CN105840312A - 一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，该系统将液氧及液态燃料分别通过液氧泵及燃料泵送入高压液氧燃烧器燃烧产生高压高温动力蒸汽，并通过向高压液氧燃烧器高压喷注冷却剂的方式调节蒸汽温度。超高压的高温动力蒸汽驱动膨胀机发电的发电效率更高，膨胀机出口的乏汽通过凝汽器分离并冷凝液化水及二氧化碳。本发明所需液氧通过空分装置利用电网低谷负荷期的富裕电力生产并贮存，部分抵消了液氧生产的高成本，具有液氧规模储能、零氮氧化物排放、低成本碳捕集及高效发电等显著优点。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源动力工程技术领域，特别是涉及一种液态燃料液氧高压直燃技术和液氧规模储能、零氮氧化物排放与二氧化碳捕集技术相结合的蒸汽动力系统。
背景技术
能源是现代社会的支柱产业，我国化石能源在电能生产中占有三分之二以上的份额，燃料主要有煤、石油及天然气，发电装置主要有采用朗肯(Rankine)循环的蒸汽动力装置、采用布雷顿(Brayton)循环的燃气动力装置以及将二者结合起来的燃气-蒸汽联合循环动力装置。化石能源在支撑现代社会快速发展的同时也对地球环境形成了严重威胁。化石能源生产过程中的污染物及温室气体排放已经成为全球关注并亟待解决的重大课题。纯氧燃烧是化石能源治污减排的有效手段，但由于空气分离制氧的高能耗使得纯氧燃烧目前尚不能付诸实用。现阶段化石能源发电的碳减排目标主要通过提高发电效率间接或部分实现。
另一方面，随着可再生能源的开发及在电网中的份额不断提高，由于可再生能源生产的被动性，电网负荷的供需平衡问题日益突出，规模储能已经成为电网急需的支撑性技术，由于储能技术的相对滞后，大量的可再生能源，如风电，被迫放弃。我国的风电装机容量2015年底已接近130GW，每年的弃风弃电达一百多亿千瓦时。
能源行业急需开发新的规模储能技术及化石能源的清洁高效发电与低成本碳捕集技术。
发明内容
技术问题：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种液氧规模储能、零氮氧化物排放、低成本碳捕集及高效发电一体化的解决方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，该系统包括
液氧泵，用于接收液氧贮槽中的液氧，并将液氧进行升压后，送入第一热交换器，由第一热交换器输出液氧的低温冷能的同时液氧被加热升温后送入高压液氧燃烧器；
燃料泵，用于接收液态燃料，并经燃料泵升压后送入第二热交换器，燃料经第二热交换器进行加热升温后送入高压液氧燃烧器，对于液化天然气等低温燃料，第二热交换器可以输出低温燃料的低温冷能；
冷剂泵，用于接收冷却剂，并经冷剂泵升压后送入第三热交换器，将冷却剂在第三热交换器中升温后送入高压液氧燃烧器；第三热交换器的热源通常为系统内低品位热能，如第一凝汽器的凝水放热及系统内高温部件的冷却散热等。冷却剂通常为经过净化的液态二氧化碳。
高压氧及高压燃料在高压液氧燃烧器内燃烧生成超高压力的高温动力蒸汽，驱动膨胀机经发电机转换成电力并入电网，膨胀机一般为多级透平膨胀机，膨胀机排出的乏汽成分主要有水蒸汽、二氧化碳蒸汽及少量不凝性气体，一般二氧化碳蒸汽组分含量较高，经第一凝汽器在较高压力(一般大于0.5MPa)下脱水后的二氧化碳蒸汽直接进入第二凝汽器冷凝液化为液态二氧化碳。
该流程的特点是采用液态二氧化碳作为冷却剂，液氧燃烧器产生的动力蒸汽中二氧化碳蒸汽组分比例较高，膨胀机出口的乏汽压力较高，经第一凝汽器的凝水热可作为第三热交换器的热源，第一凝汽器脱水后的二氧化碳蒸汽可直接在第二凝汽器中液化，系统运行压力高，流程简单、相关装置体积小，结构更紧凑。
本发明还提供了一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力循环及流程，该系统包括
液氧泵，用于接收液氧贮槽中的液氧，并将液氧进行升压后，送入第一热交换器，由第一热交换器输出液氧的低温冷能的同时液氧被加热升温后送入高压液氧燃烧器；
燃料泵，用于接收液态燃料，并经燃料泵升压后送入第二热交换器，燃料经第二热交换器进行加热升温后送入高压液氧燃烧器，对于液化天然气等低温燃料经第二热交换器可以输出低温冷能；
