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一种低温余热CO2朗肯循环系统

阅读：1076发布：2020-06-13

IPRDB可以提供一种低温余热CO2朗肯循环系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种低温余热CO2朗肯循环系统，所述系统是以近海燃煤电站或核电站的蒸汽轮机排汽为热源，以深海冷水或高纬度地区的近海冷海水为冷源，以CO2为工质，通过亚/跨临界CO2朗肯循环实现低温乏汽余热的回收和热功转换。高压过冷CO2液体从热源吸热后转变为过热CO2气体，然后进入CO2透平膨胀做功，其乏气通过冷源冷凝和增压泵增压，完成一个循环。从本质上讲，该系统相当于将电站的冷源温度降低到冷海水的温度，但无需增加原电站汽轮机的排汽通流面积，从而以较低成本提高了燃煤电站和核电站的净输出功率和发电效率，具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。，下面是一种低温余热CO2朗肯循环系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低温余热CO2朗肯循环系统，其特征在于：该系统以蒸汽轮机排汽或凝汽器温排水为热源，以深海冷水或中高纬度地区季节性近海冷水为冷源，以CO2为循环的工质，通过亚临界或跨临界CO2朗肯循环实现热功转换；

当冷、热源温差超过10℃且冷源温度低于CO2临界温度时，海水经电厂凝汽器循环水泵进入电厂凝汽器，在电厂凝汽器吸收蒸汽轮机排汽余热后在热交换器内将热量传递给CO2循环，然后再进入电厂凝汽器循环水泵；当冷、热源温差低于10℃以下或冷源温度高于CO2临界温度时，此时CO2循环停用，海水从电厂凝汽器冷却水进水口经电厂凝汽器循环水泵进入电厂凝汽器，吸收蒸汽轮机排汽余热后进入热交换器，然后从电厂凝汽器冷却水排水口直排入海。

2.根据权利要求1所述一种低温余热CO2朗肯循环系统，其特征在于：所述热源与冷源的温差高于10℃；以深海冷水为冷源时，冷源温度最高不超过12℃；以中高纬度地区季节性近海冷水为冷源时，冷源温度低于CO2的临界温度。

3.根据权利要求1所述一种低温余热CO2朗肯循环系统，其特征在于：所述系统的工作过程为：高压CO2液体从热源吸热后转变为过热CO2气体，过热CO2气体进入CO2透平膨胀做功；用从海中抽取的冷水将透平排气凝结为液体后通过CO2增压泵增压得到高压CO2液体，完成一个循环。

4.根据权利要求3所述一种低温余热CO2朗肯循环系统，其特征在于：所述CO2透平的做功用于发电或者拖动耗功设备。

5.根据权利要求3所述一种低温余热CO2朗肯循环系统，其特征在于：所述从热源吸热的方式为：高压CO2液体进入电厂凝汽器换热，或者高压CO2液体进入热交换器与经过电厂凝汽器加热后的海水进行换热。

6.根据权利要求5所述一种低温余热CO2朗肯循环系统，其特征在于：若冷源为深海冷水时，高压CO2液体在CO2预热器内通过表层海水预热后进入电厂凝汽器或者进入热交换器。

说明书全文

一种低温余热CO2朗肯循环系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低温余热CO2朗肯循环系统，具体涉及一种利用近海燃煤电站或核电站蒸汽轮机乏汽与低温海水温差进行热功转换的亚(跨)临界CO2朗肯循环方法，属于机械工程和低温余热回收领域。

背景技术

[0002] 目前，采用先进技术的大型燃煤电站的热功转换效率约为40～48％，而常规压水堆核电的效率仅为30～36％，其余的能量大多经由汽轮机凝汽器和冷却介质排入大气、河流和海洋，被称为冷端损失，不仅浪费能源，而且会导致严重的热污染。如何减少冷端损失一直是发电行业关注的焦点。

[0003] 降低冷源温度是减少蒸汽朗肯循环冷端损失的最有效方法。在内陆电站，冷源温度主要取决于大气干球温度(空冷)或湿球温度(水冷)，受地理位置和气候条件所限，蒸汽冷凝温度大多在32～50℃。而在近海电站，一般采用表层或浅层海水直接冷凝汽轮机乏汽，冷凝温度大多在30～40℃，稍低于内陆电站。

