[发明专利]内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统

说明书

本发明公开一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，二氧化碳从冷凝器进入工质泵后被压缩为超临界气体，然后该压缩后的二氧化碳气体在工质泵的出口分为两个支路：其中一支路作为跨临界二氧化碳朗肯循环系统的工质，另一支路作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的工质。本发明以内燃机尾气余热为热源，依次由超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环回收利用内燃机尾气的高品质余热，由跨临界二氧化碳朗肯循环回收利用内燃机尾气的低品质余热，将动力装置的余热能转化为电能，具有热效率高、结构紧凑、维护保养成本低的特点，可以显著提高动力装置的经济性。

技术领域

本发明属于能源转换与利用技术，具体涉及一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统。

背景技术

内燃机通常指燃料的燃烧过程和热功转换过程发生在装置内部的动力机械，主要包括柴油机、汽油机、燃气轮机和燃料电池。内燃机在工作过程中会有大量的余热通过尾气排放出去，选择合适的热力循环方式和工质高效地回收利用尾气余热对于提高内燃机燃料利用率具有重大意义。目前，用于余热回收的传统热力循环主要包括以水为工质的蒸汽朗肯循环和以有机物为工质的有机朗肯循环。蒸汽朗肯循环具有结构简单，技术成熟，操作容易等优点。但是蒸汽朗肯循环热效率较低，并且对水质要求较高，需要专门设备对水进行处理；另外，蒸汽朗肯循环系统的涡轮出口蒸汽干度需要控制在合理的范围，避免造成涡轮叶片的“水击”而产生叶片的受损，这些都增加了系统的运行和维护成本。有机朗肯循环主要适用于低温余热源的回收和利用，但是当热源温度较高时，为了避免造成工质的热分解，需要在热源与工质之间增加中间传热回路(如热油回路)，这增加了系统的复杂性，降低了系统的能量转换效率。

以二氧化碳为工质的超临界布雷顿循环，因为具有热效率高，结构紧凑等特点，正越来越多地被人们用于余热回收。二氧化碳具有容易制取，热物性稳定、临界温度低、环境友好、对大气臭氧层破坏小等优点。但对于高温余热源，由于排气与工质间的换热器存在“窄点温差”，使得超临界二氧化碳吸收热量后，内燃机排气温度仍然较高。

为了继续回收排气余热，通常的做法是将二氧化碳超临界布雷顿循环与有机朗肯循环组成联合循环，利用有机朗肯循环回路回收利用低温余热。

但这种联合热力循环系统存在两种工质，需要不同的容器储存工质；而且每个热力循环需要分别设置各自的冷却器作为“热沉”，这些均增加了联合循环系统的复杂性和总体尺寸。另外，余热回收系统分别利用压气机和工质泵增加二氧化碳和有机工质的压力，需要消耗大量的压缩功，从而使联合循环的发电量降低。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，本发明集成超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统与跨临界二氧化碳朗肯循环系统，采用二氧化碳作为单一工质，利用二氧化碳在临界点附近具有较低压缩因子的特点，有效减少系统的总压缩功，增加联合循环的发电量，提高能源转化效率，联合循环系统只设置一个冷凝器对二氧化碳工质进行冷却，使整体系统结构更加紧凑。

技术方案：本发明的一种内燃机余热利用的超临界/跨临界二氧化碳联合循环发电系统，包括高温热源换热器、低温热源换热器、减压阀、冷凝器、工质泵、超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统和跨临界二氧化碳朗肯循环系统；液态二氧化碳从冷凝器进入工质泵后被压缩为超临界气体，然后该压缩后的二氧化碳气体在工质泵的出口分为两个支路：其中一支路作为跨临界二氧化碳朗肯循环系统的工质，另一支路作为超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统的工质；

所述跨临界二氧化碳朗肯循环系统包括第一低温回热器和低温涡轮，其中低温热源换热器的吸热侧入口与第一低温回热器的吸热侧出口连通，低温热源换热器的吸热侧出口与低温涡轮的进口连通；