冷剂泵，用于接收冷却剂，并将冷却剂升压后送入第三热交换器，将冷却剂在第三热交换器中升温后送入高压液氧燃烧器；第三热交换器的热源通常为系统内低品位热能，如系统高温部件的冷却散热等。冷却剂通常为经过净化的纯净水。
高压氧及高压燃料在高压液氧燃烧器内燃烧生成超高压力的高温动力蒸汽，驱动膨胀机经发电机转换成电力并入电网，膨胀机排出的乏汽成分主要包括水蒸汽、二氧化碳蒸汽及少量不凝性气体，一般水蒸汽组分含量较高，经第一凝汽器在低压(一般低于大气压)下凝水后的二氧化碳蒸汽经压气机升压后进入第二凝汽器液化为液态二氧化碳。
该流程的特点是液氧燃烧器产生的动力蒸汽中水蒸汽组分比例较高，后续膨胀机工况更接近现有蒸汽动力循环中蒸汽轮机的工况。
本发明还提供了一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力循环及流程，该系统包括
液氧泵，用于接收液氧贮槽中的液氧，并将液氧进行升压后，送入第一热交换器，由第一热交换器输出液氧的低温冷能的同时液氧被加热升温后送入高压液氧燃烧器；
燃料泵，用于接收液态燃料，并经燃料泵升压后送入第二热交换器，燃料经第二热交换器进行加热升温后送入高压液氧燃烧器，燃料通常为液氢，经第二热交换器可以输出液氢的低温冷能；
冷剂泵，用于接收冷却剂，并将冷却剂升压后送入第三热交换器，将冷却剂在第三热交换器中升温后送入高压液氧燃烧器，第三热交换器的热源通常为系统内低品位热能，冷却剂为经过净化的纯净水。
高压氧及高压燃料在高压液氧燃烧器内燃烧生成超高压力的高温动力蒸汽，驱动膨胀机经发电机转换成电力并入电网，膨胀机排出的乏汽成分主要为水蒸汽及少量不凝性气体，经第一凝汽器在低压(一般低于大气压)下凝水。
该流程的特点是液氧液氢燃烧器产生的动力蒸汽几乎为纯净的水蒸汽，后续膨胀机工况更接近现有蒸汽动力循环中蒸汽轮机的工况，可供应用于未来氢能大规模高效发电。
有益效果：
1.本发明的有益效果之一是具有液氧规模储能、零氮氧化物排放
在化石能源的治污减排中纯氧燃烧是业界最寄予厚望的零氮氧化物排放技术和零碳排技术，相关研究及工程示范也最为活跃，目前通过空气分离制氧的高能耗导致纯氧燃烧动力系统的净效率显著降低，阻碍了纯氧燃烧技术实际应用。本发明的液氧高压直燃所需液氧为利用电网低谷负荷期的富裕电力分离空气获得并贮存，在有效消纳电网富裕电力保障电网安全的同时也直接降低了液氧的生产成本。液氧的能量密度高，便于贮存，以百万千瓦规模电站为例，日间纯氧发电所需液氧仅需数百立方米体积的无压低温液氧贮槽，安全、紧凑，与抽水蓄能及压宿空气蓄能相比，完全不受地理空间环境的限制。
2.本发明的有益效果之二是高效发电
常规燃气动力系统和蒸汽动力系统的效率主要通过提高燃气或蒸汽的压力与温度实现，受制于采用空气助燃，现代重型燃气轮机的燃气温度已经接近抑制氮氧化物所需控制的温度极限，蒸汽动力系统锅炉因为空气助燃的排烟损失也无法进一步消减。液氧高压直燃动力系统的燃汽压力一般为20MPa～200MPa甚至更高，燃汽温度一般为600℃至3000℃，超高压力超高温度的动力蒸汽决定了系统具有超高的系统效率。
3.本发明的有益效果之三是动力系统装置的紧凑及轻量化
与传统燃气动力系统及蒸汽动力系统相比，液氧高压直燃动力系统结构得到了最大程度的简化，动力系统装置的紧凑及轻量化有效降低了系统热惰性，系统可以快速启动和停机，实现对电网负荷的快速响应。
4.本发明的有益效果之三是适用燃料的多样化
高压液氧直燃动力系统所需液态燃料包括液氢、液化天然气(LNG)、化石燃油、生物燃油、可燃碳氢化合物、煤制油、油煤浆及水煤浆等各种可燃液体，几乎适用于所有的化石能源、生物质能源及未来的氢能。
附图说明
图1为液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，该系统包括
液氧泵2，用于接收低温液氧贮槽1的液氧，并通过管道送入第一热交换器3第一入口，由第一热交换器3第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
燃料泵5，用于接收液态燃料4，并通过管道送入第二热交换器6第一入口，由第二热交换器6第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
