一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统

技术领域

本发明涉及动力循环系统技术领域，具体涉及一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统。

背景技术

超临界二氧化碳动力转换技术具有系统简化、效率高、体积小、易于实现模块化建设等技术优势，应用超临界二氧化碳布雷顿循环实现发电是一种非常具有前景的发电技术。单独应用典型再压缩布雷顿循环除了实现热电转换，难以实现更多能量利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：单独应用典型再压缩布雷顿循环除了实现热电转换，难以实现更多能量利用，本发明提供了解决上述问题的一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统，可实现制冷、供暖的自由切换，满足发电、制冷、供热场景的需求，实现能源的多层次、多品位利用，提高能源利用率，尤其是西部偏远地区对多种能源需求而又不方便运输的情况，本发明系统可实现一种循环结构三种能源利用形式。

本发明通过下述技术方案实现：

一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统，包括超临界二氧化碳布雷顿循环子系统，包括：加热器，用于为超临界二氧化碳布雷顿循环子系统提供热源；高温透平，用于利用加热器输出的热源发电；冷却器Ⅰ，用于冷却循环回流的二氧化碳介质；

还包括：蒸汽朗肯循环子系统，用于利用高温透平的做功乏气作为热源，进行供电和用户制热；射流制冷循环子系统，用于设置在冷却器上游，对进入冷却器Ⅰ前的二氧化碳介质进行制冷。

本发明针对目前能源利用率低、偏远地区能源多级利用困难的情况，本发明能够实现能源多层次、多品位、高效率利用，耦合蒸汽朗肯循环、射流制冷循环，实现发电、制冷、供热功能于一体的联合循环，底层布雷顿循环创造性采用多级回热、分流、分透平、再压缩的结构形式，在高温透平出口处引入蒸汽朗肯循环，在主冷却器入口前引入射流制冷循环，提高了热电转换效率及能量利用率、减小了主冷却器设备体积。

本发明可应用于超临界二氧化碳发电系统，可实现制冷、供暖的自由切换，满足发电、制冷、供热场景的需求，实现能源的多品位利用，提高能源利用率，尤其是西部偏远地区对多种能源需求而又不方便运输的情况，本发明系统可实现一种循环结构三种能源利用。

进一步可选地，所述超临界二氧化碳布雷顿循环子系统还包括低温透平、高温回热器和中温回热器；低温透平的输入端与高温回热器的冷侧输出端连接；低温透平的乏气输出端与中温回热器的热侧输入端连接；中温回热器的冷侧输出端连接加热器的输入端和高温回热器的冷侧输入端；加热器的输出端连接高温透平的输入端，高温透平的乏气输出端连接高温回热器的热侧输入端；高温透平与高温回热器的连接线路上接入蒸汽朗肯循环子系统；高温回热器的热侧输出端连接中温回热器的热侧输入端。

进一步可选地，所述超临界二氧化碳布雷顿循环子系统还包括低温回热器，低温回热器的热侧输入端与中温回热器的热侧输出端连接；低温回热器的冷侧输出端与中温回热器的冷侧输入端连接。

进一步可选地，所述超临界二氧化碳布雷顿循环子系统还包括再压气机和主压气机；所述低温回热器的热侧输出端连接冷却器Ⅰ的输入端和再压气机的输入端；低温回热器与冷却器Ⅰ的连接管线上接入射流制冷循环子系统；冷却器Ⅰ的输出端与主压气机的输入端连接，主压气机的输出端与低温回热器的冷侧输入端连接；再压气机的输出端连接中温回热器的冷侧输入端。

进一步可选地，所述再压气机与高温透平同轴设置；和/或所述主压气机与低温透平同轴设置。

进一步可选地，所述蒸汽朗肯循环子系统包括蒸汽发生器；蒸汽发生器的热侧输入端与高温透平的乏气输出端连接；蒸汽发生器用于实现超临界二氧化碳布雷顿循环子系统的二氧化碳介质与蒸汽朗肯循环子系统的水换热。

进一步可选地，所述蒸汽朗肯循环子系统还包括蒸汽透平、换热器Ⅱ和工质泵Ⅱ；蒸汽透平的输入端与蒸汽发生器的冷侧输出端连接，蒸汽透平的输出端与换热器Ⅱ的热侧输入端连接，换热器Ⅱ的热侧输出端与工质泵Ⅱ的输入端连接，工质泵Ⅱ的输出端与蒸汽发生器的冷侧输入端连接；换热器Ⅱ的冷侧用于连接热用户，为用于提供制热功能。

进一步可选地，所述蒸汽朗肯循环子系统还包括冷凝器Ⅱ和分离器；所述换热器Ⅱ的热侧输出端还连接至冷凝器Ⅱ的输入端，冷凝器Ⅱ的输出端与分离器的输入端连接，分离器的输出端与工质泵Ⅱ的输入端连接。

