一种热源适用广且热量全回收的高效冷热电联产布雷顿系统

本发明属于热能转换中多级热能回收转换与高效冷热电联产领域，涉及一种热源适用广且热量全回收的高效冷热电联产布雷顿系统，尤其涉及一种改进型闭式超临界二氧化碳(sco2)布雷顿循环完全回收热源全梯度热量，以及利用氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环，回收sco2布雷顿循环中的低温余热以实现高效冷热电联产的综合动力系统。

背景技术：

1、在工业生产中，利用各种物理与化学反应产生热能并转化为高品位能源的应用领域非常广泛，其中，可实现成熟应用的热源转换领域包括：1.太阳能、风能等利用自然能源产业；2.化石燃料等传统燃料行业；3.核能工业等。但上述领域中提供的热源形式的能级分布常不固定，而依靠单一热回收系统难以适应所有热源形式，并完全实现能量最大化高效回收。因此，设计新型热回收系统，充分挖掘梯级热能应用潜力，符合未来资源节约与能源减排的宗旨。以核能工业为例，自2002年第四届核能系统国际论坛召开后，各国对四代先进堆的研究迅速发展，而高温气冷快堆作为一种第四代闭式氦冷先进堆型，具有可持续性强、提供热源温度超高与清洁安全等优势，是未来堆型发展与设计的重要研究方向。特别的，allegro气冷快堆概念设计堆型是气冷快堆技术的第一项设计原型(doi：10.1016/j.nucengdes.2019.02.006)，其研究设计与测试越来趋向成熟。

2、常规核反应堆的热回收与功输出系统是基本型蒸汽动力系统，具有成本低且结构简单稳定的特点，在核动力领域广泛应用。但其配置大型蒸汽发生装置锅炉与冷凝器，不仅设备尺寸庞大，且热效率与输出功低。在2002年第四届核能系统国际论坛上，sco2布雷顿循环因具有紧凑稳定、热效率高与应用范围广等特点，成为有望替代蒸汽动力循环的备选方案之一。采用co2工质传递热量，不仅易达到超临界状态(30.98℃,7.3773mpa)，且sco2在临界点附近拥有的液体与气体的优秀热物性质(低粘度，压缩性好，比热容高等)，进一步优化了布雷顿循环内的换热环境与效率(doi：10.1016/j.cja.2020.12.022)。此外，一般核动力系统中采用的换热器类型是体积庞大的板式换热器。因此，常规核反应堆系统很难满足需要紧凑空间与布局的环境工况。印刷电路板式换热器(pche)作为一种高换热密度，高紧凑的新型换热器类型，成为了布雷顿先进动力循环中关键的换热组件，有利于提升循环内的换热效果，进一步提升布雷顿循环的紧凑性，使复杂且多效输出的布雷顿系统的实际与广泛应用更具可能。

3、目前，对布雷顿循环优化的一种方案是改进循环结构，优化内部换热环境并提升热回收能力。在布雷顿循环与核反应堆循环的耦合中，在不影响循环内部换热效率与组件稳定换热环境下，sco2很难完全回收核反应堆的冷却热(doi：10.1016/j.enconman.2020.112649，doi：10.1002/er.8076)。对四代堆allegro而言，反应堆出口温度一般为500℃以上，而靠单级再压缩布雷顿循环仅能回收150℃范围左右的反应冷却热。这会使反应堆入口温度高于原本的设计温度(260℃)，大量冷却热将会被排至环境中，因而循环净输出功量会较低。优化布雷顿是充分回收l系统中内的梯级潜热，通过构建联合循环等形式高效合理回收排放到环境中的废热。由于sco2在临界点附近体现出的优秀热力学性能，可大大降低压缩过程中的能量损耗，通常需要使用预冷器在压缩机入口前将co2冷却至临界状态，大量sco2余热(60℃-90℃)通过预冷器排放到环境中并产生极高的循环热损失。若采用顶底循环的方式，通过回收sco2布雷顿循环中通过预冷器损耗的余热热能，可产生制冷、制热与发电的效果，可实现系统整体的热力学性能提升。由于多效能量输出的循环间耦合性能复杂且体积庞大，导致目前成熟的研究大多为两效产出循环的设计与优化。因此，改进循环布局，充分发挥废热与余热潜能，满足不同类型的能源需求，保持简单轻便的循环布局与优秀的循环性能是未来发展趋势。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种热源适用广且热量全回收的高效冷热电联产布雷顿系统，是一种氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环耦合sco2布雷顿循环的可完全回收多种形式热源热量的高效冷热电联产系统，以解决现有余热回收系统利用热源热量与系统潜在能源不充分、能量输出形式单一与循环组件体积较大的问题。由sco2布雷顿循环、氨水吸收式制冷循环、回热型sco2热泵循环组成，可完全回收不同闭式热源的热量，回收布雷顿循环中预冷器处部分余热热量，根据需求调节产生所需的空调制冷效果与热水。通过在冷热电联产循环的关键换热部位应用印刷电路板式换热器以提升循环紧凑性与换热性能，提升新型布雷顿系统热能梯级回收转换效率，并满足不同工况下布雷顿系统的适应匹配能力与多种能效产出的需求。