[0004] 众所周知，表层或浅层海水的温度受太阳辐射和气候的影响较大，在高纬度地区，如渤海和黄海北部，每年约有6个月水温在12℃以下，年最高水温一般不超过25℃。另外，水温随着海水深度的增加而降低，在深度500米时的水温将降到5～6℃。我国的南部沿海、海南岛以及台湾岛东部等很多区域的海岸陡峭，离岸不远处的海水深度就能达到500米。显然，以这些低温水做为冷源能显著提高机组的热功转换效率。然而，对于蒸汽轮机来说，随着冷凝温度的降低，乏汽的体积流量急剧增大。研究表明，冷凝温度为15℃时的乏汽体积流量约为33℃时的2.8倍，相应地，大功率汽轮机的低压缸数量和长度也将同比例增加，在技术上不具有可行性。

[0005] 近年来，以CO2为工质的朗肯循环受到越来越多的关注。从上述分析可知，由于冷海水温度远低于CO2的临界温度(31.1℃)，而汽轮机乏汽温度接近或高于CO2的临界温度，非常容易实现亚(跨)临界循环。若以蒸汽轮机排汽或凝汽器温排水为热源，以冷海水为冷源，以CO2为工质，利用热源和冷源的温差进行发电，从本质上讲，就相当于将燃煤电站和压水堆核电站的冷源温度降低到冷海水的温度。由于CO2循环的排气密度是水蒸汽循环的1000～2000倍，因此其乏汽体积流量很小，透平结构十分紧凑。另外，CO2属于纯天然工质，来源广泛，成本低，具有良好的安全性和化学稳定性，对环境无害，并具有优良的流动和传热特性，超临界换热不存在窄点温差问题，CO2三相点温度为-56.6℃，冷海水不可能使其凝固，这些特征使CO2朗肯循环成为类似于电站乏汽这种低温余热回收的最佳选择。

[0006] 由于大型燃煤电站和核电站需要消耗大量的冷却水，更倾向于建在海边。如果有可利用的冷海水，就可以通过CO2朗肯循环回收利用乏汽余热。通过对国内外相关的文献检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种低温余热CO2朗肯循环系统，可利用近海燃煤电站或核电站蒸汽轮机排汽余热与低温海水的温差进行热功转换。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

[0009] 该系统以蒸汽轮机排汽或凝汽器温排水为热源，以深海冷水或中高纬度地区季节性近海冷水为冷源，以CO2为循环的工质，通过亚临界或跨临界CO2朗肯循环实现热功转换。

[0010] 所述热源与冷源的温差高于10℃；以深海冷水为冷源时，冷源温度最高不超过12℃；以中高纬度地区季节性近海冷水为冷源时，冷源温度低于CO2 的临界温度，无法满足这一条件时，所述系统可关闭，但不影响原发电机组的正常运行。

[0011] 所述系统的工作过程为：高压CO2液体从热源吸热后转变为过热CO2气体，过热CO2气体进入CO2透平膨胀做功；用从海中抽取的冷水将透平排气(乏气)凝结为液体后通过CO2增压泵增压得到高压CO2液体，完成一个循环。由于充分利用了CO2在临界区的高密度、低相变潜热等特性，不仅循环系统简单、设备紧凑，而且具有非常优良的热力性能。

[0012] 所述CO2透平的做功用于发电或者拖动泵、风机等其它耗功设备。

[0013] 所述从热源吸热的方式为高压CO2液体进入电厂凝汽器换热，或者高压CO2液体进入热交换器与经过电厂凝汽器加热后的海水进行换热。

[0014] 当冷、热源温差超过10℃且冷源温度低于CO2临界温度时，海水经电厂凝汽器循环水泵进入电厂凝汽器，在电厂凝汽器吸收蒸汽轮机排汽余热后在热交换器内将热量传递给CO2循环，然后再进入电厂凝汽器循环水泵；当冷、热源温差低于10℃以下或冷源温度高于CO2临界温度时，此时CO2循环停用，海水从电厂凝汽器冷却水进水口经电厂凝汽器循环水泵进入电厂凝汽器，吸收蒸汽轮机排汽余热后进入热交换器，然后从电厂凝汽器冷却水排水口直排入海。

