基于LNG冷却的跨临界CO2循环内燃机余热发电系统的制作方法

基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统
技术领域
1.本实用新型涉及余热发电技术领域，特别涉及一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统。


背景技术：

2.目前，内燃机能量利用效率只有30％～45％，大部分能量没有被有效利用，而是随着高温排烟和冷却水排放到环境中，造成大量能源损失。所以，有效回收内燃机余热对提高我国能源综合利用水平、减少污染物排放具有重要意义。
3.co2热稳定性好，无毒、不易燃、不易爆，储量丰富，临界参数低(临界温度31.1℃和临界压力7.38mpa)，是一种优良的做功介质。采用co2工质的跨临界co2循环吸热过程不发生相变，与内燃机排烟放热过程匹配性较好，可以有效回收排烟余热，提高内燃机能源利用效率。除此之外，采用内燃机(柴油机)推进的lng船运输的液化天然气(lng)温度约为
‑
161℃，携带大量高品质冷量，是一种优良的冷却介质，可以作为跨临界co2循环的冷源，回收lng冷量，进一步提高能量利用效率。但是，现有的跨临界co2循环内燃机余热发电系统效率相对偏低，有待进一步完善。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，可以有效回收内燃机排烟余热及lng冷量，大幅提高能量利用效率。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
6.一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，包括低压泵1、低温换热器2、低压透平3、冷凝器4、高压泵5、回热器6、高温烟气换热器7、高压透平8和内燃机9；
7.所述的低压泵1出口分两路，一路依次连通低温换热器2co2侧、低压透平3和冷凝器4co2侧，另一路依次连通高压泵5、回热器6冷侧、高温烟气换热器7co2侧、高压透平8、回热器6热侧和低压透平3进口，内燃机9排烟口与高温烟气换热器7烟气侧进口相连通，内燃机9缸套冷却水出口与低温换热器2水侧进口相连通，低温换热器2水侧出口与内燃机9缸套冷却水进口相连通；所述冷凝器4的冷侧采用lng作为冷却剂用于冷凝co2工质。
8.所述高压透平8和低压透平3构成两级膨胀做功系统。
9.所述低压泵1和高压泵5构成工质两级压缩系统。
10.所述高温烟气换热器7和低温换热器2构成内燃机9余热回收系统，所述高温烟气换热器7用于回收内燃机9排烟余热，所述低温换热器2回收内燃机9缸套冷却水余热。
11.所述高温烟气换热器7烟气侧出口的烟气温度为100℃～150℃，避免烟温过低对换热器造成酸性腐蚀。
12.所述冷凝器4采用lng作为冷却剂用于冷凝工质。
13.一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统的运行方法，co2工质先
经低压泵1升压后，成为低压工质，然后分成两股，一股进入低温换热器2回收内燃机9缸套冷却水携带的余热，另一股工质经高压泵5再次升压后，成为高压工质，经回热器6吸收后，进入高温烟气换热器7回收内燃机9排烟余热，工质升温后进入高压透平8膨胀做功，排气温度较高，进入回热器6回热冷侧低温工质，然后与低温换热器2出口的工质混合，混合后的工质进入低压透平3膨胀做功，排气进入冷凝器4冷凝成液态后，进入低压泵1再次升压，完成闭式循环。
14.本实用新型的有益效果：
15.1.本实用新型采用跨临界co2动力循环，具有效率高、设备少、结构紧凑以及成本低等优点。
16.2.本实用新型采用lng作为系统冷源，可以大幅降低循环冷端温度，进而跨临界co2循环可以完全回收内燃机排烟余热和缸套冷却水低温余热，大幅减少内燃机能量损失；同时，可以有效回收lng携带的大量冷量，从而大幅提高能量利用效率。本实用新型实现能量分质梯级利用。
附图说明
17.图1为本实用新型一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
19.如图1所示，一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，包括低压泵1、低温换热器2、低压透平3、冷凝器4、高压泵5、回热器6、高温烟气换热器7、高压透平8和内燃机9；所述的低压泵1出口分两路，一路依次连通低温换热器2co2侧、低压透平3和冷凝器4co2侧，另一路依次连通高压泵5、回热器6冷侧、高温烟气换热器7co2侧、高压透平8、回热器6热侧和低压透平3进口，内燃机9排烟口与高温烟气换热器7烟气侧进口相连通，内燃机9缸套冷却水出口与低温换热器2水侧进口相连通，低温换热器2水侧出口与内燃机9缸套冷却水进口相连通；所述冷凝器4的冷侧采用lng作为冷却剂用于冷凝co2工质。
20.作为本实用新型的优选实施方式，所述高压透平8和低压透平3构成两级膨胀做功系统，该系统可以实现高压透平8出口压力和低温换热器2co2侧出口压力一致，以此降低两股co2工质混合时的压力波动，从而保证低压透平3安全运行以及减少不同压力的co2工质混合时造成的能量损失。
21.作为本实用新型的优选实施方式，所述低压泵1和高压泵5构成工质两级压缩系统，该系统通过调整co2工质进入低温换热器2和高温烟气换热器7的压力，来提高低温换热器2中co2吸热特性曲线和缸套冷却水放热特性曲线的匹配性以及高温烟气换热器7中co2吸热特性曲线和烟气放热特性曲线的匹配性，从而降低低温换热器2和高温烟气换热器7中的换热不可逆损失，提高能量利用效率。
22.作为本实用新型的优选实施方式，所述高温烟气换热器7和低温换热器2构成内燃机9余热回收系统，所述高温烟气换热器7用于回收内燃机9排烟余热，所述低温换热器2回收内燃机9缸套冷却水余热，可以大幅减少内燃机能量损失，提高能量利用效率。
23.作为本实用新型的优选实施方式，所述高温烟气换热器7烟气侧出口的烟气温度为100℃～150℃，避免烟温过低对换热器造成酸性腐蚀。
24.作为本实用新型的优选实施方式，所述冷凝器4采用lng作为冷却剂用于冷凝工质，可以有效回收lng携带的大量冷量；同时，工质被lng冷却到较低温度，可以实现对缸套冷却水携带的低温余热的回收，从而进一步提高能量利用效率。
25.如图1所示，一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统的运行方法，co2工质先经低压泵1升压后，成为低压工质，然后分成两股，一股进入低温换热器2回收内燃机9缸套冷却水携带的余热，另一股工质经高压泵5再次升压后，成为高压工质，经回热器6吸收后，进入高温烟气换热器7回收内燃机9排烟余热，工质升温后进入高压透平8膨胀做功，排气温度较高，进入回热器6回热冷侧低温工质，然后与低温换热器2出口的工质混合，混合后的工质进入低压透平3膨胀做功，排气进入冷凝器4冷凝成液态后，进入低压泵1再次升压，完成闭式循环。