3、技术方案

4、一种热源适用广且热量全回收的高效冷热电联产布雷顿系统，其特征在于包括sco2布雷顿循环、氨水吸收式制冷循环、回热型sco2热泵循环；热源系统的输出连接sco2布雷顿循环的高温加热器1和高温再热器2的输入，高温加热器1和高温再热器2的输出连接低温加热器3，低温加热器3的输出连接热源系统的输入；sco2布雷顿循环的二氧化碳储存罐16通过第一流量阀17连接氨水吸收式制冷循环的发生器22的输入，以及回热型sco2热泵循环的第二蒸发器36的输入；氨水吸收式制冷循环的发生器22的输出，以及回热型sco2热泵循环的第二蒸发器36的输出连接sco2布雷顿循环的预冷器4的输出；所述sco2布雷顿循环采用再压缩-再热型sco2布雷顿循环；所述连接均为管路连接。

5、所述sco2布雷顿循环采用再压缩-再热型sco2布雷顿循环，包括高温加热器1、高温再热器2、低温加热器3、预冷器4、压缩机5、再压缩机6、第一回热器7、再热器8、第一涡轮9、第二涡轮10、第三涡轮11、第四涡轮12、第二回热器13、第一发电机14、第一电机15、二氧化碳储存罐16、第一流量阀17和第二流量阀18；通过第一流量阀17通过氨水吸收式制冷循环提供热量后，经预冷器4冷却与压缩机5压缩，通过分流为一部分sco2流入第二回热器13提升过热度后，通过低温加热器3回收剩余热源热量，之后进入第三涡轮11膨胀做功，流入第二回热器13对来自压缩机5的sco2预热后，再次流入第四涡轮12膨胀做功，最后流入二氧化碳储存罐16；第二流量阀18的控制将二氧化碳储存罐16中的部分sco2作为热源为制冷与热泵循环提供热量，另一部分sco2送入再压缩机6压缩升温；流出压缩机5的另一部分sco2经第一回热器7提升过热度后，与来自第二流量阀18控制、经再压缩机6压缩后的sco2汇合，经回热器8进一步提升过热度后，先吸收高温加热器1的热源热量并流入第一涡轮9膨胀做功，再次流入高温加热器2的热源热量并流入第二涡轮10膨胀做功，最后经再热器8与第一回热器7向冷侧sco2传递热量后，流入二氧化碳储存罐16，以此循环。

6、所述sco2布雷顿循环还包括回热型、再热型、再压缩型、级间冷却型或预压缩型多种sco2布雷顿循环布局。

7、所述的氨水吸收式制冷循环包括：精馏塔19、第一冷凝器20、第一节流阀21、发生器22、溶液热交换器23、第二节流阀24、吸收器25、第一蒸发器26、第二电机27和溶液泵28；发生器22中氨水溶液吸收来自s-co2布雷顿循环的预冷器4中sco2的热量后，进入精馏塔精馏19，通过冷却水的冷凝回流后在顶部产生氨气，而在底部产生低浓度的氨水溶液；精馏塔19顶部流出的氨气经第一冷凝器20冷凝成液态后，经第一节流阀21等焓膨胀至两相氨，第一蒸发器26中吸收环境热量实现制冷效果；从精馏塔19底部流出的氨水溶液经溶液热交换器23传递热量后，通过第二节流阀24降压至饱和状态，喷射进入吸收器25与来自第一蒸发器26的氨气充分混合，经冷却水的带走部分吸收热后，流入溶液泵28加压至发生器压力，经溶液热交换器23加热提升过热度后，流入发生器22，以此循环。

