一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，用于風能能源的利用以及超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓動力循環的應用。該系統包括風能采集系統、燃氣輪機發電系統、中低溫余熱利用系統和超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統。該系統工作時，采用風能驅動空氣壓縮裝置，被壓縮的空氣用于燃氣輪機系統，回收利用燃氣輪機排出的廢氣及中低溫余熱作為換熱器熱量來源，實現能源的梯級利用；超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環采用二氧化碳為工質，其動力機械結構緊湊，經濟性能好。結合燃氣輪機發電系統及超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統實現穩定的聯合發電，所產生的電能最終輸入電網。
【專利說明】
一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統
技術領域
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[0001]本發明涉及一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，用于風能能源、中低溫余熱能源的利用以及超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓動力循環的應用。
【背景技術】
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[0002]由于近年來工業及制造業的迅猛發展，對于化石燃料需求量的不斷上漲造成全球性的能源緊缺，燃燒后的廢氣排放等問題已經導致環境污染，如溫室效應、酸雨、大氣污染等。開發新型的能源利用方式，利用清潔能源，充分回收工業中低溫余熱中的能量等是現行能夠緩解能源危機并一定程度上降低污染物排放的可行方法。
[0003]風能是清潔的可再生能源，取之不盡，用之不竭，無論是在內陸還是沿海，都有巨大的風能資源可供開發利用，可因地制宜利用風能。全球的風能約為2.74 X 19MW,其中可利用的風能約為2X 17Mff,是地球上可開發利用的水能總量的10倍。到2008年為止，全世界通過風力產生的電力約有94.1GW，供應的電力已超過全世界用量的1%。秉持可持續發展的思想，充分利用風能，緩解傳統發電方式給資源環境帶來的壓力，成為研究的熱點。
[0004]二氧化碳作為近年來新興的綠色工質，在熱力循環方面有著巨大的發展前景。二氧化碳在大氣中廣泛存在，儲量豐富且廉價易得，對環境的影響小，它不可燃且具有良好的化學穩定性。二氧化碳的臨界溫度為304.21K，臨界壓力為7.377MPa，較容易實現超臨界性態，對設備的要求較低，降低了制造成本。超臨界二氧化碳具有近似液體的高密度、近似氣體的低粘度，在熱力循環中壓縮功耗低，有利于提高熱力系統凈效率。以超臨界二氧化碳為工質的壓縮機、氣輪機等動力機械的結構緊湊、體積較小。
[0005]進一步提高能源利用率，改善人類的生存環境已經成為人類社會的共識。在現有的工業生產模式中，大量溫度在350°C以下的中低品位熱能被直接排放到大氣中，這不僅浪費了能源，還加劇了對環境的破壞。回收利用中低溫工業余熱，實現能源的梯級利用，對于提高能源利用效率，降低工業生產過程中的能源消耗具有重要意義。
【發明內容】
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[0006]本發明的目的在于提供一種能夠利用中低溫工業余熱，實現能源梯級利用，提高能源利用效率，同時為風能能源的利用、中低溫余熱的利用及超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環的應用提供新思路的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統。該系統的發電過程具有充分利用中低溫余熱、利用清潔風能、實現能源梯級利用、聯合發電等優良特性，同時超臨界二氧化碳循環具有動力機械結構緊湊、占用空間小的優點。
[0007]為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案予以實現:
[0008]—種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，包括風能采集系統、燃氣輪機發電系統、中低溫余熱利用系統和超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統，其中，
[0009]所述的風能采集系統包括風力機組和變速傳動裝置，該風力機組與變速傳動裝置相連；
