一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统及方法

1.本发明涉及节能技术，具体涉及一种二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环结合的联产系统及方法。


背景技术：

2.目前，主力发电机组主要采用的是以水蒸气为工质的朗肯循环发电系统，但该系统有一些难以克服的缺点。以火力发电机组为例，尽管水蒸气经过了复杂的回热系统的预热，但工质进入锅炉的温度还是比较低，工质和热源间的温差很大，造成了不可忽视的换热损失，这是由物性决定的、难以改变的。提高水蒸气朗肯循环效率的主要途径是提高主蒸汽的参数。欧盟、日本和美国在20世纪90年代末期相继开始探索先进超超临界水蒸气朗肯循环发电技术，以期将主蒸汽参数提高到700℃／35mpa或更高，供电热效率提高到接近50%，热耗和co2排放降低10%~15%。然而到目前为止，世界上还没有一个成功运行的超超临界电站项目，主要原因是受制于材料工业的发展，始终没有找到廉价的、能够耐受700度高温的材料。尽管航空发动机和燃气轮机上早已使用了千度等级的合金材料，但是造价过于昂贵，大功率发电机组难以承受其成本。此外，高参数的运行条件对管道等连接设备的制造加工等方面也提出了更高的要求。与此同时，以二氧化碳为工质的布雷顿循环因其效率高、结构紧凑等优点日益成为研究重点。经研究计算表明，在同参数情况下，二氧化碳布雷顿循环比水蒸气朗肯循环效率更高。更重要的是，二氧化碳密度高，使得设备体积大大缩小，有希望大幅度降低制造成本。但因为二氧化碳的临界温度较低（31℃左右），在常温下难以冷凝，只能保持在超临界状态，限制了效率的进一步提高。
3.从供热方面看，小锅炉供热已经基本被大锅炉集中供热所取代。然而，从热力学第二定律的角度看，用高品位的化学能直接生产低品位的热能，仍然存在着能源的巨大浪费。近年来，热泵循环作为一种高效节能的供暖方式，日益引起人们的关注。热泵循环通过利用低品位热能，使得综合能量利用效率可以达到300%以上，具有巨大的节能潜力。
4.综合考量二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环，本发明涉及一种二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环相结合的联产系统，其中二氧化碳动力循环的冷却器和热泵（制冷）循环的蒸发器相耦合，以实现发电、供热乃至制冷的目的。本发明通过两种循环的有机耦合，充分发挥两种系统的优势，将能量利用效率提高到80%以上，具有显著的经济效益、社会效益和工程应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统及方法，通过两种循环的有机耦合，充分发挥两种系统的优势，将能量利用效率提高到80%以上。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统，包括：
热源、co2透平、co2回热器、co2预冷器、co2冷凝器、co2增压泵、发电机、热泵压缩机、加热器、冷却器、节流阀、第一三通及第二三通；所述发电机连接co2透平，co2透平连接co2回热器，co2回热器连接co2预冷器，co2预冷器连接co2冷凝器，co2冷凝器连接co2增压泵，co2增压泵连接co2回热器；所述co2冷凝器通过第二三通连接热泵压缩机，热泵压缩机连接加热器，加热器连接冷却器，冷却器连接节流阀，节流阀通过第一三通分别连接co2冷凝器和co2预冷器；所述co2预冷器通过第二三通连接热泵压缩机。
7.根据本发明的又一个方面，提供了一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统方法，包括：co2循环回路方法：来自co2增压泵的高压co2依次在co2回热器和热源中吸热升温到设计参数，然后进入co2透平膨胀做功，其输出功用于驱动发电机发电；co2透平乏气依次经过回热器、冷却器、冷凝器冷凝，并通过co2增压泵增压，完成一个循环；其中，夏季工况下，循环冷却水进入预冷器、制冷工质进入冷凝器；冬季工况下，制冷工质进入预冷器、循环冷却水进入冷凝器；热泵循环回路方法：夏季工况下，热泵工质在冷凝器中蒸发；冬季工况下，热泵工质在预冷器中蒸发；然后经热泵压缩机压缩为高温高压流体，在加热器中和外界循环水回路换热，然后在冷却器中被冷却水冷却，流经节流阀，变成气液两相流体，经第一三通的控制进入对应的蒸发器蒸发，在通过第二三通进入压缩机，完成循环；冷却水可以是循环冷却水，也可以是符合条件的河水或海水；冷源回路方法：夏季工况下的动力子系统中的预冷器、冬季工况下动力子系统的冷凝器和热泵子系统中的冷却器，都是利用外界循环冷却介质实现对外散热的功能，采用水冷；在水资源贫乏的地区，也可以采用空冷；供热回路方法：热泵工质通过加热器实现对供热循环水的加热，然后供热循环水通过供热管网向用户供热；其中供热循环介质一般是水，但也可以根据实际需要采用其他介质。
