本發(fā)明涉及熱能動力循環(huán)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

二氧化碳的臨界點為31℃/7.4mpa，在溫度和壓力超過臨界點時的狀態(tài)為超臨界態(tài)。近年來，以超臨界二氧化碳為工質(zhì)的動力循環(huán)系統(tǒng)成為研究熱點，引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣。由于二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、密度高、無毒性、低成本，循環(huán)系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，超臨界二氧化碳動力循環(huán)被認(rèn)為在化石能源發(fā)電、核能發(fā)電、聚光型太陽能熱發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

簡單的帶回?zé)岬某R界二氧化碳動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由壓縮機、透平、發(fā)電機、熱交換器、回?zé)崞?、預(yù)冷器等組成。低溫低壓工質(zhì)首先進(jìn)入壓縮機壓縮至高壓，經(jīng)回?zé)崞魑胀钙脚懦龉べ|(zhì)的熱量，再經(jīng)熱交換器從熱源吸收熱量達(dá)到最高溫度，然后進(jìn)入透平做功推動發(fā)電機工作，透平排出的工質(zhì)經(jīng)回?zé)崞麽尫挪糠譄崃浚詈蠼?jīng)預(yù)熱器冷卻后進(jìn)入下一個循環(huán)過程。對此簡單循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，可以提高循環(huán)的熱效率，目前被廣泛采用的方法是分流再壓縮。

分流再壓縮循環(huán)比簡單循環(huán)增加一臺壓縮機，并且回?zé)崞鞣譃楦邷鼗責(zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞?。與簡單循環(huán)不同之處在于，再壓縮循環(huán)的工質(zhì)在進(jìn)入預(yù)冷器前分流成兩路，一路工質(zhì)進(jìn)入預(yù)冷器，再經(jīng)主壓縮機和低溫回?zé)崞?，然后與進(jìn)入分壓縮機的另一路工質(zhì)匯合進(jìn)入高溫回?zé)崞?。分流再壓縮可以顯著提高簡單循環(huán)的熱效率，其本質(zhì)相當(dāng)于兩個超臨界二氧化碳的聯(lián)合循環(huán)，頂循環(huán)即為進(jìn)入分壓縮機的一路循環(huán)，底循環(huán)即為進(jìn)入主壓縮機的一路循環(huán)。

然而，在此基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步提高超臨界二氧化碳循環(huán)的熱效率，是本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于解決的難題，其中，在現(xiàn)有循環(huán)基礎(chǔ)上增加頂循環(huán)是提高循環(huán)熱效率的途徑，一種可能的循環(huán)是液態(tài)金屬循環(huán)，這種循環(huán)曾用作蒸汽朗肯頂循環(huán)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何進(jìn)一步提高超臨界二氧化碳循環(huán)的熱效率。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于：包括液態(tài)金屬循環(huán)回路和超臨界二氧化碳循環(huán)回路；

液態(tài)金屬循環(huán)回路包括第一液態(tài)金屬泵，第一液態(tài)金屬泵出口連接熱源進(jìn)口，熱源出口連接高壓金屬蒸氣透平進(jìn)口；高壓金屬蒸氣透平出口分為兩路，分別連接低壓金屬蒸氣透平進(jìn)口和第一金屬冷凝器金屬側(cè)進(jìn)口；低壓金屬蒸氣透平出口連接第二金屬冷凝器金屬側(cè)進(jìn)口，第二金屬冷凝器金屬側(cè)出口連接第二液態(tài)金屬泵進(jìn)口，第二液態(tài)金屬泵出口與第一金屬冷凝器金屬側(cè)出口匯合并連接第一液態(tài)金屬泵進(jìn)口；

