超临界二氧化碳循环系统

技术领域

本发明涉及超临界二氧化碳循环技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳循环系统。

背景技术

超临界二氧化碳(sCO

超临界二氧化碳布雷顿循环是以sCO

公布号为CN105443170A的发明专利申请公开了一种高低温超临界二氧化碳余热利用系统，其包括高温透平、低温透平、余热回收器、高温回热器、低温回热器、冷凝器和压气机，高温透平的进气口依次连接余热回收器、高温回热器、压气机、冷凝器，冷凝器的进气口再依次连接高温回热器、高温透平的出气口，形成高温透平循环回路；低温透平的进气口依次连接余热回收器、低温回热器、压气机、冷凝器，冷凝器的进气口再依次连接低温回热器、低温透平的出气口，形成低温透平循环回路。该系统中，进入高温透平做功后的CO

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超临界二氧化碳循环系统，能够优化能源利用率、提高循环效率，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种超临界二氧化碳循环系统，包括热源高温段、高温透平、第一回热器、第二回热器、冷却器、主压缩机和再压缩机，热源高温段的出气口连接高温透平的进气口，高温透平的排气口连接第一回热器的热端入口，第一回热器的热端出口连接第二回热器的热端入口，第二回热器的热端出口同时连接冷却器的入口和再压缩机的入口，冷却器的出口连接主压缩机的入口，主压缩机的出口连接第二回热器的冷端入口，第二回热器的冷端出口和再压缩机的出口均连接第一回热器的冷端入口，第一回热器的冷端出口连接热源高温段的进气口。

优选地，第二回热器的热端出口通过第一分流器同时连接冷却器的入口和再压缩机的入口。

优选地，第二回热器的冷端出口和再压缩机的出口均通过第一汇流器连接第一回热器的冷端入口。

优选地，还包括热源低温段、低温透平和第三回热器，热源低温段的出气口连接低温透平的进气口，低温透平的排气口连接第三回热器的热端入口，第三回热器的热端出口连接冷却器的入口，第三回热器的冷端入口连接主压缩机的出口，第三回热器的冷端出口连接热源低温段的进气口。

优选地，第三回热器的热端出口、第二回热器的热端出口均通过第二汇流器连接冷却器的入口。

优选地，主压缩机的出口通过第二分流器连接第二回热器的冷端入口和第三回热器的冷端入口。

与现有技术相比，本发明具有显著的进步：

本发明的超临界二氧化碳循环系统将高温透平的排气分为两股，其中一股依次经过冷却器冷却降温、主压缩机升压和第二回热器的第二冷端通道吸热，另一股则直接经过再压缩机升压，而后，两股气体在第一回热器的冷端入口前汇流合成一股后进入第一回热器的第一冷端通道吸热。通过将高温透平的部分排气直接引入再压缩机升压，而不经过冷却器降温耗能，可以有效提高循环效率，使高温透平排气余热的回收利用更加彻底，实现高品位能源的高效利用。

附图说明

图1是本发明实施例的超临界二氧化碳循环系统的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、热源高温段 1a、热源高温段的进气口

1b、热源高温段的出气口 2、高温透平

2a、高温透平的进气口 2b、高温透平的排气口

3、第一回热器 3a、第一回热器的热端入口

3b、第一回热器的热端出口 3c、第一回热器的冷端入口

3d、第一回热器的冷端出口 4、第二回热器

4a、第二回热器的热端入口 4b、第二回热器的热端出口

4c、第二回热器的冷端入口 4d、第二回热器的冷端出口

5、冷却器 5a、冷却器的入口

5b、冷却器的出口 6、主压缩机

6a、主压缩机的入口 6b、主压缩机的出口

7、再压缩机 7a、再压缩机的入口

7b、再压缩机的出口 8、第一分流器

9、第一汇流器 10、热源低温段

10a、热源低温段的进气口 10b、热源低温段的出气口

11、低温透平 11a、低温透平的进气口

11b、低温透平的排气口 12、第三回热器

12a、第三回热器的热端入口 12b、第三回热器的热端出口

12c、第三回热器的冷端入口 12d、第三回热器的冷端出口

13、第二汇流器 14、第二分流器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明的超临界二氧化碳循环系统的一种实施例。