8.本发明的优点：本发明的一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统及方法，利用同一个或同一组换热器同时充当动力子系统的冷却器和热泵子系统的蒸发器，巧妙地实现了两个子系统的有机耦合，一方面提高了动力子系统的发电效率，另一方面减少了热排放，满足了用户的冷、热负荷。
9.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
10.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
11.图1是本发明的二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统第一实施例的结构示意图；图2是本发明的二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统第二实施例的结构
示意图；图3是本发明的二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统第三实施例的结构示意图；图4是本发明的二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统第四实施例的结构示意图。
12.附图标记：1为热源；2为co2透平；3为co2回热器；4为co2预冷器；5为co2冷凝器；6为co2增压泵；7.为发电机； b1为热泵压缩机；b2为加热器；b3为冷却器；b4为节流阀；b5为第一三通；b6为第二三通；b7为制冷器。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统，包括：热源、co2透平、co2回热器、co2预冷器、co2冷凝器、co2增压泵、发电机、热泵压缩机、加热器、冷却器、节流阀、第一三通及第二三通；所述发电机（7）连接co2透平（2），co2透平（2）连接co2回热器（3），co2回热器（3）连接co2预冷器（4），co2预冷器（4）连接co2冷凝器（5），co2冷凝器（5）连接co2增压泵（6），co2增压泵（6）连接co2回热器（3）；所述co2冷凝器（5）通过第二三通（b6）连接热泵压缩机（b1），热泵压缩机（b1）连接加热器（b2），加热器（b2）连接冷却器（b3），冷却器（b3）连接节流阀（b4），节流阀（b4）通过第一三通（b5）分别连接co2冷凝器（5）和co2预冷器（4）；所述co2预冷器（4）通过第二三通（b6）连接热泵压缩机（b1）。
15.一种二氧化碳动力循环和热泵循环结合的联产系统方法，包括：co2循环回路方法：来自co2增压泵的高压co2依次在co2回热器和热源中吸热升温到设计参数，然后进入co2透平膨胀做功，其输出功用于驱动发电机发电；co2透平乏气依次经过回热器、冷却器、冷凝器冷凝，并通过co2增压泵增压，完成一个循环；其中，夏季工况下，循环冷却水进入预冷器、制冷工质进入冷凝器；冬季工况下，制冷工质进入预冷器、循环冷却水进入冷凝器；热泵循环回路方法：夏季工况下，热泵工质在冷凝器中蒸发；冬季工况下，热泵工质在预冷器中蒸发；然后经热泵压缩机压缩为高温高压流体，在加热器中和外界循环水回路换热，然后在冷却器中被冷却水冷却，流经节流阀，变成气液两相流体，经第一三通的控制进入对应的蒸发器蒸发，在通过第二三通进入压缩机，完成循环；冷却水可以是循环冷却水，也可以是符合条件的河水或海水；冷源回路方法：夏季工况下的动力子系统中的预冷器、冬季工况下动力子系统的冷凝器和热泵子系统中的冷却器，都是利用外界循环冷却介质实现对外散热的功能，采用水冷；在水资源贫乏的地区，也可以采用空冷；供热回路方法：热泵工质通过加热器实现对供热循环水的加热，然后供热循环水
通过供热管网向用户供热；其中供热循环介质一般是水，但也可以根据实际需要采用其他介质。
16.实施例一一种二氧化碳动力循环和热泵循环相结合的热电联产系统，如附图1所示。其特征在于，二氧化碳动力循环的冷却器和热泵（制冷）循环的蒸发器利用同一个或一组换热器，巧妙实现了两个子系统之间的有机耦合，利用热泵循环蒸发的制冷量冷却二氧化碳，同时将动力子系统的废热转化为有效供热输出。所述系统主要由热源1、co2透平2、co2回热器3、co2预冷器4、co2冷凝器5、co2增压泵6、发电机7、热泵压缩机b1、加热器b2、冷却器b3、节流阀b4、第一三通b5、第二三通b6等组成。所述联合循环系统可以分解为以下四个回路：co2循环回路：来自co2增压泵6的高压co2依次在co2回热器3和热源（1）中吸热升温到设计参数，然后进入co2透平2膨胀做功，其输出功用于驱动发电机7发电。co2透平乏气依次经过回热器3、冷却器4、冷凝器5冷凝，并通过co2增压泵6增压，完成一个循环。其中，夏季工况下，循环冷却水进入预冷器4、制冷工质进入冷凝器5；冬季工况下，制冷工质进入预冷器4、循环冷却水进入冷凝器5。