8、所述的氨水吸收式制冷循环还包括单效型、多效型、压缩-吸收混合型多种氨水制冷循环布局。

9、所述的回热型sco2热泵循环包括：第三节流阀29、第五涡轮30、第三回热器31、第二压缩机32、第二冷凝器33、第二发电机34、第三电机35和第二蒸发器36；sco2通过吸收来自s-co2布雷顿循环的预冷器4中sco2的热量后，经第三回热器31加热与第二压缩机32压缩后，在第二冷凝器33中加热冷侧工质以输出制热效果；流出第二冷凝器33的sco2在第三回热器31向来自第二蒸发器36的sco2传递热量后，经过第五涡轮30的膨胀做功与第三节流阀29的等焓降压，最终流入36第二蒸发器36，以此循环。

10、所述的回热型sco2热泵循环还包括基本型、多级压缩、压缩-吸收混合型多种回热型sco2热泵循环布局。

11、所述高温加热器1、高温再热器2、低温加热器3、预冷器4、回热器7、再热器8、第二回热器13、第一冷凝器20、发生器22、溶液热交换器23、第一蒸发器26、第三回热器31、第二冷凝器33和第二蒸发器36采用单面或双面刻蚀印刷电路板式换热器。

12、一种所述热源适用广且热量全回收的高效冷热电联产布雷顿系统的使用，其特征在于：用于热源系统中所有的设计条件下进出口温度压力已知的热源形式下的循环回路。

13、所述热源系统包括核反应堆回路循环、燃气回路循环、太阳能回路循环、地热能回路循环的多种热源形式的闭式循环布局。

14、本发明所述的氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环耦合sco2布雷顿循环的可完全回收多种形式热源热量的高效冷热电联产系统，底循环中氨水吸收式制冷循环不能完全回收sco2布雷顿循环中压缩机5前的余热热量，并使sco2布雷顿循环中sco2恢复到初始状态。所以在sco2布雷顿循环中添加一预冷器4，目的是将为氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环提供热量后的sco2冷却至压缩机入口状态，以方便后续循环进行。

15、有益效果

16、本发明提出的一种热源适用广且热量全回收的高效冷热电联产布雷顿系统，热源系统的输出连接sco2布雷顿循环的高温加热器和高温再热器的输入，高温加热器和高温再热器的输出连接低温加热器，低温加热器的输出连接热源系统的输入；sco2布雷顿循环的二氧化碳储存罐连接氨水吸收式制冷循环的发生器的输入，以及回热型sco2热泵循环的第二蒸发器的输入；氨水吸收式制冷循环的发生器的输出，以及回热型sco2热泵循环的第二蒸发器的输出连接sco2布雷顿循环的预冷器的输出。

17、本发明所述的高效冷热电联产布雷顿系统，可完全回收多种形式热源热量，具有较高的热源匹配与能量转化能力。利用氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环回收s-co2布雷顿循环中，通过回收预冷器排放到环境中的余热热量，根据不同能效与用量需求可控制产生的空调制冷量与日用热水量，可实现高效冷热电联产效果，相较于其他已有余热回收循环，所述的联合循环热效率与净输出功量提升明显。本发明所述的高效冷热电联产系统中高温加热器、高温再热器、低温加热器、预冷器、回热器、回热器、回热器、冷凝器、发生器、溶液热交换器、蒸发器、回热器、冷凝器和蒸发器可应用单面和双面刻蚀pche，可提升新型布雷顿系统的紧凑性、换热效果与热能梯级回收转换效率，并满足不同工况下布雷顿系统的适应匹配能力。

18、本发明在系统中采用

19、第四涡轮，因为第四涡轮的两侧压力温度相差大，如果第一涡轮(turbine1)直接膨胀到氨水吸收式制冷循环的发生器的压力，那会使recu_ltc中出现负温差换热(也就是热流体的温度小于冷流体)。因此，通过控制压力来保证recu_ltc的设计正确。

