CN107131016B - 一种超临界co2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统 - Google Patents

一种超临界co2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于能源与动力技术领域，尤其涉及一种超临界CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统。为提高整机系统的热效率，本发明提出一种超临界CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统，包括超临界CO2布雷顿循环系统和亚临界有机朗肯循环系统，超临界CO2布雷顿循环系统以超临界CO2作为循环工质，吸收燃煤锅炉高温区热能、中温区热能以及低温区热能；亚临界有机朗肯循环系统以有机流体为循环工质，吸收超临界CO2布雷顿循环系统中的低温热能。该发明将燃煤电厂中高、中、低品位的热能充分加以利用，得到高品位的电能，提高整机系统的热效率，能够达到节能降耗的目的。

Description

一种超临界CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统
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CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统。
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，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，然而高温高压材料是继续提高发电效率的瓶颈。20世纪90年代，美国提出超临界CO2可代替水蒸汽发电，超临界CO2发电具有高效、紧凑、节水等显著优势，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，然而关于超临界CO2燃煤火力发电方面的成果较少。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。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。由于CO2布雷顿循环运行在中高温区，锅炉尾部烟气余热主要用于加热空气，导致空预器体积巨大，无法解决锅炉燃烧热被全温区吸收的难题。有机朗肯循环使用低沸点的有机物取代水作为循环工质，可以有效利用300℃以下的低温热源产生足够压力的蒸汽推动汽轮机作功，从而提高能量利用效率。有机朗肯循环系统结构简单，安全性能高，维护成本低。
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CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统，该发明充分利用燃煤电厂中高、中、低品位的热能，得到高品位的电能。可以提高整机系统的热效率，达到节能降耗的目的。
本发明的技术方案如下：
该发电系统包括：超临界CO2布雷顿循环系统1和亚临界有机朗肯循环系统 2；超临界CO2布雷顿循环系统1和亚临界有机朗肯循环系统2通过预热器11和蒸发器3-7相连接；所述超临界CO2布雷顿循环系统1以超临界CO2作为循环工质，超临界CO2通过燃煤锅炉3吸收高温区热能，通过燃煤锅炉3尾部烟道的高温空预器3-5吸收中温区热能，通过燃煤锅炉3尾部烟道的低温空预器3-6吸收低温区热能用以加热锅炉送风；所述亚临界有机朗肯循环系统2以有机流体为循环工质，有机流体通过预热器11吸收超临界CO2布雷顿循环系统中的低温热能，吸热后的有机流体进入锅炉烟道中的蒸发器3-7与烟气换热，有机流体被进一步加热为饱和蒸汽或过热蒸汽；
所述超临界CO2布雷顿循环系统1包括燃煤锅炉3、第一级透平4、第二级透平5、第二级压气机6、第一级压气机7、高温回热器8、低温回热器9、冷却器10；所述燃煤锅炉3、第一级透平4、第二级透平5、第二级压气机6、第一级压气机7、低温回热器9、高温回热器8依次相连，高温回热器8分别与第二级透平5、燃煤锅炉3和第二级压气机6相连接，冷却器10分别与第二级压气机6和第一级压气机7相连，第二级透平5与燃煤锅炉3相连；
