一种超临界二氧化碳级间再热透平系统的制作方法

1.本发明属于超临界二氧化碳发电领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳级间再热透平系统。


背景技术：

2.超临界二氧化碳发电技术以其发电效率高、环保无污染等优势被普遍认为是下一代革命性的发电技术，在600℃以上区域，相比于现有的蒸汽循环发电技术具有明显的优势。超临界二氧化碳发电技术是以布雷顿原理的发电技术。但是超临界二氧化碳发电技术刚刚兴起，在同等发电功率等级下，其成本要远远高于蒸汽发电机组，因此进一步提高超临界二氧化碳循环的发电效率是非常必要的。
3.以超临界二氧化碳为工质的基于布雷顿循环原理的动力发电设备是超临界二氧化碳透平。超临界co2是温度和压力均高于临界值(tc＝30.98℃、pc＝7.38mpa)的二氧化碳流体。超临界流体介于气体和液体之间，又同时兼有气体和液体的物理和化学性质。将超临界二氧化碳作为热能循环工质，与其他同类型的循环工质相比，超临界二氧化碳既有超临界流体的一般特性，也有其他独特的特点：1)密度接近液体，大于气体2个数量级；超热效率高，做工能力强；2)黏性接近气体，较液体小2个数量级；流动性强，易于扩散，系统循环损耗小等。而布雷顿循环是典型的热力学循环，由两个等压和两个绝热过程组成(绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀及等压冷却4个过程)，工质在循环中不发生相变。
4.超临界二氧化碳透平的做功温度是影响发电效率的一个非常重要的因素，进气温度越高，发电效率越高，因此要提升超临界二氧化碳透平的做功温度。
5.受材料的限制，若一味的增加透平进口温度来提高发电量效率，必然会引起成本几何倍数的上升，且存在温度极限。
6.在蒸汽循环中，存在再热循环的设计，即设置两台透平，高压透平做功后的工质经过加热后再进入低压透平继续做功，从而增加发电量，提升发电效率。但是在超临界二氧化碳发电循环中，超临界二氧化碳透平的成本高昂，采用再热循环的设计是不现实的，且增加一台透平，会带来漏气二次损失，整体带来的效率提升不明显。因此如何提高超临界二氧化碳透平的做功温度是一个难点。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供一种超临界二氧化碳级间再热透平系统，实现不增加再热透平台数的情况下，提高透平做功温度，提高发电量，进一步提升了超临界二氧化碳发电效率。
8.为实现上述目的，本发明实施例的技术方案为：
9.一种超临界二氧化碳级间再热透平系统，包括超临界二氧化碳供热系统和超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，所述超临界二氧化碳供热系统用于向所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统的超临界二氧化碳提供热量，所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统包括透平机，所述透平机利用超临界二氧化碳输出机械能进而利用发电机发电；
10.所述超临界二氧化碳供热系统通过换热器与所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统连接，所述超临界二氧化碳供热系统包括第一高温储热介质罐和第二高温储热介质罐，所述第一高温储热介质罐与所述换热器连通，并对经过所述换热器的超临界二氧化碳加热，加热后的超临界二氧化碳进入所述透平机，所述第二高温储热介质罐通过热管系统向所述透平机内的超临界二氧化碳提供热量。
11.所述热管系统包括热管吸热段和热管放热段，所述热管吸热段设置在所述第二高温储热介质罐内，所述热管放热段设置在所述透平机内，第二高温储热介质罐内的高温储热介质将热量传递给热量吸热段，进而传递到热管放热段，最终热量经热管放热段传递给透平机内的超临界二氧化碳。
12.所述透平机的腔体内设置若干第一轴和若干第二轴，若干第一轴包括第一级、第二级、第三级等，第二轴也包括第一级、第二级、第三级等，所述第一轴和所述第二轴间隔设置，即从超临界二氧化碳进口到出口依次设置第一级第一轴、第一级第二轴，第二级第一轴、第二级第二轴等，所述第一轴均固定在腔体壁上，所述第二轴均与转轴连接，所述第一轴上设置若干静叶片，所述第二轴上设置若干动叶片，所述转轴连接发电机，所述热管放热段设置在所述第一轴内，用来加热第一轴和静叶片。
