[go: up one dir, main page]

CN116658268A - 一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质 - Google Patents

一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质 Download PDF

Info

Publication number
CN116658268A
CN116658268A CN202310503106.2A CN202310503106A CN116658268A CN 116658268 A CN116658268 A CN 116658268A CN 202310503106 A CN202310503106 A CN 202310503106A CN 116658268 A CN116658268 A CN 116658268A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
cold source
working medium
working fluid
critical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310503106.2A
Other languages
English (en)
Inventor
郑楠
李子扬
刘黄
魏进家
陈绍鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN202310503106.2A priority Critical patent/CN116658268A/zh
Publication of CN116658268A publication Critical patent/CN116658268A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/068—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having other power cycles, e.g. Stirling or transcritical, supercritical cycles; combined with other power sources, e.g. wind, gas or nuclear
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/54—Improvements relating to the production of bulk chemicals using solvents, e.g. supercritical solvents or ionic liquids

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

本发明公开了一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，包括二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，高临界点组元工质的临界温度高于二氧化碳的临界温度，低临界点组元工质低于二氧化碳的临界温度。本发明以二氧化碳为基础，添加一种高临界温度组元工质和一种低临界温度组元工质，形成适用于超临界布雷顿循环的三元混合工质，以实现在高冷源温度和低冷源温度条件下循环热效率的提升。本发明在二氧化碳中加入高临界温度组元工质和低临界温度组元工质，可突破现有二元混合物临界温度调节范围有限的瓶颈，从而可在不更换系统工质的条件下，使工质临界温度随环境温度大幅变化，满足不同冷源温度条件下循环性能提升的需求。

Description

一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统技术领域，具体涉及一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质。
背景技术
超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统是一种先进的热工转换技术。当热源温度高于500℃时，其循环热效率高于蒸汽朗肯循环，而当热源温度达到700℃时，其循环效率可超过50％。超临界二氧化碳布雷顿循环还具有功率密度大、系统结构紧凑、一次能源适应性强等优势，在化石能源发电、核电、太阳能热发电等领域极具应用前景。
超临界布雷顿循环的效率优势主要与工质在临界点附近真实气体效应强有关。研究表明，在临界点附近超临界二氧化碳的压缩因子较小，比热和密度较大。压缩因子降低可减小压缩过程耗功；提高密度可减小工质流量，从而减小涡轮机械的尺寸；比热增加可减小放热过程工质温度变化，从而扩大循环温升、提高循环卡诺效率。可见，将压缩过程起始温度和压力控制在工质临界点附近，以充分发挥临界点附近的真实气体效应，是发挥超临界布雷顿循环效率优势的重要保障，这已成为当前学术界和工业界的主流共识。
能否将压缩机吸气点维持在二氧化碳临界点附近，在很大程度上取决于动力循环的冷源条件。对于聚光太阳能热发电，电站场址年太阳直射辐射总量需要至少达到1600kW·h/m2，而满足此要求的地区主要集中于南北纬15°～40°之间的内陆干旱、半干旱气候区。太阳辐射能与水资源时空分布的不一致，使得适宜发展光热发电的地区缺乏廉价、稳定的冷却水源，已成为制约超临界二氧化碳布雷顿循环与太阳能光热技术集成化发展的瓶颈。因此，发展基于空冷技术的动力循环既是现实需要，也是关系到光热发电技术未来的选择。由于空气传热能力比水差，空冷器需要更大的换热温差来保证超临界二氧化碳的有效冷却，使得压缩机吸气点在高环境温度下严重偏离临界点，导致压缩功耗急速增加、循环效率显著下降。为解决此问题，国内外学者提出通过添加第二组元工质来提升二氧化碳临界温度的技术方案。具体而言，就是将丙烷、丁烷、异丁烷、硫化氢等高临界点工质(以二氧化碳临界点为基准)与二氧化碳按照一定比例混合形成二元混合工质，并使混合工质的临界点与较高的冷源温度相匹配。研究结果表明，该方法可有效解决高冷源温度下超临界动力循环效率快速衰减的问题。申请人通过理论计算发现在众多可选高临界点组元工质中，硫化氢的性能最优，在50℃的环境温度下可使循环效率提升7.4％，上述发现已在国际期刊上发表[1]。
此外，在冷源温度足够低的情况下，使用二氧化碳混合工质代替纯二氧化碳也有利于超临界布雷顿循环的运行。一方面，当冷源温度非常低时，纯二氧化碳在空冷器内容易发生过度冷却，使压缩机吸气点偏离工质的临界点。另一方面，由于临界点界定了热力循环的冷端温度，根据热力学定理可知，降低工质临界点有利于提升循环的卡诺效率。为此，针对基于液冷的核电系统，一些学者提出将低临界温度(以二氧化碳临济温度为基准)的工质与二氧化碳掺混的方法来降低工质的临界温度。现有研究表明，氦、氖、氩、氪、氙、氮气、氧气等气体可作为添加物。