所述亚临界有机朗肯循环系统2包括预热器11、蒸发器3-7、有机工质透平12、冷凝器13和工质泵14；所述蒸发器3-7、质透平12、冷凝器13、工质泵14、预热器11依次首尾相连。
优选地，所述燃煤锅炉3包括依次设置的液冷壁3-1、过热器3-2、再热器 3-3、省煤器3-4、高温空预器3-5、低温空预器3-6、烟气分隔板3-8和蒸发器 3-7，蒸发器3-7可以为一级设置或多级设置。
优选地，所述超临界CO2布雷顿循环系统1的循环步骤如下所述：
步骤1：超临界CO2经液冷壁3-1加热后进入过热器3-2再次加热，然后进入第一级透平4作功后经再热器3-3加热，提升温度进入第二级透平5作功。
步骤2：第二级透平5的乏汽经高温回热器8和低温回热器9释热后分为3 股：一股直接进入第二级压气机6加压，一股经有机工质预热器进一步释热后进入第一级压气机7加压，另一股经冷却器释热后进入第一级压气机7加压。
步骤3：第一级压气机7出口工质经低温回热器9吸热后与第二级压气机6 出口工质汇合，一起进入高温回热器8加热，然后进入省煤器3-4吸收烟气热量，之后再回到液冷壁3-1完成一个循环。
本发明的有益效果在于：
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有机朗肯循环在中低温热源回收中的效率优势，将燃煤电厂中高、中、低品位的热能充分加以利用，得到高品位的电能，实现“温度对口，梯级利用”，提高整机系统的热效率，达到节能降耗的目的。
附图说明
附图1为超临界CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统结构示意图。
附图标记：
1—超临界CO2布雷顿循环；2—亚临界有机朗肯循环；3—燃煤锅炉；4—超临界CO2第一级透平；5—第二级透平；6—超临界CO2第二级压气机；7—第一级压气机；8—高温回热器；9—低温回热器和冷却器；10—冷却器；11—预热器； 12—有机工质透平；13—冷凝器；14-工质泵；
3-1—液冷壁；3-2—过热器；3-3—再热器；3-4—省煤器；3-5—高温空预器；3-6—低温空预器；3-7—蒸发器；3-8—烟气分隔板；
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CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统结构示意图。如图1所示，该发电系统包括超临界CO2布雷顿循环系统1和亚临界有机朗肯循环系统2，超临界CO2布雷顿循环系统1和亚临界有机朗肯循环系统2通过预热器 11和蒸发器3-7相连接，有机工质经预热器11与超临界CO2进行换热，吸热后的有机工质进入锅炉烟道中的蒸发器3-7与烟气换热，有机工质被进一步加热为饱和或过热蒸汽。超临界CO2布雷顿循环系统1由燃煤锅炉3、第一级透平4、第二级透平5、第二级压气机6、第一级压气机7、高温回热器8、低温回热器9和冷却器10组成；其中燃煤锅炉3内布置有液冷壁3-1、过热器3-2、再热器 3-3、省煤器3-4、高温空预器3-5、低温空预器3-6、蒸发器3-7和烟气分隔板 3-8，蒸发器3-7可以为一级设置或多级设置。在超临界CO2布雷顿循环系统1 中，燃煤锅炉3、第一级透平4、第二级透平5、第二级压气机6、第一级压气机 7、低温回热器9、高温回热器8依次相连，高温回热器8分别与第二级透平5 和燃煤锅炉3相连，形成闭合回路，所述冷却器10分别与第二级压气机6和第一级压气机7相连，所述第二级透平5与燃煤锅炉3相连；所述亚临界有机朗肯循环2包括预热器11、蒸发器3-7、有机工质透平12、冷凝器13和工质泵 14；在亚临界有机朗肯循环系统2中，蒸发器3-7、质透平12、冷凝器13、工质泵14、预热器11依次首尾相连。预热器11为间壁式换热器，超临界CO2在预热器11中的释热过程与有机工质吸热过程耦合。有机工质经预热器11后温度在100℃以下，之后进入蒸发器进一步吸收烟气热量，温度提升到150-250℃之间。有机工质压力在1-2Mpa之间进入透平12作功后进入冷凝器13冷凝为液体，再经工质泵14加压循环。该系统以燃煤锅炉3作为热量的初次来源，所述超临界CO2布雷顿循环系统1以超临界CO2作为循环工质进行闭式循环，通过燃煤锅炉3吸收高温区热能，锅炉尾部烟道的高温空预器3-5吸收中温区热能，低温空预器3-6吸收低温区热能加热锅炉送风。所述亚临界有机朗肯循环系统2以有机流体为循环工质，通过预热器11和蒸发器3-7分别吸收超临界CO2布雷顿循环和锅炉尾部烟道中的低温热能。
