CN105526576B - 一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统 - Google Patents

一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统，包括低温回热器、预冷器、主压缩机、再压缩机、高温回热器、锅炉、高压透平、低压透平、锅炉及发电机，锅炉沿烟气流通的方向由依次相连通的燃烧通道、主换热通道及尾部烟道组成，其中，燃烧通道内沿烟道流动的方向依次设有水冷壁及再热水冷壁，主换热通道内沿烟气流通的方向依次设有高温过热器及高温再热器，尾部烟道内沿烟气流通的方向依次设有挡板、省煤器及低温省煤器，挡板的两侧设有低温再热器及低温过热器。本发明能够实现燃煤锅炉和超临界二氧化碳布雷顿循环的优化结合，并且高温回热器的换热效率、锅炉的热效率及发电系统的效率较高。

Description

一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统
技术领域
本发明属于先进高效发电设备领域，涉及一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统。
背景技术
发电机组效率的高低对国民经济的发展和环境保护都有着重要影响，尤其是在以火力发电为主的中国，提高燃煤机组的效率就显得尤为重要。然而，对于传统的以蒸汽朗肯循环为能量转换系统的发电机组，若提高发电效率至50％左右，则需将主蒸汽参数提高至700℃，这就意味着需要花费高昂的经济代价和时间成本来研发新型镍基高温合金。为了避开材料方面的技术瓶颈，各国学者纷纷将目光转移到新型动力循环系统，以期实现发电效率的提升。经过各国学者大量的前期研究和论证，目前普遍认为超临界二氧化碳布雷顿循环是极具潜力的新概念先进动力系统。这主要是由于超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，超临界二氧化碳布雷顿循环高效发电系统可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，不需要再开发新型的高温合金，且设备尺寸小于同参数的蒸汽机组，经济性非常好。
我国能源储备的构成特点决定了燃煤发电机组仍然是未来几十年内我国电力行业的主力军，因此，煤基超临界二氧化碳布雷顿循环高效发电系统非常符合我国国情，在我国将有非常好的发展前景。
但是，常规的含分流再压缩的超临界二氧化碳布雷顿循环和传统结构的锅炉直接结合并不合适，最主要的问题体现在以下两方面：首先，在传统的超临界二氧化碳分流再压缩布雷顿循环中，高温回热器的冷侧和热侧工质流量一样，此时冷侧、热侧工质物性的差异导致高温回热器热端换热温差较高，高温回热器的效率仍有提升空间；其次，由于二氧化碳和水物性的不同，以及布雷顿循环与朗肯循环的差异，在煤基超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中，二氧化碳锅炉入口工质的温度远高于同参数的蒸汽锅炉，即省煤器内工质的温度要远高于同参数的蒸汽锅炉，这会导致省煤器后、空气预热器前的烟气温度过高(以22MPa，600/600/32℃的循环参数为例，二氧化碳锅炉入口工质的温度约为530℃，省煤器后烟气的温度则高达550℃-650℃，远高于同参数蒸汽锅炉省煤器后烟温的350～400℃。)，不利于锅炉最终排烟温度的降低，且会严重影响脱硝设备的正常工作。
经调研可知，以往的关于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的公开成果和专利中均存在上述问题。例如，专利“用于太阳能装置的超临界二氧化碳涡轮”(200710306179.3)中提及的含分流再压缩的超临界二氧化碳布雷顿循环中就存在高温回热器热端换热温差偏高，高温回热器换热效率较低的问题。专利“煤基新型超临界工质多级分流再热式高效发电系统”(201520152457.4)中提及的含多级分流的系统中，分流工质均从回热器的热侧通道引出，而热侧二氧化碳的平均比热容要小于冷侧工质的平均比热容，这会导致高温回热器和低温回热器的冷热侧换热温差均增大，降低了回热器的换热效率；而且从回热器热侧引出工质进入锅炉尾部烟道对烟气的降温效果不如从回热器冷侧引出工质的效果好。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统，该系统能够实现燃煤锅炉和超临界二氧化碳布雷顿循环的优化结合，并且高温回热器的换热效率、锅炉的热效率及发电系统的效率较高。
为达到上述目的，本发明所述的煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统包括低温回热器、预冷器、主压缩机、再压缩机、高温回热器、锅炉、高压透平、低压透平、锅炉及发电机；
锅炉沿烟气流通的方向由依次相连通的燃烧通道、主换热通道及尾部烟道组成，其中，燃烧通道内沿烟道流动的方向依次设有水冷壁及再热水冷壁，主换热通道内沿烟气流通的方向依次设有高温过热器及高温再热器，尾部烟道内沿烟气流通的方向依次设有挡板、省煤器及低温省煤器，挡板的两侧设有低温再热器及低温过热器；
