阅读说明：本技术 一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统及方法 (Supercritical Brayton cycle bypass impurity removal system and method ) 是由 高炜 李红智 张一帆 姚明宇 杨玉 张纯 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统及方法,该系统包括依次连通的热源、超临界布雷顿循环系统、除杂质旁路和CO2压缩机中间级分流节流制冷系统；该除杂质系统为超临界CO2发电系统服务,旨在排除系统中的气体杂质,提高系统中CO2纯度,保证系统性能,该系统利用压缩机中间级抽气自身降温形成低温冷却工质,再利用这部分工质冷却旁路中的低压CO2工质使其成为液体,旁路中的液体CO2在分离器中将系统中混入O2、N2等杂质气体分流并排除,除杂质旁路不必时时运行,只在检测到系统杂质含量过高时运行。该系统最大程度上利用了CO2系统自身设备,不必添加复杂的化学系统及化学药剂,降低了除杂质过程的投资以及运行费用,维护超临界CO2发电系统工质纯净度。(A supercritical Brayton cycle bypass impurity removal system and a method thereof are provided, the system comprises a heat source, a supercritical Brayton cycle system, an impurity removal bypass and a CO2 compressor intermediate-stage shunting throttling refrigeration system which are sequentially communicated; the impurity removal system serves a supercritical CO2 power generation system, aims to remove gas impurities in the system, improves the purity of CO2 in the system and ensures the performance of the system, and utilizes the middle-stage air exhaust of a compressor to cool to form a low-temperature cooling working medium, and then utilizes the part of the working medium to cool a low-pressure CO2 working medium in a bypass to enable the low-pressure CO2 working medium to become liquid, the liquid CO2 in the bypass shunts and removes impurity gases such as O2 and N2 mixed in the system in a separator, and the impurity removal bypass does not need to operate all the time and only operates when the impurity content of the system is detected to be too high. The system utilizes the self equipment of the CO2 system to the maximum extent, does not need to add a complex chemical system and chemical agents, reduces the investment and the operating cost in the impurity removal process, and maintains the working medium purity of the supercritical CO2 power generation system.)

一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统及方法

技术领域

本发明涉及发电系统技术领域，特别涉及一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统及方法。

背景技术

在能源匮乏及环境危机的大背景下，提高能源利用率日益受到人们的重视。目前在众多热力循环当中，超临界布雷顿循环是一种最有优势的循环形式。新型超临界工质(二氧化碳、氦气和氧化二氮等)具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性。

但这类循环也存在一个明显的技术难点，超临界二氧化碳布雷顿循环采用二氧化碳作为工作而不是水，在循环系统当中二氧化碳的使用量较大，且纯度要求较高，一般使用工业级二氧化碳，需要一定的初投资。但对于大型工业级别的系统来说要长期保持系统中的二氧化碳纯度很高而不混入或者残留其他杂质气体比较困难，因此需要对于系统中的二氧化碳进行长期不断的净化，保证其纯净度，从而确保系统性能。但由于系统中的CO2处于超临界态，无相变，与N2、O2很难分离，若采用化学反应去除N2和O2，较为复杂，其若要保证不混入其他化学元素也不容易，并且N2是惰性气体，基本采用化学方法也不易分离。

传统的蒸汽朗肯循环中有类似除氧器的设备可以去除系统中的氧气，但前提是蒸汽朗肯循环存在液体水，可以从液态水中将气体分离，而超临界CO2系统本身并无液体，都是超临界态工质。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统及方法，利用系统自身工质特性，并最大限度利用系统自身设备的方法去除N2和O2杂质，采用了技术难度相对较低，可行性较高的方法，提高系统热效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统，包括透平2，透平2的入口与热源1工质侧出口相连通，透平2的出口与高温回热器3的放热侧入口相连通，高温回热器3的放热侧出口与低温回热器4放热侧入口相连通，低温回热器4的放热侧出口分流为两路，一路与再压缩机5入口相连通，再压缩机5出口与低温回热器4吸热侧出口工质汇合后与高温回热器3吸热侧入口相连通，低温回热器4放热侧出口分流出来的另一路与预冷器6工质侧入口相连通，预冷器6的工质侧出口分为两路，旁路与旁路节流降压器7的入口相连通，旁路节流降压器7的出口与旁路冷却器8的热侧入口相连通，旁路冷却器8的热侧出口与气液分离塔9的上部入口相连通，气液分离塔9的下部出口与增压泵10的入口相连通，增压泵10的出口与过滤旁路混合器11的旁路侧入口相连通，预冷器6的工质侧出口主流与过滤旁路混合器11的主流入口相连通，过滤旁路混合器11的出口与冷却旁路混合器12的主路入口相连通，冷却旁路混合器12的出口与主压缩机13的入口相连通，主压缩机13中间级抽气旁路出口与冷却旁路冷却器14工质侧入口相连通，冷却旁路冷却器14工质侧出口与冷却旁路节流降压器15入口相连通，冷却旁路节流降压器15出口与旁路冷却器8冷侧入口相连通，旁路冷却器8冷侧出口与冷却旁路混合器12旁路侧入口相连通，主压缩机13的分为末级主路出口与低温回热器4吸热侧入口相连通，低温回热器4吸热侧出口工质与在压缩机出口工质汇合后与高温回热器3吸热侧入口相连通，高温回热器3吸热侧出口与热源1入口相连通。

