本實(shí)用新型涉及一種系統(tǒng)，具體涉及一種用于余熱回收的超臨界CO2與有機(jī)朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
余熱熱源普遍存在于當(dāng)今工業(yè)及其它領(lǐng)域當(dāng)中，在能源匱乏及環(huán)境危機(jī)的大背景下，提高能源利用率，降低燃料消耗量日益受到人們的重視，余熱利用就是提高能源利用效率的重要手段。余熱利用已有多年歷史，并且也有很多成熟的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)的余熱利用主要采用傳統(tǒng)的蒸氣鍋爐和汽機(jī)，熱源主要是針對(duì)鋼鐵、水泥、燃?xì)廨啓C(jī)尾氣等高溫?zé)嵩矗瑹嵩礈囟榷嘣?00℃到580℃之間。在新型余熱回收系統(tǒng)中國(guó)外多采用ORC技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)雖未普遍應(yīng)用但也在推廣之中。ORC系統(tǒng)被公認(rèn)為是一種對(duì)于低溫?zé)嵩礋嵝瘦^高的熱力循環(huán)形式，它采用具有大分子量、低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)代替水作為循環(huán)介質(zhì)，具有設(shè)備緊湊的特點(diǎn)。雖然對(duì)于中低溫?zé)嵩碠RC的熱效率高于普通水蒸氣朗肯循環(huán)效率，但其適用溫度多為300℃以下，對(duì)于高于400℃的中高溫?zé)嵩?，多?shù)有機(jī)工質(zhì)都存在熱分解問(wèn)題。因此對(duì)于高于400℃的余熱熱源若完全直接用ORC回收余熱發(fā)電將比較困難，需要尋找更加合適的熱力循環(huán)和工質(zhì)以改進(jìn)余熱回收的綜合性能。
目前在眾多熱力循環(huán)當(dāng)中，超臨界布雷頓循環(huán)是一種最有優(yōu)勢(shì)的循環(huán)形式。新型超臨界工質(zhì)(二氧化碳、氦氣和氧化二氮等)具有能量密度大，傳熱效率高，系統(tǒng)簡(jiǎn)單等先天優(yōu)勢(shì)，可以大幅提高熱功轉(zhuǎn)換效率，減小設(shè)備體積，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。并且二氧化碳等工質(zhì)在目前余熱回收領(lǐng)域的溫度范圍內(nèi)熱物性十分穩(wěn)定，不存在熱分解問(wèn)題，完全可以用于高溫部分熱量回收。但根據(jù)目前國(guó)際上已有的關(guān)于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)直接用于余熱回收的研究來(lái)看，其存在著回?zé)崞魑鼰醾?cè)出口溫度太高的問(wèn)題，這將嚴(yán)重影響二氧化碳工質(zhì)對(duì)于余熱熱源熱量的吸收量，進(jìn)而影響發(fā)電量。盡管韓國(guó)、EPRI等國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)此問(wèn)題改進(jìn)了二氧化碳循環(huán)布局，但改進(jìn)后的循環(huán)非常復(fù)雜，難以控制，同時(shí)其性能將在很大程度上依賴于壓縮機(jī)中間冷卻技術(shù)及其效果，倘若冷卻效果稍有偏差，都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的影響。因此完全依靠超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)回收余熱發(fā)電也存在著固有的缺陷。
若可以將超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)和ORC結(jié)合，則可以更好的適應(yīng)中溫到高溫段余熱熱源的熱量回收利用，提高熱效率，使設(shè)備緊湊并且控制靈活。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種優(yōu)于目前余熱回收常用的水蒸氣動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的用于余熱回收的超臨界CO2與有機(jī)朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)與有機(jī)朗肯循環(huán)的結(jié)合，可以有效的增加余熱熱源的熱源利用率，并且使系統(tǒng)更加緊湊，靈活控制。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案：
用于余熱回收的超臨界CO2與有機(jī)朗肯聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，包括高溫余熱換熱器、第一低溫余熱換熱器、第二低溫余熱換熱器、有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)以及超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)；
高溫余熱換熱器熱源側(cè)出口分別與第一低溫余熱換熱器和第二低溫余熱換熱器熱源側(cè)入口相連通；
高溫余熱換熱器二氧化碳側(cè)的出口與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)入口相連通，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)出口分為兩路，一路與第一低溫余熱換熱器的工質(zhì)側(cè)入口相連通，另一路與高溫余熱換熱器二氧化碳側(cè)的入口相連通；
