[发明专利]一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法

说明书

一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法，该系统包括高温热源、汽轮机、回热系统、冷却系统、压缩机和低温泵；本发明还公开了该系统的工作方法。本发明是一种全新的热力循环系统，系统理论计算循环效率远远超过了同条件下现有的热力循环系统，且实现了零成本、100％的碳捕集；与现有超临界二氧化碳动力循环系统相比，仅低温泵到汽轮机入口段为高压运行，其余设备均为低压运行，高压设备数量大大减小，建设成本大大降低，安全性大幅提高；液化天然气、太空环境可在冷却系统中作为低温热源，在航天、航海等领域应用中性能优异、潜力巨大。

技术领域

本发明涉及热能动力工程领域，具体涉及一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环凭借其能量密度大、系统结构紧凑、循环效率较高的特点，有望取代蒸汽动力循环。但由于在超临界二氧化碳布雷顿循环中工质不能被加热到很高温度(低于620℃)，系统效率没有明显的竞争优势；压缩机功耗占比太大，严重影响系统效率；循环过程中工质压力全部位于临界压力以上，对各部件的材料提出更高要求，需要重新设计设备，投资成本很大。

关于Allam循环，Allam循环实际上就是一个富氧燃烧的布雷顿循环，其效率达到了59％，但这是在初温为1500℃、初压为30MPa的条件下得到的，且其循环过程工质压力全部大于临界压力，对设备的抗高温能力和承压能力提出了很高要求，实现的难度极大，不易于推广实施。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统及工作方法，高温热源可以将工质加热到600～1500℃；将以二氧化碳为循环工质的汽轮机的出口压力降到临界压力以下，从而提高汽轮机的比焓降；将二氧化碳冷却为饱和液体后再用低温泵加压，使压缩每单位质量二氧化碳的功耗大幅减少，且当高温热源采用天然气和氧气在超临界二氧化碳气氛中燃烧的燃烧方法时，可以将循环中多余的二氧化碳直接提出而无需再冷凝压缩，实现零成本的100％的碳捕集与封存；冷却系统可以采用太空环境、液化天然气作为冷源，有效利用了天然冷量，且使本循环可以在太空中应用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统，该系统包括高温热源A、汽轮机B、回热系统C、冷却系统D、压缩机E和低温泵F；

具体连接关系为：高温热源A出口连接汽轮机B入口，汽轮机B出口连接回热系统C放热侧一级入口，回热系统C放热侧的一级出口连接冷却系统D的放热侧一级入口，冷却系统D放热侧一级出口连接压缩机E入口，压缩机E出口连接回热系统C放热侧二级入口，回热系统C放热侧二级出口连接冷却系统D放热侧二级入口，冷却系统D放热侧二级出口连接低温泵F入口，低温泵F出口连接回热系统C吸热侧入口，回热系统C吸热侧出口连接高温热源A入口形成二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统回路。

所述汽轮机B出口压力为0.005～0.5MPa。

所述回热系统C包括若干换热器。

所述冷却系统D包括若干低温换热装置，冷源由外界提供。

所述冷却系统D放热侧一级出口温度不低于二氧化碳相图中气固平衡线上汽轮机B出口压力对应的温度。

所述压缩机E出口压力大于0.6MPa。

所述冷却系统D放热侧二级出口温度等于压缩机E出口压力对应的二氧化碳的饱和温度。

所述低温泵F出口压力为10～30MPa。

所述二氧化碳跨临界跨流态热力循环系统使用的工质为二氧化碳。