综上，现有研究证明了在二氧化碳中掺混第二组元工质来改变超临界布雷顿循环工质临界点这一方法的可行性。然而，相关论文与专利仅涉及二元混合工质，即在二氧化碳中添加高临界点组元工质或低临界点组元工质形成二元混合物。其局限性在于，受二氧化碳临界温度的限制，添加了高临界点组元工质的二元混合物无法用于冷源温度较低(<5℃)的场合，而添加了低临界点组元工质的二元混合物无法用于冷源温度较高(>25℃)的场合。而在实际应用场景中，冷源温度的变化范围往往跨越了二氧化碳的临界温度，故现有基于二元混合工质的临界点调节方法并不能实现在整个冷源温度范围内提升超临界布雷顿循环效率的目标。
参考文献：
[1]N Zheng,Z Li,J Fang,J Wei.Supercritical CO2 mixture Brayton cyclewith floating critical points for concentrating solar power application:Concept and thermodynamic analysis.Energy Conversion and Management 2023；284:116989.
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，包括二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，高临界点组元工质的临界温度高于二氧化碳的临界温度，低临界点组元工质低于二氧化碳的临界温度。
进一步的，高临界点组元工质为硫化氢。
进一步的，低临界点组元工质为Kr、Ar、N2或CH4。
进一步的，按质量百分数计，CO2 1％～93％，H2S 1％～83％与Kr 1％～71％。
进一步的，按质量百分数计，包括CO2 1％～93％，H2S 1％～54％与Kr 1％～71％。
进一步的，按质量百分数计，包括CO2 6％～84％，H2S 5％～74％与Ar 1％～47％。
进一步的，按质量百分数计，包括CO2 2％～88％，H2S 3％～80％与N2 1％～34％。
进一步的，按质量百分数计，包括CO2 1％～88％，H2S 2％～83％与CH4 2％～36％。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明以二氧化碳为基础，添加一种高临界温度组元工质和一种低临界温度组元工质，形成适用于超临界布雷顿循环的三元混合工质，以实现在高冷源温度和低冷源温度条件下循环热效率的提升。本发明在二氧化碳中同时加入高临界温度组元工质和低临界温度组元工质，可突破现有二元混合物临界温度调节范围有限的瓶颈，从而可在不更换系统工质的条件下，使工质临界温度随环境温度大幅变化，满足不同冷源温度条件下循环性能提升的需求。使用三元混合物对超临界布雷顿循环效率的提升效果在高冷源温度(>25℃)和低冷源温度(<5℃)条件下尤为显著，且效率的相对提升量随冷源温度与二氧化碳临界点温度之间差异的增大而迅速增加。在常规冷源温度范围内，当三元混合工质循环效率相较纯二氧化碳循环效率提升有限或不及后者时，可利用三元混合物质量配比可调的特性，通过组分分离与调控技术，使三元混合物转变为二元混合混合物或纯二氧化碳，从而保证在该冷源温度范围内超临界循环效率不衰减。本发明尤其适用于冷源温度变化范围大、极端冷源条件出现频率高的应用场景，如聚光太阳能热发电系统。通过大范围改变工质临界温度，可使超临界布雷顿循环在长周期运行过程中始终保持较高的热效率，从而提升整个太阳能发电系统的发电效率、降低发电成本。
进一步的，本发明优先使用硫化氢作为高临界温度组元工质，研究表明该组元工质兼具热效率高、化学稳定性强、全球变暖潜能值低、臭氧衰减指数为0等优点。
进一步的，本发明优先使用氪、氩、氮气或甲烷为低临界温度组元工质。在高冷源温度和低冷源温度下，基于上述四种组元的含二氧化碳、硫化氢的三元混合工质均表现出显著的热效率提升效果。
进一步的，本发明中二氧化碳、硫化氢和氪组成的三元混合物，可在任意冷源温度条件下都使超临界混合工质布雷顿循环的效率相较超临界二氧化碳循环均有所提升。
进一步的，该三元混合工质的显著特点在于其质量配比并非定值，而是依据冷源温度的变化而改变。总体上，三元混合工质临界温度随冷源温度的增加而增加，随冷源温度的下降而下降，通过改变三种组元工质的质量配比，可以实现满足不同冷源温度条件下循环性能提升的需求。针对具体的冷源温度，可反算出一组满足温度要求的三元混合物质量配比，再根据热效率等指标的计算结果从中优选出适合该冷源温度的最佳三元混合物质量配比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
结合聚光太阳能热发电系统的冷源温度情况进行具体说明。我国吐鲁番地区光照资源优越，适合发展光热发电。气象数据资料表明，该地区典型气象年的逐时温度变化范围为-13.9～40.6℃，平均气温只有约12℃。由于一年内低冷源温度(<5℃)和高冷源温度(>25℃)对应时长的占比均较高，因此，使工质的临界点兼具可调增和可调减的潜力无疑可提高系统的年运行效率。鉴于现有二元混合工质在临界点调节范围上的局限性，本发明提出了一种适用于超临界布雷顿循环的三元混合工质，该三元工质由二氧化碳、一种高临界点组元工质和一种低临界点组元工质混合而成。三种组元的配比需要依据冷源温度确定，即配比随冷源温度改变而变化。通过在二氧化碳中同时添加高、低临界点组元工质，可突破二氧化碳临界温度对二元混合工质临界温度调节范围的限制，使工质临界点可随冷源温度的波动而上下浮动，在任意冷源温度下均可维持超临界动力循环冷端温度与冷源温度之间稳定的、有限的温差，从而保证在任何冷源条件下都可发挥近临界点附近工质真实气体效应带来的有益效果。
本发明提出一种适用于超临界布雷顿循环的三元混合工质，该混合物由二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质按照特定比例混合形成。这里的高临界点与低临界点均以二氧化碳的临界温度(31.3℃)为参考，例如，硫化氢临界温度为99.9℃，属于高临界点工质；氪临界温度为-62.4℃，属于低临界点工质。
本发明提出一种三元混合工质合成原则：除二氧化碳(CO2)外，其余两种组元工质的选择只需考虑临界温度范围，对具体组元的选取不作限制。
在高临界点候选工质中优选出硫化氢(H2S)，故特别保护一种含有二氧化碳和硫化氢的三元混合工质。第三组元的选择需满足其临界温度小于二氧化碳临界温度，且使三元混合工质临界温度与冷源温度匹配的要求。
在此基础上，特别对4种第三组元(低临界点组元)提出保护。4种低临界点组元工质分别为氪(Kr)、氩(Ar)、氮(N2)和甲烷(CH4)。
本发明所提出的三元混合工质，旨在提升高冷源温度(>25℃)和低冷源温度(<5℃)条件下超临界布雷顿循环的热效率。在常规冷源温度条件下，三元混合工质循环的热效率可能与纯二氧化碳循环热效率相当，甚至低于后者。然而，借助组分分离与调控系统，可将三元混合物中某一种或两种添加组元的含量将至0，从而得到含二氧化碳的二元混合物或纯二氧化碳工质，从而保证在常规冷源温度范围内超临界布雷顿循环仍具有良好的热效率。
