高低温超临界二氧化碳余热利用系统技术方案

本发明专利技术提供一种高低温超临界二氧化碳余热利用系统，包括高温透平、低温透平、余热回收器、高温回热器、低温回热器、冷凝器、压气机；高温透平的进气口依次连接余热回收器、高温回热器、压气机、冷凝器，冷凝器的进气口再依次连接高温回热器、高温透平的出气口，形成高温透平循环回路；低温透平的进气口依次连接余热回收器、低温回热器、压气机、冷凝器；冷凝器的进气口再依次连接低温回热器、低温透平的出气口，形成低温透平循环回路。本发明专利技术以燃气轮机的高温排气或者工业余热/废热作为热源，将高品位热能高效利用，将低品位热能加以利用，从而使能源得到充分利用，提高整体的循环效率。

【技术实现步骤摘要】
高低温超临界二氧化碳余热利用系统
本专利技术涉及燃气轮机联合循环系统发电
和工业余热/废热发电
，特别是涉及一种高低温超临界二氧化碳余热利用系统。
技术介绍
众所周知，地球上的化石能源是非常有限的。随着工业革命以来，石油、煤炭、天然气等化石能源的大力开采使用，当前地球上已探明的剩余化石能源仅能供人类使用百余年。人类文明不能因为化石能源的枯竭而终止，各国研究者们正在积极探究解决能源紧缺的出路。总结起来可以分为两类：一是开发新能源，主要包括核能和可再生能源，如风能、太阳能、水力发电等；二是提高现有化石能源的利用效率，在未来的五十年，化石能源将依然占据能源的主导地位。在燃气轮机布雷顿发电循环中，由于燃气排气温度高(500～600℃)，为了提高能源使用效率，常常将之与其他形式的发电循环相耦合，目前主要是蒸汽朗肯循环，构成了燃气-蒸汽联合循环发电系统。但是对于蒸汽朗肯循环，由于水在气液态转化时存在巨大的潜热，其循环效率的提高受到限制。另一方面，以蒸汽为工质的朗肯循环，由于气体密度低、体积流量大，使得蒸汽轮机体积庞大、系统复杂，不论是初期投资还是后期维护都具有相当难度和经济成本。在高耗能行业，如钢铁、水泥、玻璃等，生产过程常伴随有大量的余热/废热排除，温度在300～700℃不等。对这些余热/废热进行高效充分利用是节能减排的重要方向之一。余热发电是余热利用的重要途径，当前对于500℃以上的高温余热发电多采用余热锅炉+蒸汽透平进行回收，而温度在300℃左右的余热很少用于发电。用于余热发电的蒸汽轮机系统除上述所说的体积庞大、系统复杂等缺点外，还有启停时间长、灵活性差等缺点。受上游生产流程、产量波动以及意外事故等的影响，工业余热具有不稳定和间歇性等特点，采用工业余热进行发电时，需要频繁的机组启停。受蒸汽发电系统灵活性的制约，系统的发电效率和可用率大大降低。超临界CO2最初是作为下一代核电技术的备选工质而开始受到研究者的关注。CO2气体具有临界压力适中、稳定性好、偏惰性、无毒、储量丰富、成本低等特点，超临界CO2作为能量转换工质，具有明显的优势。以超临界CO2布雷顿循环为例，由于CO2被冷却到拟临界线区，其密度和比热快速增加，因而降低了压缩机耗功并提高了预冷器和回热器中的传热系数。所以相比于在同一透平和压气机进口温度下的理想气体循环，超临界CO2循环具有较高的效率。此外超临界CO2系统的一个显著特点是涡轮机械尺寸非常小，相同功率下的超临界CO2涡轮机约是蒸汽轮机1/30。同时由于超临界CO2循环发电系统是采用全封闭循环设计，结构相对简单，没有蒸汽循环系统的水处理设备及相关的水处理技术管理人员，没有排污设备及相关的排污操作，简化了管理的程序，省掉很多的维护工作，与蒸汽循环发电系统相比管理维护成本有较大的降低。另外超临界CO2发电系统启动时间短，灵活性好。目前，以超临界CO2为工质的发电系统已不再局限于核能领域，研究人员正在积极研究其在传统的和可再生能源领域的应用，包括化石能电厂、船舶推进系统、聚光太阳能、燃料电池底部动力循环等系统。