进一步可选地，所述射流制冷循环子系统包括换热器Ⅰ；换热器Ⅰ设置在冷却器Ⅰ输入端的上游，用于实现超临界二氧化碳布雷顿循环子系统的二氧化碳介质与射流制冷循环子系统的制冷剂的换热。

进一步可选地，所述射流制冷循环子系统还包括喷射器、冷凝器Ⅰ、蒸发器和工质泵Ⅰ；所述喷射器的输入端与换热器Ⅰ的冷侧输出端和蒸发器的输出端连接，喷射器的输出端与冷凝器Ⅰ的输入端连接；冷凝器Ⅰ的输出端与工质泵Ⅰ的输入端和蒸发器的输出端连接，工质泵Ⅰ的输出端与换热器Ⅰ的冷侧输入端连接。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明针对现在能源多样化的利用，将超碳布雷顿发电循环与供热、制冷相结合，构成能源多形式利用的联合循环，能解决一些偏远地区能源单一、能源利用率低等问题，且还能缓解偏远地区交通运输压力。

本发明将透平做功高温乏气再次利用，实现低品位能源的二次发电和用户取暖，符合“碳综合”的发展理念，在主冷却器前增设制冷子循环，可充分降低冷却器的换热负荷，降低成本和设备体积，循环同时实现制冷功能。总之，本发明提出以超临界二氧化碳多级回热布雷顿循环为底层循环，耦合蒸汽朗肯循环和制冷循环实现发电、供热、制冷于一体的联合循环，能够实现能源多品位利用，最大化能源利用效率，在军工及民用场景应用前景广泛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的联合循环系统整体结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-加热器，2-高温透平，3-低温透平，4-发电机，5-蒸汽发生器，6-高温回热器，7-中温回热器，8-低温回热器，9-再压气机，10-主压气机，11-冷却器Ⅰ，12-换热器Ⅰ，13-喷射器，14-冷凝器Ⅰ，15-蒸发器，16-工质泵Ⅰ，17-蒸汽透平，18-换热器Ⅱ，19-热用户，20-冷凝器Ⅱ，21-分离器，22-工质泵Ⅱ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

实施例1

本实施例提供了一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统，包括：

超临界二氧化碳布雷顿循环子系统，该子系统包括：加热器1，用于为超临界二氧化碳布雷顿循环子系统提供热源；高温透平2，用于利用加热器1输出的热源发电；冷却器Ⅰ11，用于冷却循环回流的二氧化碳介质；

蒸汽朗肯循环子系统，用于利用高温透平2的做功乏气作为热源，进行供电和用户制热；

射流制冷循环子系统，用于设置在冷却器11上游，对进入冷却器Ⅰ11前的二氧化碳介质进行制冷。

本实施例提供的循环为实现发电、供热、制冷于一体的联合循环，其中底层循环为分流、超临界二氧化碳布雷顿循环，耦合蒸汽朗肯循环二次发电及供热、耦合射流制冷循环，利于实现能源多层次、多品位、高效率利用，集多种功能于一体。

射流制冷循环子系统设置在底层布雷顿循环主冷却器前，降低冷却器换热负荷，从而可降低换热器体积和重量。蒸汽朗肯循环设置子系统在底层布雷顿循环高温透平出口，实现二次发电的同时，将品位最低的废热供给生活用水、取暖，提高能量利用效率。

实施例2

本实施例提供了一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统，在实施例1的基础上进一步改进，

超临界二氧化碳布雷顿循环子系统还包括低温透平3、高温回热器6、中温回热器7、低温回热器8、再压气机9和主压气机10，三级回热、两级透平，即以分流、多级回热再压缩布雷顿循环为底层循环，超临界二氧化碳为工质。

低温透平3的输入端与高温回热器6的冷侧输出端通过管线连接；低温透平3的乏气输出端与中温回热器7的热侧输入端通过管线连接。

中温回热器7的冷侧输出端分为两条分支管线，一条分支管线连接加热器1的输入端，另一条分支管线连接高温回热器6的冷侧输入端。

加热器1的输出端通过管线连接高温透平2的输入端，高温透平2的乏气输出端连接高温回热器6的热侧输入端；高温透平2与高温回热器6的连接管线上接入蒸汽朗肯循环子系统。

高温回热器6的热侧输出端管线与低温透平3的输出端管线汇合后连接中温回热器7的热侧输入端。

低温回热器8的热侧输入端与中温回热器7的热侧输出端连接；低温回热器8的冷侧输出端与中温回热器7的冷侧输入端连接。

低温回热器8的热侧输出端连接冷却器Ⅰ11的输入端和再压气机9的输入端；低温回热器8与冷却器Ⅰ11的连接管线上接入射流制冷循环子系统。

冷却器Ⅰ11的输出端与主压气机10的输入端连接，主压气机10的输出端与低温回热器8的冷侧输入端连接；再压气机9的输出端管线与低温回热器8的冷侧输出端管线回合后连接中温回热器7的冷侧输入端。

