一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统及方法与流程

[0001]
本公开涉及能源动力装备、发电系统领域，特别涉及一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统及方法。


背景技术：

[0002]
除油气燃料外，现有各种热源的发电基本采用水蒸汽朗肯循环机组，蒸汽轮机是主要做功装置，由于蒸汽轮机循环压降大、级数多、转子粗重，只能采取中间抽气、调节背压等方式进行负荷调节，在非设计工况下的热效率损失较高，大型发电机组的运行结果表明，当负荷在设计工况的100～60％之间调节时，单位煤耗增加15～20％，负荷进一步降低时，单位煤耗则会呈指数性快速增加。而中小型机组在非设计工况下运行时的热效率下降更为严重。此外，蒸汽朗肯循环主设备体积笨重、热惯性大，也是限制负荷调节能力的重要制约因素。由于设备热惯性大，在调峰过程中要考虑升降温产生的热应力对主设备造成的损害，因此调峰速度和频率不能太高，一般很难适应每日一两次以上的频繁负荷变动。有关研究显示，汽轮机在调峰过程中出现的轴向力变化、热应力疲劳可以大幅降低转子和机匣的寿命，90％以上的故障发生在非设计工况下。
[0003]
基于现有技术中的发电系统存在的缺陷，为满足偏远地区供电需求，需要开发能独立运行的分布式孤立发电系统，这类孤立发电系统往往面临频繁大幅度的负荷变动，对发电系统的调峰能力提出挑战。在新能源领域，也需要发展电网友好型发电系统，适应环境和负荷的频繁变动，提供持续稳定的电能以减少电网冲击。
[0004]
因此，发展适应频繁大幅度负荷变化，响应迅速，且非设计工况下运行效率损失较小的新型发电循环，是根本的解决之策。本公开提出了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统，该系统基于布雷顿循环原理，可根据设置的系统用电负荷大小灵活切换发电循环模式，从而提高了发电系统调峰的灵活性，有效提升了发电系统的发电效率，在增加调峰幅度的同时保证了系统循环发电效率不会大幅度下降。本公开提供的一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统可用于构建偏远地区独立供电系统，或电网友好型新能源发电系统，在化石能源技术革新，核能和太阳能热发电中有广泛用途。


技术实现要素：

[0005]
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统及方法，目的在于使系统能够快速响应频繁大幅度的负荷变动，提高发电系统的负荷调节能力和变工况下的综合发电效率。
[0006]
本公开的一方面提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统，包括：冷却器，用于冷却吸收超临界二氧化碳的热量；主压缩机，用于将经过冷却器后的超临界二氧化碳压强提升至高压；回热器，用于吸收经过主压缩机升压后超临界二氧化碳的回流热量；取热器，用于将经过回热器后的超临界二氧化碳加热至高温；主膨胀机，用于将经过取热器后的超临界二氧化碳进行膨胀做功，并输出电能；副膨胀机，用于将经过主膨胀机后的超临界二
氧化碳再次膨胀做功，并输出电能；其中，经过主膨胀机做功后的超临界二氧化碳或经过副膨胀机再次膨胀做功后的二氧化碳分别经过回热器吸收回流热量；预压缩机，用于将经过回热器后的二氧化碳压强压缩到临界压强及以上；经过回热器或预压缩机处理后的超临界二氧化碳进入冷却器释放余热，并进入下一个发电循环。
[0007]
进一步地，该系统还包括冷源和热源，冷源用于将冷却器中的超临界二氧化碳进行降温处理，热源用于加热取热器中的超临界二氧化碳。进一步地，主压缩机用于将超临界二氧化碳压缩至12mpa及以上，主膨胀机用于将超临界二氧化碳膨胀做功膨胀后的压强高于二氧化碳的临界压强值。
[0008]
进一步地，热源温度为450℃及以上，以使主膨胀机的单位质量流量的净输出功率为62.5kw/kg及以上。
