一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统。本发明专利技术的另一个技术方案是提供了一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的方法，其特征在于，采用上述的系统。与现有技术相比，本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术通过增加注入旁路循环向超临界二氧化碳动力循环中注入水，水在透平中做功后进入回热器中释放相变潜热，然后由水泵再循环注入，水不向外界环境放热，水在透平中做功远大于水泵消耗的功，实现较为可观的净功；本发明专利技术的不会给超临界二氧化碳动力循环系统增加过多的复杂性，所需增加的设备成本低，系统的实施方便，同时适用于间接加热方式和直接燃烧加热方式的循环。

A system and method for improving thermal efficiency of supercritical carbon dioxide power cycle

The invention provides a system for improving the thermal efficiency of the supercritical carbon dioxide power cycle. Another technique of the invention is to provide a method for improving the thermal efficiency of a supercritical carbon dioxide dynamic cycle, which is characterized by the use of the above system. Compared with the existing technology, the invention has the beneficial effect that the invention can injecting water into the supercritical carbon dioxide power cycle by adding an injection bypass cycle, and releasing the latent heat of phase change in the regenerator after doing work in the turbine, and then recirculating the water from the water pump, and the water is not exothermic to the outside environment, and the water is doing great work in the turbine. This invention will not increase the complexity of the supercritical carbon dioxide power cycle system, the cost of the equipment is low, the system is easy to implement, and it is suitable for the indirect heating mode and the direct combustion heating square cycle.