超臨界二氧化碳循環(huán)回路包括sco2主壓縮機，sco2主壓縮機出口連接低溫sco2回?zé)崞鞲邏簜?cè)進(jìn)口，低溫sco2回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口與sco2分壓縮機出口匯合后連接高溫sco2回?zé)崞鞲邏簜?cè)進(jìn)口，高溫sco2回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口連接第二金屬冷凝器二氧化碳側(cè)進(jìn)口，第二金屬冷凝器二氧化碳側(cè)出口連接第一金屬冷凝器二氧化碳側(cè)進(jìn)口，第一金屬冷凝器二氧化碳側(cè)出口連接sco2透平進(jìn)口，sco2透平出口連接高溫sco2回?zé)崞鞯蛪簜?cè)進(jìn)口，高溫sco2回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口連接低溫sco2回?zé)崞鞯蛪簜?cè)進(jìn)口；低溫sco2回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口分為兩路，分別連接預(yù)冷器進(jìn)口和sco2分壓縮機進(jìn)口，預(yù)冷器出口連接sco2主壓縮機進(jìn)口。

優(yōu)選地，所述低壓金屬蒸氣透平與高壓金屬蒸氣透平同軸設(shè)置。

優(yōu)選地，所述高壓金屬蒸氣透平連接第一發(fā)電機。

優(yōu)選地，所述sco2主壓縮機、sco2分壓縮機、sco2透平三者同軸設(shè)置。

優(yōu)選地，所述sco2透平連接第二發(fā)電機。

優(yōu)選地，所述液態(tài)金屬循環(huán)回路的工質(zhì)為堿金屬及其合金，例如：鉀、銫、鈉，等。

優(yōu)選地，所述熱源為核反應(yīng)堆(如：液態(tài)金屬快堆、熔鹽堆、高溫氣冷堆)、化石燃料燃燒鍋爐或生物質(zhì)燃料直燃鍋爐。

優(yōu)選地，所述sco2主壓縮機分為兩級或多級，并中間冷卻。

優(yōu)選地，所述液態(tài)金屬循環(huán)為頂循環(huán)，液態(tài)金屬工質(zhì)經(jīng)第一液態(tài)金屬泵增壓，然后進(jìn)入熱源加熱氣化并升溫至過熱，金屬蒸氣工質(zhì)輸出至高壓金屬蒸氣透平做功發(fā)電；高壓金屬蒸氣透平排出金屬蒸氣和液態(tài)金屬的混合工質(zhì)分為兩路：第一分路進(jìn)入低壓金屬蒸氣透平繼續(xù)做功發(fā)電；第二分路進(jìn)入第一金屬冷凝器液化，并將潛熱傳遞給二氧化碳工質(zhì)；低壓金屬蒸氣透平排出的金屬蒸氣和液態(tài)金屬的混合工質(zhì)再進(jìn)入第二金屬冷凝器液化，并將潛熱傳遞給二氧化碳工質(zhì)；第二金屬冷凝器排出的液態(tài)金屬工質(zhì)經(jīng)第二液態(tài)金屬泵增壓后與第一金屬冷凝器排出的液態(tài)金屬工質(zhì)匯合，最后進(jìn)入第一液態(tài)金屬泵。

優(yōu)選地，所述超臨界二氧化碳循環(huán)為底循環(huán)，二氧化碳工質(zhì)經(jīng)sco2主壓縮機增壓后，經(jīng)低溫sco2回?zé)崞魑兆愿邷豷co2回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口排出的二氧化碳工質(zhì)的熱量，之后與經(jīng)sco2分壓縮機增壓后的另一路二氧化碳工質(zhì)匯合，再由高壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入高溫sco2回?zé)崞?，高壓?cè)的二氧化碳工質(zhì)在高溫sco2回?zé)崞魑誷co2透平排出的低壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)的熱量后溫度進(jìn)一步上升，再經(jīng)由高溫sco2回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口排出并先后進(jìn)入第二金屬冷凝器、第一金屬冷凝器升溫，第一金屬冷凝器排出的二氧化碳工質(zhì)進(jìn)入sco2透平做功發(fā)電；sco2透平排出的二氧化碳工質(zhì)壓力下降，然后經(jīng)由低壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入高溫sco2回?zé)崞鲗崃總鹘o高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)，高溫sco2回?zé)崞鞯蛪簜?cè)出口排出的二氧化碳工質(zhì)經(jīng)低溫sco2回?zé)崞鲗崃總鬟f給來自sco2主壓縮機排出的二氧化碳工質(zhì)，低溫sco2回?zé)崞鞒隹诜譃閮陕罚旱谝环致愤M(jìn)入預(yù)冷器冷卻，最后進(jìn)入sco2壓縮機；第二分路進(jìn)入sco2分壓縮機。

