CN104061028B - 氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于氢氧联合循环发电领域的一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法。该系统由压气机、氢氧燃烧室、燃煤锅炉、蒸汽透平，以及燃气透平、回热加热器、凝结水泵、给水泵、凝汽器、除氧器、发电机组成。本发明以氢氧燃烧室代替传统燃煤电厂锅炉的再热过程，以低压燃气透平的高温排气分别先后预热高压蒸汽透平排气和锅炉给水。本发明以氢氧联合循环和传统燃煤电厂为参考模型,提出了氢氧联合循环与传统燃煤电厂相结合的氢气与煤粉双燃料系统，同时联合循环借鉴了二次再热循环系统，使能量的转化更高效；采用回热系统实现了能量的梯级利用。

Description

氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法

技术领域

本发明属于氢氧联合循环发电领域，特别涉及一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法。

背景技术

中国的传统发电模式是燃煤发电，燃煤发电是消耗了全国近一半的煤炭产量。为了解决不断增长的能源需求与日益严重的环境污染之间的尖锐矛盾,人们迫切需要新的洁净能源以逐步取代现有的化石燃料,达到减少污染物与温室气体排放的目的。

在众多新能源中,氢能具有热值高、无污染、不产生温室气体等独特优点。氢为完全不含碳、最清洁的二次能源，燃烧时释放能量、产生水，不会对环境造成任何污染.从长远看，零污染排放、无碳的氢能有着广阔的发展前景.早在上世纪90年代初，中、日、美等国科技工作者几乎同时提出了氢氧联合循环的设想。大部分联合循环在顶循环和底循环之间需要一个余热锅炉来耦合，而余热锅炉的排烟温度一般在150℃左右，因而损失了很大一部分能量，但对于氢氧联合循环，就没有这部分损失，所以是非常理想的。当前氢能源的制取发展迅速,同时在动力设备方面,可以通过内燃机的稍加改装,来适应氧燃料。氢氧联合循环是氢能应用的主要途径。以燃气透平为核心的燃气蒸汽联合循环系统在技术上和商业应用上都取得了重大成果,但循环所带来的烟气散热损失仍旧没有办法解决,氢氧联合循环以氢氧循环和传统燃煤电厂为参考模型,同时也借鉴了二次再热循环系统，在循环效率和排放物污染问题上取得了重大突破，符合“温度对口、梯级利用”的热力系统集成原理和可持续发展的绿色能源战略。

本发明通过氢氧循环系统与传统燃煤发电系统相耦合，同时采用二次再热氢气煤粉双燃料系统,进而组合成完整的一种氢氧内燃与煤粉外燃结合的二次再热联合循环发电系统。

发明内容

本发明在于提供一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法，其特征在于，该系统主要由第一氧气压气机1、第一氢气压气机2、第二氧气压气机4、第二氢气压气机5、第一氢氧燃烧室3,第二氢氧燃烧室6、锅炉7、高压蒸汽透平8,低压蒸汽透平13，以及高压燃气透平10,低压燃气透平11、第一回热加热器9、第二回热加热器12、凝结水泵17、给水泵18、凝汽器14、除氧器15、发电机19组成。

所述第一氧气压气机1,第一氢气压气机2之间连接第一氢氧燃烧室3，第二氧气压气机4、第二氢气压气机5之间连接第二氢氧燃烧室6；氧气管道与第一氧气压气机1和第二氧气压气机4相连接；氢气管道与第一氢气压气机2,和第二氢气压气机5相连接；第一氢氧燃烧室3连接。高压燃气透平10，高压燃气透平10分别连接。高压蒸汽透平8，第一发电机19，第二氢氧燃烧室6和第二氧气压气机4；第二氢氧燃烧室6和第二燃气透平11连接，第一回热加热器9分别连接高压蒸汽透平8，第一氧气压气机1，第一氢氧燃烧室3，低压燃气透平11和第二回热加热器12，低压燃气透平11，低压蒸汽透平13，凝汽器14，除氧器15，凝结水分流器16，凝结水泵17、第二回热加热器12，给水泵18，锅炉7和。高压蒸汽透平8串联，第二蒸汽透平13与第二发电机20连接。

