧出口连接He/sCO2换热器氦气侧进口，He/sCO2换热器氦气侧出口连接一级He压缩机进口；超临界二氧化碳循环回路包括sCO2压缩机，sCO2压缩机出口分成三个支路，分别连接中间冷却器二氧化碳侧进口、He/sCO2换热器二氧化碳侧进口、低温sCO2回热器高压侧进口；中间冷却器二氧化碳侧出口、He/sCO2换热器二氧化碳侧出口、低温sCO2回热器高压侧出口汇合后连接高温sCO2回热器高压侧进口，高温sCO2回热器高压侧出口连接sCO2加热器进口，sCO2加热器出口连接sCO2透平进口，sCO2透平出口连接高温sCO2回热器低压侧进口，高温sCO2回热器低压侧出口连接低温sCO2回热器低压侧进口，低温sCO2回热器低压侧出口连接预冷器进口，预冷器出口连接sCO2压缩机进口。优选地，所述He透平连接第一发电机。优选地，所述sCO2透平连接第二发电机。优选地，氦气循环为顶循环，氦气工质经一级He压缩机增压，同时氦气工质的温度上升，经中间冷却器将热量传递给来自sCO2压缩机的第一个支路的二氧化碳；然后氦气工质经二级He压缩机增压，再经由高压侧进口进入He回热器，高压侧的氦气工质在He回热器吸收He透平排出的低压侧的氦气工质的热量后温度进一步上升，再经由高压侧出口排出He回热器并进入He加热器升温，He加热器将加热后的氦气工质输出至He透平做功发电；He透平排出的氦气工质经由低压侧进口进入He回热器将热量传给高压侧的氦气工质，He回热器低压侧出口排出的氦气工质经He/sCO2换热器将热量传递给来自sCO2压缩机的第二个支路的二氧化碳，冷却后的氦气工质进入一级He压缩机。优选地，超临界二氧化碳循环为底循环，二氧化碳工质经sCO2压缩机增压后分成三个支路：第一个支路的二氧化碳工质经所述中间冷却器吸收热量，第二个支路的二氧化碳工质经所述He/sCO2换热器吸收热量，第三个支路的二氧化碳工质经低温sCO2回热器吸收自高温sCO2回热器低压侧出口排出的二氧化碳工质的热量；三个支路的二氧化碳工质汇合后经由高压侧进口进入高温sCO2回热器，高压侧的二氧化碳工质在高温sCO2回热器吸收sCO2透平排出的低压侧的二氧化碳工质的热量后温度进一步上升，再经由高温sCO2回热器高压侧出口排出并进入sCO2加热器升温，sCO2加热器将加热后的二氧化碳工质输出至sCO2透平做功发电；sCO2透平排出的二氧化碳工质经由低压侧进口进入高温sCO2回热器将热量传给高压侧的二氧化碳工质，高温sCO2回热器低压侧出口排出的二氧化碳工质经低温sCO2回热器将热量传递给来自sCO2压缩机出口的第三个支路的工质，再经预冷器冷却，最后进入sCO2压缩机。本专利技术基于联合循环的思路，用氦气循环作为顶循环，超临界二氧化碳循环作为底循环。联合循环的热效率比单独的顶循环或底循环高，当顶循环参数较高时，联合循环比分流再压缩方式的超临界二氧化碳循环还要高。主要原因是氦气循环的透平进口温度可以达到800℃或更高。氦气循环透平进口压力远低于超临界二氧化碳循环的压力，有利于降低制造成本。因此，超临界二氧化碳与氦气联合循环是进一步提升超临界二氧化碳循环热效率潜力的有效途径。与现有技术相比，本专利技术提供的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统具有如下有益效果：1、顶循环和底循环可以根据工质的特点相对独立地设置参数，氦气循环可以运行在较高的温度(例如：800℃)，且压力可以较低(例如：2-3MPa)，超临界二氧化碳循环运行温度通常不超过700℃，且压力较高(例如：20-30MPa)。2、联合循环的热效率比单独的顶循环或底循环高，当顶循环参数较高时，联合循环比分流再压缩方式的超临界二氧化碳循环还要高。3、氦气循环透平进口压力远低于超临界二氧化碳循环的压力，有利于降低制造成本。附图说明图1为本实施例提供的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统示意图；其中：1-一级He压缩机，2-中间冷却器，3-二级He压缩机，4-He回热器，5-He加热器，6-He透平，7-第一发电机，8-He/sCO2换热器，9-sCO2压缩机，10-低温sCO2回热器，11-高温sCO2回热器，12-sCO2加热器，13-sCO2透平，14-第二发电机，15-预冷器。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。