更優(yōu)選地，所述低溫sco2回?zé)崞鞒隹趦陕范趸脊べ|(zhì)的質(zhì)量比為3∶2。

本發(fā)明基于聯(lián)合循環(huán)的思路，用液態(tài)金屬循環(huán)作為頂循環(huán)，超臨界二氧化碳循環(huán)作為底循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)的熱效率比單獨的頂循環(huán)或底循環(huán)高。雖然液態(tài)金屬循環(huán)的溫度較高，其中透平進(jìn)口溫度達(dá)到800℃或更高，金屬蒸氣透平排氣溫度約為400-600℃，但是液態(tài)金屬循環(huán)的最高壓力較低，僅為幾個大氣壓，有利于降低制造難度。因此，超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)是進(jìn)一步提升超臨界二氧化碳循環(huán)熱效率潛力的有效途徑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的超臨界二氧化碳與氦氣聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)具有如下有益效果：

1、頂循環(huán)和底循環(huán)可以根據(jù)工質(zhì)的特點相對獨立地設(shè)置參數(shù)，液態(tài)金屬循環(huán)可以運行在較高的溫度(例如：850℃)，且最高壓力可以較低(例如：0.1-0.3mpa)，超臨界二氧化碳循環(huán)運行溫度通常不超過600℃，且壓力較高(例如：20-30mpa)。

2、聯(lián)合循環(huán)的熱效率比單獨的頂循環(huán)或底循環(huán)高，當(dāng)?shù)籽h(huán)為分流再壓縮循環(huán)時，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)55％以上。

3、液態(tài)金屬循環(huán)壓力低，設(shè)備制造難度小，在850℃以內(nèi)可采用不銹鋼材料，材料成本也不高。

附圖說明

圖1為本實施例提供的超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示意圖；

其中：

1-第一液態(tài)金屬泵，2-熱源，3-高壓金屬蒸氣透平，4-低壓金屬蒸氣透平，5-第一發(fā)電機，6-第一金屬冷凝器，7-第二金屬冷凝器，8-第二液態(tài)金屬泵，9-sco2主壓縮機，10-sco2分壓縮機，11-低溫sco2回?zé)崞鳎?2-高溫sco2回?zé)崞鳎?3-sco2透平，14-第二發(fā)電機，15-預(yù)冷器。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

圖1為本實施例提供的超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)示意圖，所述的超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)由第一液態(tài)金屬泵1、熱源2、高壓金屬蒸氣透平3、低壓金屬蒸氣透平4、第一發(fā)電機5、第一金屬冷凝器6、第二金屬冷凝器7、第二液態(tài)金屬泵8、sco2主壓縮機9、sco2分壓縮機10、低溫sco2回?zé)崞?1、高溫sco2回?zé)崞?2、sco2透平13、第二發(fā)電機14、預(yù)冷器15等組成。

第一液態(tài)金屬泵1和第二液態(tài)金屬泵8，用于將液態(tài)金屬工質(zhì)增壓和流體輸送；

熱源2，用于加熱液態(tài)金屬工質(zhì)；

高壓金屬蒸氣透平3，與低壓金屬蒸氣透平4和第一發(fā)電機5同軸，做功后排出的金屬工質(zhì)一路輸入低壓金屬蒸氣透平4，別一路經(jīng)由金屬側(cè)進(jìn)口輸入第一金屬冷凝器6；

