一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统的制作方法

1.本技术涉及余热回收技术领域，更具体地，涉及一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统。


背景技术：

2.燃气轮机具有紧凑尺寸、高功率密度和高耐用性等特点，但大量燃料的能量仍然通过燃气轮机排气被浪费掉。在环保意识的提高和燃料价格上涨的推动下，迫切需要合适的舰船用燃气轮机余热回收技术来提高能源效率和减少舰船的污染物排放。
3.因此考虑通过将另一个可以利用相对低温的余热的底部热力学循环与燃气轮机相耦合，将燃气轮机排出的热量转化为热能或电能，从而提高整体能源效率。考虑到舰船的空间有限，燃气轮机余热回收机组应具备整体效率高、紧凑性、工作流体容易获得和可靠性高等特点，但现有技术中的余热回收机组无法满足上述需要，现有技术的余热回收的整体效率不高，且余热回收系统的占有体积大，造成舰船的利用面积紧张。
4.因此，如何提供一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，提高余热回收的效率，并降低余热回收系统的占有体积，提高余热回收系统的紧凑性，是目前有待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，用以解决现有技术中余热回收的整体效率不高，且余热回收系统的占有体积大，造成舰船的利用面积紧张的技术问题，所述系统包括：
6.冷凝器，用于将液态二氧化碳冷却后通过泵加压至中间压力，并将二氧化碳分流为第一路二氧化碳及第二路二氧化碳；
7.高温子循环单元，用于将第一路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的高温部分热量通过高温加热器引入进行高温子循环；
8.低温子循环单元，用于将第二路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的剩余部分热量通过低温加热器引入进行低温子循环；
9.所述冷凝器通过泵分别与所述高温子循环单元、低温子循环单元相连，所述高温子循环单元与所述低温子循环单元串联连接。
10.本技术一些实施例中，所述高温子循环单元包括高温加热器、主压缩机、低温同流换热器、高温同流换热器、再压缩器、高温涡轮机。
11.本技术一些实施例中，所述低温子循环单元包括底部换热器、低温涡轮机、低温加热器。
12.本技术一些实施例中，所述高温加热器通过泵与冷凝器相连，所述高温加热器还分别与所述再压缩器、低温同流换热器相连，所述再压缩器与所述高温同流换热器及所述高温涡轮机相连，所述低温同流换热器与所述高温同流换热器相连，所述高温同流换热器
与所述高温加热器相连，所述高温加热器与所述高温涡轮机相连，所述高温涡轮机与所述高温同流换热器相连。
13.本技术一些实施例中，所述底部换热器与所述低温加热器相连，所述低温加热器与所述低温涡轮机相连，所述低温涡轮机与所述底部换热器相连。
14.本技术一些实施例中，所述高温子循环单元具体用于：
15.接收冷凝器输送的所述第一路二氧化碳，并将所述第一路二氧化碳输入到主压缩机，并通过所述主压缩机将所述第一路二氧化碳压缩到最大循环压力；
16.所述第一路二氧化碳进入低温同流换热器中进行预热；
17.经过预热后的第一路二氧化碳与经过再压缩器再压缩后的工作流体混合为混合流体，并依次通过高温同流换热器及高温加热器达到最高循环温度，所述经过再压缩器再压缩后的工作流体具体为低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后流入再压缩器中的二氧化碳流体；
18.达到最高循环温度的混合流体进入高温涡轮机生产驱动压缩机和发电的功。
19.本技术一些实施例中，所述低温子循环单元具体用于：
20.所述第二路二氧化碳依次在底部换热器及低温加热器中加热；
21.经过加热的第二路二氧化碳在低温涡轮机中膨胀发电；
22.低温子循环单元中离开所述底部换热器的二氧化碳流体与主二氧化碳流体汇合后被海水冷凝为饱和液体，所述主二氧化碳流体具体为高温子循环单元中低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后除流入再压缩器中的二氧化碳流体以外的主二氧化碳流。
23.通过应用以上技术方案，船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统包括：冷凝器，用于将液态二氧化碳冷却后通过泵加压至中间压力，并将二氧化碳分流为第一路二氧化碳及第二路二氧化碳；高温子循环单元，用于将第一路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的高温部分热量通过高温加热器引入进行高温子循环；低温子循环单元，用于将第二路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的剩余部分热量通过低温加热器引入进行低温子循环，从而提高了余热回收的效率，并节省了舰船的机组空间。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1示出了本发明实施例提出的一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统的结构示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本技术保护的范围。
