[发明专利]一种采用超临界二氧化碳的多级压缩循环发电方法

说明书

本发明的一种采用超临界二氧化碳的多级压缩循环发电方法，属于废热发电技术领域。所述方法为：在发电单元中高温的S‑CO₂工质推动汽轮机进行发电；发电降温后的S‑CO₂工质进入循环单元，并在循环单元中进行分流，分流后的支路A中的S‑CO₂工质进行换热、压缩，支路B中的S‑CO₂工质进行多级冷却、压缩，支路A和支路B中的S‑CO₂工质混合循环至发电单元。本方法克服了超临界二氧化碳布雷顿循环中汽轮机出口工质压力与压缩机入口工质压力相互依赖、参数不能独立调节的问题，使得系统的循环效率大大提高。

技术领域

本发明属于废热发电技术领域，具体来说是一种采用超临界二氧化碳的多级压缩循环发电方法。

背景技术

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。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℃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。

“能源、环境与发展”是当今世界所面临的三大主题。能源的高效利用主要是通过热力学循环系统实现的，为了更有效地提高能源转换效率，先后出现了朗肯循环、布雷顿循环等能量转换系统。对于传统的蒸汽朗肯循环发电系统，在高温下，蒸汽将与金属材料发生反应而使材料发生腐蚀。如蒸汽朗肯循环的600℃超超临界机组，采用铁素体合金钢(80％)和奥氏体合金钢(20％)材料的高温段设备制造成本约占50％，折合1000元/kW；鉴于高温下材料腐蚀问题的限制，700℃超超临界机组的高温段合金材料替换为铁素体合金钢(56％)、镍基高温合金(29％)和奥氏体合金钢(15％)后，由于镍基合金材料部分的相关成本将上升10倍以上，高温段设备成本将上升3700元/kW以上，建设成本也将相应上升至7700元/kW以上。综合材料、经济效益等因素的限制，要提高发电效率存在较大困难，而采用布雷顿循环可以达到更高的发电效率。利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳(CO₂)由于其临界压力相对适中(7.38MPa)，具有较好的稳定性和物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳(S-CO₂)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO₂)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小。布雷顿循环每个组合可以产出20MW的电力，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿(Brayton)循环轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环轮机。

经检索，发明创造名称为：一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统(申请号为：201410494094.2，申请日为：2014.09.24)，该申请案公开了一种利用太阳能的热量与和超临界二氧化碳布雷顿循环发电相互结合。可以提高能源利用率，是一种不可多得的发电新思路，但是该申请案的不足之处在于太阳能有很大局限性，天气不好，阴雨天的时候会对发电产生一定的影响，使得调节系统的稳定成为问题，且只设有一个回热器，存在“夹点”问题。