所述低压燃气透平11、低压蒸汽透平13与第二发电机20同轴连接。

所述高压蒸汽透平8、高压燃气透平10与第一发电机19同轴连接。

所述氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，其特征在于，在燃气侧，氧气从氧气管道进入第一氧气压气机1和第二氧气压气机4，氢气从氢气管道进入第一氢气压气机2和第二氢气压气机5，经过压缩后，氢氧混合进入第一氢氧燃烧室3和第二氢氧燃烧室6燃烧，燃烧产物高温蒸汽分别进入高压燃气透平10、低压燃气透平11做功；高压燃气透平10的排汽分两股进入第二氢氧燃烧室6，高压燃气透平10带动发电机19发电；低压燃气透平11排汽经第一回热加热器9、第二回热加热器12后进入低压蒸汽透平13；蒸汽侧，经锅炉7加热后，高温蒸汽进入高压蒸汽透平8，排汽经第一回热加热器9吸热后，分两股进入第一氢氧燃烧室3；低压燃气透平11排汽经回热后进入低压蒸汽透平13做功，带动第二发电机20发电；在回热系统侧，所述低压蒸汽透平13的排气压力为5kPa，排入凝汽器14冷凝后的凝结水经除氧器15除去水中溶解的气体后，凝汽器16，再经凝结水分流器16分离出氢氧产生的水量，之后依次经由凝结水泵17，第二回热加热器12，给水泵18后进入锅炉7中，从而完成一个做功循环。

所述低压蒸汽透平13排汽经凝汽器14后，经锅炉7加热后，生成的高温蒸汽进入高压蒸汽透平8，排汽经第一回热加热器9加热，温度提高后分成两股，其中一股与第一氢气压气机2出口的氧气混合以控制反应速率，另一股直接进入第一氢氧燃烧室3与氢氧燃烧产物高温蒸汽混合；实现氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电。

所述的高压燃气透平10的排汽分成两股，其中一股与与第一压气机4出口的氧气混合后进入第二氢氧燃烧室6，以控制反应速率；另一股与第二氢气压气机5中氧气混合进入第二氢氧燃烧室6，与高温水蒸汽混合，然后进入低压燃气透平11，排汽经第一回热加热器9、第二回热加热器12放热后进入低压蒸汽透平13，放热后蒸汽经低压蒸汽透平13的出口进入凝汽器14冷凝后的凝结水，后经除氧器15除去水中溶解的气体，之后经过凝结水分流器16，分离出氢氧燃烧产生的水量后依次经凝结水泵17、第二回热加热器12、给水泵18后进入锅炉7，实现氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电。

本发明的有益效果是：

1.本发明通对氢氧燃烧室对蒸汽透平排汽和燃气透平排汽进行两次混合式再热,取消了常规联合循环中燃气透平排气放热与蒸汽吸热过程，提高了排气的利用率；同时在主汽压力为30MPa，燃烧室出口温度为1300℃的条件下采用二次再热系统使系统的效率达到了62％以上。

2.本发明充分利用低压燃气透平的高温排汽，使其先后对高压蒸汽透平排汽和锅炉给水进行加热，实现了能量的梯级利用，提高了循环的效率。

3.本发明基于现有的氢氧联合循环，充分利用氢氧联合循环现有的设备，在二次再热发电系统的基础上，采用氢气煤粉双燃料系统以及纯氧燃烧技术，使能量的转换更加高效。

附图说明

图1为一种氢氧内燃与煤粉外燃结合的二次再热联合循环发电系统结构的示意图。

图示1-第一氧气压气机，2-第一氢气压气机，3-第一氢氧燃烧室，4-第二氧气压气机，5-第二氢气压气机，6-第二氢氧燃烧室，7-燃煤锅炉，8-高压蒸汽透平，9-第一回热加热器，10-高压燃气透平，11-低压燃气透平，12-第二回热加热器，13-低压蒸汽透平，14-凝汽器，15-除氧器，16-凝结水分流器，17-凝结水泵，18-给水泵，19-第一发电机，20-第二发电机。

具体实施方式

本发明为一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统及方法，该系统主要由第一氧气压气机1、第一氢气压气机2、第二氧气压气机4、第二氢气压气机5、第一氢氧燃烧室3,第二氢氧燃烧室6、锅炉7、高压蒸汽透平8,低压蒸汽透平13，以及高压燃气透平10,低压燃气透平11、第一回热加热器9、第二回热加热器12、凝结水泵17、给水泵18、凝汽器14、除氧器15、发电机19组成；下面结合附图和具体实施方式予以进一步说明。

图1所示为氢氧内燃与煤粉外燃结合的二次再热联合循环发电系统结构的示意图，图中，第一氧气压气机1,第一氢气压气机2之间连接第一氢氧燃烧室3，第二氧气压气机4、第二氢气压气机5之间连接第二氢氧燃烧室6；氧气管道与第一氧气压气机1和第二氧气压气机4相连接；氢气管道与第一氢气压气机2,和第二氢气压气机5相连接；第一氢氧燃烧室3连接。高压燃气透平10，高压燃气透平10分别连接。高压蒸汽透平8，第一发电机19，第二氢氧燃烧室6和第二氧气压气机4；第二氢氧燃烧室6和第二燃气透平11连接，第一回热加热器9分别连接高压蒸汽透平8，第一氧气压气机1，第一氢氧燃烧室3，低压燃气透平11和第二回热加热器12，低压燃气透平11，低压蒸汽透平13，凝汽器14，除氧器15，凝结水分流器16，凝结水泵17、第二回热加热器12，给水泵18，锅炉7和。高压蒸汽透平8串联，低压蒸汽透平13与第二发电机20连接。其中，高压蒸汽透平8、高压燃气透平10与第一发电机19同轴连接。低压燃气透平11、低压蒸汽透平13与第二发电机20同轴连接。