[0009]
进一步地，副膨胀机将超临界二氧化碳再次做功膨胀后的压强降低至其临界压强及以下，并使其为气体状态实现跨临界循环。
[0010]
本公开的另一个方面提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电方法，包括以下步骤：
[0011]
s1，判断该发电系统用电负荷是否达到一负荷阈值；若是，依次循环执行s2～s9；否则，依次循环执行s2～s6及s8；
[0012]
s2，采用冷却器冷却吸收超临界二氧化碳的热量；
[0013]
s3，采用主压缩机将经过冷却器后的超临界二氧化碳压强提升至高压；
[0014]
s4，采用回热器将吸收经过主压缩机升压后超临界二氧化碳的回流热量；
[0015]
s5，采用取热器将经过回热器后的超临界二氧化碳加热至高温；
[0016]
s6，采用主膨胀机将经过取热器后的超临界二氧化碳进行膨胀做功，并输出电能；
[0017]
s7，采用副膨胀机将经过主膨胀机后的超临界二氧化碳再次膨胀做功，并输出电能；
[0018]
s8，经过主膨胀机做功后的超临界二氧化碳或经过副膨胀机再次膨胀做功后的二氧化碳经过回热器吸收回流热量；
[0019]
s9，采用预压缩机将经过回热器后的二氧化碳压强压缩到临界压强及以上；
[0020]
其中，经过回热器或预压缩机处理后的超临界二氧化碳进入冷却器释放余热，并进入下一个发电循环。
[0021]
本公开的实施例提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统及方法。该系统实现了能够快速响应频繁大幅度的负荷变动，提高发电系统的负荷调节能力和变工况下的综合发电效率。该系统通过设置主膨胀机及副膨胀机在一次循环发电过程中可进行两次膨胀做功，在不增加系统结构需求复杂的情况下，进一步地提高了该系统的发电效率，且该系统的热惯性大幅减小，变负荷调节的响应时间可由水蒸汽机组的数小时缩短到1小时以内，明显提高了发电系统的灵活性。
附图说明
[0022]
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0023]
图1示意性示出了根据本公开实施例的超临界二氧化碳扩展型循环发电系统的结构图。
[0024]
图2示意性示出了根据本公开实施例的超临界二氧化碳扩展型循环发电方法的流程图。
[0025]
附图标记说明：
[0026]
101-冷却器，201-取热器，301-回热器，401-主压缩机，402-预压缩机，501-主膨胀机，502-副膨胀机，601-冷源，701-热源。
具体实施方式
[0027]
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0028]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0029]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0030]
如图1所示，本公开的实施例提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统，该系统包括：
[0031]
冷却器101，用于冷却吸收超临界二氧化碳的热量；
[0032]
主压缩机401，用于将经过冷却器101后的超临界二氧化碳压强提升至高压；
[0033]
回热器301，用于吸收经过主压缩机401升压后超临界二氧化碳的回流热量；
[0034]
取热器201，用于将经过回热器301后的超临界二氧化碳加热至高温；
[0035]
主膨胀机501，用于将经过取热器201后的超临界二氧化碳进行膨胀做功，并输出电能；
[0036]
副膨胀机502，用于将经过主膨胀机501后的超临界二氧化碳再次膨胀做功，并输出电能；其中，经过主膨胀机501做功后的超临界二氧化碳或经过副膨胀机502再次膨胀做功后的二氧化碳分别经过回热器301吸收回流热量；
[0037]
