一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质技术方案

本发明专利技术公开了一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，包括二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，高临界点组元工质的临界温度高于二氧化碳的临界温度，低临界点组元工质低于二氧化碳的临界温度。本发明专利技术以二氧化碳为基础，添加一种高临界温度组元工质和一种低临界温度组元工质，形成适用于超临界布雷顿循环的三元混合工质，以实现在高冷源温度和低冷源温度条件下循环热效率的提升。本发明专利技术在二氧化碳中加入高临界温度组元工质和低临界温度组元工质，可突破现有二元混合物临界温度调节范围有限的瓶颈，从而可在不更换系统工质的条件下，使工质临界温度随环境温度大幅变化，满足不同冷源温度条件下循环性能提升的需求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质


[0001]本专利技术属于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统
，具体涉及一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质。

技术介绍

[0002]超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统是一种先进的热工转换技术。当热源温度高于500℃时，其循环热效率高于蒸汽朗肯循环，而当热源温度达到700℃时，其循环效率可超过50％。超临界二氧化碳布雷顿循环还具有功率密度大、系统结构紧凑、一次能源适应性强等优势，在化石能源发电、核电、太阳能热发电等领域极具应用前景。
[0003]超临界布雷顿循环的效率优势主要与工质在临界点附近真实气体效应强有关。研究表明，在临界点附近超临界二氧化碳的压缩因子较小，比热和密度较大。压缩因子降低可减小压缩过程耗功；提高密度可减小工质流量，从而减小涡轮机械的尺寸；比热增加可减小放热过程工质温度变化，从而扩大循环温升、提高循环卡诺效率。可见，将压缩过程起始温度和压力控制在工质临界点附近，以充分发挥临界点附近的真实气体效应，是发挥超临界布雷顿循环效率优势的重要保障，这已成为当前学术界和工业界的主流共识。
[0004]能否将压缩机吸气点维持在二氧化碳临界点附近，在很大程度上取决于动力循环的冷源条件。对于聚光太阳能热发电，电站场址年太阳直射辐射总量需要至少达到1600kW
·
h/m2，而满足此要求的地区主要集中于南北纬15
°
～40
°
之间的内陆干旱、半干旱气候区。太阳辐射能与水资源时空分布的不一致，使得适宜发展光热发电的地区缺乏廉价、稳定的冷却水源，已成为制约超临界二氧化碳布雷顿循环与太阳能光热技术集成化发展的瓶颈。因此，发展基于空冷技术的动力循环既是现实需要，也是关系到光热发电技术未来的选择。由于空气传热能力比水差，空冷器需要更大的换热温差来保证超临界二氧化碳的有效冷却，使得压缩机吸气点在高环境温度下严重偏离临界点，导致压缩功耗急速增加、循环效率显著下降。为解决此问题，国内外学者提出通过添加第二组元工质来提升二氧化碳临界温度的技术方案。具体而言，就是将丙烷、丁烷、异丁烷、硫化氢等高临界点工质(以二氧化碳临界点为基准)与二氧化碳按照一定比例混合形成二元混合工质，并使混合工质的临界点与较高的冷源温度相匹配。研究结果表明，该方法可有效解决高冷源温度下超临界动力循环效率快速衰减的问题。申请人通过理论计算发现在众多可选高临界点组元工质中，硫化氢的性能最优，在50℃的环境温度下可使循环效率提升7.4％，上述发现已在国际期刊上发表[1]。
[0005]此外，在冷源温度足够低的情况下，使用二氧化碳混合工质代替纯二氧化碳也有利于超临界布雷顿循环的运行。一方面，当冷源温度非常低时，纯二氧化碳在空冷器内容易发生过度冷却，使压缩机吸气点偏离工质的临界点。另一方面，由于临界点界定了热力循环的冷端温度，根据热力学定理可知，降低工质临界点有利于提升循环的卡诺效率。为此，针对基于液冷的核电系统，一些学者提出将低临界温度(以二氧化碳临济温度为基准)的工质与二氧化碳掺混的方法来降低工质的临界温度。现有研究表明，氦、氖、氩、氪、氙、氮气、氧
气等气体可作为添加物。
[0006]综上，现有研究证明了在二氧化碳中掺混第二组元工质来改变超临界布雷顿循环工质临界点这一方法的可行性。然而，相关论文与专利仅涉及二元混合工质，即在二氧化碳中添加高临界点组元工质或低临界点组元工质形成二元混合物。其局限性在于，受二氧化碳临界温度的限制，添加了高临界点组元工质的二元混合物无法用于冷源温度较低(<5℃)的场合，而添加了低临界点组元工质的二元混合物无法用于冷源温度较高(>25℃)的场合。而在实际应用场景中，冷源温度的变化范围往往跨越了二氧化碳的临界温度，故现有基于二元混合工质的临界点调节方法并不能实现在整个冷源温度范围内提升超临界布雷顿循环效率的目标。
[0007]参考文献：
[0008][1]N Zheng,Z Li,J Fang,J Wei.Supercritical CO2 mixture Brayton cycle with floating critical points for concentrating solar power application:Concept and thermodynamic analysis.Energy Conversion and Management 2023；284:116989.