[0010]所述的燃氣輪機發電系統包括第一壓縮機、燃燒器、燃氣透平和燃氣輪機發電機；
[0011]所述的中低溫余熱利用系統包括中低溫余熱熱源、儲熱罐和第一換熱器；
[0012]所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統包括第二換熱器、超臨界二氧化碳透平、高溫回熱器、低溫回熱器、冷卻器、主壓縮機、再壓縮機和發電機；
[0013]第一壓縮機通過軸系與變速傳動裝置相連，第一壓縮機上設有空氣入口，第一壓縮機的出口與燃燒器的氣體入口相連，燃燒器上設有燃料入口，燃燒器的出口與燃氣透平的入口相連，燃氣透平的出口與第二換熱器的氣體入口相連，燃氣透平通過軸系與燃氣輪機發電機相連，帶動燃氣輪機發電機發電；
[0014]中低溫余熱熱源的出口與儲熱罐的入口相連，儲熱罐的出口與第一換熱器的余熱入口相連；
[0015]第一換熱器的循環工質入口與高溫回熱器的低溫側流體出口相連，第一換熱器的循環工質出口與第二換熱器的循環工質入口相連，第二換熱器的循環工質出口與超臨界二氧化碳透平的入口相連;超臨界二氧化碳透平的出口與高溫回熱器的高溫側流體入口相連，超臨界二氧化碳透平通過軸系與發電機相連，帶動發電機發電；高溫回熱器的高溫側流體出口與低溫回熱器的高溫側流體入口相連，低溫回熱器的高溫側流體出口處工質分流，一路從冷卻器的入口進入，冷卻器的出口與主壓縮機的入口相連，主壓縮機的出口與低溫回熱器的低溫側流體入口相連，低溫回熱器的低溫側流體出口與高溫回熱器的低溫側流體入口相連；另一路從再壓縮機的入口進入，再壓縮機的出口與高溫回熱器的低溫側流體入口相連。
[0016]本發明進一步的改進在于:利用清潔能源風能帶動第一壓縮機運轉以進行空氣壓縮。
[0017]本發明進一步的改進在于:所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統選用超臨界二氧化碳作為工質。
[0018]本發明進一步的改進在于:所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統設置有分流再壓縮循環。
[0019]本發明進一步的改進在于:第一換熱器上設置有出口以排出余熱利用后的廢氣或廢液。
[0020]本發明進一步的改進在于:第二換熱器上設置有煙囪以排出換熱后的廢氣。
[0021]本發明進一步的改進在于:中低溫余熱熱源來自工業生產排放的不同的液體或氣體，若熱源為燃煤鍋爐，則第一換熱器的出口與除塵除硫裝置的入口相連，除塵除硫裝置的出口與引風機的入口相連，引風機的出口與煙囪的入口相連。
[0022]本發明的聯合發電系統與現有發電系統相比，主要區別在于利用清潔能源風能、利用中低溫余熱并實現能源的梯級利用。本聯合發電系統是利用工業生產排出的中低溫余熱作為超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環中的一次換熱熱源;利用可再生能源風能帶動壓縮機壓縮空氣用于燃燒，利用燃氣透平的廢氣作為超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環中的二次換熱熱源;通過超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環及燃氣輪機實現聯合發電。該系統具有以下幾個優點:
[0023]1、該系統實現了工業中大量被直接排出的中低溫余熱的梯級利用，有利于降低能源消耗，避免資源浪費。該系統采用中低溫余熱熱源為換熱器提供熱量，進一步利用了工業廢氣或廢液，不僅提高能源利用率，又降低最終排出廢氣或廢液的溫度，保護環境。
[0024]2、該系統利用可再生能源風能驅動空氣壓縮裝置，實現了對清潔能源的利用，降低了整個發電系統對不可再生能源的需求，為風能的利用提供了新思路。
[0025]3、該系統中采用了超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統，分流再壓縮的設計能避免回熱器出現“夾點”，提高系統循環效率。
[0026]4、本發明中循環系統采用超臨界二氧化碳為工質，由于其自身特性，循環中動力機械的結構更為緊湊，所占空間更小，經濟性有所提升。
[0027]5、本發明結合風能、燃氣和超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統實現對能源的梯級利用，可達到聯合提供穩定供電的目標。
【附圖說明】
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[0028]圖1是所述的風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統。
[0029]圖中:I為風力機組，2為變速傳動裝置，3為第一壓縮機，4為燃燒器，5為燃氣透平，6為燃氣輪機發電機，7為第二換熱器，8為中低溫余熱熱源，9為儲熱罐，10為第一換熱器，11為超臨界二氧化碳透平，12為高溫回熱器，13為低溫回熱器，14為冷卻器，15為主壓縮機，16為再壓縮機，17為發電機。