13.进入透平机内腔体的超临界二氧化碳经过第一级第一轴，第一级第一轴是固定在腔体壁上，因此热量传递给超临界二氧化碳，超临界二氧化碳温度增加，焓值增加，做功能力增加，然后经过第一级动叶片时，由于第二轴是连接转轴，因此超临界二氧化碳做功带动第二轴旋转，将内能转化成动能，第二轴旋转带动转轴，转轴进而带动发电机运动发电，超临界二氧化碳经过第一级第二轴后温度下降，再次经过第二级第一轴、第二级第二轴，第三级第一轴、第三级第二轴等，因此超临界二氧化碳温度增加、焓值增加，做功能力增加，发电量增大。
14.由于进入透平机的超临界二氧化碳是吸收了第一高温储热介质罐内的高温储热介质的热量，因此所述热管放热段设置在除靠近超临界二氧化碳进口的第一轴外的其他第一轴内，也就是除第一级第一轴外的所有第一轴。
15.所述透平机的腔体内至少设置三个第一轴，即第一轴设置有至少三级，而热管放热段设置在除第一级第一轴外的第二级第一轴和第三级第一轴，由于超临界二氧化碳经过每级第一轴向第二轴传递时，存在较大的热量损失，本发明实施例将第二高温储热介质的热量分级加热给第二级第一轴和第三级第一轴，可减小热量损失，因此能量利用率高，且由于透平机各级不必承受过高温度，使得透平机结构简单，可靠性强。
16.所述热管放热段和所述热管吸热段均设置有翅片，增加换热量的面积。
17.所述超临界二氧化碳再压缩循环发电系统还包括高温回热器、低温回热器、主冷却器、主压缩机、再压缩机，所述高温回热器具有两个进口和两个出口，所述低温回热器具有两个进口和两个出口，所述高温回热器的第一出口连接所述换热器，所述换热器连接所述透平机的进口，所述透平机的出口连接所述高温回热器的第一进口，所述高温回热器的第二出口连接低温回热器的第一进口，所述低温回热器的第一出口连接主冷却器进口，所述主冷却器的出口分两路，一路连接所述主压缩机的进口，另一路连接再压缩机的进口，所述主压缩机的出口连接低温回热器的第二进口，所述低温回热器的第二出口和再压缩机的出口均连接高温回热器的第二进口。
18.透平机出口的超临界二氧化碳先进入高温回热器进行放热，后进入低温回热器再次进行换热，然后，超临界二氧化碳直接通往主冷却器冷却，而后一部分直接通往主压缩机被压缩，压缩后进入低温回热器换热，另一部分通往再压缩机被压缩，然后和经过低温回热器的超临界二氧化碳混合后一起再流经高温回热器，然后经过第一高温储热介质罐内的高温储热介质换热进入透平机。
19.将超临界二氧化碳发电系统应用在光热发电领域，因此所述超临界二氧化碳供热系统为熔盐循环系统，所述第一高温储热介质罐为第一高温熔盐罐，所述第二高温储热介质罐为第二高温熔盐罐，所述熔盐循环系统还包括低温熔盐罐、吸热器，所述第一高温熔盐罐出口通过所述换热器连接低温熔盐罐的进口，所述第二高温熔盐罐的出口和所述低温熔盐罐的出口均连接所述吸热器的进口，所述吸热器的出口连接第一高温熔盐罐的进口和第二高温熔盐罐的进口。
20.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
21.本发明因设置向透平机内的超临界二氧化碳换热，经第二高温储热介质罐内的高温储热介质通过热管系统，将高温储热介质的热量传递给透平机内的超临界二氧化碳，使超临界二氧化碳的温度再次升高，焓值增加，进而做功能力增加，发电量增大。因此实现不增加再热透平台数的情况下，提高透平做功温度，提高发电量，进一步提升了超临界二氧化碳发电效率。
附图说明
22.图1为本发明实施例的光热发电超临界二氧化碳发电循环系统图；
23.图2为本发明的透平机与第二高温储热介质罐的换热图。
24.附图标记说明：1-透平机；2-高温回热器；201-高温回热器的第一进口；202-高温回热器的第一出口；203-高温回热器的第二进口；204-高温回热器的第二出口；3-低温回热器；301-低温回热器的第一进口；302-低温回热器的第一出口；303-低温回热器的第二进口；304-低温回热器的第二出口；4-主冷却器；5-主压缩机；6-再压缩机；7-第一高温熔盐罐；8-第二高温熔盐罐；9-换热器；10-低温熔盐罐；11-吸热器；12-转轴；13-第一级第一轴；14-第一级第二轴；15-热管放热段；16-热管吸热段；17-腔体壁；18-第二级第一轴；19-第二级第二轴；20-第三级第一轴；21-第三级第二轴；22-第四级第一轴；23-第四级第二轴。
具体实施方式
25.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超临界二氧化碳级间再热透平系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
26.本实施例是将超临界二氧化碳发电系统应用于光热发电系统中的发电阶段，
27.参看图1，一种超临界二氧化碳级间再热透平系统，包括熔盐循环系统和超临界二氧化碳再压缩循环发电系统，熔盐循环系统用于向超临界二氧化碳再压缩循环发电系统的超临界二氧化碳提供热量，超临界二氧化碳再压缩循环发电系统包括透平机1，超临界二氧化碳流经透平机，做功输出及机械能，进而发电机发电；