[0015] 若冷源为深海冷水时，高压CO2液体在CO2预热器内通过表层海水预热后进入电厂凝汽器或者进入热交换器。

[0016] 所述亚临界CO2朗肯循环中，CO2透平的进气压力低于CO2临界压力(7.382MPa)，主要用于汽轮机乏汽凝结温度低于CO2临界温度(31.06℃)的工况。

[0017] 所述跨临界CO2朗肯循环中，CO2透平的进气压力高于CO2临界压力(7.382MPa)，主要用于汽轮机乏汽凝结温度高于CO2临界温度(31.06℃)的工况。

[0018] 本发明的有益效果体现在；

[0019] 与常规燃煤电站或核电站相比，本发明所述系统相当于将原电站的冷源温度降低到冷海水的温度，电厂的热功转换效率将大幅度提高，具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。

附图说明

[0020] 图1是实施例1的示意图；

[0021] 图2是实施例的CO2循环温熵图；

[0022] 图3是实施例2的示意图；

[0023] 图4是实施例3的示意图；

[0024] 图5是实施例4的示意图；

[0025] 图6是实施例5的示意图；

[0026] 图中：1.电厂凝汽器；2.CO2透平；3.发电机或耗功设备；4.CO2循环冷凝器；5.热交换器；6.CO2预热器；B1.冷水泵；B2.CO2循环增压泵；B3.电厂凝汽器循环水泵；P1.电厂汽轮机乏汽；P2.凝结水；P3.CO2冷凝器冷却水排水口；P4.CO2冷凝器冷却水进水口；P5.电厂凝汽器冷却水排水口；P6.电厂凝汽器冷却水进水口；V1、V2、V3、V4、V5分别为第一、第二、第三、第四、第五控制阀；N1、N2、N3、N4分别是第一节点、第二节点、第三节点、第四节点。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0028] 实施例1

[0029] 一种利用近海电厂凝汽器温排水与中高纬度区季节性冷海水温差的CO2朗肯循环系统，如图1所示，以电厂凝汽器温排水为CO2循环的热源，以中高纬度地区季节性近海冷海水为CO2循环的冷源。所述循环系统主要包括电厂凝汽器1、CO2透平2、发电机或耗功设备3(耗功设备包括泵、风机等)、CO2循环冷凝器4、热交换器5、冷水泵B1、CO2循环增压泵B2和电厂凝汽器循环水泵B3等。所述循环系统可分解为以下三个回路：

[0030] 热源回路：当冷、热源温差超过10℃且冷源温度低于CO2临界温度时，关闭第一控制阀V1和第三控制阀V3，打开第二控制阀V2，该回路为闭式回路，海水(或其它工质)经电厂凝汽器循环水泵B3进入电厂凝汽器1，吸收电厂汽轮机乏汽P1余热后在热交换器5内将热量传递给CO2循环。当冷、热源温差低于10℃以下或冷源温度高于CO2临界温度时，打开第一控制阀V1和第三控制阀V3，关闭第二控制阀V2，该回路变为开式回路，此时CO2循环停用，海水从电厂凝汽器冷却水进水口P6经第一控制阀V1和电厂凝汽器循环水泵B3进入电厂凝汽器1，吸收电厂汽轮机乏汽P1余热后经热交换器5、第三控制阀V3后从电厂凝汽器冷却水排水口P5直排入海。

[0031] CO2回路：来自CO2循环增压泵B2的高压CO2液体(状态点b)在热交换器5中加热后转变为过热CO2气体(状态点c)，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机或耗功设备3。透平排气在CO2循环冷凝器4内被冷海水从状态点d冷凝到状态点a，并通过CO2循环增压泵B2增压到状态点b，形成封闭的CO2朗肯循环。

[0032] 冷源回路：当CO2循环正常运行时，启动冷水泵B1，从CO2冷凝器冷却水进水口P4抽取冷海水并注入CO2循环冷凝器4，吸收CO2透平2的排气余热后经CO2冷凝器冷却水排水口P3直排入海。

