二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统技术方案

本发明专利技术公开一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，包括超临界二氧化碳动力循环发电单元和余热回收单元，余热回收单元包括热网加热器和跨临界二氧化碳热泵单元，跨临界二氧化碳热泵单元包括冷端余热回收二氧化碳热泵单元和烟气余热回收二氧化碳热泵单元。该系统采用热网加热器和跨临界二氧化碳热泵降低超临界二氧化碳流体温度，满足主压缩机进口温度要求，同时发挥二氧化碳热泵低温热提质优势，实现冷端低温余热的深度高效回收；采用二氧化碳热泵降低烟气温度，实现烟气低温排放，同时将烟气余热深度高效回收至热网回水中，实现了烟气余热的深度高效回收利用。实现了烟气余热的深度高效回收利用。实现了烟气余热的深度高效回收利用。

【技术实现步骤摘要】
二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统


[0001]本专利技术涉及一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，属于热力循环


技术介绍

[0002]热电联产以高位热能发电，低位热能供热，实现了能量的梯级利用，大幅提高了能源利用效率。目前的热电联产机组一般是以水蒸汽为工质的朗肯循环，受高温耐热材料等因素制约，其效率很难进一步提升。
[0003]超临界二氧化碳布雷顿循环因二氧化碳在循环过程中的特殊性质，可避免发生相变导致的换热
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损失，大大节省压缩能耗，且处于超临界态的CO2有黏性小、密度大等特性，因而超临界二氧化碳动力循环还具有设备尺寸紧凑、占地面积小等优势，相比于500℃以上同参数蒸汽机组，可实现更高效率。然而，超临界二氧化碳循环系统预冷器需要向外部环境释放大量低温热，若利用跨临界二氧化碳热泵提高低温余热的品质与热网加热器共同供热，可高效节能，且清洁无污染，若同时回收烟气余热，能源利用效率有望进一步提高，以满足“碳达峰”需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在提供一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，解决了常规CO2动力循环存在的热源利用不充分、系统综合效率低的问题。
[0005]本专利技术提供的基于跨临界二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，常规预冷器被跨临界二氧化碳热泵与热网加热器有效替代，利用CO2小膨胀机驱动热泵压缩机，发挥热泵对冷端低温余热提质优势，将冷端低温余热深度高效回收到热网回水中，实现了冷端低温余热的深度高效回收利用；采用二氧化碳热泵进一步降低烟气温度，实现烟气低温排放，同时将烟气余热深度高效回收至热网回水中，实现了烟气余热的深度高效回收利用。本专利技术与中国专利CN207245778U相比，不设置预冷器，采用热泵蒸发器，使布雷顿循环中的二氧化碳流体与热泵循环中的二氧化碳流体直接换热，避免了循环冷却水的间接换热的热量损失，提高了换热效率；本专利技术利用跨临界二氧化碳热泵回收部分烟气余热，在降低烟气温度的同时，将烟气余热高效回收至热网回水中，在系统能耗相同的情况下可获得更高的供热比例，提高系统综合效率。
[0006]本专利技术提供了一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，包括超临界二氧化碳动力循环发电单元和余热回收单元；所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元包括锅炉、高压透平、低压透平、高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机；所述的余热回收单元包括热网加热器和跨临界二氧化碳热泵单元；跨临界二氧化碳热泵单元又包括冷端余热回收二氧化碳热泵单元和烟气余热回收二氧化碳热泵单元；冷端余热回收二氧化碳热泵单元包括CO2小膨胀机、压缩机、气冷器、回热器、节流阀、蒸发器。烟气余热回收二氧化碳热泵单元同样包括压缩机、气冷
器、回热器、节流阀、蒸发器。冷端余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于超临界二氧化碳动力循环发电单元低温回热器出口二氧化碳流体携带的低温余热；烟气余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于锅炉烟气低温余热。
[0007]进一步地，所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元，锅炉用于加热、再热超临界二氧化碳；高压透平进口连接锅炉，利用加热后的超临界二氧化碳的热量做功发电，高压透平出口回到锅炉对超临界二氧化碳进行再热；低压透平进口连接锅炉的再热超临界二氧化碳出口，再热的超临界二氧化碳做功后依次经过高温回热器、低温回热器释放热量；低温回热器出口分流，一部分经余热回收单元连接主压缩机，另一部分直接连接再压缩机；主压缩机出口的高压超临界二氧化碳流体连接低温回热器升温，低温回热器出口流体与经过再压缩机升压后的二氧化碳流体汇合，连接高温回热器预热；高温回热器出口连接锅炉，将预热流体送入锅炉加热。
[0008]所述的余热回收单元，热网加热器利用低温回热器排出的较高温度的超临界二氧化碳余热加热热网水；冷端余热回收二氧化碳热泵单元将热网加热器出口较低温度的超临界二氧化碳余热提升品质加热热网水，二氧化碳流体降温后送入主压缩机；烟气余热回收二氧化碳热泵单元通过回收烟气温度加热热网水，烟气降温后排入大气。
[0009]所述的跨临界二氧化碳热泵单元，CO2小膨胀机进口连接锅炉再热出口，利用再热超临界二氧化碳流体做功驱动二氧化碳热泵压缩机，CO2小膨胀机出口超临界二氧化碳流体与低压透平出口流体汇合，连接高温回热器进口。二氧化碳热泵压缩机进口连接热泵回热器出口，压缩机出口连接二氧化碳气冷器；气冷器为热网回水和高温高压二氧化碳流体的热交换器，气冷器出口的二氧化碳流体经回热器降温后连接节流阀，节流阀出口连接蒸发器；冷端余热回收热泵单元蒸发器为较低温度超临界二氧化碳流体余热和低温低压二氧化碳流体的热交换器，烟气余热回收热泵单元蒸发器为低温烟气余热和低温低压二氧化碳流体的热交换器，放热后的二氧化碳流体通过回热器继续升温，升温后进入二氧化碳热泵压缩机，完成一个完整的循环。
[0010]上述方案中，热网回水一部分与热网加热器交换热量，另外两部分分别由冷端余热回收热泵单元气冷器和烟气余热回收热泵单元气冷器提供热量升温，三部分热网出水汇合后供给热用户。
[0011]本专利技术提供了一种上述二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统的运行过程，包括以下步骤：（1）超临界二氧化碳动力循环发电单元，超临界二氧化碳流体从低温回热器出口到主压缩机进口温度需释放大量低温热；（2）较高温度（90~120℃）的低温超临界二氧化碳流体在热网加热器中与热网回水进行热交换，降温后的较低温度（35~60℃）的低温超临界二氧化碳流体送入冷端余热回收热泵单元的蒸发器中，通过热泵对低温热的提质利用，实现对另一部分热网回水的加热；（3）较低温度（36~60℃）的低温超临界二氧化碳流体送入冷端余热回收热泵单元的蒸发器中，与热泵二氧化碳工质进行热交换，成为32℃的超临界二氧化碳流体进入超临界二氧化碳再压缩系统的主压缩机；（4）低温烟气（55~60℃）送入烟气余热回收热泵单元的蒸发器中，与热泵二氧化碳工质进行热交换，成为40~50℃的烟气排入大气；
（5）来自热用户的热网回水分流，一部分在热网加热器中与较高温度的低温超临界二氧化碳流体进行热交换，另两部分分别与冷端余热回收热泵单元和烟气余热回收热泵单元的气冷器中的高温高压二氧化碳流体进行热交换，三部分热网出水汇合，共同供给热用户。
[0012]上述方法中，当二氧化碳热泵的制热性能系数COP为5.19，冷端回收热泵单元蒸发器进口低温超临界二氧化碳流体温度为40℃，设置烟气余热回收热泵单元时，其供热比例可达66.8%，比相同能耗下仅利用热泵与热网加热器回收冷端余热的供热比例高16.4%，可实现更大负荷供热。
[0013]本专利技术的有益效果：（1）本专利技术提供的一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，冷端余热回收单元采用热网加热器和跨临界二氧化碳热泵替代常规二氧化碳循环热力系统主压缩机前的预冷器，分级利用大量的较高温度和较低温度的低温热量，实现了能量梯级利用。
[0014]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于包括超临界二氧化碳动力循环发电单元和余热回收单元；所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元包括锅炉、高压透平、低压透平、高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机；所述的余热回收单元包括热网加热器和跨临界二氧化碳热泵单元；跨临界二氧化碳热泵单元又包括冷端余热回收二氧化碳热泵单元和烟气余热回收二氧化碳热泵单元；冷端余热回收二氧化碳热泵单元包括CO2小膨胀机、压缩机、气冷器、回热器、节流阀、蒸发器；烟气余热回收二氧化碳热泵单元同样包括压缩机、气冷器、回热器、节流阀、蒸发器；冷端余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于超临界二氧化碳动力循环发电单元低温回热器出口二氧化碳流体携带的低温余热；烟气余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于锅炉烟气低温余热。2.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：超临界二氧化碳动力循环发电单元，锅炉用于加热、再热超临界二氧化碳；高压透平进口连接锅炉，利用加热后的超临界二氧化碳的热量做功发电，高压透平出口回到锅炉对超临界二氧化碳进行再热；低压透平进口连接锅炉的再热超临界二氧化碳出口，再热的超临界二氧化碳做功后依次经过高温回热器、低温回热器释放热量；低温回热器出口分流，一部分经余热回收单元连接主压缩机，另一部分直接连接再压缩机；主压缩机出口的高压超临界二氧化碳流体连接低温回热器升温，低温回热器出口流体与经过再压缩机升压后的二氧化碳流体汇合，连接高温回热器预热；高温回热器出口连接锅炉，将预热流体送入锅炉加热。3.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：所述的余热回收单元，热网加热器利用低温回热器排出的较高温度的超临界二氧化碳余热加热热网水；冷端余热回收二氧化碳热泵单元将热网加热器出口较低温度的超临界二氧化碳余热提升品质加热热网水，二氧化碳流体降温后送入主压缩机；烟气余热回收二氧化碳热泵单元通过回收烟气温度加热热网水，烟气降温后排入大气。4.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：所述的跨临界二氧化碳热泵单元，CO2小膨胀机进口连接锅炉再热出口，利用再热超临界二氧化碳流体做功驱动二氧化碳热泵压缩机，CO2小膨胀机出口超临界二氧化碳流体与低压透平出口流体汇合，连接高温回热器进口；二...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝艳红，吴彦丽，常文睿，白静利，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：