本发明所提出的三元混合工质，其最优质量配比是根据冷源温度变化而改变的。以敦煌地区气象数据为例，将气温的年变化范围设为-15～45℃。考虑空冷器中15℃的传热温差，则超临界布雷顿循环主压缩机入口温度(循环最低温度)范围为0～60℃。假设三元混合工质临界温度与主压缩机入口温度在任何情况下都满足1℃温差的理想条件(该温差可在>0.1℃的范围内自行设定)，则混合工质临界温度变化范围为-1～59℃。以下基于10℃温度步长将混合工质临界温度变化范围进行等分，并对各临界温度下的混合物组成及相应的循环效率进行计算和优选。
需要说明的是：(1)冷源温度变化步长可变，当温度步长变化时，只需根据所得冷源温度并采用与本发明相同的方法即可精确计算出该冷源温度下的一组三元混合物质量配比，并根据循环热效率等指标的计算结果优选出该冷源温度下最佳的三元混合物质量配比；(2)本发明实施例仅列出了混合物中三种组元工质质量分数都在1％以上的情况作为参考，某一种或二种添加组元质量分数为0的情况并未列出。但在实际使用时，可以形成二元混合物或纯二氧化碳以保证循环热效率不低于纯二氧化碳循环(对比循环)。例如，规定在常规冷源温度范围内，当三元混合工质循环热效率相比纯二氧化碳循环热效率相对提升量在-1％～1％范围内时，超临界动力循环将使用纯二氧化碳为工质。
本发明的一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质的制备方法为：将二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，在一定压力下物理混合均匀即可。
基于设定一组冷源温度，对四种典型三元混合工质的质量配比、循环热效率进行计算，结果如下：
(1)CO2-H2S-Kr混合物
所述混合物中各组元工质质量百分数之和为100％，其中CO2质量百分数为1％～93％，H2S质量百分数为1％～54％，Kr质量百分数为1％～71％。
实施例1-1：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按15％、14％、71％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例1-2：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按31％、8％、61％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例1-3：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按41％、4％、55％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例1-4：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按20％、17％、63％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例1-5：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按37％、11％、52％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例1-6：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按47％、7％、46％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例1-7：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按9％、26％、65％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例1-8：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按45％、14％、41％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例1-9：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按74％、1％、25％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例1-10：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按14％、30％、56％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例1-11：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按31％、25％、44％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例1-12：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按93％、1％、6％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例1-13：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按8％、38％、54％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例1-14：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按34％、31％、45％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例1-15：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按78％、19％、3％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例1-16：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按1％、47％、52％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例1-17：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按24％、41％、35％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例1-18：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按67％、32％、1％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例1-19：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按3％、54％、43％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例1-20：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按25％、49％、26％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例1-21：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Kr在高压下按50％、45％、5％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质。
