一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，用于风能能源的利用以及超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环的应用。该系统包括风能采集系统、燃气轮机发电系统、中低温余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统。该系统工作时，采用风能驱动空气压缩装置，被压缩的空气用于燃气轮机系统，回收利用燃气轮机排出的废气及中低温余热作为换热器热量来源，实现能源的梯级利用；超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环采用二氧化碳为工质，其动力机械结构紧凑，经济性能好。结合燃气轮机发电系统及超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统实现稳定的联合发电，所产生的电能最终输入电网。
【专利说明】
一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统
技术领域
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[0001]本发明涉及一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，用于风能能源、中低温余热能源的利用以及超临界二氧化碳再压缩布雷顿动力循环的应用。
【背景技术】
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[0002]由于近年来工业及制造业的迅猛发展，对于化石燃料需求量的不断上涨造成全球性的能源紧缺，燃烧后的废气排放等问题已经导致环境污染，如温室效应、酸雨、大气污染等。开发新型的能源利用方式，利用清洁能源，充分回收工业中低温余热中的能量等是现行能够缓解能源危机并一定程度上降低污染物排放的可行方法。
[0003]风能是清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭，无论是在内陆还是沿海，都有巨大的风能资源可供开发利用，可因地制宜利用风能。全球的风能约为2.74 X 19MW,其中可利用的风能约为2X 17Mff,是地球上可开发利用的水能总量的10倍。到2008年为止，全世界通过风力产生的电力约有94.1GW，供应的电力已超过全世界用量的1%。秉持可持续发展的思想，充分利用风能，缓解传统发电方式给资源环境带来的压力，成为研究的热点。
[0004]二氧化碳作为近年来新兴的绿色工质，在热力循环方面有着巨大的发展前景。二氧化碳在大气中广泛存在，储量丰富且廉价易得，对环境的影响小，它不可燃且具有良好的化学稳定性。二氧化碳的临界温度为304.21K，临界压力为7.377MPa，较容易实现超临界性态，对设备的要求较低，降低了制造成本。超临界二氧化碳具有近似液体的高密度、近似气体的低粘度，在热力循环中压缩功耗低，有利于提高热力系统净效率。以超临界二氧化碳为工质的压缩机、气轮机等动力机械的结构紧凑、体积较小。
[0005]进一步提高能源利用率，改善人类的生存环境已经成为人类社会的共识。在现有的工业生产模式中，大量温度在350°C以下的中低品位热能被直接排放到大气中，这不仅浪费了能源，还加剧了对环境的破坏。回收利用中低温工业余热，实现能源的梯级利用，对于提高能源利用效率，降低工业生产过程中的能源消耗具有重要意义。
【发明内容】
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[0006]本发明的目的在于提供一种能够利用中低温工业余热，实现能源梯级利用，提高能源利用效率，同时为风能能源的利用、中低温余热的利用及超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环的应用提供新思路的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统。该系统的发电过程具有充分利用中低温余热、利用清洁风能、实现能源梯级利用、联合发电等优良特性，同时超临界二氧化碳循环具有动力机械结构紧凑、占用空间小的优点。
[0007]为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现:
[0008]—种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，包括风能采集系统、燃气轮机发电系统、中低温余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统，其中，
[0009]所述的风能采集系统包括风力机组和变速传动装置，该风力机组与变速传动装置相连；
[0010]所述的燃气轮机发电系统包括第一压缩机、燃烧器、燃气透平和燃气轮机发电机；