预压缩机402，用于将经过回热器301后的二氧化碳压强压缩到临界压强及以上；
[0038]
经过回热器301或预压缩机402处理后的超临界二氧化碳进入冷却器101释放余热，并进入下一个发电循环。
[0039]
在本公开的实施例中，该系统还包括冷源601和热源701，冷源601用于将冷却器101中的超临界二氧化碳进行降温处理，热源701用于加热取热器201中的超临界二氧化碳。其中，通过冷源601将冷却器101中的超临界二氧化碳进行降温处理，为下一步主压缩机401压缩增压处理提供较佳的超临界二氧化碳温度，降低对设备的损耗；通过热源701将取热器201中的超临界二氧化碳进行加热处理，为下一步主膨胀机501膨胀做功提供较佳的做功温度，有效提高发电效率。
[0040]
在本公开的实施例中，主压缩机401用于将超临界二氧化碳压缩至12mpa及以上，
主膨胀机501用于将超临界二氧化碳膨胀做功膨胀后的压强高于二氧化碳的临界压强值，主压缩机401输出的超临界二氧化碳的压强与主膨胀机501输出的超临界二氧化碳的压强比为在额定工况下一般可以达到1.5～3。可知，超临界二氧化碳经过主膨胀机501做功后的二氧化碳压强依旧保持在其临界压强及以上，且通过调节回热器301和冷却器101的工作状态，可使得主压缩机401和主膨胀机501的工作状态基本保持不变，从而最大限度地减少了热效率损失。
[0041]
在本公开的实施例中，热源701温度为450℃及以上，以使主膨胀机501的单位质量流量的净输出功率为62.5kw/kg及以上。通过将热源701的温度设置在450℃及以上，从而有效利用了超临界二氧化碳的回流温度，进一步提高了该系统的循环发电效率。
[0042]
在本公开的实施例中，副膨胀机502将超临界二氧化碳再次做功膨胀后的压强降低至其临界压强及以下，并使其为气体状态实现跨临界循环。其中，副膨胀502进一步膨胀做功后的单位质量流量的净输出功率增加60％及以上。
[0043]
在本公开的实施例中，预压缩机402将二氧化碳气体的压强重新增压至临界二氧化碳压强及以上，经过预压缩机402处理后的临界二氧化碳压强约为7.5mpa～8mpa，其高于二氧化碳的临界压强值，为下一个发电循环提供所需的临界二氧化碳压强，保证每次发电循环进入冷却器101的临界二氧化碳压强大小一致。
[0044]
在本公开的实施例中，为了使冷却器101和回热器301始终保持高效的正常工作状态，减少调节难度，在超临界二氧化碳流出副膨胀机502进入回热器301之前可以敷设一辅助回热器，也可在超临界二氧化碳流出预压缩机402进入冷却器101之前敷设一个辅助间冷器，以便于调节。
[0045]
如图1和图2所示，本公开的另一实施例提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电方法，该方法包括：
[0046]
s1，判断该发电系统用电负荷是否达到一负荷阈值；若是，依次循环执行s2～s9；否则，依次循环执行；否则，循环执行s2～s6及s8；
[0047]
s2，采用冷却器101冷却吸收超临界二氧化碳的热量；
[0048]
s3，采用主压缩机401将经过冷却器101后的超临界二氧化碳压强提升至高压；
[0049]
s4，采用回热器301将吸收经过主压缩机401升压后超临界二氧化碳的回流热量；
[0050]
s5，采用取热器201将经过回热器301后的超临界二氧化碳加热至高温；
[0051]
s6，采用主膨胀机501将经过取热器201后的超临界二氧化碳进行膨胀做功，并输出电能；
[0052]
s7，采用副膨胀机502将经过主膨胀机501后的超临界二氧化碳再次膨胀做功，并输出电能；
[0053]
s8，经过主膨胀机501做功后的超临界二氧化碳或经过副膨胀机502再次膨胀做功后的二氧化碳经过回热器301吸收回流热量；
[0054]
s9，采用预压缩机402将经过回热器301后的二氧化碳压强压缩到临界压强及以上；
[0055]
其中，经过回热器301或预压缩机402处理后的超临界二氧化碳进入冷却器101释放余热，并进入下一个发电循环。
[0056]