冷剂泵8，用于接收冷却剂7，并通过管道送入第三热交换器9第一入口，由第三热交换器9第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
高压液氧燃烧器10的出口与膨胀机11的入口连接，膨胀机11通过转轴与发电机15相连；膨胀机11出口通过管道与第一凝汽器12入口相连，第一凝汽器12第一出口通过管道排水，第一凝汽器12第二出口通过管道与第二凝汽器14入口相连，第二凝汽器14第一出口通过管道排出液态二氧化碳。
一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，该系统括
液氧泵2，用于接收低温液氧贮槽1的液氧，并通过管道送入第一热交换器3第一入口，由第一热交换器3第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
燃料泵5，用于接收液态燃料4，并通过管道送入第二热交换器6第一入口，由第二热交换器6第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
冷剂泵8，用于接收冷却剂7，并通过管道送入第三热交换器9第一入口，由第三热交换器9第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
高压液氧燃烧器10的出口与膨胀机11的入口连接，膨胀机11转轴与发电机15相连；膨胀机11出口通过管道与第一凝汽器12入口相连，第一凝汽器12第一出口通过管道排水，第一凝汽器12第二出口通过管道与压气机13入口相连，压气机13出口通过管道与第二凝汽器14入口相连，第二凝汽器14第一出口通过管道液态二氧化碳。
一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，该系统包括
液氧泵2，用于接收低温液氧贮槽1的液氧，并通过管道送入第一热交换器3第一入口，由第一热交换器3第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
燃料泵5，用于接收液态燃料4，并通过管道送入第二热交换器6第一入口，由第二热交换器6第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
冷剂泵8，用于接收冷却剂7，并通过管道送入第三热交换器9第一入口，由第三热交换器9第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器10；
高压液氧燃烧器10的出口与膨胀机11的入口连接，膨胀机11转轴与发电机15相连；膨胀机11出口通过管道与第一凝汽器12入口相连。
1.液化天然气液氧高压直燃蒸汽动力系统
本发明应用于液化天然气发电系统与现有技术相比具有显著优势和巨大的市场前景。
图1为一种可供实用的液化天然气液氧高压直燃蒸汽动力系统流程图。该流程采用液态二氧化碳作为冷却剂7，高压液氧燃烧器10产出高压高温蒸汽中二氧化碳蒸汽的成分相对较高，经膨胀机11膨胀作功后乏汽进入第一凝汽器12，乏汽中的水蒸汽在较高压力(一般大于0.5MPa)凝结，脱水后的二氧化碳蒸汽直接进入第二凝汽器冷凝液化，第一凝汽器的凝水热可回收加热高压给水9。该流程系统运行压力高，系统装置更简洁紧凑。
另一种可供实用的液化天然气液氧高压直燃蒸汽动力系统流程是采用水作为冷却剂7，高压液氧燃烧器10产出高压高温蒸汽中水蒸汽的成分相对较高，经膨胀机11膨胀作功后乏汽中的水蒸汽凝结压力低，汽轮机膨胀压比大，输出功大，乏汽经第一凝汽器脱水后的二氧化碳蒸汽经压缩机13压缩升压后进入第二凝汽器14冷凝成液态二氧化碳。由于液氧及液化天然气均为低温流体，经泵加压后仍携带有大量的冷能，第一热交换器3及第二热交换器6可以输出冷能。该系统流程的特点是系统运行工况更接近于现代蒸汽动力装置，膨胀机运行背压压力较低，装置体积有所增大，且需配置二氧化碳压气机。
2.液氢液氧高压直燃蒸汽动力系统
氢能是未来清洁能源的发展方向，本发明应用于氢能发电动力系统具有广阔的市场前景。
液氢液氧高压直燃蒸汽动力系统采用水作为冷却剂7，高压液氢液氧燃烧器10产出高压高温蒸汽为纯度较高的水蒸汽，经膨胀机11膨胀作功后乏汽中的水蒸汽凝结压力低，汽轮机膨胀压比大，输出功大，乏汽经第一凝汽器12冷凝为水。由于液氧及液氢均为低温流体，经泵加压后仍携带有大量的冷能，第一热交换器3及第二热交换器6可以输出冷能发电或作为其它工艺流程的冷源。