所述的气液分离塔9中下部设置液体出口，气液分离塔9上部设置排气口。

所述热源1为锅炉、余热换热器或太阳能。

一种超临界布雷顿循环旁路除杂质的方法，包括以下步骤；

该除杂质系统旨在维护系统中CO2纯净度，不必时时开启运行，只需在系统中O2、N2等杂质气体含量超标时开启运行；

当系统中CO2纯净度足够时，系统中的超临界CO2首先被热源1加热，随后超临界工质进入透平系统2做功，做功后的高温低压乏汽依次进入高温回热器3、低温回热器4的放热侧放热，放热后的低温低压工质分为两路，一路进入预冷器6工质侧被冷却，一路进入再压缩机5，被增压后的高压工质进入高温回热器3吸热侧吸热，被预冷器6冷却后全部工质依次通过过滤旁路混合器11以及冷却旁路混合器12，之后在进入主压缩机13，被压缩之后由主压缩机末级流出，进入低温回热器4吸热侧吸热，再与被再压缩机5压缩过的工质汇合，再进入高温回热器3吸热侧，在高温回热器3中吸热后再进入热源1中被加热，完成整个工质循环流程；

当系统中O2、N2等杂质气体含量超标时，需要开启运行除杂质旁路和分流节流冷却旁路，与正常运行时的不同之处在于，CO2工质从预冷器6中流出后，一部分工质分流进入除杂质旁路，在旁路中工质首先通入旁路节流降压器7降压节流，压力降低至CO2临界点以下，工质处于亚临界状态，随后进入旁路冷却器8，亚临界CO2工质被进一步冷却至饱和温度或比饱和温度稍低的液态，而杂质气体N2，O2由于在液化温度更低仍然保持气态，随后液态CO2工质与杂质气体进入气液分离塔9，在气液分离塔9中液态CO2由下部的液体出口流出，而N2，O2等气态杂质由分离塔9上部的排气口排出，经过去杂质后的纯净亚临界CO2液体工质再流入增压泵10，压力被提高至超临界态后进入过滤旁路混合器11与来自预冷器6中的主流混合，之后通过冷却旁路混合器12后进入主压缩机13，此时主压缩机13的中间级抽气旁路开启，一部分被压缩至一定压力的工质由此抽气出口流入分流节流冷却旁路，首先进入冷却旁路冷却器14被初步冷却，然后进入冷却旁路节流降压器15，经过降压节流后进一步降至低于前面除杂质旁路中CO2液化温度的低温，之后通入旁路冷却器8的低温侧对除杂质旁路工质进行冷却，随后冷却旁路工质进口冷却旁路混合器12与主流混合后进入主压缩机13，系统的其他运行过程与正常运行时相同。

本发明的有益效果：

本发明从超临界CO2系统中最接近临界点之处抽气一部分工质，首先使其降压至接近临界压力的亚临界态，然后使其降温液化，再将工质中的气体杂质分流出来。而对这部分工质进行降温用的冷却工质也是系统中的CO2，这部分CO2来自系统中压缩机中间级抽气，对这部分抽气首先降温预冷，再进行节流进一步降温，这部分CO2可以在保持超临界状态的同时降温至比所需CO2液化温度更低的温度，因此可以对杂质旁路的CO2进行降温液化。

本发明在最大限度的利用系统自身设备，尽量减小能耗，不加入任何附加化学药剂的前提下，可以有效的去除系统中的N2和O2，维护了系统纯度，保证了系统性能。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

其中，热源1、透平2、高温回热器3、低温回热器4、再压缩机5、预冷器6、旁路节流降压器7、旁路冷却器8、气液分离塔9、增压泵10、过滤旁路混合器11、冷却旁路混合器12、主压缩机13、冷却旁路冷却器14、冷却旁路节流降压器15