第二低溫余熱換熱器的有機(jī)工質(zhì)側(cè)出口與有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)入口相連，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)出口與第二低溫余熱換熱器的有機(jī)工質(zhì)側(cè)入口連通。
本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述第一低溫余熱換熱器和第二低溫余熱換熱器并聯(lián)。
本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)包括二氧化碳透平、回?zé)崞鳌㈩A(yù)冷器以及壓縮機(jī)；
二氧化碳透平的透平入口與高溫余熱換熱器二氧化碳側(cè)的出口相連通，二氧化碳透平的出口與回?zé)崞鞯姆艧醾?cè)入口相連通，回?zé)崞鞯姆艧醾?cè)出口與預(yù)冷器的工質(zhì)側(cè)入口相連通，預(yù)冷器的工質(zhì)側(cè)出口與壓縮機(jī)的入口相連通，壓縮機(jī)的出口分為兩路，一路與回?zé)崞鞯奈鼰醾?cè)入口相連通，回?zé)崞鞯奈鼰醾?cè)出口與高溫余熱換熱器二氧化碳側(cè)的入口相連通；另一路與第一低溫余熱換熱器的工質(zhì)側(cè)入口相連通，第一低溫余熱換熱器工質(zhì)側(cè)出口也與高溫余熱換熱器二氧化碳側(cè)的入口相連通。
本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)在于，所述有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括有機(jī)朗肯循環(huán)透平、冷凝器以及有機(jī)工質(zhì)泵，第二低溫余熱換熱器的有機(jī)工質(zhì)側(cè)出口與有機(jī)朗肯循環(huán)透平的入口相連通，有機(jī)朗肯循環(huán)透平的出口與冷凝器的入口連通，冷凝器的出口與有機(jī)工質(zhì)泵的入口相連通，有機(jī)工質(zhì)泵的出口與第二低溫余熱換熱器的有機(jī)工質(zhì)側(cè)入口連通。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果：
本實(shí)用新型將余熱熱源分為高溫和低溫兩部分，余熱熱源的放熱工質(zhì)由高溫余熱換熱器熱源側(cè)入口輸入，在高溫余熱換熱器中將熱量傳遞給超臨界二氧化碳工質(zhì)后由出口流出并分為兩路，分別進(jìn)入與超臨界二氧化碳工質(zhì)換熱的低溫余熱換熱器和與有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)換熱的低溫余熱換熱器，兩個(gè)低溫余熱換熱器并聯(lián)，最后余熱熱源廢氣由出口排出。
本實(shí)用新型運(yùn)行過(guò)程中，在熱源不穩(wěn)定時(shí)，聯(lián)合系統(tǒng)中兩個(gè)循環(huán)的發(fā)電量比例可以靈活變化以適應(yīng)溫度范圍的變換。當(dāng)熱源溫度保持較高時(shí)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)透平入口溫度可以較高，其發(fā)電量比例也可以保持較高，以充分利用熱源高溫段熱量；當(dāng)熱源有波動(dòng)，余熱熱源溫度低于預(yù)期值是，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)透平入口溫度較低，其發(fā)電比例也降低，大部分發(fā)電將由ORC部分承擔(dān)；當(dāng)熱源溫度低于ORC循環(huán)設(shè)計(jì)最高溫度以下后，則可以由ORC承擔(dān)全部發(fā)電量。并且在熱源溫度和熱量變化過(guò)程中，兩個(gè)循環(huán)中各自工質(zhì)的流量可以隨著熱源相應(yīng)的變化以達(dá)到最佳功率匹配點(diǎn)。
本實(shí)用新型結(jié)合超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了對(duì)方在余熱回收時(shí)的缺陷。相對(duì)于現(xiàn)有的水蒸氣循環(huán)余熱回收系統(tǒng)，可以有效的提高發(fā)電功率，尤其是在余熱熱源不穩(wěn)定或者溫度較低時(shí)，較水蒸氣循環(huán)余熱回收系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，同時(shí)系統(tǒng)體積小、緊湊，便于控制。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1為二氧化碳透平、2為回?zé)崞鳌?為預(yù)冷器、4為壓縮機(jī)、5為高溫余熱換熱器、6為第一低溫余熱換熱器、7為第二低溫余熱換熱器、8為機(jī)朗肯循環(huán)透平、9為冷凝器、10為有機(jī)工質(zhì)泵。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
參考圖1，本實(shí)用新型包括高溫余熱換熱器5、第一低溫余熱換熱器6、第二低溫余熱換熱器7、有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)以及超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)；
