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CN108612573A - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统 - Google Patents

一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统 Download PDF

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郭张鹏
吴之望
隋丹婷
张钰浩
陆道纲
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North China Electric Power University
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North China Electric Power University
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Abstract

本发明公开了属于发电技术领域的一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。该系统的主压缩机入口连接冷却器，出口连接低温回热器；再压缩机入口连接低温回热器，出口连接高温回热器；高温回热器与高压透平入口相连，热源入口与高压透平相连接，出口与低压透平连接，低压透平出口与高温回热器连接；所述压缩机和透平采用不同轴的设计，热源布置在高压透平和低压透平之间。可以保证超临界二氧化碳布雷顿循环发电效率在40％以上，同时可以有效降低热源压力25％；使得超临界二氧化碳发电系统能采用多种热源进行高效率发电。

Description

一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统
技术领域
本发明属于发电技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。
背景技术
高温热源出口温度在500-700℃范围。既可以采用普通蒸汽朗肯动力循环(30％)，也可采用高热能效率(45％)的超临界朗肯循环、氦气布雷顿循环、超临界二氧化碳布雷顿循环。采用传统蒸汽朗肯动力循环技术成熟，虽然热能转化效率较低，没有充分利用高温热源特性，但是目前大部分发电厂及动力装置都采用蒸汽动力朗肯循环。部分新建火电厂已经采用超临界机组及超超临界机组，压力在22-31MPa，热能转化效率较高，超临界压力下水变成蒸汽不存在汽水两相区，水直接变成过热蒸汽，启动速度快，就是对设备压力及水品质要求高，超临界水对钢材腐蚀度高，要求100％除盐处理，但是更先进超超临界机组的研发也遇到耐高温(700℃)合金研发的瓶颈，先进的超超临界机组需要36.65MPa压力、运行在700℃以上，但是700℃以上温度的镍基高温合金材料开发难度大，并且700℃锅炉、汽轮机布置困难，投资回报率低。采用氦气朗肯循环，虽然转化效率增高，但对热源温度要求较高900℃，而且设备体积相对较大，但是目前火电运行的超临界机组为超临界二氧化碳的研发奠定了重要的工程实践经验。
目前超临界二氧化碳布雷顿循环系统热源需要耐受20MPa以上的压力，发电效率才能达到40％以上，所以对热源高温高压的要求限制了超临界二氧化碳布雷顿发电系统在多种热源领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，包括主压缩机、再压缩机、高压透平、低压透平、高低温回热器和冷却器；其主压缩机入口连接冷却器，出口连接低温回热器；再压缩机入口连接低温回热器，出口连接高温回热器；高温回热器与高压透平入口相连，热源入口与高压透平相连接，出口与低压透平连接，低压透平出口与高温回热器连接；所述压缩机和透平采用不同轴的设计，热源布置在高压透平和低压透平之间。
所述主压缩机、再压缩机采用低圧缩比的离心式高转速压缩机。
所述透平采用轴流式耐高温高应力、具有高转速的透平。
所述高低温回热器、冷却器采用耐受900℃高温和50MPa高压的紧凑式换热器。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的运行过程是二氧化碳从低压透平做功完成后分别进入高低温回热器，高低温回热器采用耐受高温高压的紧凑式换热器，从低压回热器流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，直接流入再压缩机；另一部分先经过冷却器冷却，再经过主压缩机。主压缩机出口的二氧化碳吸收低温回热器的热量后与再压缩机的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳流入高温回热器，经过高压透平做功，然后吸收热源能量，在低压透平处做功。
本发明的有益效果：本发明提供的新型超临界二氧化碳发电系统可以保证超临界二氧化碳布雷顿循环发电效率在40％以上，同时可以有效降低降低热源压力25％，使得超临界二氧化碳发电系统能采用多种热源进行高效率发电。
附图说明
图1为双涡轮再压缩S-CO2循环的系统流程图。
具体实施方式
本发明提出一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，下面结合附图予以说明。
图1所示双涡轮再压缩S-CO2循环的系统流程图，图中所示布雷顿循环发电系统包括主压缩机、再压缩机、高压透平、低压透平、高低温回热器和冷却器；其中，主压缩机1的入口连接冷却器8，出口连接低温回热器7；再压缩机2入口连接低温回热器7，出口连接高温回热器6；高温回热器6与高压透平3入口相连，热源4入口与高压透平3相连接，出口与低压透平5连接，低压透平5出口与高温回热器6连接；所述主压缩机、再压缩机和高压透平、低压透平采用不同轴的设计，热源布置在高压透平和低压透平之间。
在本发明的系统中，主压缩机、再压缩机采用低圧缩比的离心式高转速压缩机；设置有两个透平，以便减少间接加热回路中中间换热器的压力差或减少直接加热回路中的热源的压力，两个透平均采用轴流式耐高温高应力、具有高转速的透平；高低温回热器、冷却器采用耐受900℃高温和50MPa高压的紧凑式换热器。所述热源安装在高压透平的出口处和低压透平入口连接；二氧化碳在高压透平和低压透平之间获取能量q来源于火电、核电或太阳能。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的运行过程是二氧化碳从低压透平5做功完成后分别进入高温回热器6,低温回热器7，高温回热器6,低温回热器7采用耐受高温高压的紧凑式换热器，从低温回热器7流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，直接流入再压缩机2；另一部分先经过冷却器8冷却，再经过主压缩机1。主压缩机1出口的二氧化碳吸收低温回热器7的热量后与再压缩机2的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳流入高温回热器6，经过高压透平3做功，然后吸收热源能量，在低压透平5处做功。运行过程中，各处温度和压力如下：主压缩机入口温度32.91℃、压力7.7MPa；再压缩机入口温度81.01℃，压力7.7MPa；主压缩机等熵效率89.1％，再压缩机等熵效率90.1％，透平等熵效率92.8％，高低温回热器热效率95％。高压透平入口温度为390.3℃，压力20MPa，低压透平入口温度516℃,压力15MPa，其中低压透平入口为热源温度，高温回热器(HTR)的热负荷增加了13％，换热面积与换热系数的乘积(UA)增加了5％，保持了HTR热效率的95％。参数UA组合传热系数(U)和传热面积(A)用于说明热交换器的尺寸。较大的UA意味着需要更大的热交换器，相应的施工费用更高。

Claims (5)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，包括主压缩机、再压缩机、高压透平、低压透平、高低温回热器和冷却器；其主压缩机入口连接冷却器，出口连接低温回热器；再压缩机入口连接低温回热器，出口连接高温回热器；高温回热器与高压透平入口相连，热源入口与高压透平相连接，出口与低压透平连接，低压透平出口与高温回热器连接；所述压缩机和透平采用不同轴的设计，热源布置在高压透平和低压透平之间。
2.根据权利要求1所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述主压缩机、再压缩机采用低圧缩比的离心式高转速压缩机。
3.根据权利要求1所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述透平采用轴流式耐高温高应力、具有高转速的透平。
4.根据权利要求1所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述高低温回热器、冷却器采用耐受900℃高温和50MPa高压的紧凑式换热器。
5.一种权利要求1所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的运行过程，其特征在于，所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的运行过程是二氧化碳从低压透平做功完成后分别进入高低温回热器，高低温回热器采用耐受高温高压的紧凑式换热器，从低压回热器流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，直接流入再压缩机；另一部分先经过冷却器冷却，再经过主压缩机；主压缩机出口的二氧化碳吸收低温回热器的热量后与再压缩机的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳流入高温回热器，经过高压透平做功，然后吸收热源能量，在低压透平处做功。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20181002

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