一种基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电系统及方法

本发明属于发电系统，具体涉及一种基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电系统及方法。

背景技术：

1、全球电力需求持续蓬勃发展，但同时也伴随着日益严重的碳排放问题，给环境带来巨大冲击。近年来，学术界和工业界普遍关注到了一种以超临界二氧化碳(s-co2)为工质的闭式布雷顿循环发电技术，s-co2循环作为一项新兴的热力循环技术，与传统的蒸汽循环相比，具有叶轮机械设备紧凑和循环效率高的优势。

2、根据对热力系统的分析可知热力系统布置受热源特性影响，燃煤发电热源与核能、太阳能及地热能等热源区别较大。当s-co2循环与燃煤锅炉结合时会面临一些难以解决的问题，如s-co2循环s-co2质量流量增大给锅炉受热面布置带来的问题，以及由于s-co2循环热源的平均吸热温度较高给锅炉烟气热能全温区吸收带来的问题。

3、但总的来说，s-co2循环技术的发展在过去的几十年里取得了很大的进步，结合多种热源对s-co2循环的理论分析较为充分。然而，co2的临界温度限制了co2的应用。以柴油机余热回收系统为例，采用co2作为工作流体将面临低温冷凝的挑战。太阳能发电厂通常建在炎热和干旱的地区，那里的水供应可能有限。因此，有必要依靠干冷却的散热过程，这导致压缩机进口温度在50℃的区域。虽然s-co2循环适用于干冷却，但压缩机温度的升高使压缩过程远离临界点，在一定程度上否定了s-co2运行所承诺的低压缩机耗功，并且可能还需要增加压缩机进口压力以最大化效率。为了克服这些限制，研究人员开始探索将二氧化碳与其他物质混合使用的多元混合工质循环。在多元混合工质循环中，通过将二氧化碳与其他合适的物质混合，可以改变工质的性质和特性。二氧化碳临界点变化的方向和范围取决于混合组分及其量。混合工质的选择可以根据具体的应用需求进行优化，以实现更高的循环效率、更广泛的工作温度范围和更好的传热性能等优势。

4、水是生命的基本元素，占地球表面的71％，但并非所有形式的水都适宜人类使用，人类日常用水来源于湖泊、河流、泉水等，这些水源只占地球水资源的3.5％，剩余绝大部分水资源位于海洋中，海水的高盐度使其无法直接饮用。海水淡化技术是一种可以有效地利用海水资源，缓解淡水资源短缺压力重要的手段，为人口增长和城市发展提供可靠的淡水补给，满足人们的生活、工业和农业用水需求，促进城市可持续发展。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电系统，能够充分利用海水的冷能、释放二氧化碳循环工质的能量，充分吸收锅炉的烟气余热，从而高度简化锅炉及叶轮机械、提高系统效率，实现热能到电能的高效转换。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：一种基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电系统，包括多级海水闪蒸单元和超临界混合工质发电单元，多级海水闪蒸单元中设置多级闪蒸室，多级闪蒸室的海水通路依次连接，多级闪蒸室中上一级闪蒸室的水蒸气出口连接下一级闪蒸器的水蒸气冷凝换热器，多级闪蒸室中的末级闪蒸室连接冷凝器；超临界混合工质发电单元包括压缩机、换热器、锅炉和混合工质气轮机，压缩机、换热器的冷侧、锅炉以及混合工质气轮机依次连接，混合工质气轮机的工质出口连接换热器的热侧，锅炉的烟气出口连接多级闪蒸室的第一级闪蒸室。

3、进一步的，混合工质为摩尔组分为65％的二氧化碳与摩尔组分为35％的乙烯。

4、进一步的，多级闪蒸室包括一级闪蒸室、海水二级闪蒸室和海水三级闪蒸室，海水一级闪蒸室的海水出口与海水二级闪蒸室的海水进口连接，海水二级闪蒸室的海水出口与海水三级闪蒸室的海水进口连接，海水三级闪蒸室的海水出口排出浓卤水，海水一级闪蒸室的水蒸气出口与海水二级闪蒸室的水蒸气冷凝换热器进口连接，海水二级闪蒸室的水蒸气冷凝换热器出口与淡水管连接，海水二级闪蒸室的水蒸气出口与海水三级闪蒸室的水蒸气冷凝换热器进口连接，海水三级闪蒸室的水蒸气冷凝换热器出口与淡水管连接，海水三级闪蒸室的水蒸气出口与水蒸气冷凝器的淡水气侧连接，水蒸气冷凝器的淡水水侧与淡水管连接。