[0011]所述的中低温余热利用系统包括中低温余热热源、储热罐和第一换热器；
[0012]所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统包括第二换热器、超临界二氧化碳透平、高温回热器、低温回热器、冷却器、主压缩机、再压缩机和发电机；
[0013]第一压缩机通过轴系与变速传动装置相连，第一压缩机上设有空气入口，第一压缩机的出口与燃烧器的气体入口相连，燃烧器上设有燃料入口，燃烧器的出口与燃气透平的入口相连，燃气透平的出口与第二换热器的气体入口相连，燃气透平通过轴系与燃气轮机发电机相连，带动燃气轮机发电机发电；
[0014]中低温余热热源的出口与储热罐的入口相连，储热罐的出口与第一换热器的余热入口相连；
[0015]第一换热器的循环工质入口与高温回热器的低温侧流体出口相连，第一换热器的循环工质出口与第二换热器的循环工质入口相连，第二换热器的循环工质出口与超临界二氧化碳透平的入口相连;超临界二氧化碳透平的出口与高温回热器的高温侧流体入口相连，超临界二氧化碳透平通过轴系与发电机相连，带动发电机发电；高温回热器的高温侧流体出口与低温回热器的高温侧流体入口相连，低温回热器的高温侧流体出口处工质分流，一路从冷却器的入口进入，冷却器的出口与主压缩机的入口相连，主压缩机的出口与低温回热器的低温侧流体入口相连，低温回热器的低温侧流体出口与高温回热器的低温侧流体入口相连；另一路从再压缩机的入口进入，再压缩机的出口与高温回热器的低温侧流体入口相连。
[0016]本发明进一步的改进在于:利用清洁能源风能带动第一压缩机运转以进行空气压缩。
[0017]本发明进一步的改进在于:所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统选用超临界二氧化碳作为工质。
[0018]本发明进一步的改进在于:所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统设置有分流再压缩循环。
[0019]本发明进一步的改进在于:第一换热器上设置有出口以排出余热利用后的废气或废液。
[0020]本发明进一步的改进在于:第二换热器上设置有烟囱以排出换热后的废气。
[0021]本发明进一步的改进在于:中低温余热热源来自工业生产排放的不同的液体或气体，若热源为燃煤锅炉，则第一换热器的出口与除尘除硫装置的入口相连，除尘除硫装置的出口与引风机的入口相连，引风机的出口与烟囱的入口相连。
[0022]本发明的联合发电系统与现有发电系统相比，主要区别在于利用清洁能源风能、利用中低温余热并实现能源的梯级利用。本联合发电系统是利用工业生产排出的中低温余热作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环中的一次换热热源;利用可再生能源风能带动压缩机压缩空气用于燃烧，利用燃气透平的废气作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环中的二次换热热源;通过超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环及燃气轮机实现联合发电。该系统具有以下几个优点:
[0023]1、该系统实现了工业中大量被直接排出的中低温余热的梯级利用，有利于降低能源消耗，避免资源浪费。该系统采用中低温余热热源为换热器提供热量，进一步利用了工业废气或废液，不仅提高能源利用率，又降低最终排出废气或废液的温度，保护环境。
[0024]2、该系统利用可再生能源风能驱动空气压缩装置，实现了对清洁能源的利用，降低了整个发电系统对不可再生能源的需求，为风能的利用提供了新思路。
[0025]3、该系统中采用了超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统，分流再压缩的设计能避免回热器出现“夹点”，提高系统循环效率。
[0026]4、本发明中循环系统采用超临界二氧化碳为工质，由于其自身特性，循环中动力机械的结构更为紧凑，所占空间更小，经济性有所提升。
[0027]5、本发明结合风能、燃气和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统实现对能源的梯级利用，可达到联合提供稳定供电的目标。
【附图说明】
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[0028]图1是所述的风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统。
[0029]图中:I为风力机组，2为变速传动装置，3为第一压缩机，4为燃烧器，5为燃气透平，6为燃气轮机发电机，7为第二换热器，8为中低温余热热源，9为储热罐，10为第一换热器，11为超临界二氧化碳透平，12为高温回热器，13为低温回热器，14为冷却器，15为主压缩机，16为再压缩机，17为发电机。
【具体实施方式】