低壓金屬蒸氣透平4，與高壓金屬蒸氣透平3和第一發(fā)電機5同軸，做功后排出的金屬工質(zhì)經(jīng)由金屬側(cè)進(jìn)口輸入第二金屬冷凝器7；

第一發(fā)電機5，用于將高壓金屬蒸氣透平3與低壓金屬蒸氣透平4的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?/p>

第一金屬冷凝器6，具有金屬側(cè)進(jìn)口、金屬側(cè)出口、二氧化碳側(cè)進(jìn)口、二氧化碳側(cè)出口，用于冷凝高壓金屬蒸氣透平3排出的一路金屬蒸氣，并將熱量傳遞給超臨界二氧化碳底循環(huán)，冷卻后的金屬工質(zhì)進(jìn)入第一液態(tài)金屬泵1；

第二金屬冷凝器7，具有金屬側(cè)進(jìn)口、金屬側(cè)出口、二氧化碳側(cè)進(jìn)口、二氧化碳側(cè)出口，用于冷凝低壓金屬蒸氣透平4排出的一路金屬蒸氣，并將熱量傳遞給超臨界二氧化碳底循環(huán)，冷卻后的金屬工質(zhì)進(jìn)入第二液態(tài)金屬泵8；

sco2主壓縮機9和sco2分壓縮機10，用于將二氧化碳工質(zhì)增壓至高壓；

低溫sco2回?zé)崞?1，具有高壓側(cè)進(jìn)口、高壓側(cè)出口、低壓側(cè)進(jìn)口、低壓側(cè)出口，sco2主壓縮機9產(chǎn)生的高壓二氧化碳工質(zhì)經(jīng)由高壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入后自高壓側(cè)出口輸出至高溫sco2回?zé)崞?2，同時，高壓二氧化碳工質(zhì)在低溫sco2回?zé)崞?1被經(jīng)由低壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入的二氧化碳工質(zhì)加熱；

高溫sco2回?zé)崞?2，具有高壓側(cè)進(jìn)口、高壓側(cè)出口、低壓側(cè)進(jìn)口、低壓側(cè)出口，高壓二氧化碳工質(zhì)經(jīng)由高壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入后自高壓側(cè)出口輸出至第二金屬冷凝器7，同時，高壓二氧化碳工質(zhì)在高溫sco2回?zé)崞?2被經(jīng)由低壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入的二氧化碳工質(zhì)加熱；

sco2透平13，與第二發(fā)電機14相連，做功產(chǎn)生的二氧化碳工質(zhì)經(jīng)由低壓側(cè)進(jìn)口輸入高溫sco2回?zé)崞?2；

第二發(fā)電機14，用于將sco2透平13的軸功轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?/p>

預(yù)冷器15，用于二氧化碳工質(zhì)冷卻，之后工質(zhì)進(jìn)入sco2主壓縮機9。

各個設(shè)備之間通過管道連接，根據(jù)系統(tǒng)控制需要，管道上可布置閥門、儀表。組成系統(tǒng)的其它部分還有輔助設(shè)施、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

第一液態(tài)金屬泵1、熱源2、高壓金屬蒸氣透平3、低壓金屬蒸氣透平4、第一發(fā)電機5、第一金屬冷凝器6金屬側(cè)、第二金屬冷凝器7金屬側(cè)、第二液態(tài)金屬泵8構(gòu)成液態(tài)金屬循環(huán)回路。液態(tài)金屬循環(huán)為頂循環(huán)。

sco2主壓縮機9、sco2分壓縮機10、低溫sco2回?zé)崞?1、高溫sco2回?zé)崞?2、第一金屬冷凝器6二氧化碳側(cè)、第二金屬冷凝器7二氧化碳側(cè)、sco2透平13、第二發(fā)電機14、預(yù)冷器15，構(gòu)成超臨界二氧化碳循環(huán)回路。超臨界二氧化碳循環(huán)為底循環(huán)。