本实施例的超临界二氧化碳循环系统包括热源高温段1、高温透平2、第一回热器3、第二回热器4、冷却器5、主压缩机6和再压缩机7。

其中，热源高温段1具有进气口1a和出气口1b，热源高温段1的进气口1a和出气口1b相连通形成循环工质加热通道，作为循环工质的二氧化碳气体可以从热源高温段1的进气口1a进入该循环工质加热通道，并在流经该循环工质加热通道的过程中与热源高温段1的高温热源进行热交换，吸收高温热源的热量形成高温气体后从热源高温段1的出气口1b流出。

高温透平2具有进气口2a和排气口2b，二氧化碳工质可以从高温透平2的进气口2a进入高温透平2内做功，将热能转化成机械能，做功后的气体从高温透平2的排气口2b排出。

第一回热器3具有热端入口3a、热端出口3b、冷端入口3c和冷端出口3d。第一回热器3的热端入口3a和热端出口3b相连通构成第一热端通道，温度相对较高的二氧化碳工质可以从第一回热器3的热端入口3a进入该第一热端通道，并从第一回热器3的热端出口3b流出。第一回热器3的冷端入口3c和冷端出口3d相连通构成第一冷端通道，温度相对较低的二氧化碳工质可以从第一回热器3的冷端入口3c进入该第一冷端通道，并从第一回热器3的冷端出口3d流出。高、低温的二氧化碳工质分别流经第一回热器3的第一热端通道和第一冷端通道时进行热交换，分别释放和吸收热量。

第二回热器4具有热端入口4a、热端出口4b、冷端入口4c和冷端出口4d。第二回热器4的热端入口4a和热端出口4b相连通构成第二热端通道，温度相对较高的二氧化碳工质可以从第二回热器4的热端入口4a进入该第二热端通道，并从第二回热器4的热端出口4b流出。第二回热器4的冷端入口4c和冷端出口4d相连通构成第二冷端通道，温度相对较低的二氧化碳工质可以从第二回热器4的冷端入口4c进入该第二冷端通道，并从第二回热器4的冷端出口4d流出。高、低温的二氧化碳工质分别流经第二回热器4的第二热端通道和第二冷端通道时进行热交换，分别释放和吸收热量。

冷却器5具有入口5a和出口5b，二氧化碳工质可以从冷却器5的入口5a进入冷却器5，在冷却器5内冷却降温后从冷却器5的出口5b流出。

主压缩机6具有入口6a和出口6b，二氧化碳工质可以从主压缩机6的入口6a进入主压缩机6，在主压缩机6内压缩升压后从主压缩机6的出口6b流出。

再压缩机7具有入口7a和出口7b，二氧化碳工质可以从再压缩机7的入口7a进入再压缩机7，在再压缩机7内压缩升压后从再压缩机7的出口7b流出。

本实施例中，热源高温段1的出气口1b连接高温透平2的进气口2a，高温透平2的排气口2b连接第一回热器3的热端入口3a，第一回热器3的热端出口3b连接第二回热器4的热端入口4a，第二回热器4的热端出口4b同时连接冷却器5的入口5a和再压缩机7的入口7a。优选地，第二回热器4的热端出口4b可以通过第一分流器8同时连接冷却器5的入口5a和再压缩机7的入口7a，通过第一分流器8将从第二回热器4的热端出口4b流出的二氧化碳工质分为两股，并使两股二氧化碳工质分别进入冷却器5的入口5a和再压缩机7的入口7a，第一分流器8可以采用三通阀。冷却器5的出口5b连接主压缩机6的入口6a，主压缩机6的出口6b连接第二回热器4的冷端入口4c，第二回热器4的冷端出口4d和再压缩机7的出口7b均连接第一回热器3的冷端入口3c。优选地，第二回热器4的冷端出口4d和再压缩机7的出口7b可以均通过第一汇流器9连接第一回热器3的冷端入口3c，通过第一汇流器9将从第二回热器4的冷端出口4d流出的二氧化碳工质和从再压缩机7的出口7b流出的二氧化碳工质汇流合成一股，并使合成一股后的二氧化碳工质进入第一回热器3的冷端入口3c，第一汇流器9可以采用三通阀。第一回热器3的冷端出口3d连接热源高温段1的进气口1a。由此形成高温透平循环回路，其循环过程具体如下。