本公开的实施例中，该方法还包括：冷源601和热源701，冷源601用于将冷却器101
中的超临界二氧化碳进行降温处理，热源701用于加热取热器201中的超临界二氧化碳。其中，通过冷源601将冷却器101中的超临界二氧化碳进行降温处理，为下一步主压缩机401压缩增压处理提供较佳的超临界二氧化碳温度，降低对设备的损耗；通过热源701将取热器201中的超临界二氧化碳进行加热处理，为下一步主膨胀机501膨胀做功提供较佳的做功温度，有效提高发电效率。
[0057]
本公开的实施例中，该系统循环发电执行s2～s6及s8步骤时，其为基础循环发电方式，该发电方式的循环路径为1
→2→3→4→5→6→
1，超临界二氧化碳依次经过主压缩机401提升至高压，在回热器301吸收回流热量，然后进入取热器201达到高温，再进入主膨胀机501膨胀做功并输出电能，经过主膨胀机501膨胀后的超临界二氧化碳压强为高于其临界压强，最后依次经过回热器301和冷却器101释放余热，再进入下一个循环。基本循环是典型的带回热布雷顿循环，主压缩机401输出的超临界二氧化碳的压强与主膨胀机501输出的超临界二氧化碳的压强比为1.5～3。此外，在450℃及以上的热源701下，主膨胀机501的单位质量流量的净输出功率为62.5kw/kg及以上，该系统的热效率为40％。
[0058]
本公开的实施例中，该系统循环发电执行s2～s9步骤时，其为扩展循环发电方式，该发电方式的循环路径为1
→2→3→4→5→
5p
→
6p
→6→
1，超临界二氧化碳经过主膨胀机501膨胀做功后，在状态5处经过三通阀切换，进入副膨胀机502进一步膨胀做功，额外输出电能，额外膨胀后的二氧化碳进入状态5p，该状态下的二氧化碳压强为低于其临界压强及以下，然后其进入回热器301释放热量，经过回热器301处理后的二氧化碳的状态为6p，其再经过预压缩机402重新压缩至状态6的压强高于其临界压强，最后再进入冷却器101释热，并进行下一个循环。在扩展循环中，副膨胀机502进一步膨胀做功后的单位质量流量的净输出功率增加60％及以上，并通过调节回热器301和冷却器101的工作状态，使主压缩机401和主膨胀机501的工作状态基本保持不变，从而最大限度地减少了热效率损失。该系统在扩展循环发电方式下系统做功总功率明显增加，但是发电系统随着发电功率的增加，其做功热效率会偏低。通过理论分析显示，在扩展循环下该系统的热效率比基本循环下的热效率减小幅度小于5％。
[0059]
本领域技术人员可以理解，图1中示出的循环发电系统的实施例并不构成对该系统具体构成的限定，在其他实施例中，循环发电系统可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。例如，在一些实施例中，为了使冷却器101和回热器301始终保持高效的正常工作状态，减少调节难度，在超临界二氧化碳流出副膨胀机502进入回热器301之前可以敷设一辅助回热器，也可在超临界二氧化碳流出预压缩机402进入冷却器101之前敷设一辅助间冷器，以便于调节。
[0060]
本公开的一些实施例提供了一种超临界二氧化碳扩展型循环发电系统及方法，该系统实现了能够快速响应频繁大幅度的负荷变动，提高发电系统的负荷调节能力和变工况下的综合发电效率。该系统通过设置主膨胀机及副膨胀机在一次循环发电过程中可进行两次膨胀做功，在不增加系统结构需求复杂的情况下，进一步地提高了该系统的发电效率，且该系统的热惯性大幅减小，变负荷调节的响应时间可由水蒸汽机组的数小时缩短到1小时以内，明显提高了发电系统的灵活性，有效提升了发电系统的发电效率，在增加调峰幅度的同时保证了系统循环发电效率不会大幅度下降。
[0061]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可
以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0062]
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。