本法发所述氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，在燃气侧，氧气从氧气管道进入第一氧气压气机1和第二氧气压气机4，氢气从氢气管道进入第一氢气压气机2和第二氢气压气机5，经过压缩后，氢氧混合进入第一氢氧燃烧室3和第二氢氧燃烧室6燃烧，燃烧产物高温蒸汽分别进入高压燃气透平10、低压燃气透平11做功；高压燃气透平10的排汽分两股进入第二氢氧燃烧室6，高压燃气透平10带动发电机19发电；低压燃气透平11排汽经第一回热加热器9、第二回热加热器12后进入低压蒸汽透平13；蒸汽侧，经锅炉7加热后，高温蒸汽进入高压蒸汽透平8，排汽经第一回热加热器9吸热后，分两股进入第二氢氧燃烧室6；低压燃气透平13排汽经回热后进入低压蒸汽透平13做功，带动第二发电机20发电；在回热系统侧，低压蒸汽透平13排汽经凝汽器14后，凝结水依次经除氧器15、凝结水分流器16、凝结水泵17、第二回热加热器12、给水泵18后进入锅炉7；给水经燃煤锅炉7加热后，生成的高温蒸汽进入高压蒸汽透平8，高压蒸汽透平8排汽经第一回热加热器9加热，温度提高后分成两股，其中一股与第一氧气压气机1出口的氧气混合以控制反应速率，另一股直接进入第一氢氧燃烧室3与氢氧燃烧产物高温蒸汽混合，产生的高温蒸汽为1200-1300℃，此高温蒸汽先进入高压燃气透平10做功，温度降至900-950℃，之后排汽分成两股，其中一股与第二氢气压气机5后氧气混合进入燃烧室，另一股进入第二氢氧燃烧室6进行内燃式二次再热，从而实现所述氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统的二次再热过程。

所述第二氢氧燃烧室6产生的二次再热后水蒸汽温度为1200-1300℃，进入低压燃气透平11，低压燃气透平11做功后的排气温度为900-950℃，先经第一回热加热器9对高压蒸汽透平8的排汽进行加热，温度降为500-550℃，而后经第二回热加热器12加热凝结水，温度降为140-160℃，最后进入低压蒸汽透平13，从而实现所述氢氧内燃与煤粉外燃结合的二次再热联合循环发电系统的给水预热的加热过程。所述燃煤锅炉7产生的水蒸气参数为560-600℃，26-30MPa，进入高压蒸汽透平8做功后温度降至420-460℃，做功后的蒸汽先经过第一回热加热器9与低压燃气透平11的排汽进行预再热，温度升高到900℃，然后分成两股，其中一股与第一氧气压气机1后氧气混合进入第一氢氧燃烧室3以控制氢气反应速率，另一股进入到第一氢氧燃烧室3内与燃烧产物进行内燃式再热，从而实现所述氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统的一次再热过程。一次再热过程包括第一回热加热器9中发生的预再热过程和第一燃烧室3中发生的再热过程。

所述低压蒸汽透平13的排气压力为5kPa，排入凝汽器14冷凝后的凝结水经除氧器15除去水中溶解的气体后，再经凝结水分流器16分离出氢氧产生的水量，之后依次经由凝结水泵17，第二回热加热器12，给水泵18后进入锅炉7中，从而完成一个做功循环。

本发明中温度、压力等参数对系统效率的影响比较大，在最高压力为30MPa、最高温度为1300℃时，整个循环的效率可达到62％以上。

Claims (8)

1.一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统，其特征在于，该系统主要由第一氧气压气机(1)、第一氢气压气机(2)、第二氧气压气机(4)、第二氢气压气机(5)、第一氢氧燃烧室(3),第二氢氧燃烧室(6)、锅炉(7)、高压蒸汽透平(8),低压蒸汽透平(13)，以及高压燃气透平(10),低压燃气透平(11)、第一回热加热器(9)、第二回热加热器(12)、凝结水泵(17)、给水泵(18)、凝汽器(14)、除氧器(15)、第一发电机(19)，第二发电机(20)组成；

