CN107091128B - 一种超临界水与超临界co2联合双循环燃煤火力发电系统 - Google Patents

一种超临界水与超临界co2联合双循环燃煤火力发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于能源与动力技术领域，尤其涉及一种燃煤火力驱动的超临界水朗肯循环与超临界CO2布雷顿循环联合发电系统。在该系统中，水蒸气透平、凝汽器、给水泵和抽气加热器构成超临界水朗肯循环系统，超临界CO2高压透平和超临界CO2中压透平，超临界CO2第一级压气机和超临界CO2第二级压气机，低温回热器和高温回热器以及冷却器构成超临界CO2布雷顿循环系统。两个循环系统定位在不同的温度区间，通过燃煤锅炉进行热耦合。该发明结合超临界CO2布雷顿循环系统体积小、能量密度高、对设备材料要求低的特点和超临界水朗肯循环的成熟技术，在燃煤锅炉中增加超临界CO2受热面，吸收高温区热能，减小燃煤锅炉中的传热不可逆损失，提升联合发电系统效率，达到节能降耗的目的。

Description

一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统
技术领域
本发明属于能源与动力技术领域，尤其涉及一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统。
背景技术
煤炭高效清洁发电是我国能源领域的中长期战略任务。随着能源、环境技术的发展，燃煤火力发电向着高参数、大容量方向发展。经过二十几年的研究与建设，目前，我国超临界及超超临界水机组日趋成熟，装机容量逐渐增大，超超临界机组温压参数可达到600℃、26Mpa，发电效率已达45％。如果进一步提高发电效率则需要向更高参数发展，而耐高温高压材料是继续提高发电效率的瓶颈。以超临界CO2为循环工质的燃煤火力发电，以CO2取代水，利用CO2化学性质不活泼及密度高等优点，降低对材料的苛刻要求，可以有效提高工质温压参数和发电效率，并大幅减小机组尺寸。
超临界CO2发电具有高效、紧凑、节水等显著优势。循环在上世纪50年代提出。20世纪90年代，美国认为超临界CO2可代替水蒸汽发电，具有很大发展潜力。近年来，国内外对核能和太阳能驱动的超临界CO2发电进行了理论和实验研究。美国走在世界前列，日本、法国和中国等也加入其中。超临界CO2燃煤火力发电方面的成果很少。2013年，法国电力公司及美国普惠洛克达公司对超临界CO2燃煤火力发电提出了概念论证。随着基础研究和关键技术的发展，超临界 CO2布雷顿循环将从实验室走向中等规模工程示范，发展前景看好，预计超临界 CO2燃煤火力也将逐步成为现实。
发明内容
针对上述问题，结合两种循环的优点，本发明提出一种超临界水与超临界 CO2联合双循环燃煤火力发电系统，减小燃煤锅炉中的换热面两侧传热损失，充分利用燃煤锅炉中的高品位热能，提高系统的热效率，达到节能降耗的目的。
本发明的技术方案如下：
本发明包括：燃煤锅炉1、超临界水朗肯循环系统和超临界CO2布雷顿循环系统；所述燃煤锅炉1包括超临界水加热面、超临界CO2加热面和空气加热面；超临界水加热面包括水冷壁1-1、过热器1-3、水蒸气再热器1-5、省煤器1-6；超临界CO2加热面包括加热器1-2、超临界CO2再热器1-4；空气加热面包括空预器1-7；三个加热面从锅炉燃烧室到烟气出口的布置顺序依次为水冷壁1-1、加热器1-2、过热器1-3、超临界CO2再热器1-4、水蒸气再热器1-5、省煤器1-6、空预器1-7；所述超临界CO2布雷顿循环系统包括超临界CO2高压透平6、超临界CO2中压透平7、超临界CO2第二级压气机8、超临界CO2第一级压气机9、低温回热器10、高温回热器11和冷却器12；超临界CO2高压透平6、超临界CO2中压透平7、超临界CO2第二级压气机8、超临界CO2第一级压气机9、低温回热器10、高温回热器11依次首尾相连，冷却器12的两端分别与超临界CO2第二级压气机 8、超临界CO2第一级压气机9相连；超临界水朗肯循环系统与超临界CO2布雷顿循环系统分别与燃煤锅炉1相连，两个循环系统通过燃煤锅炉1吸收热能进行热耦合。
所述超临界CO2布雷顿循环系统定位在热能驱动的高温区，通过燃煤锅炉1 吸收高温区热能，所述超临界CO2布雷顿循环系统以超临界CO2作为循环工质，所述超临界水朗肯循环系统以水为循环工质。
所述超临界水朗肯循环系统包括依次首尾相连的水蒸气透平2、凝汽器3、给水泵4、抽气加热器5；抽气加热器5和水蒸气透平2的输出端分别与燃煤锅炉1相连。
所述水蒸气透平2以及抽气加热器5均为多级设置。
所述超临界CO2布雷顿循环系统的循环工质超临界CO2在全回路中均处于超临界状态。
所述超临界水朗肯循环系统的循环步骤如下所述：
步骤一：高压水经过锅炉水冷壁1-1加热后进入过热器1-3再次升温，之后进入水蒸气透平2的高压缸做功；