余熱熱源的放熱工質(zhì)由高溫余熱換熱器熱源側(cè)入口輸入，高溫余熱換熱器5熱源側(cè)出口分別與第一低溫余熱換熱器6和第二低溫余熱換熱器7熱源側(cè)入口相連通，第一低溫余熱換熱器6和第二低溫余熱換熱器7并聯(lián)。
高溫余熱換熱器5二氧化碳側(cè)的出口與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)入口相連通，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)出口分為兩路，一路與第一低溫余熱換熱器6的工質(zhì)側(cè)入口相連通，另一路與高溫余熱換熱器5二氧化碳側(cè)的入口相連通；
第二低溫余熱換熱器7的有機(jī)工質(zhì)側(cè)出口與有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)入口相連，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)出口與第二低溫余熱換熱器7的有機(jī)工質(zhì)側(cè)入口連通。
具體的，所述超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)包括二氧化碳透平1、回?zé)崞?、預(yù)冷器3以及壓縮機(jī)4；二氧化碳透平1的透平入口與高溫余熱換熱器5二氧化碳側(cè)的出口相連通，二氧化碳透平1的出口與回?zé)崞?的放熱側(cè)入口相連通，回?zé)崞?的放熱側(cè)出口與預(yù)冷器3的工質(zhì)側(cè)入口相連通，預(yù)冷器3的工質(zhì)側(cè)出口與壓縮機(jī)4的入口相連通，壓縮機(jī)4的出口分為兩路，一路與回?zé)崞?的吸熱側(cè)入口相連通，回?zé)崞?的吸熱側(cè)出口與高溫余熱換熱器5二氧化碳側(cè)的入口相連通，壓縮機(jī)4出口的另一路與第一低溫余熱換熱器6的工質(zhì)側(cè)入口相連通，低溫余熱換熱器第一工質(zhì)側(cè)出口也與高溫余熱換熱器5二氧化碳側(cè)的入口相連通。
所述有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括有機(jī)朗肯循環(huán)透平8、冷凝器9以及有機(jī)工質(zhì)泵10，第二低溫余熱換熱器7的有機(jī)工質(zhì)側(cè)出口與有機(jī)朗肯循環(huán)透平8的入口相連通，有機(jī)朗肯循環(huán)透平8的出口與冷凝器9的入口連通，冷凝器9的出口與有機(jī)工質(zhì)泵10的入口相連通，有機(jī)工質(zhì)泵10的出口與第二低溫余熱換熱器7的有機(jī)工質(zhì)側(cè)入口連通。
本實(shí)用新型的具體工作過(guò)程為：
含有高溫余熱的工質(zhì)首先由高溫余熱換熱器5熱源側(cè)入口輸入，在高溫余熱換熱器5中將熱量傳遞給超臨界二氧化碳工質(zhì)后由出口分為兩路，一路進(jìn)入第一低溫余熱換熱器6將低溫?zé)崃總鬟f給部分低溫超臨界二氧化碳工質(zhì)，另一路進(jìn)入第二低溫余熱換熱器7，在第二低溫余熱換熱器7中將熱量傳遞給有機(jī)工質(zhì)。
超臨界二氧化碳工質(zhì)在高溫余熱換熱器5中被加熱為高溫后進(jìn)入二氧化碳透平1，在二氧化碳透平1中做功后依次進(jìn)入回?zé)崞?和預(yù)冷器3被冷卻，被冷卻的工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)4，被增壓后分為兩路，一路進(jìn)入回?zé)崞?吸熱側(cè)吸熱，一路進(jìn)入第一低溫余熱換熱器6工質(zhì)側(cè)吸熱，兩路工質(zhì)吸收低溫余熱后匯合并再次進(jìn)入高溫余熱換熱器5的二氧化碳側(cè)吸收余熱熱源熱量重新變?yōu)楦邷爻R界二氧化碳流體。
有機(jī)工質(zhì)在第二低溫余熱換熱器7中的有機(jī)工質(zhì)側(cè)被加熱為高溫有機(jī)工質(zhì)后進(jìn)入有機(jī)朗肯循環(huán)透平8中做功，做功后的低壓有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器9，在冷凝器被冷卻為液態(tài)后由有機(jī)工質(zhì)泵10增壓至高壓，高壓有機(jī)工質(zhì)再次進(jìn)入第二低溫余熱換熱器7的有機(jī)工質(zhì)側(cè)吸收熱量，重新被加熱至高溫有機(jī)工質(zhì)。
運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)熱源不穩(wěn)定時(shí)，所述聯(lián)合系統(tǒng)中兩個(gè)循環(huán)的發(fā)電量比例可以靈活變化以適應(yīng)溫度范圍的變換。當(dāng)熱源溫度保持較高時(shí)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)透平入口溫度可以較高，其發(fā)電量比例也可以保持較高，以充分利用熱源高溫段熱量；當(dāng)熱源有波動(dòng)，余熱熱源溫度低于預(yù)期值時(shí)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)透平入口溫度較低，其發(fā)電比例也降低，大部分發(fā)電將由ORC部分承擔(dān)；當(dāng)熱源溫度低于ORC循環(huán)設(shè)計(jì)最高溫度以下后，則可以由ORC承擔(dān)全部發(fā)電量。并且在熱源溫度和熱量變化過(guò)程中，兩個(gè)循環(huán)中各自工質(zhì)的流量可以隨著熱源相應(yīng)的變化以達(dá)到最佳功率匹配點(diǎn)。
以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。