17.热泵循环回路：夏季工况下，热泵工质在冷凝器5中蒸发；冬季工况下，热泵工质在预冷器4中蒸发。然后经热泵压缩机b1压缩为高温高压流体，在加热器b2中和外界循环水回路换热，然后在冷却器（b3）中被冷却水冷却，流经节流阀b4，变成气液两相流体，经第一三通b5的控制进入对应的蒸发器蒸发，在通过第二三通b6进入压缩机，完成循环。冷却水可以是循环冷却水，也可以是符合条件的河水或海水等。
18.冷源回路：夏季工况下的动力子系统中的预冷器4、冬季工况下动力子系统的冷凝器5和热泵子系统中的冷却器b3，都是利用外界循环冷却介质实现对外散热的功能，一般采用水冷。在水资源贫乏的地区，也可以采用空冷。
19.供热回路：热泵工质通过加热器b2实现对供热循环水的加热，然后供热循环水通过供热管网向用户供热。其中供热循环介质一般是水，但也可以根据实际需要采用其他介质。
20.需要说明的是，上述循环只是对最简单的二氧化碳回热朗肯循环
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简单无回热热泵循环进行示意，实际工程应用的系统将会更加复杂，为了提高循环效率，上述二氧化碳动力循环也可以用更复杂的一次再热、二次再热、间冷、再压缩等系统代替；热泵（制冷）子系统还可能采取喷射式循环、多级循环、回热循环等系统代替；还可以根据需要增加辅机设备。只要不改变二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环的组合方式，仍属于本实施例的等效实施或者变更。
21.实施例二一种二氧化碳动力循环和热泵循环相结合的冷热电联产系统，如附图2所示。其特征在于，二氧化碳动力循环的冷凝器和热泵（制冷）循环的蒸发器利用同一个或一组换热器，巧妙实现了两个子系统之间的有机耦合，利用热泵循环蒸发的制冷量冷却二氧化碳并对外供冷，同时将动力子系统的废热转化为有效供热输出。所述联合循环系统与实施例一基本相同；唯一的区别在于热泵（制冷）子系统中增设了一个制冷器b7。热泵工质经过节流阀后，部分工质同实例一中所述，用于冷却动力子系统中的二氧化碳工质，另一部分工质用于和外界冷媒换热，冷却冷媒进而向用户供冷，实现制冷功能。在本实例中，两部分热泵工
质是并联布置的。
22.需要说明的是，上述循环只是对最简单的二氧化碳回热朗肯循环
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简单无回热热泵循环进行示意，实际工程应用的系统将会更加复杂，为了提高循环效率，上述二氧化碳动力循环也可以用更复杂的一次再热、二次再热、间冷、再压缩等系统代替；热泵（制冷）子系统还可能采取喷射式循环、多级循环、回热循环等系统代替；还可以根据需要增加辅机设备。只要不改变二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环的组合方式，仍属于本实施例的等效实施或者变更。
23.实施例三一种二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环相结合的冷热电联产系统，如附图3所示。其特征在于，二氧化碳动力循环的冷凝器和热泵（制冷）循环的蒸发器利用同一个或一组换热器，巧妙实现了两个子系统之间的有机耦合，利用热泵循环蒸发的制冷量冷却二氧化碳并对外供冷，同时将动力子系统的废热转化为有效供热输出。所述联合循环系统与实施例一基本相同；唯一的区别在于热泵子系统中增设了一个制冷器b7。热泵工质经过节流阀后，先流经制冷器，和外界冷媒换热，冷却冷媒进而向用户供冷，实现制冷功能；然后进入动力子系统中的冷凝器/预冷器中，用于冷却二氧化碳工质。在本实例中，热泵工质是串联进入制冷器b7和预冷器4/冷凝器5的。
24.需要说明的是，热泵工质进入制冷器b7和预冷器4/冷凝器5的先后顺序可以根据实际情况进行改变，即工质可以先进入预冷器4/冷凝器5后进入制冷器b7。另外，上述循环只是对最简单的二氧化碳回热朗肯循环
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简单无回热热泵循环进行示意，实际工程应用的系统将会更加复杂，为了提高循环效率，上述二氧化碳动力循环也可以用更复杂的一次再热、二次再热、间冷、再压缩等系统代替；热泵（制冷）子系统还可能采取喷射式循环、多级循环、回热循环等系统代替；还可以根据需要增加辅机设备。只要不改变二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环的组合方式，仍属于本实施例的等效实施或者变更。