再压气机9与高温透平2同轴设置；主压气机10与低温透平3同轴设置。

实施例3

本实施例提供了一种集供热、发电、制冷于一体的联合循环系统，在实施例1或2的基础上进一步改进，

蒸汽朗肯循环子系统包括蒸汽发生器5、括蒸汽透平17、换热器Ⅱ18、工质泵Ⅱ22、冷凝器Ⅱ20、分离器21和热用户19。蒸汽发生器5的热侧输入端与高温透平2的乏气输出端连接，蒸汽换热器5的热侧输出端与高温回热器6的输入端通过管线连接；蒸汽发生器5用于实现超临界二氧化碳布雷顿循环子系统的二氧化碳介质与蒸汽朗肯循环子系统的水换热。蒸汽透平17的输入端与蒸汽发生器5的冷侧输出端连接，蒸汽透平17的输出端与换热器Ⅱ18的热侧输入端连接，换热器Ⅱ18的热侧输出端与工质泵Ⅱ22的输入端连接，工质泵Ⅱ22的输出端与蒸汽发生器5的冷侧输入端连接。换热器Ⅱ18的冷侧用于连接热用户19，为用于提供制热功能。换热器Ⅱ18的热侧输出端还连接至冷凝器Ⅱ20的输入端，冷凝器Ⅱ20的输出端与分离器21的输入端连接，分离器21的输出端与工质泵Ⅱ22的输入端连接。

射流制冷循环子系统包括换热器Ⅰ12、喷射器13、冷凝器Ⅰ14、蒸发器15和工质泵Ⅰ16。换热器Ⅰ12设置在冷却器Ⅰ11输入端的上游，换热器Ⅰ12的热侧输入端与低温回热器8的热侧输出端连接，换热器Ⅰ12的热侧输出端与冷却器Ⅰ11的输入端连接，换热器Ⅰ12用于实现超临界二氧化碳布雷顿循环子系统的二氧化碳介质与射流制冷循环子系统的制冷剂的换热。喷射器13的输入端与换热器Ⅰ12的冷侧输出端和蒸发器15的输出端连接，喷射器13的输出端与冷凝器Ⅰ14的输入端连接。冷凝器Ⅰ14的输出端分为两条分支管线，分别与工质泵Ⅰ16的输入端和蒸发器15的输出端连接，工质泵Ⅰ16的输出端与换热器Ⅰ12的冷侧输入端连接。

如图1所示，为分流、三级回热超临界二氧化碳布雷顿发电循环结合蒸汽朗肯循环、射流制冷循环实现二次发电、供暖、制冷的联合循环结构。

循环流程为：经加热器1加热后的高温高压二氧化碳进入高温透平2做功，做功后的乏气进入蒸汽发生器5，在蒸汽发生器中实现二氧化碳和水的换热，换热后的二氧化碳进入高温回热器6加热进入低温透平3的二氧化碳，与低温透平3做功的低压低温二氧化碳汇合再依次经过中温回热器7、低温回热器8。从低温回热器8出口分流：一路流经换热器12热侧进一步释热后进入冷却器11冷却，冷却到一定温度进入主压气机10增压后进入低温回热器8冷侧加热；另一路直接进入再压气机9增压后与低温回热器8冷侧出口汇合后进入中温回热器7冷侧加热。再从中温回热器7分流：一部分直接进入加热器1加热，一部分进入高温回热器6冷侧完成升温后进入低温透平3做功，完成整个分流、多级回热、再压缩布雷顿循环。

蒸汽朗肯循环工质在蒸汽发生器5中获得能量进入蒸汽透平17中做功进行二次发电，做功的乏汽经过换热器Ⅱ18与热用户19换热，实现废热利用，最后经过冷凝器Ⅱ20、分离器21、工质泵Ⅱ22，完成整个蒸汽朗肯循环。

射流制冷循环中，制冷剂从换热器Ⅰ12获得能量，进入喷射器13，射流汽化制冷后进入冷凝器Ⅰ14冷凝后分离，液态冷却剂直接进入工质泵Ⅰ16，增压后进入换热器Ⅰ12，汽液混合物进入蒸发器15进一步冷却成液态工质，直接进入喷射器13，完成整个制冷循环。至此，完成整个联合循环流程，其中制冷功能和蒸汽兰朗肯循环二次发电功能可以通过阀门控制，根据使用情况选择是否启动，可灵活使用。

本发明针对目前能源利用率低、偏远地区能源多级利用困难的情况，为实现能源多层次、多品位、高效率利用，集多种功能于一体，提出了一种实现发电、制冷、供热于一体的联合循环。以分流、多级回热再压缩布雷顿循环为底层循环，超临界二氧化碳为工质，结合蒸汽朗肯循环二次发电并利用废热实现热用户供热，在主冷却器前增加射流制冷，实现循环制冷的同时减少主冷却器的换热压力，进而减少设备体积和质量。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。