步骤二：高压缸出口的水蒸气经过锅炉水蒸气再热器1-5加热升温后进入水蒸气透平2的中压缸做功；
步骤三：低压缸的乏汽经过凝汽器3冷凝为液态水之后，通过给水泵4加压循环；依次通过抽气加热器5和省煤器1-6吸热升温后再次进入水冷壁1-1，完成一次循环。
所述超临界CO2布雷顿循环系统的循环步骤如下所述：
步骤一：超临界CO2经过加热器1-2吸收高温烟气热量后进入高压透平6作功；
步骤二：出口超临界CO2返回燃煤锅炉1，经过超临界CO2再热器1-4加热升温，进入超临界CO2中压透平7作功；
步骤三：超临界CO2中压透平7的乏汽经高温回热器11和低温回热器10释热后分为2股：一股直接进入第二级压气机8加压，一股经冷却器12进一步释热后进入第一级压气机9加压；第一级压气机9出口工质经低温回热器10吸热后与第二级压气机8出口工质汇合，一起进入高温回热器11再吸热升温，之后回到加热器1-2完成一个循环。
本发明的有益效果为：
该发明结合超临界CO2布雷顿循环体积小、能量密度高、对设备材料要求低的特点和超临界水朗肯循环的成熟技术，在燃煤锅炉中增加超临界CO2受热面，吸收高温区热能，减小燃煤锅炉中的传热不可逆损失，进一步提高发电系统的参数，提升联合发电系统效率，实现“温度对口，梯级利用”，达到节能降耗的目的。
附图说明
附图1为超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统结构示意图。
附图标记：
1—燃煤锅炉；2—水蒸气透平；3—凝汽器；4—给水泵；5—抽气加热器；6—超临界CO2高压透平；7—超临界CO2中压透平；8—超临界CO2第二级压气机； 9—超临界CO2第一级压气机；10—低温回热器；11—高温回热器；12—冷却器；
1-1—水冷壁；1-2—超临界CO2加热器；1-3—水过热器；1-4—超临界CO2再热器；1-5—水蒸气再热器；1-6—省煤器；1-7—空预器；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图1为超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统结构示意图。如图1所示，该发电系统包括燃煤锅炉1、超临界水朗肯循环系统和超临界CO2布雷顿循环系统，两个循环系统分别与燃煤锅炉1相连，通过燃煤锅炉吸收热能进行热耦合。两个循环系统定位在不同的温度区间，由于超临界CO2布雷顿循环系统对材料要求低，因此将超临界CO2布雷顿循环系统定位在热能驱动的高温区，超临界CO2布雷顿循环系统具有体积小、能量密度高、对设备材料要求低的特点，通过吸收高温区热能，尽可能最大化的利用燃煤燃烧的高温区热能，减小燃煤锅炉内传热过程的不可逆损失，提升联合发电系统效率，达到节能降耗的目的。如图1所示，燃煤锅炉1包括超临界水加热面、超临界CO2加热面和空气加热面；其中超临界水加热面包括水冷壁1-1、过热器1-3、水蒸气再热器 1-5、省煤器1-6；超临界CO2加热面包括加热器1-2、超临界CO2再热器1-4；空气加热面包括空预器1-7；燃煤锅炉1所包括的三个加热面从锅炉燃烧室到烟气出口的布置顺序依次为水冷壁1-1、加热器1-2、过热器1-3、超临界CO2再热器1-4、水蒸气再热器1-5、省煤器1-6、空预器1-7，加热器1-2和超临界CO2再热器1-4布置在燃煤锅炉中温度较高的位置，空预器1-7用来吸收锅炉烟道中最后一段的热能，预热即将进入锅炉的空气，在降低排烟温度的同时减少煤耗。超临界水朗肯循环系统包括水蒸气透平2、凝汽器3、给水泵4和抽气加热器5，水蒸气透平2、凝汽器3、给水泵4和抽气加热器5依次首尾相连，抽气加热器 5和水蒸气透平2的输出端分别与燃煤锅炉1相连，在超临界水朗肯循环系统中，超临界是指水蒸气透平2的入口主蒸汽为超临界状态，水蒸气透平2和抽气加热器5均采用多级设置，超临界水朗肯循环系统以水为循环工质，主蒸汽温度低于650℃。超临界水朗肯循环定位在目前技术条件下能达到的温压参数，循环构建和运行为公知的超临界和超超临界参数燃煤机组，透平入口主蒸汽为超临界状态。在超临界水朗肯循环系统中，循环过程如下所述：高压的水经锅炉水冷壁1-1加热后进入过热器1-3再次升温，之后进入水蒸气透平2的高压缸做功；高压缸出口水蒸气经锅炉水蒸气再热器1-5加热升温后进入水蒸气透平2 的中压缸做功；低压缸乏汽经凝汽器3冷凝为液态水之后，通过给水泵4加压循环；依次通过抽气加热器5和省煤器6吸热升温后再次进入水冷壁1-1，完成一次循环。