【具體實施方式】
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[0030]以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
[0031]參見圖1，本發明一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，包括風能采集系統、燃氣輪機發電系統、中低溫余熱利用系統和超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統。
[0032]其中，所述的風能采集系統包括風力機組I和變速傳動裝置2，該風力機組I與變速傳動裝置2相連，利用風能帶動風力機組I產生動能，通過變速傳動裝置進行轉速控制，將穩定的動能輸送給第一壓縮機3作為動力來源；
[0033]所述的燃氣輪機發電系統包括第一壓縮機3、燃燒器4、燃氣透平5和燃氣輪機發電機6，第一壓縮機3通過軸系與變速傳動裝置2相連，第一壓縮機3上設有空氣入口，第一壓縮機3的出口與燃燒器4的氣體入口相連，燃燒器4上設有燃料入口，燃燒器4的出口與燃氣透平5的入口相連，燃氣透平5的出口與第二換熱器7的氣體入口相連，燃氣透平5通過軸系與燃氣輪機發電機6相連。由風力機組I產生的動能經變速傳動裝置2調控后對第一壓縮機3進行驅動，空氣由第一壓縮機3上的空氣入口進入并進行壓縮，壓縮后的空氣由燃燒器4的空氣入口進入，燃料由燃燒器4的燃料入口進入，燃料與壓縮空氣在燃燒器4內燃燒，高溫燃氣由燃氣透平5的入口進入，并在燃氣透平5中膨脹做功，通過由軸系連接的燃氣輪機發電機6輸出電能，做功后的廢氣由燃氣透平5的出口進入第二換熱器7的氣體入口，提供第二換熱器7所需熱量；
[0034]所述的中低溫余熱利用系統包括中低溫余熱熱源8、儲熱罐9、第一換熱器10，中低溫余熱熱源8的出口與儲熱罐9的入口相連，儲熱罐9的出口與第一換熱器10的余熱入口相連，第一換熱器10上設有廢氣或廢液的出口。中低溫余熱熱源8為中低溫余熱利用系統提供熱量來源，中低溫余熱可以是多種工業生產過程中具有余熱利用價值的廢氣或廢液，其通過儲熱罐9進行熱量調控，保證為第一換熱器10提供穩定的熱量，廢氣或廢液由第一換熱器10的余熱入口進入換熱器與循環工質進行換熱，熱量交換后的廢氣或廢液經第一換熱器10上的出口排出。進一步地，若中低溫余熱熱源8為燃煤鍋爐，則第一換熱器10的出口應與除塵除硫裝置的入口相連，除塵除硫裝置的出口與引風機的入口相連，引風機的出口與煙囪的入口相連，以保證排出的燃氣達到環保標準。
[0035]所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統包括第一換熱器10、第二換熱器7、超臨界二氧化碳透平11、高溫回熱器12、低溫回熱器13、冷卻器14、主壓縮機15、再壓縮機16、發電機17。第一換熱器10的循環工質入口與高溫回熱器12的低溫側流體出口相連，第一換熱器10的循環工質出口與第二換熱器7的循環工質入口相連，第二換熱器7的循環工質出口與超臨界二氧化碳透平11的入口相連，第二換熱器7的氣體入口與燃氣透平5的出口相連，第二換熱器7上設有煙囪，超臨界二氧化碳透平11的出口與高溫回熱器12的高溫側流體入口相連，超臨界二氧化碳透平11通過軸系與發電機17相連，高溫回熱器12的高溫側流體出口與低溫回熱器13的高溫側流體入口相連，低溫回熱器13的高溫側流體出口處工質分流，一路與冷卻器14的入口相連，冷卻器14的出口與主壓縮機15的入口相連，主壓縮機15的出口與低溫回熱器13的低溫側流體入口相連，低溫回熱器13的低溫側流體出口與高溫回熱器12的低溫側流體入口相連；另一路與再壓縮機16的入口相連，再壓縮機16的出口與高溫回熱器12的低溫側流體入口相連。超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統中，工質超臨界二氧化碳由高溫回熱器12的低溫側流體出口流出，由第一換熱器10的循環工質入口進入，工質在第一換熱器10中進行第一次換熱，工質由第一換熱器10的循環工質出口流出，由第二換熱器7的循環工質入口進入，在第二換熱器7中進行第二次換熱，第二換熱器7的熱量由燃氣透平5排出的廢氣提供，第二換熱器7上設有換熱后排出廢氣的煙囪，吸熱后的工質由第二換熱器7的循環工質出口流出，由超臨界二氧化碳透平11的入口進入并在其中膨脹做功，帶動發電機17輸出電能，之后工質由超臨界二氧化碳透平11的出口流出，由高溫回熱器12的高溫側流體入口進入并進行回熱，再由高溫回熱器12的高溫側流體出口流出，進入低溫回熱器13的高溫側流體入口，在低溫回熱器13中進行回熱，之后，工質由低溫回熱器13的高溫側流體出口流出，在此處分為兩路:I)一路由冷卻器14的入口進入，在冷卻器14中冷卻至主壓縮機15的入口溫度要求，之后工質從冷卻器14的出口流出，由主壓縮機15的入口進入，經壓縮后由主壓縮機15的出口流出，由低溫回熱器13的低溫側流體入口流入進行預熱，再由低溫回熱器13的低溫側流體出口流出；2)另一路直接由再壓縮機16的入口流入進行壓縮，之后由再壓縮機16的出口排出，與I)中由低溫回熱器13的低溫側流體出口流出的工質匯合，這兩部分工質此時具有相同的溫度和壓力，匯合后的工質由高溫回熱器12的低溫側流體入口進入，在高溫回熱器12中進行再次預熱，預熱后的工質由高溫回熱器12的低溫側流體出口流出，由第一換熱器10的循環工質入口進入吸熱，完成閉式循環。