3.除液化天然气、液氢等低温燃料以外的其它常温液态燃料的液氧高压直燃蒸汽动力装置
常温液态燃料的液氧高压直燃蒸汽动力装置与以液化天然气为代表的低温燃料液氧高压直燃蒸汽动力装置流程基本相同，差别主要在燃料4、燃料泵5及第二热交换器6所处温度为常温，第二热交换器6没有燃料冷能可供输出利用，高压液氧燃烧器10产出高压高温蒸汽中蒸汽成分相对有所不同。如果液态燃料含固体颗粒物(如水煤浆)，则在汽轮机前需设置汽轮机安全运行所需的除尘设施。
Claims (3)
1.一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，其特征在于，该系统包括
液氧泵(2)，用于接收低温液氧贮槽(1)的液氧，并通过管道送入第一热交换器(3)第一入口，由第一热交换器(3)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
燃料泵(5)，用于接收液态燃料(4)，并通过管道送入第二热交换器(6)第一入口，由第二热交换器(6)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
冷剂泵(8)，用于接收冷却剂(7)，并通过管道送入第三热交换器(9)第一入口，由第三热交换器(9)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
高压液氧燃烧器(10)的出口与膨胀机(11)的入口连接，膨胀机(11)通过转轴与发电机(15)相连；膨胀机(11)出口通过管道与第一凝汽器(12)入口相连，第一凝汽器(12)第一出口通过管道排水，第一凝汽器(12)第二出口通过管道与第二凝汽器(14)入口相连，第二凝汽器(14)第一出口通过管道排出液态二氧化碳。
2.一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，其特征在于，该系统括
液氧泵(2)，用于接收低温液氧贮槽(1)的液氧，并通过管道送入第一热交换器(3)第一入口，由第一热交换器(3)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
燃料泵(5)，用于接收液态燃料(4)，并通过管道送入第二热交换器(6)第一入口，由第二热交换器(6)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
冷剂泵(8)，用于接收冷却剂(7)，并通过管道送入第三热交换器(9)第一入口，由第三热交换器(9)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
高压液氧燃烧器(10)的出口与膨胀机(11)的入口连接，膨胀机(11)转轴与发电机(15)相连；膨胀机(11)出口通过管道与第一凝汽器(12)入口相连，第一凝汽器(12)第一出口通过管道排水，第一凝汽器(12)第二出口通过管道与压气机(13)入口相连，压气机(13)出口通过管道与第二凝汽器(14)入口相连，第二凝汽器(14)第一出口通过管道液态二氧化碳。
3.一种液态燃料液氧高压直燃蒸汽动力系统，其特征在于，该系统包括
液氧泵(2)，用于接收低温液氧贮槽(1)的液氧，并通过管道送入第一热交换器(3)第一入口，由第一热交换器(3)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
燃料泵(5)，用于接收液态燃料(4)，并通过管道送入第二热交换器(6)第一入口，由第二热交换器(6)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
冷剂泵(8)，用于接收冷却剂(7)，并通过管道送入第三热交换器(9)第一入口，由第三热交换器(9)第一出口通过管道送入高压液氧燃烧器(10)；
高压液氧燃烧器(10)的出口与膨胀机(11)的入口连接，膨胀机(11)转轴与发电机(15)相连；膨胀机(11)出口通过管道与第一凝汽器(12)入口相连。
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