[0033] 本实施例主要应用于中高纬度区的近海电厂，在近海海水温度较低时启动CO2朗肯循环，充分利用冷热源的温差进行热功转换，而在近海海水温度较高时关闭CO2朗肯循环，发电机组按常规方式运行。

[0034] 图2展示了CO2循环的温熵图，其中，a-b-c-d-a为亚临界CO2朗肯循环，主要用于汽轮机乏汽凝结温度低于CO2临界温度(31.06℃)的工况；a-b′-c′-d-a为超临界CO2朗肯循环，主要用于汽轮机乏汽凝结温度高于CO2临界温度(31.06℃)的工况。该温熵图也同样适用于其它实施例。

[0035] 实施例2

[0036] 一种利用近海电厂凝汽器温排水与近海冷海水温差的CO2朗肯循环系统，如图3所示，以电厂凝汽器温排水为CO2循环的热源，以中高纬度地区季节性近海冷海水为CO2循环的冷源。所述循环系统的CO2回路和冷源回路与实施例1完全相同，而热源回路比实施例1更简单，取消了第一控制阀V1、第二控制V2、第三控制V3以及电厂凝汽器冷却水排水口P5和电厂凝汽器冷却水进水口P6。所述循环系统主要应用于近海海水温度始终低于CO2临界温度的电厂，当冷、热源温差较小时可适度提高汽轮机乏汽温度，以维持CO2循环的正常运行。据分析，即使海水温度达到25℃，采用上述循环后蒸汽透平和CO2透平的总输出功率和总发电效率仍比原机组提高0.8％，仍然具有显著的经济效益。所述循环系统三个回路的工作原理与实施例1相同，此处不再赘述。

[0037] 所述循环系统可根据汽轮机乏汽参数选择采用亚临界CO2循环或跨临界CO2循环。

[0038] 实施例3

[0039] 一种利用近海电厂汽轮机乏汽与近海冷海水温差的CO2朗肯循环系统，如图4所示，以电厂汽轮机乏汽为CO2循环的热源，以中高纬度地区季节性近海冷海水为CO2循环的冷源。所述循环系统的应用领域与实施例2完全相同，但取消了热交换器5，用CO2工质直接与汽轮机乏汽进行热交换，只有CO2回路和冷源回路，是对实施例2的进一步简化，冷源回路的工作原理与实施例2相同，此处不再赘述。

[0040] CO2回路：来自CO2循环增压泵B2的高压CO2液体(状态点b)进入电厂凝汽器1，吸收汽轮机乏汽P1余热后转变为过热CO2气体(状态点c)，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机或耗功设备3。透平排气在 CO2循环冷凝器4内被冷海水从状态点d冷凝到状态点a，并通过CO2循环增压泵B2增压到状态点b，形成封闭的CO2朗肯循环。

[0041] 所述循环系统可根据汽轮机乏汽参数选择采用亚临界CO2循环或跨临界CO2循环。与实施例2相比，本实施例的结构简单，火用损小，但对于已有电站，需要对凝汽器进行改造，用CO2替代原循环水。

[0042] 实施例4

[0043] 一种利用近海电厂凝汽器温排水与深海海水温差的CO2朗肯循环系统，如图5所示，以电厂凝汽器温排水为CO2循环的热源，以深海冷水为CO2循环的冷源。所述循环系统主要包括凝汽器1、CO2透平2、发电机或耗功设备3、CO2循环冷凝器4、热交换器5、CO2预热器6、冷水泵B1、CO2循环增压泵B2和电厂凝汽器循环水泵B3等。所述循环系统可分解为以下三个回路：

[0044] 热源回路：表层温海水从电厂凝汽器冷却水进水口P6经电厂凝汽器循环水泵B3进入电厂凝汽器1，吸收汽轮机乏汽余热P1后在热交换器5内将热量传递给CO2循环，放热后的循环水从电厂凝汽器冷却水排水口P5直排入海。