【技术实现步骤摘要】
一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统及方法
本专利技术涉及一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统及基于该系统的方法。
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。将超临界二氧化碳作为工质用于动力循环的研究始于上世纪四十年代，在六、七十年代取得阶段性研究成果，之后主要由于透平机械、紧凑式热交换器制造技术不成熟而中止，直至本世纪初，对这一技术的研究才再度兴起。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(主流)，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，但是也存在不利因素，其中最大的问题是系统中的回热器增加。由于超临界二氧化碳动力循环采用的是高效紧凑型回热器，造价昂贵，在设备成本中占约1/3的比例。因此，需要探索其它形式的提高循环效率的方法，常规的方法包括透平排气再热、压缩机中间冷却、分流等，都有一定的效果，但也带来增加设备数量和成本的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：提高动力循环整体的热效率的同时，不过多地增加系统的复杂性或造价。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是提供了一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统，其特征在于，包括压缩机，用于将二氧化碳工质增压至高压；具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口的回热器，压缩机产生的高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出至加热单元，同时，高压二氧化碳工质在回热器被经由低压侧进口进入的混合工质加热；加热单元，同时输入高压二氧化碳工质及旁路水循环输出的水工质，并加热至设定温度后，输出给透平；透平，与发电机相连，做功产生的混合工质经由低压侧进口输入回热器；水分离器，将自回热器的低压侧出口输出的混合工质中的水与二氧化碳分离，分离后的二氧化碳经由预冷器降温后重新送入压缩机，分离后的水回到旁路水循环；旁路水循环，用于将水分离器分离出的水重新注入加热单元。优选地，所述加热单元为换热器，则换热器的输出参数为600℃/30MPa以上；或所述加热单元为燃烧器，则燃烧器的输出参数为1100℃/30MPa以上。优选地，所述旁路水循环包括循环水泵，循环水泵分别管路连接所述加热单元及所述水分离器。优选地，若所述加热单元为燃烧器，则所述循环水泵设有用于排出多余二氧化碳的旁路出口一。优选地，若所述加热单元为燃烧器，则所述水分离器设有用于排出多余水的旁路出口二。本专利技术的另一个技术方案是提供了一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的方法，其特征在于，采用上述的系统，包括以下步骤：通过旁路水循环向加热单元注入水，同时，加热单元还输入自回热器的高压侧出口输出的高压二氧化碳工质，水及高压二氧化碳工质在加热单元内被加热至设定温度后送入透平，透平做功后产生的混合工质由低压侧进口进入回热器，通过水分离器将透平低压侧出口输出的混合工质中的水与二氧化碳相分离，分离后的二氧化碳经过预冷器降温后送入压缩机，由压缩机将二氧化碳工质增压至高压后自高压侧进口送入回热器内，二氧化碳工质在回热器内被自低压侧进口送入的混合工质加热后自高压侧出口送至加热单元，同时，水分离器分离出来的水经由旁路水循环被送回加热单元。优选地，所述旁路循环中水的质量流量不超过二氧化碳质量流量的1/10。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过增加注入旁路循环向超临界二氧化碳动力循环中注入水，水在透平中做功后进入回热器中释放相变潜热，然后由水泵再循环注入，水不向外界环境放热，水在透平中做功远大于水泵消耗的功，实现较为可观的净功。2、本专利技术的不会给超临界二氧化碳动力循环系统增加过多的复杂性，所需增加的设备成本低，系统的实施方便，同时适用于间接加热方式和直接燃烧加热方式的循环。附图说明图1为本专利技术提供的一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统的示意图，图中：1-压缩机，2-回热器，3-换热器，4-透平，5-预冷器，6-循环水泵，7-水分离器，8-发电机。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统包括压缩机1、回热器2、换热器3、透平4、预冷器5、循环水泵6、水分离器7、发电机8。各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置阀门、仪表。压缩机1、回热器2、换热器3、透平4、预冷器5构成简单的带回热的超临界二氧化碳循环回路。循环水泵6、换热器3、透平4、回热器2、水分离器7构成注水旁路循环回路。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、仪控系统等。本专利技术还提供了一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的方法，由换热器3冷端注水，由回热器2低压侧出口排水，排水口与注水口之间设有高压循环水泵6，通过水泵工作实现水工质在超临界二氧化碳动力循环中的运行。具体而言，本专利技术的方法包括如下步骤：二氧化碳工质经压缩机1增压至高压，例如：30MPa，同时温度略有上升。随后经由高压侧进口进入回热器2，高压二氧化碳工质在回热器2吸收透平4排出的低压混合工质的热量后温度进一步上升，再经由高压侧出口进入换热器3(或燃烧器)。同时，注水旁路循环中的水通过循环水泵6注入换热器3(或燃烧器)，并加热达到目标温度，例如：对于换热器3而言，目标温度为600℃，对于燃烧器而言，目标温度为1100℃。换热器3将加热后的工质输出至透平4，二氧化碳与水的混合工质经透平4做功后排出，然后经由低压侧进口进入回热器2将热量传给高压侧的工质，同时水在回热器2中冷凝成液态。从回热器2的低压侧出口出来的液态水经由水分离器7排出，水分离器7出口与循环水泵6入口连接，对于直接燃烧方式的循环中燃烧产物中多余的水可由水分离器7出口的旁路排出。从回热器2出来的二氧化碳经冷却后进入到压缩机1入口，对于直接燃烧方式的循环中燃烧产物中多余的二氧化碳可由循环水泵6出口的旁路排出，并用作工业气体产品，至此循环完成。注入旁路循环中水的质量流量不超过超临界二氧化碳动力循环中二氧化碳质量流量的1/10，具体须根据热力计算，使回热器中水的放热(包括显热和潜热)充分利用并达到高压侧二氧化碳工质所能吸收的极限。超临界二氧化碳动力循环的透平4入口参数在材料及其成本可接受的范围内尽可能地高，以达到更高的效率，对于通过换热器间接加热的方式，为600℃/30MPa以上，对于换热器为直接燃烧加热的方式，即燃烧器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统，其特征在于，包括压缩机(1)，用于将二氧化碳工质增压至高压；具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口的回热器(2)，压缩机(1)产生的高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出至加热单元，同时，高压二氧化碳工质在回热器(2)被经由低压侧进口进入的混合工质加热；加热单元，同时输入高压二氧化碳工质及旁路水循环输出的水工质，并加热至设定温度后，输出给透平(4)；透平(4)，与发电机(8)相连，做功产生的混合工质经由低压侧进口输入回热器(2)；水分离器(7)，将自回热器(2)的低压侧出口输出的混合工质中的水与二氧化碳分离，分离后的二氧化碳经由预冷器(5)降温后重新送入压缩机(1)，分离后的水回到旁路水循环；旁路水循环，用于将水分离器(7)分离出的水重新注入加热单元。

【技术特征摘要】
1.一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统，其特征在于，包括压缩机(1)，用于将二氧化碳工质增压至高压；具有高压侧进口、高压侧出口、低压侧进口、低压侧出口的回热器(2)，压缩机(1)产生的高压二氧化碳工质经由高压侧进口进入后自高压侧出口输出至加热单元，同时，高压二氧化碳工质在回热器(2)被经由低压侧进口进入的混合工质加热；加热单元，同时输入高压二氧化碳工质及旁路水循环输出的水工质，并加热至设定温度后，输出给透平(4)；透平(4)，与发电机(8)相连，做功产生的混合工质经由低压侧进口输入回热器(2)；水分离器(7)，将自回热器(2)的低压侧出口输出的混合工质中的水与二氧化碳分离，分离后的二氧化碳经由预冷器(5)降温后重新送入压缩机(1)，分离后的水回到旁路水循环；旁路水循环，用于将水分离器(7)分离出的水重新注入加热单元。2.如权利要求1所述的一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统，其特征在于，所述加热单元为换热器(3)，则换热器(3)的输出参数为600℃/30MPa以上；或所述加热单元为燃烧器，则燃烧器的输出参数为1100℃/30MPa以上。3.如权利要求2所述的一种提高超临界二氧化碳动力循环热效率的系统，其特征在于，所述旁路水循环包括循环水泵(6)，循环水泵(6)分别管路连接所述加热单元及所述水分离器(7)。...

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