27.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
28.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
30.本技术实施例提供一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，如图1所示，所述系统包括：
31.冷凝器，用于将液态二氧化碳冷却后通过泵加压至中间压力，并将二氧化碳分流为第一路二氧化碳及第二路二氧化碳；
32.高温子循环单元，用于将第一路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的高温部分热量通过高温加热器引入进行高温子循环；
33.低温子循环单元，用于将第二路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的剩余部分热量通过低温加热器引入进行低温子循环；
34.所述冷凝器通过泵分别与所述高温子循环单元、低温子循环单元相连，所述高温子循环单元与所述低温子循环单元串联连接。
35.如图1所示，本方案中通过冷凝器及泵将高温子循环单元、低温子循环单元连接起来，共用的冷凝器冷却co2蒸汽有助于提高循环经济性能并节省机组的空间，该系统安装在燃气轮机的底部，具有串联布局的高温子循环单元和低温子循环单元，高温子循环单元将燃气轮机废气的高温部分热量通过高温加热器引入进行高温子循环，低温子循环单元将燃气轮机废气的剩余部分热量通过低温加热器引入进行低温子循环。
36.为了进一步对高温子循环单元进行说明，在本技术的一些实施例中，所述高温子循环单元包括高温加热器、主压缩机、低温同流换热器、高温同流换热器、再压缩器、高温涡轮机。
37.为了进一步对低温子循环单元进行说明，在本技术的一些实施例中，所述低温子循环单元包括底部换热器、低温涡轮机、低温加热器。
38.为了说明高温子循环单元的内部关系，在本技术的一些实施例中，所述高温加热器通过泵与冷凝器相连，所述高温加热器还分别与所述再压缩器、低温同流换热器相连，所述再压缩器与所述高温同流换热器及所述高温涡轮机相连，所述低温同流换热器与所述高温同流换热器相连，所述高温同流换热器与所述高温加热器相连，所述高温加热器与所述高温涡轮机相连，所述高温涡轮机与所述高温同流换热器相连。
39.为了说明低温子循环单元的内部关系，在本技术的一些实施例中，所述底部换热器与所述低温加热器相连，所述低温加热器与所述低温涡轮机相连，所述低温涡轮机与所述底部换热器相连。
40.为了保证高温子循环的正常进行，所述高温子循环单元具体用于：
41.接收冷凝器输送的所述第一路二氧化碳，并将所述第一路二氧化碳输入到主压缩机，并通过所述主压缩机将所述第一路二氧化碳压缩到最大循环压力；
42.所述第一路二氧化碳进入低温同流换热器中进行预热；
43.经过预热后的第一路二氧化碳与经过再压缩器再压缩后的工作流体混合为混合流体，并依次通过高温同流换热器及高温加热器达到最高循环温度，所述经过再压缩器再压缩后的工作流体具体为低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后流入再压缩器中的二氧化碳流体；
44.达到最高循环温度的混合流体进入高温涡轮机生产驱动压缩机和发电的功。
45.本实施例中，液态二氧化碳经过冷凝器冷却后，通过泵将液态二氧化碳一分为二，包括第一路二氧化碳及第二路二氧化碳，第一路二氧化碳进入高温子循环单元，而第二路二氧化碳进入低温子循环单元，第一路二氧化碳首先进入主压缩机，并通过主压缩机将第一路二氧化碳压缩到最大循环压力，然后第一路二氧化碳进入低温同流换热器中进行预热，经过预热后与经过再压缩器再压缩后的工作流体混合为混合流体，并依次通过高温同流换热器及高温加热器达到最高循环温度，经过再压缩器再压缩后的工作流体具体来源为低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器将热量散发给低温二氧化碳蒸汽之后流入再压缩器中的二氧化碳流体，达到最高循环温度的混合流体进入高温涡轮机生产驱动压缩机和发电的功，实现高温子循环过程。
46.为了保证低温子循环的正常进行，所述低温子循环单元具体用于：
47.所述第二路二氧化碳依次在底部换热器及低温加热器中加热；
48.经过加热的第二路二氧化碳在低温涡轮机中膨胀发电；
49.低温子循环单元中离开所述底部换热器的二氧化碳流体与主二氧化碳流体汇合后被海水冷凝为饱和液体，所述主二氧化碳流体具体为高温子循环单元中低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后除流入再压缩器中的二氧化碳流体以外的主二氧化碳流。
50.本实施例中，第二路二氧化碳依次在底部换热器及低温加热器中加热后在低温涡轮机中膨胀发电，完成低温子循环过程，同时低温子循环单元中离开所述底部换热器的二氧化碳流体与主二氧化碳流体汇合后被海水冷凝为饱和液体，主二氧化碳流体具体来源为高温子循环单元中低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后除去流入再压缩器中的二氧化碳流体以外的主二氧化碳流。
51.本方案中的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统循环配置的显着特点是泵同时用于高温和低温子循环。这是因为二氧化碳在其临界状态附近具有较低的压缩系数，此时会导致压缩功显着减少。此外，使用共用冷凝器代替预冷器来冷却二氧化碳蒸汽有助于提高循环经济性能并节省机组空间。
