二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统的制作方法

1.本发明涉及一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，属于热力循环技术领域。


背景技术：

2.热电联产以高位热能发电，低位热能供热，实现了能量的梯级利用，大幅提高了能源利用效率。目前的热电联产机组一般是以水蒸汽为工质的朗肯循环，受高温耐热材料等因素制约，其效率很难进一步提升。
3.超临界二氧化碳布雷顿循环因二氧化碳在循环过程中的特殊性质，可避免发生相变导致的换热
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损失，大大节省压缩能耗，且处于超临界态的co2有黏性小、密度大等特性，因而超临界二氧化碳动力循环还具有设备尺寸紧凑、占地面积小等优势，相比于500℃以上同参数蒸汽机组，可实现更高效率。然而，超临界二氧化碳循环系统预冷器需要向外部环境释放大量低温热，若利用跨临界二氧化碳热泵提高低温余热的品质与热网加热器共同供热，可高效节能，且清洁无污染，若同时回收烟气余热，能源利用效率有望进一步提高，以满足“碳达峰”需求。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，解决了常规co2动力循环存在的热源利用不充分、系统综合效率低的问题。
5.本发明提供的基于跨临界二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，常规预冷器被跨临界二氧化碳热泵与热网加热器有效替代，利用co2小膨胀机驱动热泵压缩机，发挥热泵对冷端低温余热提质优势，将冷端低温余热深度高效回收到热网回水中，实现了冷端低温余热的深度高效回收利用；采用二氧化碳热泵进一步降低烟气温度，实现烟气低温排放，同时将烟气余热深度高效回收至热网回水中，实现了烟气余热的深度高效回收利用。本发明与中国专利cn207245778u相比，不设置预冷器，采用热泵蒸发器，使布雷顿循环中的二氧化碳流体与热泵循环中的二氧化碳流体直接换热，避免了循环冷却水的间接换热的热量损失，提高了换热效率；本发明利用跨临界二氧化碳热泵回收部分烟气余热，在降低烟气温度的同时，将烟气余热高效回收至热网回水中，在系统能耗相同的情况下可获得更高的供热比例，提高系统综合效率。
6.本发明提供了一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，包括超临界二氧化碳动力循环发电单元和余热回收单元；所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元包括锅炉、高压透平、低压透平、高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机；所述的余热回收单元包括热网加热器和跨临界二氧化碳热泵单元；跨临界二氧化碳热泵单元又包括冷端余热回收二氧化碳热泵单元和烟气余热回收二氧化碳热泵单元；冷端余热回收二氧化碳热泵单元包括co2小膨胀机、压缩机、气冷器、回热器、节流阀、蒸发器。烟气余热回收二氧化碳热泵单元同样包括压缩机、气冷
器、回热器、节流阀、蒸发器。冷端余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于超临界二氧化碳动力循环发电单元低温回热器出口二氧化碳流体携带的低温余热；烟气余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于锅炉烟气低温余热。
7.进一步地，所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元，锅炉用于加热、再热超临界二氧化碳；高压透平进口连接锅炉，利用加热后的超临界二氧化碳的热量做功发电，高压透平出口回到锅炉对超临界二氧化碳进行再热；低压透平进口连接锅炉的再热超临界二氧化碳出口，再热的超临界二氧化碳做功后依次经过高温回热器、低温回热器释放热量；低温回热器出口分流，一部分经余热回收单元连接主压缩机，另一部分直接连接再压缩机；主压缩机出口的高压超临界二氧化碳流体连接低温回热器升温，低温回热器出口流体与经过再压缩机升压后的二氧化碳流体汇合，连接高温回热器预热；高温回热器出口连接锅炉，将预热流体送入锅炉加热。
8.所述的余热回收单元，热网加热器利用低温回热器排出的较高温度的超临界二氧化碳余热加热热网水；冷端余热回收二氧化碳热泵单元将热网加热器出口较低温度的超临界二氧化碳余热提升品质加热热网水，二氧化碳流体降温后送入主压缩机；烟气余热回收二氧化碳热泵单元通过回收烟气温度加热热网水，烟气降温后排入大气。