低温回热器热侧的乏气出口分为两路，其中，一路经预冷器与主压缩机的入口相连通，主压缩机的出口与低温回热器的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机的入口相连通，再压缩机的出口与低温回热器的冷侧出口通过管道并管后分为两路，其中，一路与高温回热器的冷侧入口相连通，另一路与分流低温省煤器的入口相连通，高温回热器冷侧出口及分流低温省煤器的出口均与省煤器的入口相连通，省煤器的出口依次经锅炉的水冷壁、低温过热器及高温过热器后与高压透平的一次气入口相连通，高压透平的乏气出口依次经再热水冷壁、低温再热器及高温再热器后与低压透平的二次气入口相连通，低压透平的乏气出口经高温回热器的热侧与低温回热器热侧的乏气入口相连通，发电机的驱动轴与低压透平的输出轴相连接。
所述尾部烟道内还设有空气预热器。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统在工作过程中，锅炉的尾部烟道中设有分流低温省煤器，低温回热器冷侧出口及再压缩机出口的二氧化碳分为两路，其中一路进入到高温回热器，另一路进入到分流低温省煤器中，再通过与锅炉的烟气侧进行换热，从而预热部分中温工质，同时有效的降低超临界二氧化碳锅炉省煤器后的烟气温度，进而减小了空气预热器的尺寸，有效降低锅炉排烟温度，提高锅炉热效率。另外，需要说明的是，本发明采用再分流设计，使高温回热器冷侧工质流量低于热侧工质流量，降低了高温回热器冷热侧的换热温差，从而提升了高温回热器的换热效率。在具体操作时，再分流的分流量可根据分流低温省煤器需降低的烟气温度进行适当调节，尽量减小锅炉的排烟热损失，以期达到最优的锅炉热效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为预冷器、2为主压缩机、3为再压缩机、4为低温回热器、5为高温回热器、6为锅炉、7为高压透平、8为低压透平、9为发电机、61为水冷壁、62为再热水冷壁、63为高温过热器、64为高温再热器、65为低温再热器、66为低温过热器、67为省煤器、68为分流低温省煤器、69为空气预热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统包括低温回热器4、预冷器1、主压缩机2、再压缩机3、高温回热器5、锅炉6、高压透平7、低压透平8、锅炉6及发电机9；锅炉6沿烟气流通的方向由依次相连通的燃烧通道、主换热通道及尾部烟道组成，其中，燃烧通道内沿烟道流动的方向依次设有水冷壁61及再热水冷壁62，主换热通道内沿烟气流通的方向依次设有高温过热器63及高温再热器64，尾部烟道内沿烟气流通的方向依次设有挡板、省煤器67及低温省煤器68，挡板的两侧设有低温再热器65及低温过热器66；低温回热器4热侧的乏气出口分为两路，其中，一路经预冷器1与主压缩机2的入口相连通，主压缩机2的出口与低温回热器4的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机3的入口相连通，再压缩机的出口与低温回热器4的冷侧出口通过管道并管后分为两路，其中，一路与高温回热器5的冷侧入口相连通，另一路与分流低温省煤器68的入口相连通，高温回热器5冷侧出口及分流低温省煤器68的出口均与省煤器67的入口相连通，省煤器67的出口依次经锅炉的水冷壁61、低温过热器66及高温过热器63后与高压透平7的一次气入口相连通，高压透平7的乏气出口依次经再热水冷壁62、低温再热器65及高温再热器64后与低压透平8的二次气入口相连通，低压透平8的乏气出口经高温回热器5的热侧与低温回热器4热侧的乏气入口相连通，发电机9的驱动轴与低压透平8的输出轴相连接，尾部烟道内还设有空气预热器69。
本发明的具体工作过程为：
低温回热器4热侧出来的乏气分流成两部分，一部分乏气通过预冷器1冷却后进入主压缩机2进行升压，升压后的高压新工质进入低温回热器4的冷侧进行预热升温，另一部分乏气通过再压缩机3升压后与低温回热器4冷侧输出的高压新工质汇流后分为两路，其中一路进入到高温回热器5冷侧进行预热升温，另一路工质直接进入到锅炉6尾部烟道中的分流低温省煤器68中进行预热，分流低温省煤器68输出的工质与高温回热器5冷侧输出的工质在省煤器67的入口处汇流后依次经省煤器67、水冷壁61、低温过热器66及高温过热器63形成一次气，一次气进入到高压透平7中膨胀做功，高压透平7输出的乏气依次经再热水冷壁62、低温再热器65和高温再热器64形成二次气，二次气进入到低压透平8中做功，低压透平8产生的乏气流经高温回热器5的热侧进入低温回热器4的热侧，从而使工质在该系统内形成一个完整的闭式循环。
其中新工质在低温回热器冷侧出口汇流后再分流为两路，其中一路进入到高温回热器5冷侧进行预热升温，另一路则直接进入到锅炉6尾部烟道中的分流低温省煤器68中进行预热,其中，再分流量的调节需要以保证循环系统中高温回热器5换热效率为前提。若再分流量过大，高温回热器5中冷侧工质流量则会过小，导致其不能将热侧工质充分冷却，即不能充分地利用透平乏气的余热，使得该部分余热最终通过预冷器1排入环境，反而降低了系统的循环效率。经详细计算可知，对于22MPa，600/600/32℃的循环系统而言，再分流的分流量不得超过总流量的8％。
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。

