超临界二氧化碳发电系统
技术领域
一个或更多个实施例涉及一种能够通过使用超临界二氧化碳(CO2)作为工作流体来发电的发电系统。
背景技术
超临界二氧化碳(CO2)发电系统是通过将被压缩到等于或大于临界压力的超高压的二氧化碳加热到高温来驱动涡轮机的发电系统。
这种超临界二氧化碳发电系统通常采用布雷顿(Brayton)循环类型，该类型由于其高发电效率和较少的热源限制而在近来已经被积极地研究。
第2016-0130551号韩国公开专利公开了一种使用并联膨胀型复叠式循环的超临界二氧化碳发电系统。
发明内容
技术问题
一个或更多个实施例提供了一种具有改进的结构的超临界二氧化碳发电系统。
技术方案
根据本公开的一方面，一种使用超临界二氧化碳(CO2)作为工作流体的超临界二氧化碳发电系统包括：第一压缩部，对工作流体进行压缩；第二压缩部，对工作流体进行压缩；第一再生部，对由第一压缩部压缩的工作流体进行加热；第二再生部，对由第一再生部加热的工作流体和由第二压缩部压缩的工作流体进行加热；主热交换部，将从热源产生的热传递到由第二再生部加热的工作流体；膨胀部，在使已经从主热交换部接收热的工作流体膨胀的同时产生动力；动力传输部，将由膨胀部产生的动力传输到第一压缩部和第二压缩部；以及发电部，通过从动力传输部接收动力来发电。
有益效果
根据本公开的一方面，可以实现具有改进的结构的超临界二氧化碳(CO2)发电系统。
附图说明
图1是根据实施例的超临界二氧化碳(CO2)发电系统的示意性框图。
具体实施方式
根据本公开的一方面，一种使用超临界二氧化碳(CO2)作为工作流体的超临界二氧化碳发电系统包括：第一压缩部，对工作流体进行压缩；第二压缩部，对工作流体进行压缩；第一再生部，对由第一压缩部压缩的工作流体进行加热；第二再生部，对由第一再生部加热的工作流体和由第二压缩部压缩的工作流体进行加热；主热交换部，将从热源产生的热传递到由第二再生部加热的工作流体；膨胀部，在使已经从主热交换部接收热的工作流体膨胀的同时产生动力；动力传输部，将由膨胀部产生的动力传输到第一压缩部和第二压缩部；以及发电部，通过从动力传输部接收动力来发电。
这里，来自膨胀部的工作流体可以顺序地在第二再生部和第一再生部中执行热交换。
这里，来自膨胀部的工作流体可以在第二再生部中与在第一再生部中被加热的工作流体和在第二压缩部中被压缩的工作流体交换热，并且可以在第一再生部中与在第一压缩部中被压缩的工作流体交换热。
这里，动力传输部可以包括至少一个齿轮系和容纳齿轮系的齿轮箱。
这里，齿轮系可以从膨胀部的旋转轴接收动力，并且可以将动力传输到第一压缩部的驱动轴、第二压缩部的驱动轴和发电部的驱动轴。
这里，向第一压缩部移动的工作流体可以被预冷器冷却。
这里，第一压缩部可以包括至少两个第一压缩机。
这里，第一中冷器可以布置在两个第一压缩机之间。
这里，第二压缩部可以包括至少两个第二压缩机。
这里，第二中冷器可以布置在两个第二压缩机之间。
这里，分支部可以布置在第二压缩部与第一再生部之间的管道上。
这里，超临界二氧化碳发电系统还可以包括：控制部，控制分支部。
这里，第一压缩部与第二压缩部可以彼此面对，且齿轮箱位于第一压缩部与第二压缩部之间。
这里，汇合部可以布置在第一再生部与第二再生部之间的管道上，由第二压缩部压缩的工作流体和由第一再生部加热的工作流体在汇合部处彼此汇合。
这里，超临界二氧化碳发电系统还可以包括：控制部，控制汇合部。
这里，膨胀部可以包括至少两个膨胀器。
这里，至少一个再热器可以布置在至少两个膨胀器之间。
这里，齿轮系可以包括输出小齿轮、从输出小齿轮接收动力的大齿轮以及从大齿轮接收动力的驱动小齿轮，膨胀部的旋转轴可以连接到输出小齿轮，第一压缩部的驱动轴和第二压缩部的驱动轴可以连接到驱动小齿轮，并且发电部的驱动轴可以连接到大齿轮。
这里，齿轮系可以布置在齿轮箱内的单个空间中。
公开的模式
在下文中，将参照附图详细地描述本公开的一个或更多个实施例。此外，在本说明书和附图中，同样的附图标记表示基本上相同的组件，并且不重复其详细的描述。