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[0030]以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
[0031]参见图1，本发明一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，包括风能采集系统、燃气轮机发电系统、中低温余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统。
[0032]其中，所述的风能采集系统包括风力机组I和变速传动装置2，该风力机组I与变速传动装置2相连，利用风能带动风力机组I产生动能，通过变速传动装置进行转速控制，将稳定的动能输送给第一压缩机3作为动力来源；
[0033]所述的燃气轮机发电系统包括第一压缩机3、燃烧器4、燃气透平5和燃气轮机发电机6，第一压缩机3通过轴系与变速传动装置2相连，第一压缩机3上设有空气入口，第一压缩机3的出口与燃烧器4的气体入口相连，燃烧器4上设有燃料入口，燃烧器4的出口与燃气透平5的入口相连，燃气透平5的出口与第二换热器7的气体入口相连，燃气透平5通过轴系与燃气轮机发电机6相连。由风力机组I产生的动能经变速传动装置2调控后对第一压缩机3进行驱动，空气由第一压缩机3上的空气入口进入并进行压缩，压缩后的空气由燃烧器4的空气入口进入，燃料由燃烧器4的燃料入口进入，燃料与压缩空气在燃烧器4内燃烧，高温燃气由燃气透平5的入口进入，并在燃气透平5中膨胀做功，通过由轴系连接的燃气轮机发电机6输出电能，做功后的废气由燃气透平5的出口进入第二换热器7的气体入口，提供第二换热器7所需热量；
[0034]所述的中低温余热利用系统包括中低温余热热源8、储热罐9、第一换热器10，中低温余热热源8的出口与储热罐9的入口相连，储热罐9的出口与第一换热器10的余热入口相连，第一换热器10上设有废气或废液的出口。中低温余热热源8为中低温余热利用系统提供热量来源，中低温余热可以是多种工业生产过程中具有余热利用价值的废气或废液，其通过储热罐9进行热量调控，保证为第一换热器10提供稳定的热量，废气或废液由第一换热器10的余热入口进入换热器与循环工质进行换热，热量交换后的废气或废液经第一换热器10上的出口排出。进一步地，若中低温余热热源8为燃煤锅炉，则第一换热器10的出口应与除尘除硫装置的入口相连，除尘除硫装置的出口与引风机的入口相连，引风机的出口与烟囱的入口相连，以保证排出的燃气达到环保标准。
[0035]所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统包括第一换热器10、第二换热器7、超临界二氧化碳透平11、高温回热器12、低温回热器13、冷却器14、主压缩机15、再压缩机16、发电机17。第一换热器10的循环工质入口与高温回热器12的低温侧流体出口相连，第一换热器10的循环工质出口与第二换热器7的循环工质入口相连，第二换热器7的循环工质出口与超临界二氧化碳透平11的入口相连，第二换热器7的气体入口与燃气透平5的出口相连，第二换热器7上设有烟囱，超临界二氧化碳透平11的出口与高温回热器12的高温侧流体入口相连，超临界二氧化碳透平11通过轴系与发电机17相连，高温回热器12的高温侧流体出口与低温回热器13的高温侧流体入口相连，低温回热器13的高温侧流体出口处工质分流，一路与冷却器14的入口相连，冷却器14的出口与主压缩机15的入口相连，主压缩机15的出口与低温回热器13的低温侧流体入口相连，低温回热器13的低温侧流体出口与高温回热器12的低温侧流体入口相连；另一路与再压缩机16的入口相连，再压缩机16的出口与高温回热器12的低温侧流体入口相连。超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统中，工质超临界二氧化碳由高温回热器12的低温侧流体出口流出，由第一换热器10的循环工质入口进入，工质在第一换热器10中进行第一次换热，工质由第一换热器10的循环工质出口流出，由第二换热器7的循环工质入口进入，在第二换热器7中进行第二次换热，第二换热器7的热量由燃气透平5排出的废气提供，第二换热器7上设有换热后排出废气的烟囱，吸热后的工质由第二换热器7的循环工质出口流出，由超临界二氧化碳透平11的入口进入并在其中膨胀做功，带动发电机17输出电能，之后工质由超临界二氧化碳透平11的出口流出，由高温回热器12的高温侧流体入口进入并进行回热，再由高温回热器12的高温侧流体出口流出，进入低温回热器13的高温侧流体入口，在低温回热器13中进行回热，之后，工质由低温回热器13的高温侧流体出口流出，在此处分为两路:I)一路由冷却器14的入口进入，在冷却器14中冷却至主压缩机15的入口温度要求，之后工质从冷却器14的出口流出，由主压缩机15的入口进入，经压缩后由主压缩机15的出口流出，由低温回热器13的低温侧流体入口流入进行预热，再由低温回热器13的低温侧流体出口流出；2)另一路直接由再压缩机16的入口流入进行压缩，之后由再压缩机16的出口排出，与I)中由低温回热器13的低温侧流体出口流出的工质汇合，这两部分工质此时具有相同的温度和压力，汇合后的工质由高温回热器12的低温侧流体入口进入，在高温回热器12中进行再次预热，预热后的工质由高温回热器12的低温侧流体出口流出，由第一换热器10的循环工质入口进入吸热，完成闭式循环。
[0036]整个联合发电系统工作时，采用风能驱动，回收利用中低温余热热源、燃气透平排出的废气提供系统换热所需热量，实现能源的梯级利用及综合利用，结合燃气轮机发电系统及超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统实现稳定的联合发电，所产生的电能最终输入电网。
【主权项】
1.一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:包括风能采集系统、燃气轮机发电系统、中低温余热利用系统和超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统，其中， 所述的风能采集系统包括风力机组(I)和变速传动装置(2)，该风力机组(I)与变速传动装置(2)相连； 所述的燃气轮机发电系统包括第一压缩机(3)、燃烧器(4)、燃气透平(5)和燃气轮机发电机(6)； 所述的中低温余热利用系统包括中低温余热热源(8)、储热罐(9)和第一换热器(10); 所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环发电系统包括第二换热器(7)、超临界二氧化碳透平(U)、高温回热器(12)、低温回热器(13)、冷却器(14)、主压缩机(15)、再压缩机(16)和发电机(17)； 第一压缩机(3)通过轴系与变速传动装置(2)相连，第一压缩机(3)上设有空气入口，第一压缩机(3)的出口与燃烧器(4)的气体入口相连，燃烧器(4)上设有燃料入口，燃烧器(4)的出口与燃气透平(5)的入口相连，燃气透平(5)的出口与第二换热器(7)的气体入口相连，燃气透平(5)通过轴系与燃气轮机发电机(6)相连，带动燃气轮机发电机(6)发电； 中低温余热热源(8)的出口与储热罐(9)的入口相连，储热罐(9)的出口与第一换热器(10)的余热入口相连； 第一换热器(10)的循环工质入口与高温回热器(12)的低温侧流体出口相连，第一换热器(10)的循环工质出口与第二换热器(7)的循环工质入口相连，第二换热器(7)的循环工质出口与超临界二氧化碳透平(11)的入口相连;超临界二氧化碳透平(11)的出口与高温回热器(12)的高温侧流体入口相连，超临界二氧化碳透平(11)通过轴系与发电机(17)相连，带动发电机(17)发电；高温回热器(12)的高温侧流体出口与低温回热器(13)的高温侧流体入口相连，低温回热器(13)的高温侧流体出口处工质分流，一路从冷却器(14)的入口进入，冷却器(14)的出口与主压缩机(15)的入口相连，主压缩机(15)的出口与低温回热器(13)的低温侧流体入口相连，低温回热器(13)的低温侧流体出口与高温回热器(12)的低温侧流体入口相连；另一路从再压缩机(16)的入口进入，再压缩机(16)的出口与高温回热器(12)的低温侧流体入口相连。2.根据权利要求1所述的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:利用清洁能源风能带动第一压缩机(3)运转以进行空气压缩。3.根据权利要求1所述的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统选用超临界二氧化碳作为工质。4.根据权利要求1所述的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:所述的超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统设置有分流再压缩循环。5.根据权利要求1所述的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:第一换热器(10)上设置有出口以排出余热利用后的废气或废液。6.根据权利要求5所述的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:第二换热器(7)上设置有烟囱以排出换热后的废气。7.根据权利要求6所述的一种风能、燃气及超临界二氧化碳能源梯级利用联合发电系统，其特征在于:中低温余热热源(8)来自工业生产排放的不同的液体或气体，若热源为燃煤锅炉，则第一换热器(10)的出口与除尘除硫装置的入口相连，除尘除硫装置的出口与引风机的入口相连，引风机的出口与烟囱的入口相连。
【文档编号】F02C6/18GK105840258SQ201610240909
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】谢永慧, 王宇璐, 张荻
【申请人】西安交通大学