(2)CO2-H2S-Ar混合物
所述混合物中各组元工质质量百分数之和为100％，其中CO2质量百分数为6％～84％，H2S质量百分数为5％～74％，Ar质量百分数为1％～47％。
实施例2-1：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按8％、45％、47％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例2-2：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按37％、25％、38％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例2-3：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按58％、10％、32％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例2-4：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按13％、46％、41％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例2-5：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按53％、19％、28％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例2-6：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按72％、5％、23％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例2-7：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按11％、52％、37％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例2-8：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按55％、23％、22％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例2-9：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按81％、5％、14％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例2-10：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按12％、56％、32％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例2-11：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按41％、37％、22％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例2-12：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按84％、10％、6％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例2-13：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按6％、65％、29％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例2-14：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按41％、42％、17％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例2-15：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按68％、26％、6％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例2-16：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按10％、67％、23％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例2-17：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按48％、43％、9％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例2-18：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按66％、33％、1％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例2-19：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按7％、74％、19％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例2-20：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按25％、62％、13％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例2-21：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和Ar在高压下按47％、49％、4％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质。
(3)CO2-H2S-N2混合物
所述混合物中各组元工质质量百分数之和为100％，其中CO2质量百分数为2％～88％，H2S质量百分数为3％～80％，N2质量百分数为1％～34％。