Claims (2)

1.一种煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统，其特征在于，包括低温回热器(4)、预冷器(1)、主压缩机(2)、再压缩机(3)、高温回热器(5)、高压透平(7)、低压透平(8)、锅炉(6)及发电机(9)；
锅炉(6)沿烟气流通的方向由依次相连通的燃烧通道、主换热通道及尾部烟道组成，其中，燃烧通道内沿烟道流动的方向依次设有水冷壁(61)及再热水冷壁(62)，主换热通道内沿烟气流通的方向依次设有高温过热器(63)及高温再热器(64)，尾部烟道内沿烟气流通的方向依次设有挡板、省煤器(67)及低温省煤器(68)，挡板的两侧设有低温再热器(65)及低温过热器(66)；
低温回热器(4)热侧的乏气出口分为两路，其中，一路经预冷器(1)与主压缩机(2)的入口相连通，主压缩机(2)的出口与低温回热器(4)的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机(3)的入口相连通，再压缩机的出口与低温回热器(4)的冷侧出口通过管道并管后分为两路，其中，一路与高温回热器(5)的冷侧入口相连通，另一路与分流低温省煤器(68)的入口相连通，高温回热器(5)冷侧出口及分流低温省煤器(68)的出口均与省煤器(67)的入口相连通，省煤器(67)的出口依次经锅炉的水冷壁(61)、低温过热器(66)及高温过热器(63)后与高压透平(7)的一次气入口相连通，高压透平(7)的乏气出口依次经再热水冷壁(62)、低温再热器(65)及高温再热器(64)后与低压透平(8)的二次气入口相连通，低压透平(8)的乏气出口经高温回热器(5)的热侧与低温回热器(4)热侧的乏气入口相连通，发电机(9)的驱动轴与低压透平(8)的输出轴相连接；
其中，再压缩机输出的工质与低温回热器(4)冷侧出口输出的工质汇流后分为A路工质及B路工质，其中，A路工质进入到高温回热器(5)的冷侧入口中，B路工质进入到分流低温省煤器(68)中，其中，B路工质的流量小于等于A路工质流量与B路工质流量之和的8％。
2.根据权利要求1所述的煤基超临界二氧化碳布雷顿循环双分流高效发电系统，其特征在于，所述尾部烟道内还设有空气预热器(69)。
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