9.所述的跨临界二氧化碳热泵单元，co2小膨胀机进口连接锅炉再热出口，利用再热超临界二氧化碳流体做功驱动二氧化碳热泵压缩机，co2小膨胀机出口超临界二氧化碳流体与低压透平出口流体汇合，连接高温回热器进口。二氧化碳热泵压缩机进口连接热泵回热器出口，压缩机出口连接二氧化碳气冷器；气冷器为热网回水和高温高压二氧化碳流体的热交换器，气冷器出口的二氧化碳流体经回热器降温后连接节流阀，节流阀出口连接蒸发器；冷端余热回收热泵单元蒸发器为较低温度超临界二氧化碳流体余热和低温低压二氧化碳流体的热交换器，烟气余热回收热泵单元蒸发器为低温烟气余热和低温低压二氧化碳流体的热交换器，放热后的二氧化碳流体通过回热器继续升温，升温后进入二氧化碳热泵压缩机，完成一个完整的循环。
10.上述方案中，热网回水一部分与热网加热器交换热量，另外两部分分别由冷端余热回收热泵单元气冷器和烟气余热回收热泵单元气冷器提供热量升温，三部分热网出水汇合后供给热用户。
11.本发明提供了一种上述二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统的运行过程，包括以下步骤：（1）超临界二氧化碳动力循环发电单元，超临界二氧化碳流体从低温回热器出口到主压缩机进口温度需释放大量低温热；（2）较高温度（90~120℃）的低温超临界二氧化碳流体在热网加热器中与热网回水进行热交换，降温后的较低温度（35~60℃）的低温超临界二氧化碳流体送入冷端余热回收热泵单元的蒸发器中，通过热泵对低温热的提质利用，实现对另一部分热网回水的加热；（3）较低温度（36~60℃）的低温超临界二氧化碳流体送入冷端余热回收热泵单元的蒸发器中，与热泵二氧化碳工质进行热交换，成为32℃的超临界二氧化碳流体进入超临界二氧化碳再压缩系统的主压缩机；（4）低温烟气（55~60℃）送入烟气余热回收热泵单元的蒸发器中，与热泵二氧化碳工质进行热交换，成为40~50℃的烟气排入大气；
（5）来自热用户的热网回水分流，一部分在热网加热器中与较高温度的低温超临界二氧化碳流体进行热交换，另两部分分别与冷端余热回收热泵单元和烟气余热回收热泵单元的气冷器中的高温高压二氧化碳流体进行热交换，三部分热网出水汇合，共同供给热用户。
12.上述方法中，当二氧化碳热泵的制热性能系数cop为5.19，冷端回收热泵单元蒸发器进口低温超临界二氧化碳流体温度为40℃，设置烟气余热回收热泵单元时，其供热比例可达66.8%，比相同能耗下仅利用热泵与热网加热器回收冷端余热的供热比例高16.4%，可实现更大负荷供热。
13.本发明的有益效果：（1）本发明提供的一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，冷端余热回收单元采用热网加热器和跨临界二氧化碳热泵替代常规二氧化碳循环热力系统主压缩机前的预冷器，分级利用大量的较高温度和较低温度的低温热量，实现了能量梯级利用。
14.（2）本发明提供的一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，通过设置二氧化碳热泵进一步降低超临界二氧化碳流体温度，满足主压缩机进口温度要求，同时发挥二氧化碳热泵对低温热提质优势，实现低温余热的深度高效回收。
15.（3）本发明提供的一种二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，通过设置烟气余热回收单元，采用二氧化碳热泵进一步降低烟气温度，实现烟气低温排放，同时将烟气余热深度高效回收至热网回水中，实现了烟气余热的深度高效回收利用。
附图说明
16.图1为基于跨临界二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统图。
17.图中：1为锅炉，2为高压透平，3为低压透平，4为高温回热器，5为低温回热器，6为主压缩机，7为再压缩机；8为热网加热器，9为co2小膨胀机，10为第一热泵压缩机，11为第一热泵气冷器，12为第一热泵回热器，13为第一热泵节流阀，14为第一热泵蒸发器，15为第二热泵压缩机，16为第二热泵气冷器，17为第二热泵回热器，18为第二热泵节流阀，19为第二热泵蒸发器。
具体实施方式
18.下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
19.实施例1：如图1所示，本发明提供的二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，包括超临界二氧化碳动力循环发电单元和余热回收单元；所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元包括锅炉1、高压透平2、低压透平3、高温回热器4、低温回热器5、主压缩机6和再压缩机7；所述的余热回收单元包括热网加热器8和跨临界二氧化碳热泵单元；跨临界二氧化碳热泵单元又包括冷端余热回收二氧化碳热泵单元和烟气余热回收二氧化碳热泵单元；冷端余热回收二氧化碳热泵单元包括co2小膨胀机9、第一热泵压缩机10、第一热泵气冷器11、第一热泵回热器12、第一热泵节流阀13、第一热泵蒸发器14。烟气余热回收二氧化碳热泵单元包括第二热泵压缩机15、第二热泵气冷器