25.实施例四一种二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环相结合的热电联产系统，如附图4所示。其特征在于，二氧化碳动力循环的冷凝器和热泵（制冷）循环的蒸发器利用同一个或一组换热器，巧妙实现了两个子系统之间的有机耦合，同时利用热泵循环加热器和动力循环预冷器加热泵出口二氧化碳工质，仅适用于夏季工况。所述联合循环系统与实施例一基本相同；唯一的区别在于泵出口的高压二氧化碳分成两股，分别进入预冷器4和加热器b3中进行预热，然后进入回热器3中吸热。这一布置既回收了动力子循环和热泵子循环的废热，又减少了冷源回路冷却水的使用量，提高了系统的热效率和经济性。
26.另外，上述循环只是对最简单的二氧化碳回热朗肯循环
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简单无回热热泵循环进行示意，实际工程应用的系统将会更加复杂，为了提高循环效率，上述二氧化碳动力循环也可以用更复杂的一次再热、二次再热、间冷、再压缩等系统代替；热泵（制冷）子系统还可能采取喷射式循环、多级循环、回热循环等系统代替；还可以根据需要增加辅机设备。只要不改变二氧化碳动力循环和热泵（制冷）循环的组合方式，仍属于本实施例的等效实施或者变更。
27.所述系统是以二氧化碳动力循环为动力子系统，以热泵（制冷）循环为供热（制冷）子系统的联合循环系统，其中动力循环和热泵循环由一个或一组换热器连接，换热器既充
当动力循环的冷却器，又充当热泵（制冷）循环的蒸发器，实现了子系统间的有机耦合。
28.所述系统具有以下技术特征：（1）上位循环的工作流程是：高压co2在热源处吸热升温到给定参数后进入co2透平膨胀做功，其乏气余热通过co2回热器传递给高压侧工质，并经co2预冷器和冷凝器被冷凝。冷凝后co2被泵增压，然后在co2回热器中吸热升温，再次进入热源吸热，完成一个循环。
29.（2）下位循环采用简单热泵（制冷）循环时的工作流程是：热泵工质在蒸发器中蒸发，随后蒸汽被压缩机压缩成高温高压流体。在加热器中与供热循环水换热，然后经冷却器、节流阀变为低温低压气液两相流体，再次进入蒸发器吸热，完成循环。
30.（3）动力循环和热泵（制冷）循环由一个或一组换热器连接，换热器既充当动力循环的冷却器，又充当热泵（制冷）循环的蒸发器。动力子系统工质在冷却器/蒸发器中被热泵循环冷凝，提高了动力子系统的效率，而且动力子系统中本该向环境散发的废热被热泵子系统转化为对外的有效供热，大大提高了能量的利用效率。
31.（4）动力子系统的参数和具体构型可以随着热源种类的不同和设计要求的不同而变化。比如：可以采用再压缩循环、再热循环、间冷循环等布置提高动力子系统效率。另外，当热源温度变化较大时（比如发动机废热回收），可以采用分流预热循环、多级循环等方式，本发明不对动力子系统的具体布局和参数进行展开，仅选取一个代表性结构进行论述。
32.（5）热泵（制冷）子系统的工质种类、运行参数和具体布置方式可以根据具体情况而变。比如：可以采用有机工质、水蒸气、二氧化碳、混合工质等作为工质；可以采取喷射式循环、多级循环、回热循环等布置方式。
33.所述系统的工作原理是：利用制冷机循环解决了二氧化碳动力循环在夏季工况下难以冷凝的问题，利用热泵循环将冬季工况下动力系统余热转换成了对外供热，实现系统全工况高效运行。
34.所述二氧化碳动力循环是已二氧化碳为工质的带回热朗肯循环，其主要工作流程为：高压二氧化碳从热源吸热、升温后进入透平膨胀做功，拖动发电机发电；透平乏汽依次经回热器、预冷器、冷凝器降温冷凝后进入增压泵加压，在回热器内预热后进入热源吸热，完成动力循环。
35.所述热泵/制冷机循环可以根据需要切换为热泵模式或制冷机模式，其中热泵模式主要运行于环境温度低于15-25℃工况，而制冷机模式主要运行于环境温度高于15-25℃工况。
36.所述热泵/制冷机循环以热泵模式运行时，工质在动力循环预冷器中蒸发，经热泵压缩机压缩升压升温后进入加热器，向用户供热，然后进入冷却器降温、节流阀降压后返回预冷器，而动力循环的冷凝器可用外部环境中的冷空气或冷水进行冷却。
37.所述热泵/制冷机循环以制冷机模式运行时，工质在冷凝器中蒸发，经热泵压缩机压缩升压升温后进入加热器放热，然后进入冷却器进一步降温、节流阀降压，最终返回冷凝器，用于冷凝动力循环的二氧化碳，提高动力循环效率。
38.所述热泵/制冷机循环以制冷机模式运行时，动力循环的预冷器和制冷机循环的加热器可以用于加热动力循环增压泵出口的二氧化碳，也可以用外部环境中的冷空气或冷水进行冷却。
39.所述热泵/制冷机循环以制冷机模式运行时，如果存在多余的冷能，所述系统可以
通过串联或并联的方式对外供冷。
40.所述热源的具体形式包括但不限于锅炉、核能、太阳能热电、发动机余热、地热、各种工业余热等。
41.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。