[发明专利]一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法

说明书

本发明公开了液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法，针对传统闭式循环的设备耦合性极强，循环中某一设备发生故障时，其余设备影响较大，另外闭式系统的负荷调解的难度较大的问题，通过半闭式循环将液态CO₂暂存于储罐中，实现了液体泵与发电装置之间的解耦，当发电装置出现故障时，储罐的存在有效增加了系统的缓冲。而且，液体泵可独立于发电装置外进行负荷调节动作，从而使系统负荷调节简单可靠。另外，采用旁路加热器，热量来源于冷却器的废热，实现了热量的最大化利用，同时也降低了系统的耗能。

技术领域

本发明属于发电的技术领域，尤其涉及一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法。

背景技术

超临界二氧化碳布雷顿循环(Supercritical carbon dioxide,sCO₂)在1968年由Angelino G等提出，但限于当时的材料等技术水平无法在工程上实现。随着现有技术的不断进步，sCO₂循环在工程上的实现成为可能。国内外学者近年来进行了大量sCO₂循环的研究。相比于蒸汽朗肯循环，sCO₂具有以下优势：(1)二氧化碳化学性质不活泼，安全无毒，在超临界状态下腐蚀性较小，可在蒸汽循环同等材料内实现更高的循环参数，从而提高发电效率。(2)超临界二氧化碳是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，因而消耗的压缩功较小。(3)超临界二氧化碳循环气体参数全部处于临界点之上(7.38MPa,31℃)，因而其发电和换热设备的尺寸更小，重量更轻。(4)无需大量水资源，在空冷条件下也可获得较高的发电效率。(5)系统应对负荷变化调整迅速、支持快速启停。(6)在600℃以上，sCO₂循环效率高于蒸汽朗肯循环，且当温度达到700℃以上时，sCO₂循环效率可达50％以上。

sCO₂循环中压缩机是制造难点之一，其制造难度大，设备需重新开发，且耗能远高于传统泵。另外为防止循环系统回热器的夹点问题(夹点问题是指回热器中最小温差的位置不在回热器两端，而在回热器内部某个位置；当最小温差的位置在回热器内部时，无法确定该最小温差的大小和位置，给回热器的设计带来难度，且会恶化换热)，再压缩循环布置是普遍的解决方式。但是需要增加一台再压缩机，由于其入口sCO₂未经过预冷器冷却，效率较低。另外，由于传统sCO₂循环采用闭式循环，系统耦合性极强，某一设备性能波动时，其他设备也受到相应影响，系统稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统及方法，在解决回热器夹点问题的同时，解决压缩机耗能高，效率低等问题。同时，采用半封闭式的sCO₂循环系统，实现关键设备的解耦，增加系统稳定性。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种液态及超临界态二氧化碳的混合循环发电系统，包括：发电装置、热量回收装置、热源、冷却器、储罐、液体泵超临界态发生器及旁路加热器；

所述发电装置的出口与所述热量回收装置连通，所述热量回收装置包括依次相连的高温回热器及低温回热器，所述发电装置将高温低压的sCO₂依次通过所述高温回热器及所述低温回热器进行热量回收；

所述低温回热器的第一出口经所述冷却器与所述储罐的入口连通，所述储罐的出口经所述液体泵与所述超临界态发生器连通；所述液体泵对储罐中的液态二氧化碳进行压缩，输出高压的液态二氧化碳；所述超临界态发生器将液态二氧化碳升温至超临界态二氧化碳sCO₂；

所述超临界态发生器的第一出口经第一支路和第二支路分别与所述低温回热器的第二入口及所述旁路加热器的第一入口连通；经过所述旁路加热器的sCO₂与经过所述低温回热器的sCO₂于通往所述高温回热器的第二入口的管道中汇合；