所述第一氧气压气机(1),第一氢气压气机(2)之间连接第一氢氧燃烧室(3)，第二氧气压气机(4)、第二氢气压气机(5)之间连接第二氢氧燃烧室(6)；氧气管道与第一氧气压气机(1)和第二氧气压气机(4)相连接；氢气管道与第一氢气压气机(2)和第二氢气压气机(5)相连接；第一氢氧燃烧室(3)连接高压燃气透平(10)，高压燃气透平(10)分别连接高压蒸汽透平(8)，第一发电机(19)，第二氢氧燃烧室(6)和第二氧气压气机(4)；第二氢氧燃烧室(6)和第二燃气透平(11)连接，第一回热加热器(9)分别连接高压蒸汽透平(8)，第一氧气压气机(1)，第一氢氧燃烧室(3)，低压燃气透平(11)和第二回热加热器(12)；低压燃气透平(11)，低压蒸汽透平(13)，凝汽器(14)，除氧器(15)，凝结水分流器(16)，凝结水泵(17)、第二回热加热器(12)，给水泵(18)，锅炉(7)和高压蒸汽透平(8)串联，第二蒸汽透平(13)与第二发电机(20)连接。

2.根据权利要求1所述一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统，其特征在于，所述低压燃气透平(11)、低压蒸汽透平(13)与第二发电机(20)同轴连接。

3.根据权利要求1所述一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电系统，其特征在于，所述高压蒸汽透平(8)、高压燃气透平(10)与第一发电机(19)同轴连接。

4.一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，其特征在于，在燃气侧，氧气从氧气管道进入第一氧气压气机(1)和第二氧气压气机(4)，氢气从氢气管道进入第一氢气压气机(2)和第二氢气压气机(5)，经过压缩后，氢氧混合进入第一氢氧燃烧室(3)和第二氢氧燃烧室(6)燃烧，燃烧产物高温蒸汽分别进入高压燃气透平(10)、低压燃气透平(11)做功；高压燃气透平(10)的排汽分两股进入第二氢氧燃烧室(6)，高压燃气透平(10)带动发电机(19)发电；低压燃气透平(11)排汽经第一回热加热器(9)、第二回热加热器(12)后进入低压蒸汽透平(13)；蒸汽侧，经锅炉(7)加热后，高温蒸汽进入高压蒸汽透平(8)，排汽经第一回热加热器(9)吸热后，分两股进入第一氢氧燃烧室(3)；低压燃气透平(11)排汽经回热后进入低压蒸汽透平(13)做功，带动第二发电机(20)发电；在回热系统侧，所述低压蒸汽透平(13)的排汽排入凝汽器(14)冷凝后的凝结水经除氧器(15)除去水中溶解的气体后，再经凝结水分流器(16)分离出氢氧产生的水量，之后依次经由凝结水泵(17)，第二回热加热器(12)，给水泵(18)后进入锅炉(7)中，从而完成一个做功循环。

5.根据权利要求4所述一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，其特征在于，给水经锅炉(7)加热后，生成的高温蒸汽进入高压蒸汽透平(8)，排汽经第一回热加热器(9)加热，温度提高后分成两股，其中一股与第一氧气压气机(1)出口的氧气混合以控制反应速率，另一股直接进入第一氢氧燃烧室(3)与氢氧燃烧产物高温蒸汽混合。

6.根据权利要求4所述一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，其特征在于，所述的高压燃气透平(10)的排汽分成两股，其中一股与第二氧气压气机(4)出口的氧气混合后进入第二氢氧燃烧室(6)，以控制反应速率；另一股进入第二氢氧燃烧室(6)，高温水蒸汽混合，然后进入低压燃气透平(11)，排汽经第一回热加热器(9)、第二回热加热器(12)放热后进入低压蒸汽透平(13)，放热后蒸汽经低压蒸汽透平(13)的出口进入凝汽器(14)，后经除氧器(15)除去水中溶解的气体，之后经过凝结水分流器(16)，分离出氢氧燃烧产生的水量后依次经凝结水泵(17)、第二回热加热器(12)、给水泵(18)后进入锅炉(7)，实现氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电。

7.根据权利要求4所述一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，其特征在于，第一氢氧燃烧室(3)与氢氧燃烧产物高温蒸汽混合，产生的高温蒸汽为1200-1300℃，此高温蒸汽先进入高压燃气透平(10)做功，温度降至900-950℃。

8.根据权利要求4所述一种氢氧与煤粉燃烧结合的二次再热联合循环发电方法，其特征在于，所述第二氢氧燃烧室(6)产生的二次再热后水蒸汽温度为1200-1300℃，进入低压燃气透平(11)，低压燃气透平(11)做功后的 排汽温度为900-950℃，先经第一回热加热器(9)对高压蒸汽透平(8)的排汽进行加热，温度降为500-550℃，而后经第二回热加热器(12)加热凝结水，温度降为140-160℃。