高低溫超臨界二氧化碳余熱利用系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及燃氣輪機聯合循環系統發電技術領域和工業余熱/廢熱發電技術領域，特別是涉及一種高低溫超臨界二氧化碳余熱利用系統。
【背景技術】
[0002]眾所周知，地球上的化石能源是非常有限的。隨著工業革命以來，石油、煤炭、天然氣等化石能源的大力開采使用，當前地球上已探明的剩余化石能源僅能供人類使用百余年。人類文明不能因為化石能源的枯竭而終止，各國研究者們正在積極探究解決能源緊缺的出路。總結起來可以分為兩類:一是開發新能源，主要包括核能和可再生能源，如風能、太陽能、水力發電等；二是提高現有化石能源的利用效率，在未來的五十年，化石能源將依然占據能源的主導地位。
[0003]在燃氣輪機布雷頓發電循環中，由于燃氣排氣溫度高(500?600°C )，為了提高能源使用效率，常常將之與其他形式的發電循環相耦合，目前主要是蒸汽朗肯循環，構成了燃氣-蒸汽聯合循環發電系統。但是對于蒸汽朗肯循環，由于水在氣液態轉化時存在巨大的潛熱，其循環效率的提高受到限制。另一方面，以蒸汽為工質的朗肯循環，由于氣體密度低、體積流量大，使得蒸汽輪機體積龐大、系統復雜，不論是初期投資還是后期維護都具有相當難度和經濟成本。
[0004]在高耗能行業，如鋼鐵、水泥、玻璃等，生產過程常伴隨有大量的余熱/廢熱排除，溫度在300?700°C不等。對這些余熱/廢熱進行高效充分利用是節能減排的重要方向之一。余熱發電是余熱利用的重要途徑，當前對于500°C以上的高溫余熱發電多采用余熱鍋爐+蒸汽透平進行回收，而溫度在300°C左右的余熱很少用于發電。用于余熱發電的蒸汽輪機系統除上述所說的體積龐大、系統復雜等缺點外，還有啟停時間長、靈活性差等缺點。受上游生產流程、產量波動以及意外事故等的影響，工業余熱具有不穩定和間歇性等特點，采用工業余熱進行發電時，需要頻繁的機組啟停。受蒸汽發電系統靈活性的制約，系統的發電效率和可用率大大降低。
[0005]超臨界C02最初是作為下一代核電技術的備選工質而開始受到研究者的關注。C02氣體具有臨界壓力適中、穩定性好、偏惰性、無毒、儲量豐富、成本低等特點，超臨界C02作為能量轉換工質，具有明顯的優勢。以超臨界C02布雷頓循環為例，由于0)2被冷卻到擬臨界線區，其密度和比熱快速增加，因而降低了壓縮機耗功并提高了預冷器和回熱器中的傳熱系數。所以相比于在同一透平和壓氣機進口溫度下的理想氣體循環，超臨界C0JI環具有較高的效率。此外超臨界0)2系統的一個顯著特點是渦輪機械尺寸非常小，相同功率下的超臨界C02渦輪機約是蒸汽輪機1/30。同時由于超臨界C0JI環發電系統是采用全封閉循環設計，結構相對簡單，沒有蒸汽循環系統的水處理設備及相關的水處理技術管理人員，沒有排污設備及相關的排污操作，簡化了管理的程序，省掉很多的維護工作，與蒸汽循環發電系統相比管理維護成本有較大的降低。另外超臨界co2發電系統啟動時間短，靈活性好。
[0006]目前，以超臨界C02為工質的發電系統已不再局限于核能領域，研究人員正在積極研究其在傳統的和可再生能源領域的應用，包括化石能電廠、船舶推進系統、聚光太陽能、燃料電池底部動力循環等系統。國際工程學術領域專門設計了一個sco2動力循環研討會，以推進該技術的發展。國內外關于超臨界二氧化碳發電系統已有不少相關專利，例如用于太陽能發電領域的“帶蓄熱的超臨界C02太陽能熱發電系統”(專利公布號:CN102100867A)和“用于太陽能裝置的超臨界二氧化碳渦輪”(專利公布號:CN101240780A)。