[0045] CO2回路：来自CO2循环增压泵B2的高压过冷CO2液体(状态点b)先后在CO2预热器6和热交换器5内吸热，转变为过热CO2气体(状态点c)，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机或耗功设备3。透平排气在CO2循环冷凝器4内被深海低温海水从状态点d冷凝到状态点a，并通过CO2循环增压泵B2增压到状态点b，形成封闭的CO2朗肯循环。

[0046] 冷源回路：启动冷水泵B1，从CO2冷凝器冷却水进水口P4抽取的低温海水，在CO2循环冷凝器4内吸热后温度升高，但其温度仍然远低于表层海水温度，可以将其中的一部分经由第三节点N3、第五控制阀V5和第四节点N4引入电厂凝汽器1，其余的从CO2冷凝器冷却水排水口P3直排入海，第四控制阀V4和第五控制阀V5用于执行水量的分配。通过上述方法，可以使电厂凝汽器1长期保持设计工况运行，冷却水温不随环境温度变化。

[0047] 本实施例主要应用于具有可利用深海冷水的近海电厂，不仅利用了汽轮机乏汽余热，而且利用了深层海水与浅层海水的温差，具有更高的热功转换效率。所述循环系统可根据汽轮机乏汽参数选择采用亚临界CO2循环或跨临界CO2循环。

[0048] 实施例5

[0049] 一种利用近海电厂汽轮机乏汽与深海海水温差的CO2朗肯循环系统，如图6所示，以电厂汽轮机乏汽为CO2循环的热源，以深海冷水为CO2循环的冷源。所述循环系统的应用领域与实施例4完全相同，但取消了热交换器5，用CO2工质直接与汽轮机乏汽进行热交换，只有CO2回路和冷源回路，是对实施例4的进一步简化。

[0050] CO2回路：来自CO2循环增压泵B2的高压过冷CO2液体(状态点b)在CO2预热器6内吸热后进入电厂凝汽器1，吸收汽轮机乏汽P1余热后转变为过热CO2气体(状态点c)，然后进入CO2透平2膨胀做功，用于拖动发电机或耗功设备3。透平排气在CO2循环冷凝器
4内被深海低温海水从状态点d冷凝到状态点a，并通过CO2循环增压泵B2增压到状态点b，形成封闭的CO2朗肯循环。

[0051] 冷源回路：启动冷水泵B1，从CO2冷凝器冷却水进水口P4抽取的低温海水，在CO2循环冷凝器4内吸收CO2透平2的排气余热后经CO2冷凝器冷却水排水口P3直排入海。

[0052] 所述循环系统可根据汽轮机乏汽参数选择采用亚临界CO2循环或跨临界CO2循环。与实施例4相比，本实施例的结构简单，火用损小，但对于已有电站，需要对凝汽器进行改造，用CO2替代原循环水。

[0053] 若冷海水的温度为5℃，循环水的温度是35℃，换热端差为5℃，透平内效率取80％，根据工程热力学基本理论，CO2循环的效率可达5.3％。由于燃煤电站的乏汽余热与发电功率之比约为0.7～0.85，而同样功率下压水堆核电站的乏汽余热相当于燃煤电站的
1.7～2.0倍，因此，本发明提出的CO2循环的发电功率将达到原燃煤电站的3.7～4.5％，将达到压水堆核电站的6.3～9.0％。以一台1000MW的燃煤发电机组为例，无需增加燃料量，采用本发明的方案每年可多发电2亿度以上；即使以中高纬度地区的季节性冷海水为冷源，每年也可多发电0.8亿度以上，具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。

标题	发布/更新时间	阅读量
朗肯循环系统-专利编号CN102812211B	2020-05-12	952
朗肯循环系统-专利编号CN103032990A	2020-05-12	540
朗肯循环-专利编号CN103608548A	2020-05-11	984
朗肯循环系统-专利编号CN102418622A	2020-05-13	1001
朗肯循环系统-专利编号CN102812211A	2020-05-13	227
朗肯循环系统-专利编号CN103032990B	2020-05-13	333
朗肯循环系统-专利编号CN103797218A	2020-05-11	262
朗肯循环膨胀机-专利编号CN102758650A	2020-05-12	901
朗肯循环-专利编号CN103748347B	2020-05-11	444
朗肯循环-专利编号CN103748347A	2020-05-11	1047

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