20、因此，实现allegro回路中，氦的冷却热的高温段与低温段的梯级回收。

21、有益效果

22、本发明所述的高效冷热电联产布雷顿系统，在改进的再压缩再热布雷顿循环中，利用常规的再压缩再热布雷顿循环与改进的回热型布雷顿循环，实现热源热量的梯级回收。在改进的回热型布雷顿循环中，由于热源形式并不固定且具有换热温度区间，这会影响循环中的最高工作温度与回热器13的换热环境。如果第三涡轮11的工作压力直接膨胀至压缩机入口压力，随着改进的回热型布雷顿循环的最高工作温度降低，回热器13内的冷热流体的温度变化线差值会越低，甚至出现负温差换热(冷热的温度变化线会相交)。因此，与常规的回热型布雷顿循环相比，在改进的回热型布雷顿循环的最高工作温度较低的工况，我们通过第三涡轮11膨胀后的压力保证回热器13内最低换热温差，并增加第四涡轮12回收sco2工质的剩余压力能以提升循环的热效率。

23、本发明所述的高效冷热电联产布雷顿系统，在回热型sco2热泵循环中，压缩机32前后的sco2的工作压力差距明显，因此，通过增加涡轮30回收离开部分回热器31后的sco2的热力学能，以提升回热型sco2热泵循环内的热效率。同时，且随着涡轮30膨胀比的增大，蒸发器36入口前的sco2的温度越低，这意味着改进型再压缩再热布雷顿循环中离开蒸发器36的sco2的温度越低，导致通过改进型再压缩再热布雷顿循环中预冷器4入口前的sco2的温度降低且通过预冷器4耗散到环境中的热量降低，有利于提升高效冷热电联产布雷顿系统的热能利用能力。

24、相对于现有技术，本发明所述的氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环耦合sco2布雷顿循环的可完全回收多种形式热源热量的高效冷热电联产系统具有以下优势：

25、1.本应用于热能回收转换领域中的高效冷热电联产系统采用氨水吸收式制冷循环与回热型sco2热泵循环与sco2布雷顿循环耦合，相较于其他已有余热回收循环，通过回收预冷器排放到环境中的余热热量，根据不同能效与用量需求可控制产生的空调制冷量与日用热水量，可实现高效冷热电联产效果，联合循环热效率与净功输出量提升明显，可满足多种工况下，对空调制冷与日用热水的综合需求。根据模拟结果，本发明提出的冷热电联产系统可产生的总热效率为54.2％，可输出净电功30.22mw，可输出20℃总量为1.722mw的空调制冷效果，可输出98℃热水总量为8.724mw的制热效果，体现出良好的回收系统余热热源的能力以及冷热电联产效果。

26、2.本应用于热能回收转换领域中的高效冷热电联产系统中本发明所述的高效冷热电联产系统中高温加热器、高温再热器、低温加热器、预冷器、回热器、回热器、回热器、冷凝器、发生器、溶液热交换器、蒸发器、回热器、冷凝器和蒸发器可应用单面和双面刻蚀pche，可提升新型布雷顿系统的紧凑性、换热效果与热能梯级回收转换效率，并满足不同工况下布雷顿系统的适应匹配能力。根据数值模拟结果，发现相比于传统大型板式换热器，本高效冷热电联产系统应用印刷电路板式换热器较好地提升了循环紧凑性与换热性能。

27、3.本应用于热能回收转换领域中的高效冷热电联产系统可完全回收多种形式热源热量。根据不同热源类型在保持循环整体高热力学效率与高净功量输出下，在小范围内调节循环参数以匹配不同类型的热源，同时满足循环内部组件的最佳换热环境与换热效率，以满足不同工况下的热效率、冷热电等最大化功量输出。根据数值模拟结果，本发明提出的冷热电联产系统可完全回收75mw的反应堆冷却热，可产生的总热效率为54.2％，可输出净电功30.22mw，可输出20℃总量为1.722mw的空调制冷效果，可输出98℃热水总量为8.724mw的制热效果，体现出所述系统的良好热源匹配与能量转化能力。