這兩個發明均是以太陽能為熱源，以超臨界二氧化碳作為動力循環工質進行發電，前者帶蓄熱裝置可以解決太陽能的間歇性和不穩定性制約，其發電系統簡單，屬于最基本的循環系統；后者在前者的基礎上對進入壓縮機的氣體分為兩部分進行壓縮，一部分在回熱器換熱后直接進入壓縮機，另一部分回熱器換熱后先經過冷凝器預冷再進入壓縮機壓縮，系統包含一個主壓縮機和一個次壓縮機，這樣設計可以減小換熱器的換熱溫差同時減小冷凝器的換熱面積。值得注意的是太陽能加熱系統中的傳熱流體是循環工作的，在應用時不需要考慮傳熱流體的冷端溫度。但是對于廢熱，其動力循環工質進行熱交換后就排入了大氣，需要充分吸收其中的熱能(也即降低廢熱的冷端溫度)，才能提高能源的利用率。
[0007]美國專利申請文件“SupercriticalCarbon D1xide Power Cycle for WasteHeat Recovery”(專利公布號:US 20140102101A1)公布了一種用于余熱回收的超臨界二氧化碳發電系統，該發明系統中含有兩個透平，一個透平(T1)與發電機同軸，帶動發電機輸出電能，一個透平(T2)與壓縮機(C1)同軸，其產生的機械能直接驅動壓縮機工作；進入T1膨脹做功工質由C1進行壓縮、并有第一換熱器(H1)進行加熱，進入T2膨脹做功的工質由另一獨立的壓縮栗(C2)進行壓縮，并由第二換熱器(H2)進行加熱；系統分為單循環模式和雙循環模式，當余熱溫度高于閥值時開啟雙循環模式，低于閥值時，切斷T2、Cl、H2，進入T1的工質由C2進行壓縮、H1進行加熱。該發明系統考慮了余熱熱源的溫度，并設置了兩中循環模式。但是該系統的T2出力必須與C1的耗功相匹配，不能充分發揮T2的出力能力，在能源上造成浪費；另一方面在單循環和雙循環兩種模式下，T1的進汽參數的溫度相差很大，如果雙循環模式的進汽溫度是其設計工況，必然造成單循環模式下透平效率的顯著下降。
【發明內容】
[0008]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明要解決的技術問題在于提供一種能夠充分利用能源、透平效率高的高低溫超臨界二氧化碳余熱利用系統，以克服現有技術的上述缺陷。
[0009]為了解決上述技術問題，本發明提供一種高低溫超臨界二氧化碳余熱利用系統，包括高溫透平、低溫透平、余熱回收器、高溫回熱器、低溫回熱器、冷凝器、壓氣機；所述高溫透平的進氣口依次連接所述余熱回收器、所述高溫回熱器、所述壓氣機、所述冷凝器，所述冷凝器的進氣口再依次連接所述高溫回熱器、所述高溫透平的出氣口，形成高溫透平循環回路；所述低溫透平的進氣口依次連接所述余熱回收器、所述低溫回熱器、所述壓氣機、所述冷凝器；所述冷凝器的進氣口再依次連接所述低溫回熱器、所述低溫透平的出氣口，形成低溫透平循環回路。
[0010]優選地，所述余熱回收器包括第一進氣口、第一出氣口、第二進氣口、第二出氣口，所述余熱回收器的內部設有連接于第一進氣口和第一出氣口之間的第一余熱回收管道，所述余熱回收器的內部還設有連接于第二進氣口和第二出氣口之間的第二余熱回收管道；所述高溫回熱器上設有第三進氣口、第三出氣口、第四進氣口、第四出氣口 ；所述低溫回熱器上設有第五進氣口、第五出氣口、第六進氣口、第六出氣口 ；所述高溫透平的進氣口連接所述余熱回收器的第一出氣口，所述余熱回收器的第一進氣口連接所述高溫回熱器的第四出氣口，所述高溫回熱器的第四進氣口連接所述壓氣機的出氣口，所述壓氣機的進氣口連接所述冷凝器的出氣口 ；所述高溫透平的出氣口連接所述高溫回熱器的第三進氣口，所述高溫回熱器的第三出氣口連接所述冷凝器的進氣口 ；所