一种功热互补型超临界CO2动力循环发电系统

本发明属于高效动力循环发电技术领域，特别涉及一种功热互补型超临界co2动力循环发电系统。

背景技术：

超临界co2动力循环具有高效、紧凑、灵活、经济等多种优势，是极具发展前景的新型动力循环。但是，超临界co2循环高、低压侧工质比热容差异大，导致回热过程不可逆损失大。现行解决方案主要采用分流回热的方法改善换热的匹配性，再压缩循环为该方案的代表性构型。但是再压缩过程受循环高、低压的限制，压差大、能耗高，压缩起始位置的选择对压缩排温影响明显，进而引起汇流不可逆损失大。超临界co2动力循环与其它低温循环构建的复合循环，通过余热梯级利用的方案，可提高系统整体效率。新型超临界co2热力循环仍待完善和发展，以进一步提升循环的热力性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种功热互补型超临界co2动力循环发电系统，利用热泵向超临界co2循环低温回热区补热，解决动力循环内部回热匹配性差的问题，有效提高循环整体热效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案。

一种功热互补型超临界co2动力循环发电系统，包动力循环子系统和热泵子系统；所述动力循环子系统与热泵子系统为各自封闭的独立循环系统，通过间壁式换热器耦合实现热量交换。

所述动力循环子系统包括：压缩机、预热器、低温回热器、高温回热器、加热器、透平膨胀机、发电机、预冷器、冷却器，所述压缩机出口分为两路，一路与预冷器入口相连，一路与低温回热器低温侧入口相连，预冷器出口与低温回热器低温侧出口汇流、随后与高温回热器的低温侧入口相连，高温回热器的低温侧出口与加热器入口相连，加热器出口与透平膨胀机入口相连，透平膨胀机出口与高温回热器的高温侧入口相连，高温回热器高温侧出口与低温回热器的高温侧入口相连，低温回热器的高温侧出口与预冷器入口相连，预冷器出口与冷却器入口相连，冷却器出口与压缩机入口相连；所述热泵子系统包括：热泵压缩机、热泵冷凝器、节流阀、热泵蒸发器；所述热泵压缩机出口与热泵冷凝器入口相连，热泵冷凝器出口与节流阀入口相连，节流阀出口与热泵蒸发器入口相连，热泵蒸发器出口与热泵压缩机入口相连；其中：预热器与热泵冷凝器为同一部件，预冷器与热泵蒸发器为同一部件。

所述热泵子系统采用非共沸混合工质，热泵的蒸发及冷凝过程存在温度滑移、与动力循环实现换热匹配。

所述动力循环子系统的热能来自于核能、太阳能等高温热源。

一种基于上述任一权利要求所述基于热泵补热的正逆耦合循环方法，其特征在于，包括超临界co2动力循环（正循环）和热泵循环（逆循环）：

1）热泵循环：节流后的低温低压工质流入热泵蒸发器由超临界co2动力循环的低温低压乏汽吸热、实现热量回收，吸热后的气相工质随后由热泵压缩机增压至高温高压状态、实现热能升温提质，然后工质流入热泵冷凝器向动力循环中的低温高压工质补热，放热后的工质经节流阀节流后再次变为低温低压状态，完成一个热泵循环过程；

2）超临界co2动力循环：从压缩机流出的超临界co2工质经过分流，一部分流入低温回热器、由内部回热升温，另一部分流入预热器吸收热泵循环的冷凝热升温，随后两路工质汇流后流入高温回热器、经内部回热继续升温，之后工质流入加热器由外部高温热源加热升温，高温高压工质进入透平膨胀机膨胀做功、变为高温低压状态，之后依次流入高温回热器、低温回热器通过内部回热降温，随后流入预冷器向热泵循环放热、实现热量再回收，之后进入冷却器冷却降温，最后经压缩机升压完成一个循环过程。

所述热泵循环通过热泵蒸发器由动力循环子系统的低温低压乏汽吸热，热泵子系统通过热泵冷凝器向动力循环子系统的低温高压工质补热。

附图说明

图1为本发明中地热能提取装置的结构示意图；

图中所示：

1、动力循环子系统，2、热泵子系统，11、压缩机，12、预热器，13、低温回热器，14、高温回热器，15、加热器，16、透平膨胀机，17、发电机，18、预冷器，19、冷却器，21、热泵压缩机，22、热泵冷凝器，23、节流阀，24、热泵蒸发器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。显然，所述实施方式仅为本发明的较佳实施方法之一，本发明不限于所公开的具体实施方法，凡是依据本发明的技术实质对一下实施例所作出的简单修改、变化，均属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种功热互补型超临界co2动力循环发电系统，包括动力循环子系统1和热泵子系统2，所述动力循环子系统与热泵子系统为各自封闭的独立循环系统，通过间壁式换热器耦合实现热量交换。

所述动力循环子系统以超临界co2为工质，实现如下闭式循环：低压工质由压缩机11压缩至超临界高压状态，随后经过分离，一路工质流经低温回热器13从中温乏汽吸热，另一路工质流经预热器12吸收热泵的冷凝热，随后两路工质汇流后流入高温回热器14从高温乏汽吸热，接下来工质流入加热器15从外部高温热源吸热，吸热后的高温、高压工质流入透平膨胀机16做功，透平膨胀机16带动发电机17发电，做功后的工质流入高温回热器14向逆流工质放热，然后流入低温回热器13向逆流工质放热，再流入预冷器18向热泵蒸发过程放热，随后进入冷却器19向冷源放热，最后被冷却的低压工质流入压缩机11，完成一个循环过程。

所述热泵子系统以非共沸混合物为工质，实现如下闭式循环：低温低压蒸汽被热泵压缩机21压缩至高温、高压，然后进入热泵冷凝器22向动力循环工质放热，凝结为高压过冷液相后流入节流阀23，经过节流变温低温、低压气液两相进入热泵蒸发器24从动力循环低温乏汽吸热，蒸发为气相之后进入压缩机21，完成一个循环过程。

所述的压缩机11与透平膨胀机16可以为同轴连接，所述热泵压缩机21可由透平膨胀机16直接驱动。

进一步地，所述的节流阀23可由膨胀机械代替，在实现节流的同时回收部分膨胀功。

所述热泵子系统选用的非共沸混合工质具有一定的温度滑移，可与动力循环实现良好的换热匹配，所选工质可从hfo、hc、hfc类兼具热工性能和环保性能的有机物中筛选两种、混合，工质组元配比由运行工况优化确定；热泵的工作温区和循环温升由动力循环工况而定，应向动力循环高、低压侧工质热容差异最大区间补热，由典型循环工况确定：热泵工质放热温度区间主要为200-80°c，优选地，放热温度为150-100°c；吸热温度区间主要为80-100°c。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

本发明针对超临界co2动力循环因高、低压物性差异大造成内部回热不可逆损失大的问题，提出功热互补循环形式：在超临界co2动力循环低温回热区耦合一个压缩式热泵循环，热泵循环的蒸发过程自动力循环的低温乏汽取热、冷凝过程向高压侧超临界co2放热，通过热泵补热改善低温回热区的换热匹配特性，从而有效提高循环的热效率。本发明具有较高的经济效益和应用价值，对能源高效利用有重要的意义。