热泵与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的冷热电联供系统 |
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| 申请号 | CN201710788693.9 | 申请日 | 2017-09-04 | 公开(公告)号 | CN107514837A | 公开(公告)日 | 2017-12-26 |
| 申请人 | 中国科学院工程热物理研究所; | 发明人 | 许闽; 淮秀兰; 蔡军; 李勋锋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 热 泵 与超临界二 氧 化 碳 布雷顿循环耦合的冷热电联供系统，加热储能单元、透平机、 回热器 、余热单元、冷却器和 压缩机 ；加热储能单元用于进行 能量 储存，同时加热超临界二氧化碳；透平机利用加热后的超临界二氧化碳的热量做功发电；经回热器降温后进入热泵单元，产生高温 蒸汽 ，超临界二氧化碳经热泵单元降温后进入制冷单元产生冷 水 ，然后经冷却器冷却、压缩机压缩，回热器升温后重新回到加热储能单元，完成一次循环。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热泵与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的冷热电联供系统，包括：加热储能单元、透平机、回热器、余热单元、冷却器和压缩机； |
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| 说明书全文 | 热泵与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的冷热电联供系统技术领域背景技术[0002] 能源是国民经济发展的重要基础，利用化石资源、太阳能、核能等获得电能、热能和/或冷量是生产能源的主要方式。目前，工业中利用化石资源、太阳能、核能等产生的高温热能产生高温高压水蒸气推动汽轮机发电的水蒸气朗肯循环是热发电的主要形式。 [0003] Angelino和Feher(Journal of Engineering Power 1968，90：287-295；Energy Conversion and Management)提出了一种采用超临界二氧化碳作为工质的布雷顿循环。在该方法中，超临界二氧化碳被化石资源、太阳能、核能等能源加热到500度以上后通过透平做功发电，二氧化碳的温度压力下降，再经过回热器降温后冷却至临界点附近，然后进入压缩机压缩至约20MPa并经回热器升温后再被加热做功，完成一个循环。该循环利用二氧化碳在临界点处的特殊性质，可大幅减小压缩机耗功，相比水蒸气朗肯循环效率有所提升，特别适合太阳能、核能等能源的热利用。 发明内容[0005] (一)要解决的技术问题 [0006] 针对以上问题，本发明提供了一种热泵与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的冷热电联供系统。 [0007] (二)技术方案 [0008] 一种热泵与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的冷热电联供系统，包括：加热储能单元、透平机、回热器、余热单元、冷却器和压缩机；加热储能单元用于进行能量储存以及加热超临界二氧化碳；透平机进口连接加热储能单元出口，利用加热后的超临界二氧化碳的热量做功发电；回热器第一进口连接透平机出口，用于将透平机排出的超临界二氧化碳降温并经第一出口排出；余热单元进口连接回热器第一出口，利用回热器排出的超临界二氧化碳的余热得到高温蒸汽和/或冷水；冷却器进口连接余热单元第一出口，用于将余热单元排出的超临界二氧化碳降温；压缩机进口连接冷却器出口，用于将冷却器排出的超临界二氧化碳进行压缩，其出口连接回热器第二进口；回热器还用于将压缩机排出的超临界二氧化碳升温并经第二出口排出至加热储能单元。 [0009] 优选地，所述加热储能单元包括：加热单元，用于加热介质；储能单元，用于利用所述加热后的介质进行能量储存，加热超临界二氧化碳。 [0010] 优选地，所述余热单元包括热泵单元，所述热泵单元进口连接回热器第一出口，热泵单元出口连接冷却器进口，用于利用回热器第一出口排出的超临界二氧化碳得到高温蒸汽。 [0011] 优选地，所述余热单元包括：热泵单元，其进口连接回热器第一出口，用于利用回热器第一出口排出的超临界二氧化碳得到高温蒸汽；制冷单元，其进口连接热泵单元出口，用于利用热泵单元排出的超临界二氧化碳得到冷水，制冷单元出口连接冷却器进口。 [0012] 优选地，所述余热单元包括：中间冷却器，其进口连接回热器第一出口，用于将回热器第一出口排出的超临界二氧化碳进行冷却；制冷单元，其进口连接中间冷却器出口，利用中间冷却器排出的超临界二氧化碳得到冷水。 [0013] 优选地，所述储能单元包括：吸热反应器、冷凝器、水泵、蒸发器和放热反应器；吸热反应器内的氢氧化物或含碳酸根的化合物吸收介质的热量生成氧化物和气体，并将水蒸气输送至冷凝器；冷凝器，将水蒸气进行冷凝得到冷凝液；水泵，连接冷凝器，将冷凝器的冷凝液输送至蒸发器；蒸发器，连接水泵，将冷凝液进行蒸发得到气体；放热反应器，连接蒸发器，放热反应器内的氧化物和气体发生反应得到氢氧化物或含碳酸根的化合物，同时放出热量，超临界二氧化碳在放热反应器内吸收反应热量升温。 [0014] 优选地，所述热泵单元为异丙醇-丙酮-氢气化学热泵单元，包括：吸热反应器、精馏塔、压缩机、回热器和放热反应器；吸热反应器，吸收超临界二氧化碳的热量，使异丙醇发生脱氢反应生成丙酮和氢气，丙酮、氢气和未反应的异丙醇输送至精馏塔；精馏塔，吸收超临界二氧化碳的热量，将丙酮、氢气及未反应的异丙醇进行分离，异丙醇从塔底返回吸热反应器，丙酮和氢气从塔顶进入压缩机；压缩机，将丙酮和氢气进行压缩，并输送至第二回热器；第二回热器，将压缩后的丙酮和氢气升温，并输送至放热反应器；放热反应器，使丙酮和氢气发生反应生成异丙醇，同时放出热量，饱和水吸收反应热产生160度以上的蒸汽；放热反应器的产物异丙醇经第二回热器降温后返回精馏塔。 [0015] 优选地，制冷单元为硅胶-水吸附制冷单元，包括：脱附床、冷凝器、节流阀、蒸发器和吸附床；脱附床，吸收超临界二氧化碳的热量，使吸附了水的硅胶脱附生成硅胶和水蒸气，并将水蒸气输送至冷凝器；冷凝器，将水蒸气进行冷凝；节流阀，连接冷凝器，将冷凝器的冷凝水降压并输送至蒸发器；蒸发器，将冷凝水进行蒸发得到水蒸气，并将水蒸气输送至吸附床，常温水在蒸发器内释放热量得到冷冻水；吸附床内的硅胶与水蒸气进行吸附得到吸附了水的硅胶。 [0016] 优选地，所述储能单元为氢氧化钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元，所述氢氧化物为氢氧化钙，氧化物为氧化钙，气体为水蒸气；或者，所述储能单元为氢氧化镁-氧化镁化学热泵/热化学储能单元，所述氢氧化物为氢氧化镁，氧化物为氧化镁，气体为水蒸气；所述储能单元为碳酸钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元，所述含碳酸根的化合物为碳酸钙，氧化物为氧化钙，气体为二氧化碳。 [0017] 优选地，所述热泵单元为叔丁醇-乙烯-水化学热泵单元，包括：吸热反应器、精馏塔、压缩机、回热器和放热反应器；吸热反应器，吸收超临界二氧化碳的热量，使叔丁醇发生反应生成乙烯和水，乙烯、水和未反应的叔丁醇输送至精馏塔；精馏塔，吸收超临界二氧化碳的热量，将乙烯、水及未反应的叔丁醇进行分离，叔丁醇从塔底返回吸热反应器，乙烯和水从塔顶进入压缩机；压缩机，将乙烯和水进行压缩，并输送至第二回热器；第二回热器，将压缩后的乙烯和水升温，并输送至放热反应器；放热反应器，使乙烯和水发生反应生成叔丁醇，同时放出热量，饱和水吸收反应热产生160度以上的蒸汽；放热反应器的产物叔丁醇经第二回热器降温后返回精馏塔。 [0018] (三)有益效果 [0019] (1)本系统耦合了氢氧化钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元，可以储存热能，适用于间歇性和波动性的热源，同时可以提升热能的品位，也可适应中温热能的利用，拓展了超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的应用范围； [0020] (2)本系统耦合了异丙醇-丙酮-氢气化学热泵单元和硅胶-水吸附式制冷单元，可同时供应160度以上的蒸汽和0-20度的冷量，增加了热量的利用效率； [0021] (3)本系统减小了冷却器的换热面积，减少了冷却水的使用量，，增加了热量的利用效率； [0023] 图1为本发明实施例的冷热电联供系统结构示意图。 [0024] 图2为本发明实施例的储能单元结构示意图。 [0025] 图3为本发明实施例的热泵单元结构示意图。 [0026] 图4为本发明实施例的制冷单元结构示意图。 具体实施方式[0027] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 [0028] 本发明第一实施例提供一种热泵与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的冷热电联供系统。图1为本发明实施例的冷热电联供系统的结构示意图，如图1所示，该装置包括加热储能单元、透平机、回热器、余热单元、冷却器和压缩机。 [0029] 加热储能单元包括加热器1和储能单元2，加热器1将导热油、水蒸气或熔盐等介质进行加热，加热后的介质被传输到储能单元2，储能单元2采用化学热泵/热化学储能方式进行蓄热、能量储存或品位提升，吸收上述加热后的介质的热量，利用可逆的热化学反应实现储能和品位提升，需要时释放热量传递给超临界二氧化碳，储能单元2将超临界二氧化碳升温至550℃-600℃，升温后的超临界二氧化碳由储能单元出口排出。 [0030] 储能单元2出口连接透平机3进口，升温后的超临界二氧化碳进入透平机3做功发电，做功后的超临界二氧化碳温度降至400℃左右，压力降至7.7MPa左右。 [0031] 透平机3出口连接回热器4的第一进口，做功后的超临界二氧化碳进入回热器4降温，在回热器4内与低温超临界二氧化碳进行换热，温度降至110℃左右，经回热器第一出口排出。 [0032] 回热器4第一出口连接余热单元进口，余热单元回收超临界二氧化碳的部分余热，得到高温蒸汽和/或冷水，超临界二氧化碳降温，经余热单元出口排出。 [0033] 余热单元出口连接冷却器进口，超临界二氧化碳经过冷却器7进一步冷却至临界点31.5℃附近，从冷却器出口排出经管道输送至压缩机8。 [0034] 压缩机8将冷却后的超临界二氧化碳压缩至约20MPa，温度升至100℃左右，然后进入回热器4第二进口。 [0035] 回热器4将压缩后的超临界二氧化碳进行升温，超临界二氧化碳在回热器4内与从透平机3排出的高温超临界二氧化碳进行换热，温度升至315℃左右，然后经回热气第二出口排出，输送至储能单元2再次被加热，完成一个循环。 [0036] 在本实施例中，储能单元2为氢氧化钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元，图2为本发明实施例的储能单元结构示意图，如图2所示，储能单元2包括吸热反应器2-1、冷凝器2-2、水泵2-3、蒸发器2-4和放热反应器2-5。 [0037] 加热器1内加热至350-500℃的导热油、水蒸气或熔盐等介质进入吸热反应器2-1的内置盘管，将热量输出后返回加热器继续加热。在吸热反应器2-1内的氢氧化钙吸收介质的热量生成氧化钙和水蒸气Ca(OH)2＝CaO+H2O，产物水蒸气从吸热反应器2-1输出至冷凝器2-2，冷凝器2-2将水蒸气冷凝，冷凝水经水泵2-3输送至蒸发器2-4，蒸发器2-4将冷凝水蒸发得到水蒸气，水蒸气从蒸发器排出后进入放热反应器2-5，与放热反应器2-5中的氧化钙发生反应生成氢氧化钙，同时放出热量，回热器4第二出口流出的超临界二氧化碳进入放热反应器2-5的内置盘管，超临界二氧化碳在放热反应器2-5内吸收反应热量升温至550℃- 600℃。 [0038] 吸热反应器2-1和放热反应器2-5两个反应器内交替进行吸热和放热，即在下一次储能时(即吸热反应器2-1内氢氧化钙完全变成氧化钙，放热反应器2-5内的氧化钙完全变成氢氧化钙时)，放热反应器2-5变为用于吸热的反应器，放热反应器2-5和吸热反应器2-1作用互换，蒸发器2-4和冷凝器2-2作用也互换，反向进行吸热和放热。加热器1内加热后的导热油、水蒸气或熔盐等介质切换为进入反应器2-5的内置盘管，放热反应器2-5吸收介质热量，使其内部的氢氧化钙生成氧化钙和水蒸气，水蒸气经蒸发器2-4冷凝、水泵输送和冷凝器2-2蒸发后进入吸热反应器2-1，与吸热反应器2-1中的氧化钙反应生成氢氧化钙，同时释放热量，此时吸热反应器2-1实际作用为放热，回热器4第二出口流出的超临界二氧化碳切换进入吸热反应器2-1的内置盘管，超临界二氧化碳吸收该反应热升温。当两个反应器内的物质再次反应完全后，两个反应器再次交换进行吸热和放热。 [0039] 在本发明其他实施例中，储能单元也可利用其他氢氧化物或含碳酸根的化合物进行分解和化合反应实现能量储存或品位提升，如采用氢氧化镁-氧化镁化学热泵/热化学储能单元或碳酸钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元替代。氢氧化镁-氧化镁化学热泵/热化学储能单元是将上述的氢氧化钙替换为氢氧化镁，利用Mg(OH)2＝MgO+H2O的正反应和逆反应交替进行吸热和放热；碳酸钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元是将上述的氢氧化钙替换为碳酸钙，利用CaCO3＝CaO+CO2的正反应和逆反应交替进行吸热和放热。 [0040] 储能单元2可以储存热能，适用于间歇性和波动性的热源，同时可以提升热能的品位，也可适应中温热能的利用，拓展了超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的应用范围。 [0041] 在本发明实施例中，余热单元包括热泵单元5和制冷单元6，热泵单元5进口连接回热器第一出口，热泵单元5回收部分超临界二氧化碳的余热并产生160度以上的高温蒸汽，热泵单元5出口排出70度左右的二氧化碳，进入制冷单元6，制冷单元6利用超临界二氧化碳的部分余热得到0-20度左右的冷水，制冷单元出口的超临界二氧化碳进入冷却器进口。图3为本发明实施例的热泵单元结构示意图，如图3所示，异丙醇-丙酮-氢气化学热泵单元5包括：吸热反应器3-1、精馏塔3-2、压缩机3-3、第二回热器3-4和放热反应器3-5。 [0042] 吸热反应器3-1连接回热器第一出口，异丙醇在吸热反应器3-1中吸收超临界二氧化碳的热量发生脱氢反应生成丙酮和氢气，反应后的丙酮和氢气以及未反应的异丙醇进入精馏塔3-2，经吸热反应器3-1冷却后的超临界二氧化碳进入精馏塔的再沸器，再沸器同样吸收超临界二氧化碳的低温余热驱动精馏塔将反应产物丙酮和氢气及未反应的异丙醇进行分离，超临界二氧化碳从精馏塔的再沸器排出，未反应的异丙醇从精馏塔塔底返回吸热反应器，丙酮和氢气从塔顶输出至压缩机3-3，丙酮和氢气经压缩机3-3压缩后输送至第二回热器3-4，第二回热器3-4将丙酮和氢气进行升温后输送至放热反应器3-5，放热反应器3-5中丙酮与氢气在160度以上发生反应生成异丙醇，同时放出热量，饱和水吸收反应热产生 160度以上的蒸汽，产物异丙醇经第二回热器3-4降温后返回精馏塔3-2。 [0043] 在本发明其他实施例中，上述的异丙醇-丙酮-氢气化学热泵也可以用叔丁醇-乙烯-水化学热泵替代，叔丁醇吸热生成乙烯和水蒸气，经过精馏塔3-2分离、压缩机3-3压缩、第二回热器3-4升温后，在放热反应器3-5内乙烯和水蒸气生成叔丁醇，释放热量，产生160度以上的蒸汽，产物叔丁醇经第二回热器3-4降温后返回精馏塔3-2。