实施例3-1：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按14％、52％、34％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例3-2：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按47％、26％、27％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例3-2：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按67％、10％、23％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例3-4：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按3％、65％、32％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例3-5：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按58％、22％、20％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例3-6：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按77％、7％、16％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例3-7：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按25％、51％、24％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例3-8：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按49％、33％、18％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例3-9：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按88％、3％、9％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例3-10：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按6％、70％、24％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例3-11：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按34％、48％、18％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例3-12：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按85％、11％、4％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例3-13：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按2％、77％、21％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例3-14：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按42％、46％、12％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例3-15：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按72％、25％、3％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例3-16：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按24％、63％、13％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例3-17：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按39％、52％、9％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例3-18：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按65％、34％、1％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例3-19：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按7％、80％、13％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例3-20：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按29％、63％、8％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例3-21：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和N2在高压下按43％、3％、4％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质。
(4)CO2-H2S-CH4混合物
所述混合物中各组元工质质量百分数之和为100％，其中CO2质量百分数为1％～88％，H2S质量百分数为2％～83％，CH4质量百分数为2％～36％。
实施例4-1：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按3％、61％、36％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例4-2：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按48％、28％、24％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例4-3：针对-15℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按81％、2％、17％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为-1℃的三元混合工质；
实施例4-4：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按7％、63％、30％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例4-5：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按51％、30％、19％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例4-6：针对-5℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按78％、9％、13％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为9℃的三元混合工质；
实施例4-7：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按1％、72％、27％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例4-8：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按51％、34％、15％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例4-9：针对5℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按88％、5％、7％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为19℃的三元混合工质；
实施例4-10：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按9％、70％、21％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例4-11：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按52％、37％、11％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例4-12：针对15℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按87％、10％、3％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为29℃的三元混合工质；
实施例4-13：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按10％、73％、17％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例4-14：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按24％、62％、14％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例4-15：针对25℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按50％、42％、8％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为39℃的三元混合工质；
实施例4-16：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按2％、83％、15％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例4-17：针对35℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按22％、67％、11％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为49℃的三元混合工质；
实施例4-18：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按16％、75％、9％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例4-19：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按35％、60％、5％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质；
实施例4-20：针对45℃的冷源温度，取CO2、H2S和CH4在高压下按48％、50％、2％的质量比例进行物理混合，形成临界温度约为59℃的三元混合工质。
本发明提供的三元混合工质可用于各种构型的超临界布雷顿循环，包括简单回热型、再压缩型、中间冷却型等。以适用于聚光太阳能热发电系统的再压缩一次再热型超临界布雷顿循环为例开展循环性能计算。考虑典型设计工况如下：循环最高压力25MPa，中间压力为最高压力与最低压力的算术平均值，汽轮机入口温度650℃，压缩机等熵效率0.89，汽轮机等熵效率0.93，输出净功率35MW，回热器总热导率10MW、K，忽略换热器及管道内压降及各设备散热损失。计算时，循环最低压力、回热器热导率分配系数、再压缩回路流量分配系数为待优化参数。表1～4给出了在不同冷源温度下使用各混合物时超临界动力循环热效率的计算结果。需要指出的是，表中仅列出各工况下的最优(循环效率最大)计算结果。
表1 CO2-H2S-Kr混合物的计算结果
实施例 冷源温度 混合物(质量比例) 循环效率
实施例1-1 -15℃ CO2、H2S、Kr(15％、14％、71％) 59.1％
实施例1-2 -15℃ CO2、H2S、Kr(31％、8％、61％) 59.8％
实施例1-3 -15℃ CO2、H2S、Kr(41％、4％、55％) 59.4％
实施例1-4 -5℃ CO2、H2S、Kr(20％、17％、63％) 58.1％
实施例1-5 -5℃ CO2、H2S、Kr(37％、11％、52％) 58.4％
实施例1-6 -5℃ CO2、H2S、Kr(47％、7％、46％) 58.0％
实施例1-7 5℃ CO2、H2S、Kr(9％、26％、65％) 55.6％
实施例1-8 5℃ CO2、H2S、Kr(45％、14％、41％) 56.9％
实施例1-9 5℃ CO2、H2S、Kr(74％、1％、25％) 56.3％
实施例1-10 15℃ CO2、H2S、Kr(14％、30％、56％) 55.4％
实施例1-11 15℃ CO2、H2S、Kr(31％、25％、44％) 55.9％
实施例1-12 15℃ CO2、H2S、Kr(93％、1％、6％) 55.3％
实施例1-13 25℃ CO2、H2S、Kr(8％、38％、54％) 54.1％