所述超临界CO2布雷顿循环系统包括超临界CO2高压透平6、超临界 CO2中压透平7、超临界CO2第二级压气机8、超临界CO2第一级压气机9、低温回热器10、高温回热器11、冷却器12；所述超临界CO2高压透平6、超临界CO2中压透平7、超临界CO2第二级压气机8、超临界CO2第一级压气机9、低温回热器10、高温回热器11依次首尾相连，冷却器12的两端分别与超临界CO2第二级压气机8、超临界CO2第一级压气机9相连，超临界CO2布雷顿循环系统以超临界CO2作为循环工质，定位在吸收高温区热能，工质在全回路均处于超临界状态，汽轮机入口温度为700℃-750℃。在超临界CO2布雷顿循环系统中，循环过程如下所述：出口超临界CO2返回燃煤锅炉，经超临界CO2再热器1-4加热升温，进入中压透平7作功；中压透平7的乏汽经高温回热器11和低温回热器12释热后分为2股，一股直接进入第二级压气机8加压，一股经冷却器12进一步释热后进入第一级压气机9加压；第一级压气机9出口工质经低温回热器10吸热后与第二级压气机8出口工质汇合，一起进入高温回热器11再吸热升温，之后回到加热器1-2完成一个循环。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统，其特征在于，包括燃煤锅炉(1)、超临界水朗肯循环系统和超临界CO2布雷顿循环系统；所述燃煤锅炉(1)包括超临界水加热面、超临界CO2加热面和空气加热面；超临界水加热面包括水冷壁(1-1)、过热器(1-3)、水蒸气再热器(1-5)、省煤器(1-6)；超临界CO2加热面包括加热器(1-2)、超临界CO2再热器(1-4)；空气加热面包括空预器(1-7)；三个加热面从锅炉燃烧室到烟气出口的布置顺序依次为水冷壁(1-1)、加热器(1-2)、过热器(1-3)、超临界CO2再热器(1-4)、水蒸气再热器(1-5)、省煤器(1-6)、空预器(1-7)；所述超临界CO2布雷顿循环系统包括超临界CO2高压透平(6)、超临界CO2中压透平(7)、超临界CO2第二级压气机(8)、超临界CO2第一级压气机(9)、低温回热器(10)、高温回热器(11)和冷却器(12)；超临界CO2高压透平(6)、超临界CO2中压透平(7)、超临界CO2第二级压气机(8)、超临界CO2第一级压气机(9)、低温回热器(10)、高温回热器(11)依次首尾相连，冷却器(12)的两端分别与超临界CO2第二级压气机(8)、超临界CO2第一级压气机(9)相连；超临界水朗肯循环系统与超临界CO2布雷顿循环系统分别与燃煤锅炉(1)相连，两个循环系统通过燃煤锅炉(1)吸收热能进行热耦合；所述超临界CO2布雷顿循环系统定位在热能驱动的高温区，通过燃煤锅炉(1)吸收高温区热能，所述超临界CO2布雷顿循环系统以超临界CO2作为循环工质，所述超临界水朗肯循环系统以水为循环工质；所述超临界水朗肯循环系统包括依次首尾相连的水蒸气透平(2)、凝汽器(3)、给水泵(4)、抽气加热器(5)；抽气加热器(5)和水蒸气透平(2)的输出端分别与燃煤锅炉(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统，其特征在于，所述水蒸气透平(2)以及抽气加热器(5)均为多级设置。
3.根据权利要求1所述的一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统，其特征在于，所述超临界CO2布雷顿循环系统的循环工质超临界CO2在全回路中均处于超临界状态。
4.根据权利要求1所述的一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统，其特征在于，所述超临界水朗肯循环系统的循环步骤如下所述：
步骤一：高压水经过锅炉水冷壁(1-1)加热后进入过热器(1-3)再次升温，之后进入水蒸气透平(2)的高压缸做功；
步骤二：高压缸出口的水蒸气经过锅炉水蒸气再热器(1-5)加热升温后进入水蒸气透平(2)的中压缸做功；
步骤三：低压缸的乏汽经过凝汽器(3)冷凝为液态水之后，通过给水泵(4)加压循环；依次通过抽气加热器(5)和省煤器(1-6)吸热升温后再次进入水冷壁(1-1)，完成一次循环。
5.根据权利要求1所述的一种超临界水与超临界CO2联合双循环燃煤火力发电系统，其特征在于，所述超临界CO2布雷顿循环系统的循环步骤如下所述：
步骤一：超临界CO2经过加热器(1-2)吸收高温烟气热量后进入高压透平(6)作功；
步骤二：出口超临界CO2返回燃煤锅炉(1)，经过超临界CO2再热器(1-4)加热升温，进入超临界CO2中压透平(7)作功；
步骤三：超临界CO2中压透平(7)的乏汽经高温回热器(11)和低温回热器(10)释热后分为2股：一股直接进入第二级压气机(8)加压，一股经冷却器(12)进一步释热后进入第一级压气机(9)加压；第一级压气机(9)出口工质经低温回热器(10)吸热后与第二级压气机(8)出口工质汇合，一起进入高温回热器(11)再吸热升温，之后回到加热器(1-2)完成一个循环。
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