[发明专利]利用二氧化碳工作流体的用于功率产生的系统和方法

说明书

本公开涉及利用循环工作流体的用于功率产生的系统和方法。特别地，一部分循环工作流体可与循环工作流体的主流分离成为旁路流，该旁路流可被压缩以向系统添加热量。

技术领域

本公开涉及利用二氧化碳工作流体的用于功率产生的系统和方法。

背景技术

在功率产生中将CO₂(特别是超临界形式)用作工作流体已被证明是一种高效的功率产生的方法。参见例如授予Allam等人的第8,596,075号美国专利，其公开内容通过引用并入本文，该专利描述了直接加热的CO₂工作流体在回热氧-燃料布雷顿循环功率产生系统中的使用，其中几乎没有任何气流排放到大气。为了提高处理效率，这样的系统和方法通常使用低于约400℃的温度的大量的热输入。这种附加的低温热输入已用于补偿在回热式热交换器中的传热过程中高压循环CO₂流和低压涡轮机排气流在较低绝对温度下的比热比的快速增加。

例如，当考虑300巴的循环CO₂压力和30巴的涡轮机排气压力时，回热式热交换器在700℃的热端的CO₂的比热比为1.032，而在100℃的冷端附近的比热比为1.945。这一增加意味着涡轮机排气流在回热式热交换器的低温端不再具有足够的热量，以提供使总循环高压CO₂流的温度升高所需的热量的约一半以上的热量，以及不再具有燃料气体燃烧所需的氧气。

如上所述，在过去已经使用各种添加热量的手段来补偿上述缺陷。然而，用于提供附加热量的已知方法具有各种缺点，包括需要大量的功率消耗，由于需要增加设备而导致成本增加以及工艺的复杂性增加。例如，已知的系统已经从空气分离装置向功率产生系统提供了附加的加热，但利用这种附加的加热源可能需要专门的控制，特别是在电力需求迅速变化时。因此，在本领域中仍然需要具有提高的效率的用于功率产生的其他系统和方法，特别是提供利用工作流体(例如二氧化碳)提供功率循环中可能需要的附加加热的方法的系统和方法。

发明内容

本公开涉及用于功率产生的系统和方法，其中，利用二氧化碳(CO₂)工作流体。用作工作流体的CO₂流是一种循环的CO₂流，其被压缩，在反应器中利用燃烧(例如，碳氢燃料或其他燃料的燃烧)的热量被加热，膨胀以用于涡轮机中的功率产生，在回热式热交换器中被冷却，被净化(例如，通过除去水、过量的二氧化碳或其他材料)，然后通过在回热式热交换器中加热被压缩和循环。在一些实施例中，可存在于燃料中的氢和碳燃烧产生的液态水和高压CO₂可作为功率循环的独立产物而提供。本发明的系统和方法可特别地针对与热交换系统的配置联接的CO₂流压缩系统的配置进行定义，特别是在回热式热交换器的低温端。这些配置有利地可达到并超过在已知功率循环中可见的效率，而无需从气流的绝热压缩获得的外部提供的热量。

在一个或多个实施例中，回热式热交换器可具有第一热端部分。该热端部分可在一个功能长度上定义，该功能长度逐渐冷却，并延伸至涡轮机出口流(正被冷却)和循环的CO₂流(正被加热)的温度大致相等的点——例如，两股流的温差在约2℃至约20℃的范围内。该点可被定义为回热式热交换器的“夹点(pinch point)”。回热式热交换器的该部分中的温差从定义的热端温差开始，但随高压循环CO₂流和冷却涡轮机出口流的比热比在较低温度下增加而在热端部分的整个功能长度上变化。