实施例1-14 25℃ CO2、H2S、Kr(34％、31％、45％) 54.5％
实施例1-15 25℃ CO2、H2S、Kr(78％、19％、3％) 53.9％
实施例1-16 35℃ CO2、H2S、Kr(1％、47％、52％) 52.7％
实施例1-17 35℃ CO2、H2S、Kr(24％、41％、35％) 53.1％
实施例1-18 35℃ CO2、H2S、Kr(67％、32％、1％) 52.5％
实施例1-19 45℃ CO2、H2S、Kr(3％、54％、43％) 51.8％
实施例1-20 45℃ CO2、H2S、Kr(25％、49％、26％) 52.1％
实施例1-21 45℃ CO2、H2S、Kr(50％、45％、5％) 51.1％
表2 CO2-H2S-Ar混合物的计算结果
表3 CO2-H2S-N2混合物的计算结果
实施例 冷源温度 混合物(质量比例) 循环效率
实施例3-1 -15℃ CO2、H2S、N2(14％、52％、34％) 56.9％
实施例3-2 -15℃ CO2、H2S、N2(47％、26％、27％) 55.8％
实施例3-3 -15℃ CO2、H2S、N2(67％、10％、23％) 55.3％
实施例3-4 -5℃ CO2、H2S、N2(3％、65％、32％) 56.0％
实施例3-5 -5℃ CO2、H2S、N2(58％、22％、20％) 54.9％
实施例3-6 -5℃ CO2、H2S、N2(77％、7％、16％) 55.1％
实施例3-7 5℃ CO2、H2S、N2(25％、51％、24％) 54.3％
实施例3-8 5℃ CO2、H2S、N2(49％、33％、18％) 54.0％
实施例3-9 5℃ CO2、H2S、N2(88％、3％、9％) 55.0％
实施例3-10 15℃ CO2、H2S、N2(6％、70％、24％) 53.8％
实施例3-11 15℃ CO2、H2S、N2(34％、48％、18％) 53.1％
实施例3-12 15℃ CO2、H2S、N2(85％、11％、4％) 54.5％
实施例3-13 25℃ CO2、H2S、N2(2％、77％、21％) 52.9％
实施例3-14 25℃ CO2、H2S、N2(42％、46％、12％) 52.0％
实施例3-15 25℃ CO2、H2S、N2(72％、25％、3％) 53.3％
实施例3-16 35℃ CO2、H2S、N2(24％、63％、13％) 51.0％
实施例3-17 35℃ CO2、H2S、N2(39％、52％、9％) 51.0％
实施例3-18 35℃ CO2、H2S、N2(65％、34％、1％) 52.2％
实施例3-19 45℃ CO2、H2S、N2(7％、80％、13％) 50.5％
实施例3-20 45℃ CO2、H2S、N2(29％、63％、8％) 50.1％
实施例3-21 45℃ CO2、H2S、N2(43％、3％、4％) 50.4％
表4 CO2-H2S-CH4混合物的计算结果
作为对比，在相同工况条件下计算以纯CO2为工质的超临界布雷顿循环的热效率，结果如表5所示。需要说明的是，当冷源温度小于17℃时，受二氧化碳临界点的限制，主压缩机入口温度无法继续降低，因而循环效率将保持不变。根据表1～5的计算结果，可以定量评估在不同温度下使用三元混合物对超临界布雷顿循环效率的有益效果。表6总结了不同冷源温度下各混合物循环相对纯CO2循环热效率的最大相对提升量。可以看到，当使用CO2、H2S、Kr三元混合物时，在整个-15～45℃的冷源温度范围内，混合物循环的热效率均高于纯二氧化碳循环的效率，且效率的相对提升量随冷源温度与二氧化碳临界温度的差异增大而迅速提高。具体而言，在-15℃时，冷源温度与二氧化碳临界温度之差约为-46℃，混合工质循环效率相对提升量达到8.7％；在45℃时，冷源温度与二氧化碳临界温度之差约为14℃，混合工质循环效率相对提升量达到7.9％。根据效率提升幅度随冷源温度的变化趋势可知，使用CO2、H2S、Kr三元混合物可在任意冷源温度下都使超临界布雷顿循环效率相较以二氧化碳为工质时得到提升。
对于其他三种三元混合工质，虽然循环效率提升效果不如CO2、H2S、Kr三元混合物，但在高冷源温度(>25℃)和低冷源温度(<5℃)下也都表现出较明显的效率提升效果。在5～25℃的冷源温度范围内，使用CO2、H2S、Ar，CO2、H2S、N2及CO2、H2S、CH4三种混合物的热效率相对提升基本在-1％～1％之间，此时可通过组分分离与调节手段使两种添加组元工质的质量分数降至0，此时超临界动力循环将基于纯二氧化碳工质运行，可避免循环热效率下降。根据敦煌地区典型年气象资料，在全年8760小时数里，低于5℃的小时数为3184，而高于25℃的小时数为1847，适用于三元混合工质的工况时长占比接近60％，潜在收益巨大。以CO2、H2S、Kr三元混合物，采用分段计算的方法得到三元混合工质循环年运行效率可较纯二氧化碳循环提升3.1％。
表5基于纯CO2的计算结果
冷源温度 主压缩机入口温度 循环效率
-15℃ 32℃ 55.0％
-5℃ 32℃ 55.0％
5℃ 32℃ 55.0％
15℃ 32℃ 55.0％
17℃ 32℃ 55.0％
25℃ 40℃ 53.0％
35℃ 50℃ 50.4％
45℃ 60℃ 48.3％
表6循环热效率相对提升量(基于纯CO2循环效率)
气温 CO2、H2S、Kr CO2、H2S、Ar CO2、H2S、N2 CO2、H2S、CH4
-15℃ 8.7％(实施例1-2) 5.8％(实施例2-1) 3.5％(实施例3-1) 5.1％(实施例4-1)
-5℃ 6.2％(实施例1-5) 3.3％(实施例2-4) 1.8％(实施例3-4) 2.7％(实施例4-4)
5℃ 3.5％(实施例1-8) 1.1％(实施例2-7) 0％(实施例3-9) 0.9％(实施例4-9)
15℃ 1.6％(实施例1-11) -0.4％(实施例2-12) -0.9％(实施例3-12) -0.5％(实施例4-12)
25℃ 2.8％(实施例1-14) 0.8％(实施例2-15) 0.6％(实施例3-15) 0％(实施例4-13)
35℃ 5.4％(实施例1-17) 4.0％(实施例2-18) 3.6％(实施例3-18) 3.4％(实施例4-16)
45℃ 7.9％(实施例1-20) 5.4％(实施例2-21) 4.6％(实施例3-19) 5.0％(实施例4-20)

Claims (8)

1.一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，包括二氧化碳、高临界点组元工质和低临界点组元工质，高临界点组元工质的临界温度高于二氧化碳的临界温度，低临界点组元工质低于二氧化碳的临界温度。
2.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，高临界点组元工质为硫化氢。
3.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，低临界点组元工质为Kr、Ar、N2或CH4。
4.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，按质量百分数计，CO2 1％～93％，H2S 1％～83％与Kr 1％～71％。
