一种采用单一自然工质CO2的冷热电联产系统

本发明属于冷热电联产与能源利用，具体涉及一种采用单一自然工质co2的冷热电联产系统。

背景技术：

1、二氧化碳(co2)作为自然界存在的工质，具有环保、稳定等优点，将co2应用于热功转换系统中，由于其在使用工况下具有较好的热物性，使系统具有较高的循环效率，因此已被研究用于超临界二氧化碳(sco2)布雷顿动力循环和跨临界co2制冷循环中。冷热电(cchp)联产是现代分布式能源系统发展的一个重要方向，通过什么系统构建cchp系统成为系统运行特性的关键。

2、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统作为前沿发电技术之一，引起各领域学者的广泛研究。相较于传统的蒸汽朗肯循环，sco2布雷顿循环系统具有更高的系统效率和工质密度，设备尺寸更小，系统更加紧凑。co2的临界点参数较低，与其它工质相比，更易达到临界状态。在临界点附近，co2的比热容大，有更好的传热特性。sco2既有气体的特性，粘度和扩散系数接近于气体；又有液体的特征，密度较高，因此为sco2动力系统带来了多方面的优点。

3、随着全球变暖、臭氧层破坏的加剧，人们对制冷剂的选择有了更高的要求，co2制冷系统得到深入研究和应用。跨临界co2制冷循环的最大特点在于co2的吸热过程和放热过程分别在亚临界和跨临界区域进行，其高温侧的冷却过程不会发生相变。现如今跨临界co2制冷系统已经逐步得到应用。与单级压缩制冷系统相比，两级压缩co2制冷系统有更低的排气温度、更少的压缩功耗和更高的压缩效率，从而增大制冷系统的cop。

4、将sco2布雷顿循环与跨临界co2制冷循环相结合，该系统仅采用环保工质co2为工作流体，可同时向用户提供冷、热、电三种能量，即cchp冷热电联产系统，同时可简化系统设备的配置。当一级压缩机出口温度较高时，还可用于动力系统的加热热源，提高动力系统的效率。

5、针对不同系统的耦合方式，相关人员提出了多种方案：

6、方案一，中国专利cn112483205a，公开了一种智能调节的冷热电联产系统，针对冷热电联产系统高中低品位热源综合利用的问题，通过预热器将动力系统与制冷系统相结合，把制冷系统压缩机出口处高温高压气体的热量传递给发电循环的工质，对其进行预热，然后再进入热源吸热。通过对热源的分级利用实现为用户提供冷、热和电三种形式的能量，实现热源的充分利用，起到提高系统效率的作用。方案一中提及的co2动力循环采用的是简单回热，虽然设置了可变换热面积的换热器，将制冷系统压缩机出口高温高压气体的热量充分传递到动力系统，通过调节换热器面积减少动力系统从热源处获得的热能。但是，该系统为跨临界动力循环和跨临界制冷循环的耦合，当co2动力系统为跨临界循环时，比本发明涉及的超临界动力循环的效率低。该系统的动力循环和制冷循环分别为独立系统，其工质不发生内部交换，所以其设备构成复杂。两个系统均为单级压缩系统，当压缩机压比较大时，系统热效率和制冷效率均较低。

7、方案二，中国专利cn110887278a，公开了用于低品位热源的能量自给型二氧化碳冷热电联产系统，针对低品位热源利用系统的不足和利用效率低的问题，采用包括跨临界co2回热朗肯动力循环和跨临界co2喷射制冷循环系统的系统，利用抽气涡轮高压出口的co2余热驱动喷射制冷循环，实现热能的梯级利用，提高低品位热源的利用效率。方案二系统的动力循环和制冷循环均为跨临界循环，动力系统效率低，并且喷射制冷系统的性能和调节性均较差，当制冷负荷变化较大时，该系统较难满足用户需求。

8、方案三，中国专利cn112160806a，公开了一种耦合富氧燃烧的超临界co2循环冷热电联产系统，针对sco2动力循环能源梯级利用和碳捕集的问题，基于sco2循环集成燃煤锅炉的发电系统，按品位逐级利用烟气热能，高温段烟气加热再循环系统内的co2，低温烟气的余热用于驱动制冷循环。方案三系统中包括富氧燃烧系统、sco2循环发电机组及相关的供冷供热机组等。该系统中的sco2动力发电系统与制冷系统完全独立，分别采用高温烟气作为驱动热源，且制冷系统采用了吸附式制冷系统，没有通过将动力和制冷结合，提高整体系统性能。