技术实现思路

[0009]为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的是提供一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0011]一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，包括二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，高临界点组元工质的临界温度高于二氧化碳的临界温度，低临界点组元工质低于二氧化碳的临界温度。
[0012]进一步的，高临界点组元工质为硫化氢。
[0013]进一步的，低临界点组元工质为Kr、Ar、N2或CH4。
[0014]进一步的，按质量百分数计，CO
2 1％～93％，H2S 1％～83％与Kr 1％～71％。
[0015]进一步的，按质量百分数计，包括CO
2 1％～93％，H2S 1％～54％与Kr 1％～71％。
[0016]进一步的，按质量百分数计，包括CO
2 6％～84％，H2S 5％～74％与Ar 1％～47％。
[0017]进一步的，按质量百分数计，包括CO
2 2％～88％，H2S 3％～80％与N
2 1％～34％。
[0018]进一步的，按质量百分数计，包括CO
2 1％～88％，H2S 2％～83％与CH
4 2％～36％。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：
[0020]本专利技术以二氧化碳为基础，添加一种高临界温度组元工质和一种低临界温度组元工质，形成适用于超临界布雷顿循环的三元混合工质，以实现在高冷源温度和低冷源温度条件下循环热效率的提升。本专利技术在二氧化碳中同时加入高临界温度组元工质和低临界温度组元工质，可突破现有二元混合物临界温度调节范围有限的瓶颈，从而可在不更换系统工质的条件下，使工质临界温度随环境温度大幅变化，满足不同冷源温度条件下循环性能提升的需求。使用三元混合物对超临界布雷顿循环效率的提升效果在高冷源温度(>25℃)和低冷源温度(<5℃)条件下尤为显著，且效率的相对提升量随冷源温度与二氧化碳临界点温度之间差异的增大而迅速增加。在常规冷源温度范围内，当三元混合工质循环效率相较
纯二氧化碳循环效率提升有限或不及后者时，可利用三元混合物质量配比可调的特性，通过组分分离与调控技术，使三元混合物转变为二元混合混合物或纯二氧化碳，从而保证在该冷源温度范围内超临界循环效率不衰减。本专利技术尤其适用于冷源温度变化范围大、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，包括二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，高临界点组元工质的临界温度高于二氧化碳的临界温度，低临界点组元工质低于二氧化碳的临界温度。2.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，高临界点组元工质为硫化氢。3.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，低临界点组元工质为Kr、Ar、N2或CH4。4.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，按质量百分数计，CO
2 1％～93％，H2S 1％～83％与Kr 1％～71％。5.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑楠，李子扬，刘黄，魏进家，陈绍鑫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：