国际工程学术领域专门设计了一个SCO2动力循环研讨会，以推进该技术的发展。国内外关于超临界二氧化碳发电系统已有不少相关专利，例如用于太阳能发电领域的“带蓄热的超临界CO2太阳能热发电系统”(专利公布号：CN102100867A)和“用于太阳能装置的超临界二氧化碳涡轮”(专利公布号：CN101240780A)。这两个专利技术均是以太阳能为热源，以超临界二氧化碳作为动力循环工质进行发电，前者带蓄热装置可以解决太阳能的间歇性和不稳定性制约，其发电系统简单，属于最基本的循环系统；后者在前者的基础上对进入压缩机的气体分为两部分进行压缩，一部分在回热器换热后直接进入压缩机，另一部分回热器换热后先经过冷凝器预冷再进入压缩机压缩，系统包含一个主压缩机和一个次压缩机，这样设计可以减小换热器的换热温差同时减小冷凝器的换热面积。值得注意的是太阳能加热系统中的传热流体是循环工作的，在应用时不需要考虑传热流体的冷端温度。但是对于废热，其动力循环工质进行热交换后就排入了大气，需要充分吸收其中的热能(也即降低废热的冷端温度)，才能提高能源的利用率。美国专利申请文件“SupercriticalCarbonDioxidePowerCycleforWasteHeatRecovery”(专利公布号：US20140102101A1)公布了一种用于余热回收的超临界二氧化碳发电系统，该专利技术系统中含有两个透平，一个透平(T1)与发电机同轴，带动发电机输出电能，一个透平(T2)与压缩机(C1)同轴，其产生的机械能直接驱动压缩机工作；进入T1膨胀做功工质由C1进行压缩、并有第一换热器(H1)进行加热，进入T2膨胀做功的工质由另一独立的压缩泵(C2)进行压缩，并由第二换热器(H2)进行加热；系统分为单循环模式和双循环模式，当余热温度高于阀值时开启双循环模式，低于阀值时，切断T2、C1、H2，进入T1的工质由C2进行压缩、H1进行加热。该专利技术系统考虑了余热热源的温度，并设置了两中循环模式。但是该系统的T2出力必须与C1的耗功相匹配，不能充分发挥T2的出力能力，在能源上造成浪费；另一方面在单循环和双循环两种模式下，T1的进汽参数的温度相差很大，如果双循环模式的进汽温度是其设计工况，必然造成单循环模式下透平效率的显著下降。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种能够充分利用能源、透平效率高的高低温超临界二氧化碳余热利用系统，以克服现有技术的上述缺陷。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种高低温超临界二氧化碳余热利用系统，包括高温透平、低温透平、余热回收器、高温回热器、低温回热器、冷凝器、压气机；所述高温透平的进气口依次连接所述余热回收器、所述高温回热器、所述压气机、所述冷凝器，所述冷凝器的进气口再依次连接所述高温回热器、所述高温透平的出气口，形成高温透平循环回路；所述低温透平的进气口依次连接所述余热回收器、所述低温回热器、所述压气机、所述冷凝器；所述冷凝器的进气口再依次连接所述低温回热器、所述低温透平的出气口，形成低温透平循环回路。