28.熔盐循环系统通过换热器9与超临界二氧化碳再压缩循环发电系统连接，熔盐循
环系统包括第一高温熔盐罐7和第二高温熔盐罐8，第一高温熔盐罐7与换热器9连通，并对经过换热器9的超临界二氧化碳进行加热，超临界二氧化碳流经换热器9后进入透平机1，第二高温熔盐罐8通过热管系统向透平机1内的超临界二氧化碳提供热量。
29.热管系统包括热管吸热段16和热管放热段15，热管吸热段16设置在第二高温熔盐罐8内，热管放热段15设置在透平机1内；
30.透平机1的内部有一腔体，腔体内设置若干第一轴和若干第二轴，在本实施例中若干第一轴包括第一级第一轴13、第二级第一轴18、第三级第一轴20、第四级第一轴22，第二轴也包括第一级第二轴14、第二级第二轴19、第三级第二轴21、第四级第二轴23等，第一轴和第二轴间隔设置，即从超临界二氧化碳进口到出口依次设置第一级第一轴13、第一级第二轴14，第二级第一轴18、第二级第二轴19，第三级第一轴20、第三级第二轴21，第四级第一轴22、第四级第二轴23等，如图2所示，共有四级第一轴和第二轴，第一轴均固定在腔体壁17上，第二轴均连接一转轴12，第一轴上设置若干静叶片，第二轴上设置若干动叶片，转轴12连接发电机，热管放热段15设置在第一轴内，第二高温熔盐罐8内的高温熔盐将热量传递给热管吸热段16，进而传递到热管放热段15，最终热量经热管放热段15传递给第一轴和静叶片。
31.进入透平机1内腔体的超临界二氧化碳经过第一级第一轴13，第一级第一轴13是固定在腔体壁17上，因此热量传递给超临界二氧化碳，超临界二氧化碳温度增加，焓值增加，做功能力增加，然后经过第一级动叶片时，由于第二轴是连接转轴12，因此超临界二氧化碳做功带动第二轴旋转，将内能转化成动能，第二轴旋转带动转轴12，转轴12进而带动发电机运动发电，超临界二氧化碳经过第一级第二轴14后温度下降，再次经过第二级第一轴18、第二级第二轴19，第三级第一轴20、第三级第二轴21，第四级第一轴22、第四级第二轴23，因此超临界二氧化碳温度增加、焓值增加，做功能力增加，发电量增大。
32.在本实施例中，被加热的第一轴级数可以是一级、二级、三级、四级，由于进入透平机1的超临界二氧化碳是吸收了第一高温熔盐罐7内的高温熔盐的热量，因此热管放热段15优选设置在除靠近超临界二氧化碳进口的第一轴外的其他第一轴内，也就是除第一级第一轴13外的所有第一轴。
33.热管放热段15和热管吸热段16均设置有翅片，增加换热量的面积。
34.超临界二氧化碳再压缩循环发电系统还包括高温回热器2、低温回热器3、主冷却器4、主压缩机5、再压缩机6，高温回热器2具有两个进口、两个出口，低温回热器3具有两个进口、两个出口，高温回热器的第一出口202连接换热器9，换热器9连接透平机1的进口，透平机1的出口连接高温回热器的第一进口201，高温回热器的第二出口204连接低温回热器的第一进口301，低温回热器的第一出口302连接主冷却器4的进口，主冷却器4的出口分两路，一路连接主压缩机5的进口，另一路连接再压缩机6的进口，主压缩机5的出口连接低温回热器的第二进口303，低温回热器的第二出口304和再压缩机6的出口均连接高温回热器的第二进口203。
35.透平机1出口的超临界二氧化碳先进入高温回热器2进行放热，后进入低温回热器3再次进行换热，然后，超临界二氧化碳直接通往主冷却器4冷却，而后一部分直接通往主压缩机5被压缩，压缩后进入低温回热器3换热，另一部分通往再压缩机6被压缩，然后和经过低温回热器3的超临界二氧化碳混合后一起再流经高温回热器2，然后经过第一高温熔盐罐
7内的高温熔盐换热进入透平机1。
36.熔盐循环系统还包括低温熔盐罐10、吸热器11，第一高温熔盐罐7的出口通过换热器9连接低温熔盐罐10的进口，低温熔盐罐10和第二高温熔盐罐8的出口连接吸热器11的进口，吸热器11的出口连接第一高温熔盐罐7的进口和第二高温熔盐罐8的进口。
37.第一高温熔盐罐7内的高温熔盐经过换热器9将热量传递给超临界二氧化碳，进入低温熔盐罐10，低温熔盐罐10内的低温熔盐经吸热器11吸收太阳能，第二高温熔盐罐8内的熔盐经换热后直接进入吸热器11吸收太阳能，吸热器11内吸收太阳能热量的熔盐回到第一高温熔盐罐7和第二高温熔盐罐8。
38.本实施例通过第一高温熔盐罐7向进入透平机1的超临界二氧化碳换热，然后第二高温熔盐罐8向进入了透平机1的超临界二氧化碳换热，且已经做了功降温后的超临界二氧化碳换热，设置了级间再热系统，实现不增加再热透平台数的情况下，提高透平做功温度，提高发电量，进一步提升了超临界二氧化碳发电效率。
39.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。