根据本公开的超临界二氧化碳(CO2)发电系统表示使用超临界二氧化碳作为工作流体的系统，并且不仅包括其中在循环中流动的所有工作流体超临界的系统，而且包括其中大部分工作流体超临界而剩余的工作流体亚临界的系统。
另外，根据本公开的工作流体是二氧化碳，二氧化碳广义地包括纯二氧化碳、包含少量杂质的二氧化碳、二氧化碳与一种或更多种添加剂混合的流体等。
图1是根据实施例的超临界二氧化碳发电系统的示意性框图。
参照图1，根据本实施例的超临界二氧化碳发电系统100包括第一压缩部110、第二压缩部120、第一再生部130、第二再生部140、主热交换部150、膨胀部160、动力传输部170、发电部180和控制部190。
第一压缩部110包括两个第一压缩机111和112、设置在第一压缩机111和112之间的第一中冷器113，并且由从动力传输部170传输的动力驱动。
第一压缩机111和112从第一管道P1接收工作流体以对工作流体进行压缩，并且分别包括离心式压缩机。
这里，第一管道P1连接到预冷器PC，预冷器PC使从分支部D排出的工作流体中的一些冷却。
分支部D设置在第二压缩部120与第一再生部130之间的管道上，并且可以包括可以电控制的电阀门或者可以手动控制的机械阀门。因此，控制部190可以自动地控制分支部D，或者用户可以手动地控制分支部D。由于分支部D连接到第十一管道P11、第十二管道P12和第二管道P2，所以当控制分支部D时，可以控制流过第十一管道P11的全部工作流体的流量，而且还可以控制流过第二管道P2和第十二管道P12的工作流体的流量。
根据实施例，预冷器PC连接到第一管道P1，但是不限于此。即，根据本公开，预冷器PC可以不连接到第一管道P1。
第一中冷器113设置在第一压缩机111和112之间。第一中冷器113使从第一压缩机111排出的工作流体冷却，从而降低第一压缩部110的功耗。
根据实施例，第一压缩部110包括两个第一压缩机111和112，但是不限于此。即，根据本公开，第一压缩部可以包括至少一个压缩机，压缩机的数量不受具体限制。例如，第一压缩部可以包括一个、三个、四个、五个或更多个压缩机。
根据实施例，第一压缩部110包括第一中冷器113，但是不限于此。根据本公开的第一压缩部可以不包括中冷器。
另外，第二压缩部120可以包括两个第二压缩机121和122以及设置在第二压缩机121和122之间的第二中冷器123。第二压缩部120由从动力传输部170传输的动力驱动。第一压缩部110和第二压缩部120布置成彼此面对，且动力传输部170的齿轮箱172位于其间。
第二压缩机121和122从第二管道P2接收工作流体以对工作流体进行压缩，并且分别包括离心式压缩机。
第二中冷器123设置在第二压缩机121和122之间。第二中冷器123使从第二压缩机121排出的工作流体冷却，从而降低第二压缩部120的功耗。
根据实施例，第二压缩部120包括两个第二压缩机121和122，但是不限于此。即，根据本公开，第二压缩部可以包括至少一个压缩机，压缩机的数量不受具体限制。例如，第二压缩部可以包括一个、三个、四个、五个或更多个压缩机。
根据实施例，第二压缩部120包括第二中冷器123，但是不限于此。根据本公开的第二压缩部120可以不包括中冷器。
另外，第一再生部130接收由第一压缩部110压缩并通过第三管道P3传送的工作流体，并且对工作流体进行加热。即，由第一压缩部110压缩的工作流体在穿过第一再生部130的同时与从第二再生部140排出的工作流体交换热。为此，第一再生部130可以具有通用的热交换部的结构。
由第一再生部130加热的工作流体移动通过第四管道P4，由第二压缩部120压缩的工作流体移动通过第五管道P5。然后，工作流体在汇合部J处汇合，并且经由第六管道P6移动到第二再生部140。
汇合部J设置在第一再生部130与第二再生部140之间的管道上，并且可以包括可以电控制的电阀门或者可以手动控制的机械阀门。因此，控制部190可以自动地控制汇合部J，或者用户可以手动地控制汇合部J。