图1为本实施例提供的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统示意图，所述的超临界二氧化碳与氦气联合循环系统由一级He压缩机1、中间冷却器2、二级He压缩机3、He回热器4、He加热器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；氦气循环回路包括一级He压缩机(1)，一级He压缩机(1)出口连接中间冷却器(2)氦气侧进口，中间冷却器(2)氦气侧出口连接二级He压缩机(3)进口，二级He压缩机(3)出口连接He回热器(4)高压侧进口，He回热器(4)高压侧出口连接He加热器(5)进口，He加热器(5)出口连接He透平(6)进口，He透平(6)出口连接He回热器(4)低压侧进口，He回热器(4)低压侧出口连接He/sCO2换热器(8)氦气侧进口，He/sCO2换热器(8)氦气侧出口连接一级He压缩机(1)进口；超临界二氧化碳循环回路包括sCO2压缩机(9)，sCO2压缩机(9)出口分成三个支路，分别连接中间冷却器(2)二氧化碳侧进口、He/sCO2换热器(8)二氧化碳侧进口、低温sCO2回热器(10)高压侧进口；中间冷却器(2)二氧化碳侧出口、He/sCO2换热器(8)二氧化碳侧出口、低温sCO2回热器(10)高压侧出口汇合后连接高温sCO2回热器(11)高压侧进口，高温sCO2回热器(11)高压侧出口连接sCO2加热器(12)进口，sCO2加热器(12)出口连接sCO2透平(13)进口，sCO2透平(13)出口连接高温sCO2回热器(11)低压侧进口，高温sCO2回热器(11)低压侧出口连接低温sCO2回热器(10)低压侧进口，低温sCO2回热器(10)低压侧出口连接预冷器(15)进口，预冷器(15)出口连接sCO2压缩机(9)进口。...

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：包括氦气循环回路和超临界二氧化碳循环回路；氦气循环回路包括一级He压缩机(1)，一级He压缩机(1)出口连接中间冷却器(2)氦气侧进口，中间冷却器(2)氦气侧出口连接二级He压缩机(3)进口，二级He压缩机(3)出口连接He回热器(4)高压侧进口，He回热器(4)高压侧出口连接He加热器(5)进口，He加热器(5)出口连接He透平(6)进口，He透平(6)出口连接He回热器(4)低压侧进口，He回热器(4)低压侧出口连接He/sCO2换热器(8)氦气侧进口，He/sCO2换热器(8)氦气侧出口连接一级He压缩机(1)进口；超临界二氧化碳循环回路包括sCO2压缩机(9)，sCO2压缩机(9)出口分成三个支路，分别连接中间冷却器(2)二氧化碳侧进口、He/sCO2换热器(8)二氧化碳侧进口、低温sCO2回热器(10)高压侧进口；中间冷却器(2)二氧化碳侧出口、He/sCO2换热器(8)二氧化碳侧出口、低温sCO2回热器(10)高压侧出口汇合后连接高温sCO2回热器(11)高压侧进口，高温sCO2回热器(11)高压侧出口连接sCO2加热器(12)进口，sCO2加热器(12)出口连接sCO2透平(13)进口，sCO2透平(13)出口连接高温sCO2回热器(11)低压侧进口，高温sCO2回热器(11)低压侧出口连接低温sCO2回热器(10)低压侧进口，低温sCO2回热器(10)低压侧出口连接预冷器(15)进口，预冷器(15)出口连接sCO2压缩机(9)进口。2.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：所述He透平(6)连接第一发电机(7)。3.如权利要求1或2所述的一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：所述sCO2透平(13)连接第二发电机(14)。4.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳与氦气联合循环系统，其特征在于：氦气循环为顶循环，氦气工质经一级He压缩机(1)增压，同时氦气工质的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑开云，黄志强，
申请(专利权)人：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海,31