52.综上所述，本方案提出的一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统具有以下优点：
53.(1)该系统的泵同时用于高温和低温子循环。这是因为二氧化碳在其临界状态附近具有较低的压缩系数，导致压缩功显着减少。
54.(2)该系统使用共用的冷凝器来冷却二氧化碳蒸汽有助于提高循环经济性能并节省机组的空间。
55.(3)该系统的发电效率高，相比传统的水蒸气，在高于400℃时，超临界二氧化碳作为工质效率更高，在温度达550℃时，超临界二氧化碳发电系统热能转化为输出电能的效率一般可达45％。超临界二氧化碳不需要很高的循环温度即可实现理想的能量转换效率。
56.(4)该系统的投资、运行成本低。由于超临界二氧化碳具有稳定的化学性质，相比于高温高压的水蒸气，对金属管道设备侵蚀的速率较慢，因此对承压设备材质的要求相对较低。同时，该系统的发电系统无需配套水处理装置，节约了大量的水资源和水处理药剂的耗用等。此外，由于超临界二氧化碳具有黏性小和密度大的物理特性，使其具有流动性好、传热效率高、可压缩性小等典型优势，因此该装置的压缩机、涡轮机等关键部件体积较小、结构紧凑，占用空间小。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述系统包括：冷凝器，用于将液态二氧化碳冷却后通过泵加压至中间压力，并将二氧化碳分流为第一路二氧化碳及第二路二氧化碳；高温子循环单元，用于将第一路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的高温部分热量通过高温加热器引入进行高温子循环；低温子循环单元，用于将第二路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的剩余部分热量通过低温加热器引入进行低温子循环；所述冷凝器通过泵分别与所述高温子循环单元、低温子循环单元相连，所述高温子循环单元与所述低温子循环单元串联连接。2.如权利要求1所述的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述高温子循环单元包括高温加热器、主压缩机、低温同流换热器、高温同流换热器、再压缩器、高温涡轮机。3.如权利要求1所述的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述低温子循环单元包括底部换热器、低温涡轮机、低温加热器。4.如权利要求2所述的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述高温加热器通过泵与冷凝器相连，所述高温加热器还分别与所述再压缩器、低温同流换热器相连，所述再压缩器与所述高温同流换热器及所述高温涡轮机相连，所述低温同流换热器与所述高温同流换热器相连，所述高温同流换热器与所述高温加热器相连，所述高温加热器与所述高温涡轮机相连，所述高温涡轮机与所述高温同流换热器相连。5.如权利要求3所述的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述底部换热器与所述低温加热器相连，所述低温加热器与所述低温涡轮机相连，所述低温涡轮机与所述底部换热器相连。6.如权利要求1所述的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述高温子循环单元具体用于：接收冷凝器输送的所述第一路二氧化碳，并将所述第一路二氧化碳输入到主压缩机，并通过所述主压缩机将所述第一路二氧化碳压缩到最大循环压力；所述第一路二氧化碳进入低温同流换热器中进行预热；经过预热后的第一路二氧化碳与经过再压缩器再压缩后的工作流体混合为混合流体，并依次通过高温同流换热器及高温加热器达到最高循环温度，所述经过再压缩器再压缩后的工作流体具体为低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后流入再压缩器中的二氧化碳流体；达到最高循环温度的混合流体进入高温涡轮机生产驱动压缩机和发电的功。7.如权利要求1所述的船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，其特征在于，所述低温子循环单元具体用于：所述第二路二氧化碳依次在底部换热器及低温加热器中加热；经过加热的第二路二氧化碳在低温涡轮机中膨胀发电；
低温子循环单元中离开所述底部换热器的二氧化碳流体与主二氧化碳流体汇合后被海水冷凝为饱和液体，所述主二氧化碳流体具体为高温子循环单元中低压二氧化碳流依次经由高温同流换热器及低温同流换热器后除流入再压缩器中的二氧化碳流体以外的主二氧化碳流。

技术总结
本发明公开了一种船用燃气轮机超临界二氧化碳双循环余热回收系统，包括：冷凝器，用于将液态二氧化碳冷却后通过泵加压至中间压力，并将二氧化碳分流为第一路二氧化碳及第二路二氧化碳；高温子循环单元，用于将第一路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的高温部分热量通过高温加热器引入进行高温子循环；低温子循环单元，用于将第二路二氧化碳作为工作流体，并将燃气轮机废气的剩余部分热量通过低温加热器引入进行低温子循环，从而提高了余热回收的效率，并节省了舰船的机组空间。并节省了舰船的机组空间。并节省了舰船的机组空间。


技术研发人员：张怿 沙浩 包继雄 冯晓华 席勤琴 张建东 郑永峰 韦巍
受保护的技术使用者：华能苏州热电有限责任公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/6/26