[發明專利]基于LNG冷卻的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統及方法

在審

• 申請號: 202110585715.8
• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113187621A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 張旭偉;李凱倫;張純;吳家榮;張一帆;高煒;姚明宇
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F02G5/04
• 分類號: F02G5/04;F01K23/06;F01K25/10;F01K7/22;F01K7/00;F01K9/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種基于LNG冷卻的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統及方法，該系統包括低壓泵、低溫換熱器、低壓透平、冷凝器、高壓泵、回熱器、高溫煙氣換熱器、高壓透平和內燃機；本發明采用跨臨界CO2循環可以提高系統發電效率、簡化系統結構、提高系統緊湊程度和降低發電成本；LNG作為跨臨界CO2循環冷卻劑，可以大幅降低循環冷端溫度，進而跨臨界CO2循環可以完全回收內燃機排煙余熱和缸套冷卻水低溫余熱，同時回收LNG攜帶的大量冷量，大幅提高能量利用效率。本發明實現能量分質梯級利用。

技術領域

本發明涉及余熱發電技術領域，特別涉及一種基于LNG冷卻的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統及方法。

背景技術

目前，內燃機能量利用效率只有30％～45％，大部分能量沒有被有效利用，而是隨著高溫排煙和冷卻水排放到環境中，造成大量能源損失。所以，有效回收內燃機余熱對提高我國能源綜合利用水平、減少污染物排放具有重要意義。

CO2熱穩定性好，無毒、不易燃、不易爆，儲量豐富，臨界參數低(臨界溫度31.1℃和臨界壓力7.38MPa)，是一種優良的做功介質。采用CO2工質的跨臨界CO2循環吸熱過程不發生相變，與內燃機排煙放熱過程匹配性較好，可以有效回收排煙余熱，提高內燃機能源利用效率。除此之外，采用內燃機(柴油機)推進的LNG船運輸的液化天然氣(LNG)溫度約為-161℃，攜帶大量高品質冷量，是一種優良的冷卻介質，可以作為跨臨界CO2循環的冷源，回收LNG冷量，進一步提高能量利用效率。但是，現有的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統效率相對偏低，有待進一步完善。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于LNG冷卻的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統及方法，可以有效回收內燃機排煙余熱及LNG冷量，大幅提高能量利用效率。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于LNG冷卻的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統，包括低壓泵1、低溫換熱器2、低壓透平3、冷凝器4、高壓泵5、回熱器6、高溫煙氣換熱器7、高壓透平8和內燃機9；

所述的低壓泵1出口分兩路，一路依次連通低溫換熱器2CO2側、低壓透平3和冷凝器4CO2側，另一路依次連通高壓泵5、回熱器6冷側、高溫煙氣換熱器7CO2側、高壓透平8、回熱器6熱側和低壓透平3進口，內燃機9排煙口與高溫煙氣換熱器7煙氣側進口相連通，內燃機9缸套冷卻水出口與低溫換熱器2水側進口相連通，低溫換熱器2水側出口與內燃機9缸套冷卻水進口相連通；所述冷凝器4的冷側采用LNG作為冷卻劑用于冷凝CO2工質。

所述高壓透平8和低壓透平3構成兩級膨脹做功系統。

所述低壓泵1和高壓泵5構成工質兩級壓縮系統。

所述高溫煙氣換熱器7和低溫換熱器2構成內燃機9余熱回收系統，所述高溫煙氣換熱器7用于回收內燃機9排煙余熱，所述低溫換熱器2回收內燃機9缸套冷卻水余熱。

所述高溫煙氣換熱器7煙氣側出口的煙氣溫度為100℃～150℃，避免煙溫過低對換熱器造成酸性腐蝕。

所述冷凝器4采用LNG作為冷卻劑用于冷凝工質。

一種基于LNG冷卻的跨臨界CO2循環內燃機余熱發電系統的運行方法，CO2工質先經低壓泵1升壓后，成為低壓工質，然后分成兩股，一股進入低溫換熱器2回收內燃機9缸套冷卻水攜帶的余熱，另一股工質經高壓泵5再次升壓后，成為高壓工質，經回熱器6吸收后，進入高溫煙氣換熱器7回收內燃機9排煙余熱，工質升溫后進入高壓透平8膨脹做功，排氣溫度較高，進入回熱器6回熱冷側低溫工質，然后與低溫換熱器2出口的工質混合，混合后的工質進入低壓透平3膨脹做功，排氣進入冷凝器4冷凝成液態后，進入低壓泵1再次升壓，完成閉式循環。

本發明的有益效果：