由于汇合部J连接到第四管道P4、第五管道P5和第六管道P6，所以当控制汇合部J时，控制流过第六管道P6的全部工作流体的流量，而且可以控制流过第四管道P4和第五管道P5的工作流体的流量。
根据本实施例，汇合部J与第二再生部140分开，但是不限于此。即，根据本公开，移动通过第五管道P5的工作流体可以直接移动到第二再生部140。在这种情况下，汇合部J布置在第二再生部140内，因此，移动通过第四管道P4的工作流体和移动通过第五管道P5的工作流体在布置在第二再生部140内的汇合部J处汇合。
另外，第二再生部140对由第一再生部130加热的工作流体和由第二压缩部120压缩的工作流体进行加热。即，从汇合部J排出并且经由第六管道P6移动到第二再生部140的工作流体可以在穿过第二再生部140的同时与从膨胀部160排出的工作流体交换热。为此，第二再生部140可以具有通用的热交换部的结构。
由第二再生部140加热的工作流体经由第七管道P7移动到主热交换部150。
主热交换部150将由热源HS产生的热传递到由第二再生部140加热的工作流体。为此，主热交换部150可以具有通用的热交换部的结构。
热源HS可以包括可以产生热的任何类型的装置。例如，热源HS可以包括各种类型的热源，诸如太阳能加热系统、核能加热系统、地热加热系统、火力加热系统等。
接收由热源HS产生的热的工作流体经由第八管道P8移动到膨胀部160。
膨胀部160在使接收从主热交换部150传递的热的工作流体膨胀的同时产生动力，膨胀部160包括第一膨胀器161、第二膨胀器162、第三膨胀器163和第四膨胀器164以及再热器165。
第一膨胀器161、第二膨胀器162、第三膨胀器163和第四膨胀器164可以均具有涡轮结构，再热器165布置在第二膨胀器162与第三膨胀器163之间。再热器165由从热源HS传递的热驱动，或者可以由附加的驱动源驱动。
根据本实施例的膨胀部160包括四个膨胀器，即第一膨胀器161、第二膨胀器162、第三膨胀器163和四膨胀器164，但是不限于此。即，膨胀部可以包括至少一个膨胀器，膨胀器的数量不受具体限制。例如，膨胀部可以包括一个、两个、三个、五个、六个或更多个膨胀器。
根据实施例，膨胀部160包括单个再热器165，但是不限于此。即，膨胀部160可以包括多个再热器。例如，再热器可以布置在第一膨胀器161与第二膨胀器162之间和第三膨胀器163与第四膨胀器164之间。此外，根据本公开的膨胀部可以不包括再热器。
另外，动力传输部170将由膨胀部160产生的动力传输到第一压缩部110和第二压缩部120，并且将剩余的动力传输到发电部180以执行发电。
动力传输部170包括至少一个齿轮系171和容纳齿轮系171的齿轮箱172。齿轮系171从膨胀部160的旋转轴161a、162a、163a和164a接收动力，并且将动力传输到第一压缩部110的驱动轴111a和112a、第二压缩部120的驱动轴121a和122a以及发电部180的驱动轴181。
根据本公开的动力传输部的齿轮系可以具有各种形状。即，设计者可以设计具有各种性能和结构的齿轮系。作为示例，根据实施例的齿轮系171可以包括大齿轮(bullgear)171a、多个小齿轮(pinion gear)171b和多个连接齿轮171c。小齿轮171b可以包括输出小齿轮171b_1和驱动小齿轮171b_2。在构成齿轮系171的齿轮的形状方面不存在特别的限制，例如，齿轮可以具有正齿轮形状、斜齿轮形状、双斜齿轮形状等。
第一膨胀器161、第二膨胀器162、第三膨胀器163和第四膨胀器164的旋转轴161a、162a、163a和164a连接到输出小齿轮171b_1，第一压缩机111和112的驱动轴111a和112a以及第二压缩机121和122的驱动轴121a和122a连接到驱动小齿轮171b_2。另外，连接齿轮171c与小齿轮171b啮合以传输动力。
根据实施例的齿轮箱172包括金属材料，但是不限于此。即，在用于形成根据本公开的齿轮箱的材料方面不存在特别的限制，而是可以使用各种材料。
实施例的齿轮系171集中在齿轮箱172内的单个空间S中，并且经由多个轴承B安装。