16、第二热泵回热器17、第二热泵节流阀18、第二热泵蒸发器19。冷端余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于超临界二氧化碳动力循环发电单元低温回热器出口二氧化碳流体携带的低温余热；烟气余热回收二氧化碳热泵单元蒸发器的热源来自于锅炉烟气低温余热。
20.进一步地，所述的超临界二氧化碳动力循环发电单元，锅炉1用于加热、再热超临界二氧化碳；高压透平2进口连接锅炉1，利用加热后的超临界二氧化碳的热量做功发电，高压透平2出口回到锅炉1对超临界二氧化碳进行再热；低压透平3进口连接锅炉的再热超临界二氧化碳出口，再热的超临界二氧化碳做功后依次经过高温回热器4、低温回热器5释放热量；低温回热器5出口分流，一部分经余热回收单元连接主压缩机6，另一部分直接连接再压缩机7；主压缩机6出口的高压超临界二氧化碳流体连接低温回热器5升温，低温回热器5出口流体与经过再压缩机7升压后的二氧化碳流体汇合，连接高温回热器4预热；高温回热器4出口连接锅炉1，将预热流体送入锅炉1加热。
21.所述的余热回收单元，热网加热器8利用低温回热器5排出的较高温度的超临界二氧化碳余热加热热网水；冷端余热回收二氧化碳热泵单元将热网加热器8出口较低温度的超临界二氧化碳余热提升品质加热热网水，二氧化碳流体降温后送入主压缩机6；烟气余热回收二氧化碳热泵单元通过回收烟气温度加热热网水，烟气降温后排入大气。
22.所述的跨临界二氧化碳热泵单元，co2小膨胀机9进口连接锅炉1再热出口，利用再热超临界二氧化碳流体做功驱动第一热泵压缩机10和第二热泵压缩机15，co2小膨胀机9出口超临界二氧化碳流体与低压透平3出口流体汇合，连接高温回热器4进口。第一热泵压缩机10进口连接第一热泵回热器12出口，第二热泵压缩机15进口连接第二热泵回热器17出口，第一热泵压缩机10出口连接第一热泵气冷器11，第二热泵压缩机15出口连接第二热泵气冷器16；热泵气冷器为热网回水和高温高压二氧化碳流体的热交换器，第一热泵气冷器11出口的二氧化碳流体经第一热泵回热器12降温后连接第一热泵节流阀13，第二热泵气冷器16出口的二氧化碳流体经第二热泵回热器17降温后连接第二热泵节流阀18，第一热泵节流阀13出口连接第一热泵蒸发器14，第二热泵节流阀18出口连接第二热泵蒸发器19；冷端余热回收热泵单元蒸发器（即第一热泵蒸发器14）为较低温度超临界二氧化碳流体余热和低温低压二氧化碳流体的热交换器，放热后的二氧化碳流体通过第一热泵回热器12继续升温，升温后进入第一热泵压缩机10，完成一个完整的循环；烟气余热回收热泵单元蒸发器（即第二热泵蒸发器19）为低温烟气余热和低温低压二氧化碳流体的热交换器，放热后的二氧化碳流体通过第二热泵回热器17继续升温，升温后进入第二热泵压缩机15，完成一个完整的循环。
23.上述方案中，热网回水一部分与热网加热器8交换热量，另外两部分分别由冷端余热回收热泵单元第一热泵气冷器11和烟气余热回收热泵单元第二热泵气冷器16提供热量升温，三部分热网出水汇合后供给热用户。
24.上述系统的使用过程包括以下步骤：（1）超临界二氧化碳动力循环发电单元中，高压透平2出口流体经锅炉1再热后进入低压透平3做功，排出的高温超二氧化碳流体经过高温回热器4和低温回热器5放热，在低温回热器5出口分流，一部分直接被再压缩机7压缩成高温高压状态，另一部分经余热回收单元冷却后被主压缩机6压缩，后经低温回热器5预热至再压缩机7出口流体相同温度，两部
分流体汇合后经过高温回热器4预热进入锅炉1，吸热后进入高压透平2做功，完成一个循环。
25.（2）超临界二氧化碳动力循环发电单元，超临界二氧化碳流体从低温回热器5出口到主压缩机6进口温度释放大量低温热；（3）较高温度（90~120℃）的低温超临界二氧化碳流体在热网加热器8中与热网回水进行热交换，降温后的较低温度（35~60℃）的低温超临界二氧化碳流体送入冷端余热回收热泵单元的蒸发器中，通过热泵对低温热的提质利用，实现对另一部分热网回水的加热；（4）较低温度（35~60℃）的低温超临界二氧化碳流体送入冷端余热回收热泵单元的蒸发器14中，与热泵二氧化碳工质进行热交换，成为32℃的超临界二氧化碳流体进入超临界二氧化碳再压缩系统的主压缩机6；（5）低温烟气（55~60℃）送入烟气余热回收热泵单元的蒸发器中，与二氧化碳工质进行热交换，成为（40~50℃）的烟气排入大气；（6）来自热用户的热网回水分流，一部分在热网加热器8中与较高温度的低温超临界二氧化碳流体进行热交换，另两部分分别与冷端余热回收热泵单元气冷器和烟气余热回收热泵单元气冷器中的高温高压二氧化碳流体进行热交换，三部分热网出水汇合，共同供给热用户。
26.本发明所提供的二氧化碳热泵回收余热的超临界二氧化碳热电联产系统，当二氧化碳热泵的制热性能系数cop为5.19，冷端回收热泵单元蒸发器进口低温超临界二氧化碳流体温度为40℃，设置烟气余热回收热泵单元时，其供热比例可达66.8%，比相同能耗下仅利用热泵与热网加热器回收冷端余热的供热比例高16.4%，可实现更大负荷供热。
27.以上所述的具体实例仅为了详细解释说明本发明的有益成果和特殊技术方案，并不用于限制本发明，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。