5、进一步的，换热器包括一级混合工质换热器和二级混合工质换热器，混合工质气轮机的出口与二级混合工质换热器的热侧进口连接，二级混合工质换热器的热侧出口与一级混合工质换热器的热侧进口连接。

6、进一步的，压缩机包括混合工质主压缩机，混合工质主压缩机的出口与一级混合工质换热器的冷侧进口连接，一级混合工质换热器的冷侧出口与二级混合工质换热器的冷侧进口连接，二级混合工质换热器的冷侧出口与锅炉的混合工质进口连接。

7、进一步的，压缩机还混合工质副压缩机，一级混合工质换热器的热侧出口同时连接海水预热器的混合工质侧进口和混合工质副压缩机的进口，混合工质副压缩机的出口连接二级混合工质换热器的冷侧入口。

8、进一步的，多级海水闪蒸单元还包括沿海水流向设置的海水预热器和海水过滤器，海水预热器的热侧连接换热器的热侧出口和压缩机的入口，海水预热器的冷侧接海水过滤器的出口和多级闪蒸室的入口。

9、进一步的，所述锅炉为燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、垃圾燃烧锅炉或生物质锅炉。

10、本发明还提供一种基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电方法，对混合工质进行压缩后，压缩后的混合工质进行加热后进入锅炉吸热后进入混合工质气轮机做功，做功后的混合工质与压缩后的混合工质换热，放热后的混合工质用于预热海水；混合工质放热后再次进行压缩循环工作；海水经过过滤后再进行预热，预热后的海水进行三级蒸馏，上一级蒸馏后的水蒸气作为下一级蒸馏的热源，最后一级蒸馏生成的水蒸气采用冷凝器进行冷凝，第一级蒸馏的热量采用锅炉产生的烟气，水蒸气放热后生成淡水回收，浓卤水排出。

11、进一步的，所述放热后混合工质分为两部分，一部分用于预热海水，另一部分再次进行压缩后与吸热的压缩混合工质混合，再次加热后进入锅炉。

12、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

13、本发明公开的一种基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电系统，将混合工质动力循环与海水淡化相结合，将摩尔组分为65％的co2与摩尔组分为35％的乙烯c2h4混合，得到的混合工质临界温度变为17℃，临界压力降至6.33mpa，降低二氧化碳动力循环的最低压力，同时使得工质的临界温度与深海海水温度接近，将二氧化碳动力循环中本来需要向外界排放的热量，采用海水吸收并利用，提高单位质量工质的做功能力，降低工质流量，降低系统损失，提高二氧化碳循环效率；采用混合工质循环排气的热量加热预热后的海水，依次进入闪蒸室，其排气的热量被海水吸收，充分利用混合工质循环的排气热量，进一步提高能量利用率；

14、二氧化碳动力循环采用布雷顿简单再压缩形式，加入第二组分的c2h4改变了工质的性质和特性，让工质根据具体的应用需求得到优化，混合工质的临界温度接近深海环境的海水温度，使得压缩机依旧在临界点附近工作，较传统s-co2工质降低了压缩机耗功，系统热效率由46.41％提升到48.96％。同时，本发明的混合工质循环的最低压力可以降低至6.33mpa，相较于传统的7.38mpa，混合工质气轮机轴端密封使得密封压差减小，密封技术难度降低，同时降低了密封成本；

15、本发明利用s-co2循环的余热，结合多级蒸发器和冷凝器等设备，对海水进行蒸发和冷凝，将海水中的盐分和杂质分离，产生高纯度的淡水。系统中的余热和废热可以被充分利用，实现能源与水资源的耦合利用，s-co2循环的高效能特性可以提高海水淡化过程的能源利用效率，同时海水淡化过程也可以为s-co2循环提供冷却介质。该系统具有高效能、高效率、低碳排放的特点，能够同时实现发电和海水淡化，提高系统整体效率，减少能源消耗和水资源浪费；

16、本发明公开的上述基于超临界混合工质耦合海水淡化的发电系统，加入第二组分的c4h4改变了工质的性质和特性，使得作为冷源的深海海水，能梯级利用s-co2循环的余热，节约了冷却设备、降低了能耗；提高总体循环效率和简化循环结构，大幅降低了系统的投资和运行维护成本，提高了经济效益和系统可靠性，减少能源浪费，这些优势将有助于提升发电系统的综合性能，推动清洁能源转型和可持续发展，符合当前节能减排的整体要求。