由于齿轮系171集中在根据本实施例的动力传输部170中的齿轮箱172内的单个空间S中，所以可以容易地执行用于使齿轮系171润滑的油的供应和油的循环，并且可以有效地布置齿轮系171。因此，可以减小整个动力传输部170的体积。因此，简化了超临界二氧化碳发电系统100的整体结构，并且可以有效地利用安装空间，因此，可以减小超临界二氧化碳发电系统100的安装空间的尺寸。
根据实施例，齿轮系171布置在齿轮箱172内的单个空间S中，但是不限于此。即，根据本公开，齿轮箱172内的空间可以被分隔成多个空间，并且齿轮系的部分可以分别分布到分隔的空间。
发电部180从动力传输部170接收动力以发电，发电部180可以具有通用的发电机结构。发电部180的驱动轴181连接到动力传输部170的齿轮系171以接收动力。
控制部190控制超临界二氧化碳发电系统100，即，控制部190连接到超临界二氧化碳发电系统100的各种传感器以接收传感器数据并且执行计算，并且根据用户设置的算法控制超临界二氧化碳发电系统100中的组件的操作。为此，控制部190可以包括硬件(诸如电子电路板、集成电路芯片等)、软件、固件等，并且根据用户的控制或控制算法来操作。
根据本实施例的超临界二氧化碳发电系统100包括各种传感器，例如，用于测量工作流体的压力、温度、流量、比容等的第一传感器C1、第二传感器C2、第三传感器C3、第四传感器C4、第五传感器C5、第六传感器C6、第七传感器C7、第八传感器C8、第九传感器C9、第十传感器C10和第十一传感器C11分别布置在第一管道P1至第十一管道P11中，用于监测热源HS的状态的热源传感器CH布置在热源HS中，用于监测发电部180的状态的发电部传感器CG布置在发电部180中。
在下文中，下面将描述控制部190的控制操作的示例。例如，控制部190可以根据超临界二氧化碳发电系统100的状态适当地控制分支部D和汇合部J中的至少一个。即，控制部190通过使用设置在热源HS中的热源传感器CH来监测热源HS的状态，通过使用发电部传感器CG来监测发电部180的状态，并且通过使用传感器C1至C11来监测每个管道中的工作流体的状态，即，工作流体的温度、压力、流量等，然后，可以控制分支部D、汇合部J等以如预先编程地来实现最佳操作效率。例如，当控制分支部D时，可以适当地调节移动到第一压缩部110和第二压缩部120的工作流体的流量，当控制汇合部J时，可以适当地调节从第二压缩部120排出的工作流体的流量、从第一再生部130排出的工作流体的流量以及进入第二再生部140的工作流体的流量。然后，可以实现超临界二氧化碳发电系统100的最佳效率，而且，在一些情况下可以防止在第一压缩部110和第二压缩部120中喘振的产生。
在下文中，下面将参照图1对根据实施例的超临界二氧化碳发电系统100的操作进行描述。
由于超临界二氧化碳以闭合循环在根据实施例的超临界二氧化碳发电系统100中循环，因此下面将描述工作流体的循环过程。
首先，从第一再生部130排出的工作流体沿着第十一管道P11移动到分支部D。来自分支部D的工作流体中的一些移动到第一压缩部110，在这种情况下，工作流体经由第十二管道P12进入预冷器PC以被冷却。来自分支部D的剩余的工作流体经由第二管道P2移动到第二压缩机121。这里，控制部190可以控制分支部D，使得超临界二氧化碳发电系统100可以获得最佳性能。
在预冷器PC中被冷却的工作流体移动到第一压缩机111，第一压缩机111对工作流体进行压缩。由第一压缩机111压缩后的工作流体移动到第一中冷器113以被冷却，冷却后的工作流体进入第一压缩机112并且被压缩。
由第一压缩机112压缩的工作流体经由第三管道P3移动到第一再生部130。经由第三管道P3移动到第一再生部130的工作流体与移动通过第十管道P10的工作流体交换热，然后被加热。
通过第一再生部130中的热交换器被加热的工作流体经由第四管道P4移动到汇合部J。