技术特征：
1.一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，其特征在于：包括低压泵(1)、低温换热器(2)、低压透平(3)、冷凝器(4)、高压泵(5)、回热器(6)、高温烟气换热器(7)、高压透平(8)和内燃机(9)；所述的低压泵(1)出口分两路，一路依次连通低温换热器(2)co2侧、低压透平(3)和冷凝器(4)co2侧，另一路依次连通高压泵(5)、回热器(6)冷侧、高温烟气换热器(7)co2侧、高压透平(8)、回热器(6)热侧和低压透平(3)进口，内燃机(9)排烟口与高温烟气换热器(7)烟气侧进口相连通，内燃机(9)缸套冷却水出口与低温换热器(2)水侧进口相连通，低温换热器(2)水侧出口与内燃机(9)缸套冷却水进口相连通；所述冷凝器(4)的冷侧采用lng作为冷却剂用于冷凝co2工质。2.根据权利要求1所述的一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，其特征在于，所述高压透平(8)和低压透平(3)构成两级膨胀做功系统。3.根据权利要求1所述的一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，其特征在于，所述低压泵(1)和高压泵(5)构成工质两级压缩系统。4.根据权利要求1所述的一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，其特征在于，所述高温烟气换热器(7)和低温换热器(2)构成内燃机(9)余热回收系统，所述高温烟气换热器(7)用于回收内燃机(9)排烟余热，所述低温换热器(2)回收内燃机(9)缸套冷却水余热。5.根据权利要求1所述的一种基于lng冷却的跨临界co2循环内燃机余热发电系统，其特征在于，所述高温烟气换热器(7)烟气侧出口的烟气温度为100℃～150℃，避免烟温过低对换热器造成酸性腐蚀。

技术总结
本实用新型公开了一种基于LNG冷却的跨临界CO2循环内燃机余热发电系统，该系统包括低压泵、低温换热器、低压透平、冷凝器、高压泵、回热器、高温烟气换热器、高压透平和内燃机；本实用新型采用跨临界CO2循环可以提高系统发电效率、简化系统结构、提高系统紧凑程度和降低发电成本；LNG作为跨临界CO2循环冷却剂，可以大幅降低循环冷端温度，进而跨临界CO2循环可以完全回收内燃机排烟余热和缸套冷却水低温余热，同时回收LNG携带的大量冷量，大幅提高能量利用效率。本实用新型实现能量分质梯级利用。本实用新型实现能量分质梯级利用。本实用新型实现能量分质梯级利用。


技术研发人员：张旭伟 李凯伦 张纯 吴家荣 张一帆 高炜 姚明宇
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2021.05.27
技术公布日：2021/11/17