在热源高温段1吸收热量后的二氧化碳工质具有很高的温度和压力，其从热源高温段1的出气口1b流出，并从高温透平2的进气口2a进入高温透平2内做功。做功后的二氧化碳工质从高温透平2的排气口2b排出，并依次流经第一回热器3的第一热端通道(第一回热器3的热端入口3a至热端出口3b)、第二回热器4的第二热端通道(第二回热器4的热端入口4a至热端出口4b)。从第二回热器4的热端出口4b流出的二氧化碳工质经第一分流器8分流成两股，其中一股进入冷却器5的入口5a，在冷却器5内冷却降温后从冷却器5的出口5b流出，随后进入主压缩机6的入口6a，在主压缩机6内压缩升压后从主压缩机6的出口6b流出，接着流经第二回热器4的第二冷端通道(第二回热器4的冷端入口4c至冷端出口4d)并吸收流经第二回热器4的第二热端通道的二氧化碳工质的热量；另外一股则进入再压缩机7的入口7a，在再压缩机7内压缩升压后从再压缩机7的出口7b流出。从第二回热器4的冷端出口4d流出的二氧化碳工质和从再压缩机7的出口7b流出的二氧化碳工质经第一汇流器9汇流合成一股后流经第一回热器3的第一冷端通道(第一回热器3的冷端入口3c至冷端出口3d)并吸收流经第一回热器3的第一热端通道的二氧化碳工质的热量。从第一回热器3的冷端出口3d流出的二氧化碳工质从热源高温段1的进气口1a进入热源高温段1吸收热量，而后开始新的循环。

本实施例的超临界二氧化碳循环系统将高温透平2的排气分为两股，其中一股依次经过冷却器5冷却降温、主压缩机6升压和第二回热器4的第二冷端通道吸热，另一股则直接经过再压缩机7升压，而后，两股气体在第一回热器3的冷端入口3c前汇流合成一股后进入第一回热器3的第一冷端通道吸热。通过将高温透平2的部分排气直接引入再压缩机7升压，而不经过冷却器5降温耗能，可以有效提高循环效率，使高温透平2排气余热的回收利用更加彻底，实现高品位能源的高效利用。

优选地，本实施例的超临界二氧化碳循环系统还包括热源低温段10、低温透平11和第三回热器12。

其中，热源低温段10具有进气口10a和出气口10b，热源低温段10的进气口10a和出气口10b相连通形成循环工质加热通道，作为循环工质的二氧化碳气体可以从热源低温段10的进气口10a进入该循环工质加热通道，并在流经该循环工质加热通道的过程中与热源低温段10的低温热源进行热交换，吸收低温热源的热量后从热源低温段10的出气口10b流出。热源低温段10热源的温度低于热源高温段1热源的温度，因此在热源低温段10吸收热量后的二氧化碳工质的温度低于在热源高温段1吸收热量后的二氧化碳工质的温度。

低温透平11具有进气口11a和排气口11b，二氧化碳工质可以从低温透平11的进气口11a进入低温透平11内做功，将热能转化成机械能，做功后的气体从低温透平11的排气口11b排出。

第三回热器12具有热端入口12a、热端出口12b、冷端入口12c和冷端出口12d。第三回热器12的热端入口12a和热端出口12b相连通构成第三热端通道，温度相对较高的二氧化碳工质可以从第三回热器12的热端入口12a进入该第三热端通道，并从第三回热器12的热端出口12b流出。第三回热器12的冷端入口12c和冷端出口12d相连通构成第三冷端通道，温度相对较低的二氧化碳工质可以从第三回热器12的冷端入口12c进入该第三冷端通道，并从第三回热器12的冷端出口12d流出。高、低温的二氧化碳工质分别流经第三回热器12的第三热端通道和第三冷端通道时进行热交换，分别释放和吸收热量。

