[發明專利]一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統及方法

在審

• 申請號: 202011257602.7
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112267919A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 姜玉雁;郭朝紅;胡和敏;郭永獻;梁世強;岳鵬;曾秒
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01K7/32
• 分類號: F01K7/32;F01K11/02;F01K13/02;F01K25/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

本公開提供了一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統，包括：冷卻器、主壓縮機、回熱器、取熱器、主膨脹機、副膨脹機、預壓縮機、冷源、熱源。該系統基于布雷頓循環原理，可根據系統設置的用電負荷大小靈活切換發電循環模式，從而提高了發電系統調峰的靈活性，有效提升了循環發電系統的發電效率，在增加調峰幅度的同時保證了該系統循環發電效率不會大幅度下降。本公開還提供了一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電方法。

技術領域

本公開涉及能源動力裝備、發電系統領域，特別涉及一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統及方法。

背景技術

除油氣燃料外，現有各種熱源的發電基本采用水蒸汽朗肯循環機組，蒸汽輪機是主要做功裝置，由于蒸汽輪機循環壓降大、級數多、轉子粗重，只能采取中間抽氣、調節背壓等方式進行負荷調節，在非設計工況下的熱效率損失較高，大型發電機組的運行結果表明，當負荷在設計工況的100～60％之間調節時，單位煤耗增加15～20％，負荷進一步降低時，單位煤耗則會呈指數性快速增加。而中小型機組在非設計工況下運行時的熱效率下降更為嚴重。此外，蒸汽朗肯循環主設備體積笨重、熱慣性大，也是限制負荷調節能力的重要制約因素。由于設備熱慣性大，在調峰過程中要考慮升降溫產生的熱應力對主設備造成的損害，因此調峰速度和頻率不能太高，一般很難適應每日一兩次以上的頻繁負荷變動。有關研究顯示，汽輪機在調峰過程中出現的軸向力變化、熱應力疲勞可以大幅降低轉子和機匣的壽命，90％以上的故障發生在非設計工況下。

基于現有技術中的發電系統存在的缺陷，為滿足偏遠地區供電需求，需要開發能獨立運行的分布式孤立發電系統，這類孤立發電系統往往面臨頻繁大幅度的負荷變動，對發電系統的調峰能力提出挑戰。在新能源領域，也需要發展電網友好型發電系統，適應環境和負荷的頻繁變動，提供持續穩定的電能以減少電網沖擊。

因此，發展適應頻繁大幅度負荷變化，響應迅速，且非設計工況下運行效率損失較小的新型發電循環，是根本的解決之策。本公開提出了一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統，該系統基于布雷頓循環原理，可根據設置的系統用電負荷大小靈活切換發電循環模式，從而提高了發電系統調峰的靈活性，有效提升了發電系統的發電效率，在增加調峰幅度的同時保證了系統循環發電效率不會大幅度下降。本公開提供的一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統可用于構建偏遠地區獨立供電系統，或電網友好型新能源發電系統，在化石能源技術革新，核能和太陽能熱發電中有廣泛用途。

發明內容

為了解決現有技術中上述問題，本公開提供了一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統及方法，目的在于使系統能夠快速響應頻繁大幅度的負荷變動，提高發電系統的負荷調節能力和變工況下的綜合發電效率。

本公開的一方面提供了一種超臨界二氧化碳擴展型循環發電系統，包括：冷卻器，用于冷卻吸收超臨界二氧化碳的熱量；主壓縮機，用于將經過冷卻器后的超臨界二氧化碳壓強提升至高壓；回熱器，用于吸收經過主壓縮機升壓后超臨界二氧化碳的回流熱量；取熱器，用于將經過回熱器后的超臨界二氧化碳加熱至高溫；主膨脹機，用于將經過取熱器后的超臨界二氧化碳進行膨脹做功，并輸出電能；副膨脹機，用于將經過主膨脹機后的超臨界二氧化碳再次膨脹做功，并輸出電能；其中，經過主膨脹機做功后的超臨界二氧化碳或經過副膨脹機再次膨脹做功后的二氧化碳分別經過回熱器吸收回流熱量；預壓縮機，用于將經過回熱器后的二氧化碳壓強壓縮到臨界壓強及以上；經過回熱器或預壓縮機處理后的超臨界二氧化碳進入冷卻器釋放余熱，并進入下一個發電循環。

進一步地，該系統還包括冷源和熱源，冷源用于將冷卻器中的超臨界二氧化碳進行降溫處理，熱源用于加熱取熱器中的超臨界二氧化碳。進一步地，主壓縮機用于將超臨界二氧化碳壓縮至12MPa及以上，主膨脹機用于將超臨界二氧化碳膨脹做功膨脹后的壓強高于二氧化碳的臨界壓強值。

進一步地，熱源溫度為450℃及以上，以使主膨脹機的單位質量流量的凈輸出功率為62.5kW/kg及以上。