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：一种超临界布雷顿循环旁路除杂质系统，包括透平2，透平2的入口与热源1工质侧出口相连通，透平2的出口与高温回热器3的放热侧入口相连通，高温回热器3的放热侧出口与低温回热器4放热侧入口相连通，低温回热器4的放热侧出口分流为两路，一路与再压缩机5入口相连通，再压缩机5出口与低温回热器4吸热侧出口工质汇合后与高温回热器3吸热侧入口相连通，低温回热器4放热侧出口分流出来的另一路与预冷器6工质侧入口相连通，预冷器6的工质侧出口分为两路，旁路与旁路节流降压器7的入口相连通，旁路节流降压器7的出口与旁路冷却器8的热侧入口相连通，旁路冷却器8的热侧出口与气液分离塔9的上部入口相连通，气液分离塔9的下部出口与增压泵10的入口相连通，增压泵10的出口与过滤旁路混合器11的旁路侧入口相连通，预冷器6的工质侧出口主流与过滤旁路混合器11的主流入口相连通，过滤旁路混合器11的出口与冷却旁路混合器12的主路入口相连通，冷却旁路混合器12的出口与主压缩机13的入口相连通，主压缩机13中间级抽气旁路出口与冷却旁路冷却器14工质侧入口相连通，冷却旁路冷却器14工质侧出口与冷却旁路节流降压器15入口相连通，冷却旁路节流降压器15出口与旁路冷却器8冷侧入口相连通，旁路冷却器8冷侧出口与冷却旁路混合器12旁路侧入口相连通，主压缩机13的分为末级主路出口与低温回热器4吸热侧入口相连通，低温回热器4吸热侧出口工质与在压缩机出口工质汇合后与高温回热器3吸热侧入口相连通，高温回热器3吸热侧出口与热源1入口相连通。

所述的气液分离塔9中下部设置液体出口，气液分离塔9上部设置排气口。

所述热源1为锅炉、余热换热器或太阳能。

超临界布雷顿循环本体包括：热源1、透平2、高温回热器3、低温回热器4、再压缩机5、预冷器6、主压缩机13；中间级分流节流制冷系统包括：旁路冷却器8、冷却旁路混合器12、冷却旁路冷却器14、冷却旁路节流降压器15；除杂质旁路包括：旁路节流降压器7、旁路冷却器8、气液分离塔9、增压泵10、过滤旁路混合器11。其中中间级分流节流制冷系统的制冷工质即系统中的CO2工质，压缩机即超临界布雷顿循环系统的主压缩机13，无需采用其他制冷剂及压缩机。旁路冷却器8是中间级分流节流制冷系统和除杂质旁路共用设备。

具体实施过程为：当系统中CO2纯净度足够时，系统中的超临界CO2首先被热源1加热，随后超临界工质进入透平系统2做功，做功后的高温低压乏汽依次进入高温回热器3、低温回热器4的放热侧放热，放热后的低温低压工质分为两路，一路进入预冷器6工质侧被冷却，一路进入再压缩机5，被增压后的高压工质进入高温回热器3吸热侧吸热，从低温回热器4放热侧出口分流出来的第二路工质直接进入预冷器6，被冷却后全部工质依次通过过滤旁路混合器11以及冷却旁路混合器12，之后在进入主压缩机13，被压缩之后由主压缩机末级流出，进入低温回热器4吸热侧吸热，再与被再压缩机压缩过的第一路工质汇合，再进入高温回热器3吸热侧，在高温回热器3中吸热后再进入热源1中被加热，完成整个工质循环流程；

当系统中O2、N2等杂质气体含量超标时，需要开启运行除杂质旁路和分流节流冷却旁路，与正常运行时的不同之处在于，CO2工质从预冷器6中流出后，一部分工质分流进入除杂质旁路，在旁路中工质首先通入旁路节流降压器7降压节流，压力降低至CO2临界点以下，工质处于亚临界状态，随后进入旁路冷却器8，亚临界CO2工质被进一步冷却至饱和温度或比饱和温度稍低的液态，而杂质气体N2，O2由于在液化温度更低仍然保持气态，随后液态CO2工质与杂质气体进入气液分离塔9，在气液分离塔9中液态CO2由下部的液体出口流出，而N2，O2等气态杂质由分离塔9上部的排气口排出，经过去杂质后的纯净亚临界CO2液体工质再流入增压泵10，压力被提高至超临界态后进入过滤旁路混合器11与来自预冷器6中的主流混合，之后通过冷却旁路混合器12后进入主压缩机13，此时主压缩机13的中间级抽气旁路开启，一部分被压缩至一定压力的工质由此抽气出口流入分流节流冷却旁路，首先进入冷却旁路冷却器14被初步冷却，然后进入冷却旁路节流降压器15，经过降压节流后进一步降至低于前面除杂质旁路中CO2液化温度的低温，之后通入旁路冷却器8的低温侧对除杂质旁路工质进行冷却，随后冷却旁路工质进口冷却旁路混合器12与主流混合后进入主压缩机13，系统的其他运行过程与正常运行时相同。

但图1所示超临界布雷顿循环系统的其它布局不影响本发明的应用，本发明的内容对于超临界循环系统的其它布局也适用，因此本发明中的超临界布雷顿循环系统是广泛意义上的超临界布雷顿循环系统，而非局限于图示布局。例如其它超临界布雷顿循环系统可采用多级透平系统，或带再热的透平系统，也可不采用分流再压缩系统，即只采用一个主压缩机，没有图中再压缩机，并将图中两个回热器合并为一个回热器，等等。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。