本实施例中，热源低温段10的出气口10b连接低温透平11的进气口11a，低温透平11的排气口11b连接第三回热器12的热端入口12a，第三回热器12的热端出口12b连接冷却器5的入口5a。优选地，第三回热器12的热端出口12b、第二回热器4的热端出口4b可以均通过第二汇流器13连接冷却器5的入口5a，通过第二汇流器13将从第二回热器4的热端出口4b流出并经第一分流器8分流后流向冷却器5入口5a的一股二氧化碳工质和从第三回热器12的热端出口12b流出的二氧化碳工质汇流合成一股，并使合成一股后的二氧化碳工质进入冷却器5的入口5a，第二汇流器13可以采用三通阀。第三回热器12的冷端入口12c连接主压缩机6的出口6b。优选地，主压缩机6的出口6b可以通过第二分流器14同时连接第二回热器4的冷端入口4c和第三回热器12的冷端入口12c，通过第二分流器14将从主压缩机6的出口6b流出的二氧化碳工质分为两股，并使两股二氧化碳工质分别进入第二回热器4的冷端入口4c和第三回热器12的冷端入口12c，第二分流器14可以采用三通阀。第三回热器12的冷端出口12d连接热源低温段10的进气口10a。由此形成低温透平循环回路，该低温透平循环回路与高温透平循环回路并联且共用冷却器5和主压缩机6，低温透平循环回路的循环过程具体如下。

在热源低温段10吸收热量后的二氧化碳工质具有一定的温度和较高的压力，其从热源低温段10的出气口10b流出，并从低温透平11的进气口11a进入低温透平11内做功。做功后的二氧化碳工质从低温透平11的排气口11b排出，并流经第三回热器12的第三热端通道(第三回热器12的热端入口12a至热端出口12b)。从第三回热器12的热端出口12b流出的二氧化碳工质经第二汇流器13与从第二回热器4的热端出口4b流出并经第一分流器8分流后流向冷却器5入口5a的一股二氧化碳工质汇流合成一股后进入冷却器5的入口5a，在冷却器5内冷却降温后从冷却器5的出口5b流出，随后进入主压缩机6的入口6a，在主压缩机6内压缩升压后从主压缩机6的出口6b流出。从主压缩机6的出口6b流出的二氧化碳工质经第二分流器14分流成两股，其中一股进入第二回热器4的冷端入口4c，并流经第二回热器4的第二冷端通道后与从再压缩机7的出口7b流出的二氧化碳工质经第一汇流器9汇流合成一股；另外一股则进入第三回热器12的冷端入口12c，流经第三回热器12的第三冷端通道(第三回热器12的冷端入口12c至冷端出口12d)并吸收流经第三回热器12的第三热端通道的二氧化碳工质的热量。从第三回热器12的冷端出口12d流出的二氧化碳工质从热源低温段10的进气口10a进入热源低温段10吸收热量，而后开始新的循环。

本实施例的超临界二氧化碳循环系统，针对不同温度的热源，采用两套相对独立且不同的二氧化碳工质循环回路，对温度相对较高的热源高温段1，采用循环效率较高的高温透平循环回路，对高品位热能进行更高效、彻底的回收利用；对温度相对较低的热源低温段10，则采用结构相对简单的低温透平循环回路，对低品位热能进行回收利用，从而实现了不同品位热能的梯级分段利用，高效利用高品位热能的同时，也回收了低品位热能，使得热源热能得以全面、充分、高效的利用，可有效提高整个系统的循环效率。同时，本实施例的超临界二氧化碳循环系统充分考虑两套循环回路可共用的设备，使低温透平循环回路与高温透平循环回路并联且共用冷却器5和主压缩机6，降低了系统整体的复杂程度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。