进一步的，超临界CO2布雷顿循环系统(1)的工作步骤如下所述：超临界 CO2经液冷壁3-1加热后进入过热器3-2再次加热，然后进入第一级透平4作功后经再热器3-3加热，提升温度进入第二级透平5作功。当第二级透平5的乏汽经高温回热器8和低温回热器9释热后分为3股：一股直接进入第二级压气机6加压，一股经有机工质预热器11进一步释热后进入第一级压气机7加压，另一股经冷却器释热后进入第一级压气机7加压。第一级压气机7出口工质经低温回热器9吸热后与第二级压气机6出口工质汇合，一起进入高温回热器8 加热，然后进入省煤器3-4吸收烟气热量，之后再回到液冷壁3-1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 (2)

1.一种超临界CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统，其特征在于，包括超临界CO2布雷顿循环系统(1)和亚临界有机朗肯循环系统(2)；超临界CO2布雷顿循环系统(1)和亚临界有机朗肯循环系统(2)通过预热器(11)和蒸发器(3-7)相连接；所述超临界CO2布雷顿循环系统(1)以超临界CO2作为循环工质，超临界CO2通过燃煤锅炉(3)吸收高温区热能，通过燃煤锅炉(3)尾部烟道的高温空预器(3-5)吸收中温区热能，通过燃煤锅炉(3)尾部烟道的低温空预器(3-6)吸收低温区热能用以加热锅炉送风；所述亚临界有机朗肯循环系统(2)以有机流体为循环工质，有机流体通过预热器(11)吸收超临界CO2布雷顿循环系统中的低温热能，吸热后的有机流体进入锅炉烟道中的蒸发器(3-7)与烟气换热，有机流体被进一步加热为饱和蒸汽或过热蒸汽；
所述超临界CO2布雷顿循环系统(1)包括燃煤锅炉(3)、第一级透平(4)、第二级透平(5)、第二级压气机(6)、第一级压气机(7)、高温回热器(8)、低温回热器(9)、冷却器(10)；其中，燃煤锅炉(3)包括依次设置的液冷壁(3-1)、过热器(3-2)、再热器(3-3)、省煤器(3-4)、高温空预器(3-5)、低温空预器(3-6)、烟气分隔板(3-8)和蒸发器(3-7)；所述燃煤锅炉(3)、第一级透平(4)、第二级透平(5)、第二级压气机(6)、第一级压气机(7)、低温回热器(9)、高温回热器(8)依次相连，高温回热器(8)分别与第二级透平(5)、燃煤锅炉(3)和第二级压气机(6)相连接，冷却器(10)分别与第二级压气机(6)和第一级压气机(7)相连，第二级透平(5)与燃煤锅炉(3)相连；
所述亚临界有机朗肯循环系统(2)包括预热器(11)、蒸发器(3-7)、有机工质透平(12)、冷凝器(13)和工质泵(14)；所述蒸发器(3-7)、有机工质透平(12)、冷凝器(13)、工质泵(14)、预热器(11)依次首尾相连；
所述蒸发器(3-7)为一级设置或多级设置。
2.根据权利要求1所述的一种超临界CO2与有机朗肯循环联合燃煤火力发电系统，其特征在于，所述超临界CO2布雷顿循环系统(1)的工作步骤如下所述：
步骤1：超临界CO2经液冷壁(3-1)加热后进入过热器(3-2)再次加热，然后进入第一级透平(4)作功后经再热器(3-3)加热，提升温度进入第二级透平(5)作功；
步骤2：第二级透平(5)的乏汽经高温回热器(8)和低温回热器(9)释热后分为3股：一股直接进入第二级压气机(6)加压，一股经有机工质预热器进一步释热后进入第一级压气机(7)加压，另一股经冷却器释热后进入第一级压气机(7)加压；
步骤3：第一级压气机(7)出口工质经低温回热器(9)吸热后与第二级压气机(6)出口工质汇合，一起进入高温回热器(8)加热，然后进入省煤器(3-4)吸收烟气热量，之后再回到液冷壁(3-1)完成一个循环。
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