图4为本发明实施例的制冷单元结构示意图，如图4所示，制冷单元为硅胶-水吸附制冷单元，包括脱附床4-1、冷凝器4-2、节流阀4-3、蒸发器4-4和吸附床4-5。 [0044] 脱附床4-1连接热泵单元5中的精馏塔，精馏塔排出的70度左右的二氧化碳传输至脱附床4-1，脱附床4-1中吸附了水的硅胶吸收超临界二氧化碳的热量，发生脱附生成硅胶和水蒸气，并将水蒸气输送至冷凝器4-2，冷凝器4-2将水蒸气进行冷凝，冷凝水输送至节流阀4-3，节流阀4-3将冷凝水降压并输送至蒸发器4-4，蒸发器4-4将冷凝水进行蒸发得到水蒸气，并将水蒸气输送至吸附床4-5，吸附床4-5内的硅胶与水蒸气进行吸附得到吸附了水的硅胶。常温水在蒸发器4-4内释放热量产生0-20度左右的冷冻水。 [0045] 类似于储能单元2，制冷单元4的脱附床4-1和吸附床4-5交替进行脱附和吸附。 [0046] 本发明第二实施例中，余热单元可以只包括热泵单元5，热泵单元5为上述的异丙醇-丙酮-氢气化学热泵或叔丁醇-乙烯-水化学热泵，热泵单元5进口同样连接回热器4第一出口，区别在于：热泵单元5出口直接连接冷却器7进口，热泵单元5利用超临界二氧化碳的余热得到160度以上的高温蒸汽后，超临界二氧化碳直接输送至冷却器7进行冷却。 [0047] 本发明第三实施例中，余热单元中的热泵单元5可以替换为中间冷却器，余热单元包括中间冷却器和制冷单元6，中间冷却器进口连接回热器4第一出口，用于将回热器4第一出口排出的超临界二氧化碳冷却为70℃左右，然后传输至制冷单元6，制冷单元6为上述的硅胶-水吸附制冷单元，利用超临界二氧化碳部分余热产生0-20度左右的冷冻水，然后排出超临界二氧化碳至冷却器。 [0048] 本发明第四实施例中，加热储能单元可以用燃烧室代替，燃烧室用于加热超临界二氧化碳，传输至透平机3做功发电，经回热器4降温后，进入热泵单元5产生160度以上的高温蒸汽，进入制冷单元6产生0-20度左右的冷冻水，然后经冷却器7冷却、压缩机8压缩和回热器4升温后，重新回到燃烧室加热，完成一个循环。 [0049] 由以上实施例可以看出，本发明在布雷顿循环中耦合了氢氧化钙-氧化钙化学热泵/热化学储能单元，可以储存热能，适用于间歇性和波动性的热源，同时可以提升热能的品位，也可适应中温热能的利用，拓展了超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的应用范围；耦合了异丙醇-丙酮-氢气化学热泵单元，可供应160度以上的蒸汽；耦合了硅胶-水吸附式制冷单元，可同时供应0-20度的冷量，增加了热量的利用效率；本发明减小了冷却器的换热面积，减少了冷却水的使用量，增加了热量的利用效率；本发明可适用于太阳能、核能、化石能、工厂废热、余热等各类热能资源，能有效节约能源。 [0050] 还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。 [0052] 除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。 [0053] 再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。 [0054] 此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。 [0055] 类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。 [0056] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，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。 |
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