本實施例提供的超臨界二氧化碳與液態(tài)金屬聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)使用時的具體步驟如下：

液態(tài)金屬循環(huán)為頂循環(huán)，液態(tài)金屬以液態(tài)鉀為例，液態(tài)鉀工質(zhì)經(jīng)第一液態(tài)金屬泵1增壓，例如：增壓至0.15mpa，然后進(jìn)入熱源2加熱氣化(沸點約800℃)并升溫至過熱，例如：升溫至850℃，鉀蒸氣工質(zhì)輸出至高壓金屬蒸氣透平3做功發(fā)電；高壓金屬蒸氣透平3排出鉀蒸氣和液態(tài)鉀的混合工質(zhì)分為兩路，第一分路進(jìn)入低壓金屬蒸氣透平4繼續(xù)做功發(fā)電，第二分路進(jìn)入第一金屬冷凝器6液化，凝結(jié)溫度為570℃，并將潛熱傳遞給二氧化碳工質(zhì)；低壓金屬蒸氣透平4排出鉀蒸氣和液態(tài)鉀的混合工質(zhì)再進(jìn)入第二金屬冷凝器7液化，凝結(jié)溫度為450℃，并將潛熱傳遞給二氧化碳工質(zhì)；第二金屬冷凝器7排出的液態(tài)鉀經(jīng)第二液態(tài)金屬泵8增壓后與第一金屬冷凝器6排出的液態(tài)鉀匯合，最后進(jìn)入第一液態(tài)金屬泵1。

超臨界二氧化碳循環(huán)為底循環(huán)，二氧化碳工質(zhì)經(jīng)sco2主壓縮機9增壓，例如：增壓至20mpa，經(jīng)低溫sco2回?zé)崞?1吸收自高溫sco2回?zé)崞?2低壓側(cè)出口排出的二氧化碳工質(zhì)的熱量，之后與經(jīng)sco2分壓縮機10增壓后的另一路二氧化碳工質(zhì)匯合，再由高壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入高溫sco2回?zé)崞?2，高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)在高溫sco2回?zé)崞?2吸收sco2透平13排出的低壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)的熱量后溫度進(jìn)一步上升，再經(jīng)由高溫sco2回?zé)崞?2高壓側(cè)出口排出并先后進(jìn)入第二金屬冷凝器7、第一金屬冷凝器6升溫，例如：升溫至550℃，第一金屬冷凝器6排出的二氧化碳工質(zhì)進(jìn)入sco2透平13做功發(fā)電；sco2透平13排出的二氧化碳工質(zhì)壓力下降，例如：壓力下降至6.6mpa，經(jīng)由低壓側(cè)進(jìn)口進(jìn)入高溫sco2回?zé)崞?2將熱量傳給高壓側(cè)的二氧化碳工質(zhì)，高溫sco2回?zé)崞?2低壓側(cè)出口排出的二氧化碳工質(zhì)經(jīng)低溫sco2回?zé)崞?1將熱量傳遞給來自sco2主壓縮機9排出的二氧化碳工質(zhì)，之后分為兩路，例如：質(zhì)量比為3∶2，第一分路進(jìn)入預(yù)冷器15冷卻，例如：冷卻至25℃，最后進(jìn)入sco2壓縮機9，第二分路進(jìn)入sco2分壓縮機10。

液態(tài)金屬循環(huán)和超臨界二氧化碳循環(huán)聯(lián)合運行，經(jīng)系統(tǒng)優(yōu)化后，保守估計液態(tài)金屬循環(huán)發(fā)電效率約為18％，超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電效率約為45％，整體循環(huán)發(fā)電效率可達(dá)18％+45％×(1-18％)＝55％，假設(shè)配合燃煤鍋爐，鍋爐效率92％，并扣除廠用電，則發(fā)電廠效率可達(dá)50％以上，顯著高于現(xiàn)有大型超超臨界燃煤電廠。