另一方面，从分支部D移动到第二压缩机121的工作流体被第二压缩机121压缩。由第二压缩机121压缩后的工作流体移动到第二中冷器123以被冷却，冷却后的工作流体进入第二压缩机122并且被压缩。
由第二压缩机122压缩的工作流体经由第五管道P5移动到汇合部J。
如上所述，移动通过第四管道P4的工作流体和移动通过第五管道P5的工作流体在汇合部J中彼此汇合，然后，控制部190可以控制汇合部J，使得超临界二氧化碳发电系统可以获得最佳性能。
另外，来自汇合部J的工作流体经由第六管道P6移动到第二再生部140。经由第六管道P6移动到第二再生部140的工作流体与移动通过第九管道P9的工作流体交换热以被加热。即，在第一再生部130中被加热的工作流体和由第二压缩部120压缩的工作流体在汇合部J中汇合，之后，在第二再生部140中被加热。
另外，在第二再生部140中被加热的工作流体经由第七管道P7移动到主热交换部150。主热交换部150将由热源HS产生的热传递到来自第二再生部140的工作流体。
已经接收由热源HS产生的热的工作流体经由第八管道P8移动到膨胀部160，膨胀部160在使已经在主热交换部150中接收热的工作流体膨胀的同时产生动力。
即，工作流体经由第八管道P8移动到第一膨胀器161并且膨胀以产生动力，接下来，移动到第二膨胀器162并且膨胀以产生动力，然后，被再热器165再次加热。另外，由再热器165加热的工作流体移动到第三膨胀器163并且膨胀以产生动力，然后，移动到第四膨胀器164并且膨胀以产生动力。
接下来，来自膨胀部160的工作流体顺序地在第二再生部140和第一再生部130中交换热。
即，来自第四膨胀器164的工作流体经由第九管道P9移动到第二再生部140，并且与经由第六管道P6移动到第二再生部140的工作流体交换热。另外，来自第二再生部140的工作流体经由第十管道P10移动到第一再生部130，并且与经由第三管道P3移动到第一再生部130的工作流体交换热。
如上已经描述了根据工作流体的循环的超临界二氧化碳发电系统100中的组件的操作。在下文中，下面将详细地描述动力传输部170和发电部180的驱动。
如上所述，膨胀部160的第一膨胀器161、第二膨胀器162、第三膨胀器163和第四膨胀器164在使工作流体膨胀的同时产生动力。此时，第一膨胀器161至第四膨胀器164的旋转轴161a、162a、163a和164a将动力传输到动力传输部170的输出小齿轮171b_1，输出小齿轮171b_1将动力传输到大齿轮171a。
已经接收动力的大齿轮171a将动力传输到驱动小齿轮171b_2，驱动小齿轮171b_2将动力传输到第一压缩机111和121的驱动轴111a和112a以及第二压缩机121和122的驱动轴121a和122a，以驱动第一压缩部110和第二压缩部120。
另外，由于大齿轮171a连接到发电部180的驱动轴181，所以动力根据大齿轮171a的旋转被传输到发电部180以执行发电。
如上所述，根据本实施例的超临界二氧化碳发电系统100，控制部190可以根据超临界二氧化碳发电系统100的状态适当地控制分支部D和汇合部J中的至少一个，因此，可以实现超临界二氧化碳发电系统100的最佳性能，而且，在一些情况下可以防止在第一压缩部110和第二压缩部120中喘振的产生。
另外，根据本实施例的超临界二氧化碳发电系统100，动力传输部170的齿轮系171集中在齿轮箱172内的单个空间S中，因此，可以容易地执行用于使齿轮系171润滑的油的供应和循环，并且可以有效地布置齿轮系171，从而减小动力传输部170的总体积。因此，简化了超临界二氧化碳发电系统100的整体结构，并且可以有效地利用安装空间，因此，可以减小超临界二氧化碳发电系统的安装空间的尺寸。
虽然已经参照本公开的示例性实施例具体地示出和描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。因此，本公开寻求保护的范围将由所附权利要求限定。
工业实用性
根据实施例的超临界二氧化碳发电系统可以用于制造或操作使用超临界二氧化碳作为工作流体的发电系统的工业领域。