优选地，所述余热回收器包括第一进气口、第一出气口、第二进气口、第二出气口，所述余热回收器的内部设有连接于第一进气口和第一出气口之间的第一余热回收管道，所述余热回收器的内部还设有连接于第二进气口和第二出气口之间的第二余热回收管道；所述高温回热器上设有第三进气口、第三出气口、第四进气口、第四出气口；所述低温回热器上设有第五进气口、第五出气口、第六进气口、第六出气口；所述高温透平的进气口连接所述余热回收器的第一出气口，所述余热回收器的第一进气口连接所述高温回热器的第四出气口，所述高温回热器的第四进气口连接所述压气机的出气口，所述压气机的进气口连接所述冷凝器的出气口；所述高温透平的出气口连接所述高温回热器的第三进气口，所述高温回热器的第三出气口连接所述冷凝器的进气口；所述低温透平的进气口连接所述余热回收器的第二出气口，所述余热回收器的第二进气口连接所述低温回热器的第六出气口，所述低温回热器的第六进气口连接所述压气机的出气口；所述低温透平的出气口连接所述低温回热器的第五进气口，所述低温回本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高低温超临界二氧化碳余热利用系统，其特征在于，包括高温透平(1)、低温透平(2)、余热回收器(3)、高温回热器(4)、低温回热器(5)、冷凝器(6)、压气机(7)；所述高温透平(1)的进气口依次连接所述余热回收器(3)、所述高温回热器(4)、所述压气机(7)、所述冷凝器(6)，所述冷凝器(6)的进气口再依次连接所述高温回热器(4)、所述高温透平(1)的出气口，形成高温透平循环回路；所述低温透平(2)的进气口依次连接所述余热回收器(3)、所述低温回热器(5)、所述压气机(7)、所述冷凝器(6)；所述冷凝器(6)的进气口再依次连接所述低温回热器(5)、所述低温透平(2)的出气口，形成低温透平循环回路。

【技术特征摘要】
1.一种高低温超临界二氧化碳余热利用系统，其特征在于，包括高温透平(1)、低温透平(2)、余热回收器(3)、高温回热器(4)、低温回热器(5)、冷凝器(6)、压气机(7)；所述高温透平(1)的进气口依次连接所述余热回收器(3)、所述高温回热器(4)、所述压气机(7)、所述冷凝器(6)，所述冷凝器(6)的进气口再依次连接所述高温回热器(4)、所述高温透平(1)的出气口，形成高温透平循环回路；所述低温透平(2)的进气口依次连接所述余热回收器(3)、所述低温回热器(5)、所述压气机(7)、所述冷凝器(6)；所述冷凝器(6)的进气口再依次连接所述低温回热器(5)、所述低温透平(2)的出气口，形成低温透平循环回路；所述余热回收器(3)包括第一进气口(3a)、第一出气口(3b)、第二进气口(3c)、第二出气口(3d)，所述余热回收器(3)的内部设有连接于第一进气口(3a)和第一出气口(3b)之间的第一余热回收管道(3e)，所述余热回收器(3)的内部还设有连接于第二进气口(3c)和第二出气口(3d)之间的第二余热回收管道(3f)；所述高温回热器(4)上设有第三进气口(4a)、第三出气口(4b)、第四进气口(4c)、第四出气口(4d)；所述低温回热器(5)上设有第五进气口(5a)、第五出气口(5b)、第六进气口(5c)、第六出气口(5d)；所述高温透平(1)的进气口连接所述余热回收器(3)的第一出气口(3b)，所述余热回收器(3)的第一进气口(3a)连接所述高温回热器(4)的第四出气口(4d)，所述高温回热器(4)的第四进气口(4c)连接所述压气机(7)的出气口，所述压气机(7)的进气口连接所述冷凝器(6)的出气口；所述高温透平(1)的出气口连接所述高温回热器(4)的第三进气口(4a)，所述高温回热器(4)的第三出气口(4b)连接所述冷凝器(6)的进气口；所述低温透平(2)的进气口连接所述余热回收器(3)的第二出气口(3d)，所述余热回收器(3)的第二进气口(3c)连接所述低温回热器(5)的第六出气口(5d)，所述低温回热器(5)的第六进气口(5c...

【专利技术属性】
技术研发人员：易小兰，范世望，杨建道，何宏，夏晓华，
申请(专利权)人：上海汽轮机厂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31