9、方案四，中国专利cn110486968a，公开了一种基于co2工质的冷电联供系统，针对发电系统及制冷系统的热量回收及冷却排热的问题，将超临界布雷顿循环与跨临界制冷循环的co2在低温回热器的高温端入口混合，进行换热，并在sco2冷却器的出口分流，分别进入sco2发电循环和跨临界co2制冷循环。方案四的系统中，sco2冷却器和制冷循环的冷却器是共用外部冷源，制冷循环的压缩热没有进行系统内回收利用，会造成不必要的热量损失，从而导致系统的经济性变差。

10、方案五，中国专利cn112523826a，公开了一种多模式船舶主机余热利用系统及运行方法，针对船舶主机余热转换及利用的问题，有学者提出一种多模式船舶主机余热利用系统：以船舶主机排出废气为热源，通过调节模式转换阀将系统在超临界布雷顿循环、跨临界朗肯循环和喷射制冷循环三种工作模式下进行转换组合，将废气余热转换为电能、热能和冷能。方案五系统虽然实现了余热的转换利用，但系统零部件过多，增大了系统的复杂性；且其制冷循环采用的是co2喷射制冷循环，其调节性能较差，可能增大系统故障的风险，增加系统维护成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种采用单一自然工质co2的冷热电联产系统，将超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统与跨临界二氧化碳制冷循环系统耦合，进行综合优化，通过两个系统的两级压缩和压缩热的直接耦合，使2个循环同时具有两级压缩过程，降低了压缩过程能耗，提高整个系统的效率；同时当一级压缩机排气温度较高时，通过充分利用压缩机排气的高温co2的热量，将其用于sco2动力循环的加热过程中，从而使系统运行效率进一步提高。

2、本发明的技术方案是：

3、一种采用单一自然工质co2的冷热电联产系统，包括中间冷却器，所述中间冷却器的出口分为两路，一路经过第三压缩机、回热器和加热器后连接膨胀机带动发电机，用于输出电力，另一路通过节流阀连接蒸发器，用于输出冷量；

4、所述膨胀机连接回热器，所述回热器依次连接级间冷却器、第二压缩机后与中间冷却器连通；所述蒸发器连接第一压缩机，所述第一压缩机依次连接级间冷却器、第二压缩机后与中间冷却器连通。

5、进一步的，所述第一压缩机连接回热器，经回热器连接级间冷却器、第二压缩机后与中间冷却器连通。

6、进一步的，包括跨临界co2制冷循环系统，所述跨临界co2制冷循环系统包括依次连接的中间冷却器、节流阀、蒸发器、第一压缩机、级间冷却器和第二压缩机；从中间冷却器分流出的部分co2进入节流阀进行节流，然后进入蒸发器吸热蒸发，制取冷量供冷。

7、进一步的，包括sco2动力循环系统，所述sco2动力循环系统包括依次连接的级间冷却器、第二压缩机、中间冷却器、第三压缩机、回热器、加热器、膨胀机和发电机；从中间冷却器分流出的部分co2经过两级压缩和加热器加热后，在膨胀机中膨胀，对外做功，带动发电机供电。

8、进一步的，包括用于输出冷量的跨临界co2制冷循环系统和用于输出电力的sco2动力循环系统；

9、当跨临界co2制冷循环系统的第一压缩机出口的排气温度低于回热器出口的co2温度时，第一压缩机连接级间冷却器；

10、当跨临界co2制冷循环系统的第一压缩机出口的排气温度高于回热器出口的co2温度时，第一压缩机连接回热器，从第一压缩机出口排出的co2在回热器中与sco2动力循环系统的膨胀机出口流出的co2混合。

11、进一步的，co2工质经过中间冷却器冷却，中间冷却器对外放热作为热源进行供热。

12、进一步的，所述级间冷却器对外放热，能够作为热源进行供热。

13、本发明的有益效果：

14、(1)本发明将超临界二氧化碳(sco2)布雷顿动力循环系统和跨临界co2制冷循环系统进行耦合与综合优化，实现了使用单一环保工质co2的高效冷热电联产系统，能够提高冷热电联产系统的工质的环保性，同时还进一步提高了动力循环和制冷循环的运行效率。

15、(2)本发明将超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统与跨临界二氧化碳制冷循环系统耦合：通过充分利用跨临界co2制冷系统的高温热量提升sco2动力循环的热效率，实现co2系统的冷热电联产；两个循环均采用了两级压缩，动力循环系统的热效率和制冷循环系统的制冷系数均得到提高；制冷循环系统的高压级和动力循环系统的低压级共用1个压缩机，减少了系统设备数量。

16、(3)通过将co2制冷循环系统低压级压缩机出口的流体引入回热器，向sco2动力循环系统传递热量，使热量得到充分利用，提高了系统经济性；sco2动力循环系统和跨临界co2制冷循环系统两个系统均为两级压缩中间冷却布置方案，减小了压缩过程能耗，提高系统效率。