5.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，按质量百分数计，包括CO2 1％～93％，H2S 1％～54％与Kr 1％～71％。
6.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，按质量百分数计，包括CO2 6％～84％，H2S 5％～74％与Ar 1％～47％。
7.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，按质量百分数计，包括CO2 2％～88％，H2S 3％～80％与N2 1％～34％。
8.根据权利要求1所述的超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质，其特征在于，按质量百分数计，包括CO2 1％～88％，H2S 2％～83％与CH4 2％～36％。
CN202310503106.2A 2023-05-06 2023-05-06 一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质 Pending CN116658268A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310503106.2A CN116658268A (zh) 2023-05-06 2023-05-06 一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310503106.2A CN116658268A (zh) 2023-05-06 2023-05-06 一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116658268A true CN116658268A (zh) 2023-08-29

Family

ID=87710875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310503106.2A Pending CN116658268A (zh) 2023-05-06 2023-05-06 一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116658268A (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103026031A (zh) * 2010-07-02 2013-04-03 埃克森美孚上游研究公司 低排放三循环动力产生系统和方法
CN112943396A (zh) * 2021-02-07 2021-06-11 西安交通大学 工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103026031A (zh) * 2010-07-02 2013-04-03 埃克森美孚上游研究公司 低排放三循环动力产生系统和方法
CN112943396A (zh) * 2021-02-07 2021-06-11 西安交通大学 工质临界点可调的混合工质超临界布雷顿循环系统及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘昕昕: "干冷CO<sub>2</sub>基混合工质超临界布雷顿循环性能研究", 《工程科技Ⅱ辑》, no. 2020, 30 November 2020 (2020-11-30), pages 19 - 20 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101852529B (zh) 一种天然气管网压力能高效利用的方法及装置
Vivekh et al. Experimental performance evaluation of desiccant coated heat exchangers from a combined first and second law of thermodynamics perspective
US11255579B2 (en) Control method of transcritical carbon dioxide composite heat pump system
CN101551060B (zh) 天然气管网压力能制冷与水合物的集成利用方法及装置
CN101245956A (zh) 利用天然气压力能的方法
CN105865149A (zh) 一种利用液化天然气冷能生产液态空气的方法
CN1963347A (zh) 以冷媒为介质的液化天然气冷量利用方法及其装置
CN108151364A (zh) 热泵式储能供电供热方法及装置
CN108728048A (zh) 一种三元共熔氯化盐传热蓄热材料及其制备方法和应用
CN116658268A (zh) 一种超临界布雷顿循环发电系统三元混合工质
US6952925B2 (en) Optimizing inlet air for gas turbines
CN106979544A (zh) 一种空气源跨临界co2热泵与多熔点相变蓄热耦合供暖系统
CN113179610B (zh) 一种建于泵站附近的集制冷与供热为一体的数据中心系统
CN110486627A (zh) 一种基于lng冷能利用的多联产系统
CN107167013B (zh) 一种蓄能换热装置
CN115419476A (zh) 超临界二氧化碳压缩机进口条件优化的发电系统及其工作方法
Zheng et al. Analysis of heat transfer characteristics of a novel liquid CO2 energy storage system based on two-stage cold and heat storage
Que et al. Thermodynamic analysis of a combined recompression supercritical carbon dioxide Brayton cycle with an organic flash cycle for hybrid solar-geothermal energies power generation
CN111637679A (zh) 一种液氧冷量回收系统及工艺
CN107556969B (zh) 一种用于液化天然气冷能有机朗肯循环发电的工质
CN208520082U (zh) 一种空气液化设备
CN212272310U (zh) 一种高温管网天然气压差能发电系统
CN110194948B (zh) 一种分布式能源系统中供热热泵三元混合工质
CN212272325U (zh) 一种lng冷能综合利用系统
CN110157383B (zh) 一种供热热泵三元混合工质

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination