一种超高温氦气-超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统技术方案

本发明专利技术公开了一种超高温氦气

【技术实现步骤摘要】
一种超高温氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统


[0001]本专利技术涉及热能动力循环
，具体涉及一种超高温氦气
‑
超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统。

技术介绍

[0002]化石燃料燃烧排放的二氧化碳、氮氧化物等导致了严重的环境问题。为了缓解环境问题，全球能源结构正在向可再生能源转变，例如风能，太阳能等。聚光太阳能发电技术是一种快速发展的太阳能发电技术。在所有的太阳能发电技术中，塔式太阳能发电技术是一种具有大规模高效发电潜力的聚光太阳能发电技术。在当前的商用塔式系统中，吸热工质在565℃以下的温度驱动蒸汽朗肯循环，其汽轮机入口温度和循环热效率分别小于550℃和44％。近年来，超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环成为替代塔式系统中传统蒸汽朗肯循环的一种有前景的方法，有望在透平入口温度大于700℃时达到50％以上的循环热效率。但是，循环热效率仍被塔式系统最高运行温度限制在较低的范围内。
[0003]为了进一步提高塔式系统的竞争力，近年来，已有研究提出了一种运行温度可达1350℃以上的“新型超高温塔式系统概念”，有望将热电转换效率提高到60％以上。然而，在超高温塔式系统中，循环系统的运行温度将超过超临界二氧化碳布雷顿循环的最佳范围，导致其热效率将低于氦气布雷顿循环，同时超临界二氧化碳工质可能会与材料发生反应。因此氦气(He)布雷顿循环更适用于超高温塔式系统。然而，当氦气布雷顿循环集成到超高温塔式系统中时，氦气加热器两端的吸热工质吸热温差会被限制在几百摄氏度，不能满足超高温塔式系统所需求的1000℃左右的吸热工质吸热温差，这表示氦气布雷顿循环与塔式系统中的蓄热子系统的结合能力较差。鉴于此，需要设计一种能在超高温条件下具有较高的循环热效率且具有较高的吸热工质吸热温差的循环系统。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种超高温氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统，能够在超高温条件下达到较高循环热效率，同时达到较高的吸热工质吸热温差，实现了循环系统与超高温塔式太阳能系统的高效匹配。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案为：包括氦气布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环，氦气布雷顿循环作为顶循环，氦气布雷顿循环包括连接的He加热器和He透平，He加热器具有吸热工质侧和He侧，He加热器的吸热工质侧连接超高温塔式太阳能系统的太阳能吸热器，以太阳能吸热器出口的吸热工质作为热源将He工质最高加热到1300℃；超临界二氧化碳布雷顿循环作为底循环，超临界二氧化碳布雷顿循环包括SCO2加热器，SCO2加热器具有SCO2侧和He侧，SCO2加热器的He侧连接He透平，以He透平出口处的He工质作为热源将SCO2工质最高加热到550℃～800℃。
[0006]进一步地，所述He加热器的He侧出口连接He透平的入口，He透平的出口连接SCO2加热器的He侧入口，SCO2加热器的He侧出口连接He回热器的低压侧入口，He回热器的低压
侧出口连接He预冷器的入口，He预冷器的出口连接第一He压缩机的入口，第一He压缩机的出口连接He中冷器的入口，He中冷器的出口连接第二He压缩机的入口，第二He压缩机的出口连接He回热器的高压侧入口，He回热器的高压侧出口连接He加热器的He侧入口。
[0007]进一步地，所述SCO2加热器的SCO2侧出口连接SCO2透平的入口，SCO2透平的出口连接SCO2高温回热器的低压侧入口，SCO2高温回热器的低压侧出口连接SCO2低温回热器的低压侧入口，SCO2低温回热器的低压侧出口分别连接SCO2预冷器的入口和SCO2再压缩机的入口，SCO2预冷器的出口连接第一SCO2主压缩机的入口，第一SCO2主压缩机的出口连接SCO2中冷器的入口，SCO2中冷器的出口连接第二SCO2主压缩机的入口，第二SCO2主压缩机的出口连接SCO2低温回热器的高压侧入口，SCO2低温回热器的高压侧出口与SCO2再压缩机出口汇合并连接SCO2高温回热器的高压侧入口，SCO2高温回热器的高压侧出口连接SCO2加热器的SCO2侧入口。
[0008]进一步地，所述He透平连接有He发电机。
[0009]进一步地，所述SCO2透平连接有SCO2发电机。
[0010]进一步地，所述He预冷器和He中冷器使He工质最低冷却到35℃。
[0011]进一步地，所述SCO2预冷器和SCO2中冷器使SCO2工质最低冷却到35℃。
[0012]进一步地，所述氦气布雷顿循环低压为1.5Mpa，高压在4.2MPa～9.0MPa的区间内，中压在2.2MPa～6.0MPa的区间内。
[0013]进一步地，所述超临界二氧化碳布雷顿循环高压在15MPa～30MPa的区间内；低压在7.4MPa～15MPa的区间内；分流比在0.3～1的区间内；压缩比之比在0～1的区间内。
[0014]进一步地，所述系统的最高热效率达到64.72％，最高吸热工质吸热温差达到1013.0℃，且可同时达到60.74％的热效率和899.7℃的吸热工质吸热温差。
[0015]与现有技术相比，本专利技术提供的氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统使氦气布雷顿循环在1300℃的透平入口温度下运行，通过调节氦气布雷顿循环的运行参数，可以使超临界二氧化碳布雷顿循环在550℃～800℃的透平入口温度下运行。可以保证两循环均在各自具有优势的温度下运行，实现能量的高效梯级利用，从而达到比单一的顶循环和底循环更高的循环热效率。通过加入超临界二氧化碳布雷顿循环，提升了He加热器两端的吸热工质吸热温差，从而提升了循环系统与蓄热子系统的结合能力。当超高温塔式系统对循环热效率与吸热工质吸热温差有特定要求时，可以通过调节氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统的运行参数，使循环系统的性能满足要求。
附图说明
[0016]图1是本专利技术的循环系统结构示意图；
[0017]图2是本专利技术的循环系统对应的T
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s图；
[0018]图3是本专利技术的实施例1的多目标优化结果图；
[0019]图4是本专利技术的对比例1的系统结构示意图；
[0020]图5是本专利技术的实施例1和对比例1的多目标优化结果对比图；
[0021]图6是本专利技术的对比例2的系统结构示意图；
[0022]图7是本专利技术的实施例1和对比例2的多目标优化结果对比图；
[0023]其中，1
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He加热器，2
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He透平，3
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SCO2加热器，4
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He回热器，5
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He预冷器，6
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第一He
压缩机，7
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He中冷器，8
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第二He压缩机，9
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SCO2透平，10
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SCO2高温回热器，11
‑<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高温氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统，其特征在于，包括氦气布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环，氦气布雷顿循环作为顶循环，氦气布雷顿循环包括连接的He加热器(1)和He透平(2)，He加热器(1)具有吸热工质侧和He侧，He加热器(1)的吸热工质侧连接超高温塔式太阳能系统的太阳能吸热器(20)，以太阳能吸热器(20)出口的吸热工质作为热源将He工质最高加热到1300℃；超临界二氧化碳布雷顿循环作为底循环，超临界二氧化碳布雷顿循环包括SCO2加热器(3)，SCO2加热器(3)具有SCO2侧和He侧，SCO2加热器(3)的He侧连接He透平(2)，以He透平(2)出口处的He工质作为热源将SCO2工质最高加热到550℃～800℃。2.根据权利要求1所述的一种超高温氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统，其特征在于，所述He加热器(1)的He侧出口连接He透平(2)的入口，He透平(2)的出口连接SCO2加热器(3)的He侧入口，SCO2加热器(3)的He侧出口连接He回热器(4)的低压侧入口，He回热器(4)的低压侧出口连接He预冷器(5)的入口，He预冷器(5)的出口连接第一He压缩机(6)的入口，第一He压缩机(6)的出口连接He中冷器(7)的入口，He中冷器(7)的出口连接第二He压缩机(8)的入口，第二He压缩机(8)的出口连接He回热器(4)的高压侧入口，He回热器(4)的高压侧出口连接He加热器(1)的He侧入口。3.根据权利要求2所述的一种超高温氦气
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超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统，其特征在于，所述SCO2加热器(3)的SCO2侧出口连接SCO2透平(9)的入口，SCO2透平(9)的出口连接SCO2高温回热器(10)的低压侧入口，SCO2高温回热器(10)的低压侧出口连接SCO2低温回热器(11)的低压侧入口，SCO2低温回热器(11)的低压侧出口分别连接SCO2预冷器(12)的入口和SCO2再压缩机(16)的入口，SCO2预冷器(12)的出口连接第一SCO2主压缩机(13)的入口，第一SCO2主压缩机(13)的出口连接SCO2中冷器(14)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱羽，额尔奇，李庆，王济康，张元婷，张伟琛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：