[发明专利]一种低温余热CO2 朗肯循环系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温余热CO₂朗肯循环系统，具体涉及一种利用近海燃煤电站或核电站蒸汽轮机乏汽与低温海水温差进行热功转换的亚(跨)临界CO₂朗肯循环方法，属于机械工程和低温余热回收领域。

背景技术

目前，采用先进技术的大型燃煤电站的热功转换效率约为40～48％，而常规压水堆核电的效率仅为30～36％，其余的能量大多经由汽轮机凝汽器和冷却介质排入大气、河流和海洋，被称为冷端损失，不仅浪费能源，而且会导致严重的热污染。如何减少冷端损失一直是发电行业关注的焦点。

降低冷源温度是减少蒸汽朗肯循环冷端损失的最有效方法。在内陆电站，冷源温度主要取决于大气干球温度(空冷)或湿球温度(水冷)，受地理位置和气候条件所限，蒸汽冷凝温度大多在32～50℃。而在近海电站，一般采用表层或浅层海水直接冷凝汽轮机乏汽，冷凝温度大多在30～40℃，稍低于内陆电站。

众所周知，表层或浅层海水的温度受太阳辐射和气候的影响较大，在高纬度地区，如渤海和黄海北部，每年约有6个月水温在12℃以下，年最高水温一般不超过25℃。另外，水温随着海水深度的增加而降低，在深度500米时的水温将降到5～6℃。我国的南部沿海、海南岛以及台湾岛东部等很多区域的海岸陡峭，离岸不远处的海水深度就能达到500米。显然，以这些低温水做为冷源能显著提高机组的热功转换效率。然而，对于蒸汽轮机来说，随着冷凝温度的降低，乏汽的体积流量急剧增大。研究表明，冷凝温度为15℃时的乏汽体积流量约为33℃时的2.8倍，相应地，大功率汽轮机的低压缸数量和长度也将同比例增加，在技术上不具有可行性。

近年来，以CO₂为工质的朗肯循环受到越来越多的关注。从上述分析可知，由于冷海水温度远低于CO₂的临界温度(31.1℃)，而汽轮机乏汽温度接近或高于CO₂的临界温度，非常容易实现亚(跨)临界循环。若以蒸汽轮机排汽或凝汽器温排水为热源，以冷海水为冷源，以CO₂为工质，利用热源和冷源的温差进行发电，从本质上讲，就相当于将燃煤电站和压水堆核电站的冷源温度降低到冷海水的温度。由于CO₂循环的排气密度是水蒸汽循环的1000～2000倍，因此其乏汽体积流量很小，透平结构十分紧凑。另外，CO₂属于纯天然工质，来源广泛，成本低，具有良好的安全性和化学稳定性，对环境无害，并具有优良的流动和传热特性，超临界换热不存在窄点温差问题，CO₂三相点温度为-56.6℃，冷海水不可能使其凝固，这些特征使CO₂朗肯循环成为类似于电站乏汽这种低温余热回收的最佳选择。

由于大型燃煤电站和核电站需要消耗大量的冷却水，更倾向于建在海边。如果有可利用的冷海水，就可以通过CO₂朗肯循环回收利用乏汽余热。通过对国内外相关的文献检索和分析，申请人未发现与本发明特征相近的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温余热CO₂朗肯循环系统，可利用近海燃煤电站或核电站蒸汽轮机排汽余热与低温海水的温差进行热功转换。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

该系统以蒸汽轮机排汽或凝汽器温排水为热源，以深海冷水或中高纬度地区季节性近海冷水为冷源，以CO₂为循环的工质，通过亚临界或跨临界CO₂朗肯循环实现热功转换。

所述热源与冷源的温差高于10℃；以深海冷水为冷源时，冷源温度最高不超过12℃；以中高纬度地区季节性近海冷水为冷源时，冷源温度低于CO₂的临界温度，无法满足这一条件时，所述系统可关闭，但不影响原发电机组的正常运行。

所述系统的工作过程为：高压CO₂液体从热源吸热后转变为过热CO₂气体，过热CO₂气体进入CO₂透平膨胀做功；用从海中抽取的冷水将透平排气(乏气)凝结为液体后通过CO₂增压泵增压得到高压CO₂液体，完成一个循环。由于充分利用了CO₂在临界区的高密度、低相变潜热等特性，不仅循环系统简单、设备紧凑，而且具有非常优良的热力性能。

所述CO₂透平的做功用于发电或者拖动泵、风机等其它耗功设备。