[发明专利]一种超高温氦气-超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统

说明书

本发明公开了一种超高温氦气‑超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统，能够在超高温条件下达到较高循环热效率，并达到较高的吸热工质吸热温差，实现循环系统与超高温塔式太阳能系统高效匹配；循环系统包括氦气布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环，氦气布雷顿循环作为顶循环，包括连接的He加热器和He透平，He加热器具有吸热工质侧和He侧，He加热器的吸热工质侧连接超高温塔式太阳能系统的太阳能吸热器，以将He工质最高加热到1300℃；超临界二氧化碳布雷顿循环作为底循环，包括SCOsubgt;2/subgt;加热器，SCOsubgt;2/subgt;加热器具有SCOsubgt;2/subgt;侧和He侧，SCOsubgt;2/subgt;加热器的He侧连接He透平，以将SCOsubgt;2/subgt;工质最高加热到550℃～800℃。

技术领域

本发明涉及热能动力循环技术领域，具体涉及一种超高温氦气-超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统。

背景技术

化石燃料燃烧排放的二氧化碳、氮氧化物等导致了严重的环境问题。为了缓解环境问题，全球能源结构正在向可再生能源转变，例如风能，太阳能等。聚光太阳能发电技术是一种快速发展的太阳能发电技术。在所有的太阳能发电技术中，塔式太阳能发电技术是一种具有大规模高效发电潜力的聚光太阳能发电技术。在当前的商用塔式系统中，吸热工质在565℃以下的温度驱动蒸汽朗肯循环，其汽轮机入口温度和循环热效率分别小于550℃和44％。近年来，超临界二氧化碳(SCO₂)布雷顿循环成为替代塔式系统中传统蒸汽朗肯循环的一种有前景的方法，有望在透平入口温度大于700℃时达到50％以上的循环热效率。但是，循环热效率仍被塔式系统最高运行温度限制在较低的范围内。

为了进一步提高塔式系统的竞争力，近年来，已有研究提出了一种运行温度可达1350℃以上的“新型超高温塔式系统概念”，有望将热电转换效率提高到60％以上。然而，在超高温塔式系统中，循环系统的运行温度将超过超临界二氧化碳布雷顿循环的最佳范围，导致其热效率将低于氦气布雷顿循环，同时超临界二氧化碳工质可能会与材料发生反应。因此氦气(He)布雷顿循环更适用于超高温塔式系统。然而，当氦气布雷顿循环集成到超高温塔式系统中时，氦气加热器两端的吸热工质吸热温差会被限制在几百摄氏度，不能满足超高温塔式系统所需求的1000℃左右的吸热工质吸热温差，这表示氦气布雷顿循环与塔式系统中的蓄热子系统的结合能力较差。鉴于此，需要设计一种能在超高温条件下具有较高的循环热效率且具有较高的吸热工质吸热温差的循环系统。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种超高温氦气-超临界二氧化碳联合布雷顿循环系统，能够在超高温条件下达到较高循环热效率，同时达到较高的吸热工质吸热温差，实现了循环系统与超高温塔式太阳能系统的高效匹配。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括氦气布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿循环，氦气布雷顿循环作为顶循环，氦气布雷顿循环包括连接的He加热器和He透平，He加热器具有吸热工质侧和He侧，He加热器的吸热工质侧连接超高温塔式太阳能系统的太阳能吸热器，以太阳能吸热器出口的吸热工质作为热源将He工质最高加热到1300℃；超临界二氧化碳布雷顿循环作为底循环，超临界二氧化碳布雷顿循环包括SCO₂加热器，SCO₂加热器具有SCO₂侧和He侧，SCO₂加热器的He侧连接He透平，以He透平出口处的He工质作为热源将SCO₂工质最高加热到550℃～800℃。

进一步地，所述He加热器的He侧出口连接He透平的入口，He透平的出口连接SCO₂加热器的He侧入口，SCO₂加热器的He侧出口连接He回热器的低压侧入口，He回热器的低压侧出口连接He预冷器的入口，He预冷器的出口连接第一He压缩机的入口，第一He压缩机的出口连接He中冷器的入口，He中冷器的出口连接第二He压缩机的入口，第二He压缩机的出口连接He回热器的高压侧入口，He回热器的高压侧出口连接He加热器的He侧入口。