[發明專利]用于余熱回收的超臨界CO2與有機朗肯聯合循環發電系統

有效

• 申請號: 201610654072.7
• 申請日: 2016-08-10
• 公開（公告）號: CN106089337B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 高煒;李紅智;姚明宇;陳渝楠;楊玉;張立欣
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司;華能集團技術創新中心
• 主分類號: F01K7/32
• 分類號: F01K7/32;F01K17/04;F01K25/08;F25B9/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 安彥彥

技術領域

本發明涉及一種發電系統，具體涉及一種用于余熱回收的超臨界CO₂與有機朗肯聯合循環發電系統。

背景技術

余熱熱源普遍存在于當今工業及其它領域當中，在能源匱乏及環境危機的大背景下，提高能源利用率，降低燃料消耗量日益受到人們的重視，余熱利用就是提高能源利用效率的重要手段。余熱利用已有多年歷史，并且也有很多成熟的經驗和設備。目前國內的余熱利用主要采用傳統的蒸氣鍋爐和汽機，熱源主要是針對鋼鐵、水泥、燃氣輪機尾氣等高溫熱源，熱源溫度多在400℃到580℃之間。在新型余熱回收系統中國外多采用ORC技術，目前國內雖未普遍應用但也在推廣之中。ORC系統被公認為是一種對于低溫熱源熱效率較高的熱力循環形式，它采用具有大分子量、低沸點的有機工質代替水作為循環介質，具有設備緊湊的特點。雖然對于中低溫熱源ORC的熱效率高于普通水蒸氣朗肯循環效率，但其適用溫度多為300℃以下，對于高于400℃的中高溫熱源，多數有機工質都存在熱分解問題。因此對于高于400℃的余熱熱源若完全直接用ORC回收余熱發電將比較困難，需要尋找更加合適的熱力循環和工質以改進余熱回收的綜合性能。

目前在眾多熱力循環當中，超臨界布雷頓循環是一種最有優勢的循環形式。新型超臨界工質(二氧化碳、氦氣和氧化二氮等)具有能量密度大，傳熱效率高，系統簡單等先天優勢，可以大幅提高熱功轉換效率，減小設備體積，具有很高的經濟性。并且二氧化碳等工質在目前余熱回收領域的溫度范圍內熱物性十分穩定， 不存在熱分解問題，完全可以用于高溫部分熱量回收。但根據目前國際上已有的關于超臨界二氧化碳布雷頓循環直接用于余熱回收的研究來看，其存在著回熱器吸熱側出口溫度太高的問題，這將嚴重影響二氧化碳工質對于余熱熱源熱量的吸收量，進而影響發電量。盡管韓國、EPRI等國家和研究機構針對此問題改進了二氧化碳循環布局，但改進后的循環非常復雜，難以控制，同時其性能將在很大程度上依賴于壓縮機中間冷卻技術及其效果，倘若冷卻效果稍有偏差，都對整個系統的性能有很大的影響。因此完全依靠超臨界二氧化碳布雷頓循環回收余熱發電也存在著固有的缺陷。

若可以將超臨界二氧化碳布雷頓循環和ORC結合，則可以更好的適應中溫到高溫段余熱熱源的熱量回收利用，提高熱效率，使設備緊湊并且控制靈活。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種優于目前余熱回收常用的水蒸氣動力循環系統的用于余熱回收的超臨界CO₂與有機朗肯聯合循環發電系統，該系統通過超臨界二氧化碳布雷頓循環與有機朗肯循環的結合，可以有效的增加余熱熱源的熱源利用率，并且使發電系統更加緊湊，靈活控制。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：

用于余熱回收的超臨界CO₂與有機朗肯聯合循環發電系統，包括高溫余熱換熱器、第一低溫余熱換熱器、第二低溫余熱換熱器、有機朗肯循環系統以及超臨界二氧化碳布雷頓循環系統；

高溫余熱換熱器熱源側出口分別與第一低溫余熱換熱器和第二低溫余熱換熱器熱源側入口相連通；

高溫余熱換熱器二氧化碳側的出口與超臨界二氧化碳布雷頓循環系統入口 相連通，超臨界二氧化碳布雷頓循環系統出口分為兩路，一路與第一低溫余熱換熱器的工質側入口相連通，另一路與高溫余熱換熱器二氧化碳側的入口相連通；

第二低溫余熱換熱器的有機工質側出口與有機朗肯循環系統入口相連，有機朗肯循環系統出口與第二低溫余熱換熱器的有機工質側入口連通。

本發明進一步的改進在于，所述第一低溫余熱換熱器和第二低溫余熱換熱器并聯。

本發明進一步的改進在于，所述超臨界二氧化碳布雷頓循環系統包括二氧化碳透平、回熱器、預冷器以及壓縮機；

二氧化碳透平的透平入口與高溫余熱換熱器二氧化碳側的出口相連通，二氧化碳透平的出口與回熱器的放熱側入口相連通，回熱器的放熱側出口與預冷器的工質側入口相連通，預冷器的工質側出口與壓縮機的入口相連通，壓縮機的出口分為兩路，一路與回熱器的吸熱側入口相連通，回熱器的吸熱側出口與高溫余熱換熱器二氧化碳側的入口相連通；另一路與第一低溫余熱換熱器的工質側入口相連通，第一低溫余熱換熱器工質側出口也與高溫余熱換熱器二氧化碳側的入口相連通。