[0036]整個聯合發電系統工作時，采用風能驅動，回收利用中低溫余熱熱源、燃氣透平排出的廢氣提供系統換熱所需熱量，實現能源的梯級利用及綜合利用，結合燃氣輪機發電系統及超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統實現穩定的聯合發電，所產生的電能最終輸入電網。
【主權項】
1.一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:包括風能采集系統、燃氣輪機發電系統、中低溫余熱利用系統和超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統，其中， 所述的風能采集系統包括風力機組(I)和變速傳動裝置(2)，該風力機組(I)與變速傳動裝置(2)相連； 所述的燃氣輪機發電系統包括第一壓縮機(3)、燃燒器(4)、燃氣透平(5)和燃氣輪機發電機(6)； 所述的中低溫余熱利用系統包括中低溫余熱熱源(8)、儲熱罐(9)和第一換熱器(10); 所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環發電系統包括第二換熱器(7)、超臨界二氧化碳透平(U)、高溫回熱器(12)、低溫回熱器(13)、冷卻器(14)、主壓縮機(15)、再壓縮機(16)和發電機(17)； 第一壓縮機(3)通過軸系與變速傳動裝置(2)相連，第一壓縮機(3)上設有空氣入口，第一壓縮機(3)的出口與燃燒器(4)的氣體入口相連，燃燒器(4)上設有燃料入口，燃燒器(4)的出口與燃氣透平(5)的入口相連，燃氣透平(5)的出口與第二換熱器(7)的氣體入口相連，燃氣透平(5)通過軸系與燃氣輪機發電機(6)相連，帶動燃氣輪機發電機(6)發電； 中低溫余熱熱源(8)的出口與儲熱罐(9)的入口相連，儲熱罐(9)的出口與第一換熱器(10)的余熱入口相連； 第一換熱器(10)的循環工質入口與高溫回熱器(12)的低溫側流體出口相連，第一換熱器(10)的循環工質出口與第二換熱器(7)的循環工質入口相連，第二換熱器(7)的循環工質出口與超臨界二氧化碳透平(11)的入口相連;超臨界二氧化碳透平(11)的出口與高溫回熱器(12)的高溫側流體入口相連，超臨界二氧化碳透平(11)通過軸系與發電機(17)相連，帶動發電機(17)發電；高溫回熱器(12)的高溫側流體出口與低溫回熱器(13)的高溫側流體入口相連，低溫回熱器(13)的高溫側流體出口處工質分流，一路從冷卻器(14)的入口進入，冷卻器(14)的出口與主壓縮機(15)的入口相連，主壓縮機(15)的出口與低溫回熱器(13)的低溫側流體入口相連，低溫回熱器(13)的低溫側流體出口與高溫回熱器(12)的低溫側流體入口相連；另一路從再壓縮機(16)的入口進入，再壓縮機(16)的出口與高溫回熱器(12)的低溫側流體入口相連。2.根據權利要求1所述的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:利用清潔能源風能帶動第一壓縮機(3)運轉以進行空氣壓縮。3.根據權利要求1所述的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統選用超臨界二氧化碳作為工質。4.根據權利要求1所述的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:所述的超臨界二氧化碳再壓縮布雷頓循環系統設置有分流再壓縮循環。5.根據權利要求1所述的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:第一換熱器(10)上設置有出口以排出余熱利用后的廢氣或廢液。6.根據權利要求5所述的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:第二換熱器(7)上設置有煙囪以排出換熱后的廢氣。7.根據權利要求6所述的一種風能、燃氣及超臨界二氧化碳能源梯級利用聯合發電系統，其特征在于:中低溫余熱熱源(8)來自工業生產排放的不同的液體或氣體，若熱源為燃煤鍋爐，則第一換熱器(10)的出口與除塵除硫裝置的入口相連，除塵除硫裝置的出口與引風機的入口相連，引風機的出口與煙囪的入口相連。
【文檔編號】F02C6/18GK105840258SQ201610240909
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】謝永慧, 王宇璐, 張荻
【申請人】西安交通大學