CN107355266B - 一种利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，包括热电机组、二氧化碳逆循环机组及热网管道，其中，热电机组包括热电机组回热系统、锅炉、汽轮机高/中压缸、汽轮机低压缸、凝汽器及二氧化碳热网加热器，二氧化碳逆循环机组包括蒸汽热网加热器、二氧化碳蒸发器、二氧化碳压缩机及二氧化碳节流阀；热网管道包括热网回水管道及热网供水管道，该热电系统能够完全实现热电解耦，并且具有高效供热、寒冷天气调峰能力高及电‑热转化效率高的特点，同时解决了储热设备容量及供热能力受限制、能源利用率较低的问题。

Description

一种利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统
技术领域
本发明属于热电联产领域，涉及一种利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统。
背景技术
从国内电力行业目前的情况来看，我国电力系统调节能力难以完全适应新能源大规模发展和消纳的要求，部分地区出现了较为严重的弃风、弃光问题。2015年，全年弃风电量高达339亿千瓦时，“三北”部分地区弃风和弃光率超过20％。而火电机组特别是煤电机组，在未来相当长一段时期仍是我国“三北”地区的主力电源。通过对煤电机组改造，释放其潜在的灵活性，可有效提高我国电力系统的调节能力，是我国推进高效智能电力系统建设的重要内容。
目前，我国的热电机组主要包含背压机组和抽凝机组两类。背压机组末级透平排汽温度较高，可直接加热热网给水实现供热，这种热电联产机组供热量和发电量的比例由透平背压决定，其热电比基本不具备可调能力。抽凝机组大多是从低压缸之前抽汽，并用该部分抽汽加热热网回水实现供热的，抽凝热电机组供热量和发电量的比例由抽汽参数和抽汽流量决定，其热电比具备一定的调节幅度。但是，受抽汽参数、汽轮机低压缸最小凝器流量等条件的限制，抽凝热电机组提供一定供热负荷时，存在最低的供电负荷。抽凝热电机组的供电负荷调节能力受到供热负荷的严重制约，且供热负荷越大，供电负荷的调节能力越弱。由此可见，目前热电机组“以热定电”的问题非常严重，调峰能力很差。
随着以风电、光电为代表的新能源发电装机容量的显著增长，新能源发电上网负荷的大波动性对我国火电机组的调峰能力提出了更高的要求。火电机组灵活性不足的问题日益显现，尤其是热电机组调峰能力不足的问题更为突出，北方地区采暖季因为火电机组调峰能力差而导致的弃风、弃光问题越来越多。因此，火电机组灵活性改造势在必行，而热电解耦则是热电机组灵活性改造的重点工作之一。
目前，比较常见的热电解耦方法有旁路补偿供热热电解耦技术、储热补偿供热热电解耦技术，电加热补偿供热热电解耦技术等。
旁路补偿供热热电解耦技术：增加高/中压缸的补偿供热旁路，通过将更高参数的蒸汽(甚至锅炉送来的新汽)抽出，通过减压阀降压降温后参与供热。优势：减少高/中压缸的发电量，实现大幅度的热电解耦。有整机旁路时，极端情况下可将整个透平机组旁路掉，实现停机不停炉，锅炉蒸汽直接供暖。可实现热电机组供暖期多次参与应急停机调峰。缺点：锅炉送出的高品质蒸汽直接参与供暖，能效低。
储热补偿供热热电解耦技术：供电负荷高、供热负荷低时，进行储热；供电负荷低，供热负荷高时，储热罐参与补偿供暖。优势：在供电高峰期，将部分抽汽供热的蒸汽用来加热储热设备，该部分抽气通常来自中压缸出口，热品质不是很高，保证了较高的热-热转换效率；在储热设备容量足够大的情况下，可以实现应急停机调峰。缺点：调峰能力受储热容量、储热供热功率等因素制约，热电解耦不彻底；在连续的极冷天气、长时间高供热负荷时，机组无法大量储热，几乎丧失调节能力。
电加热补偿供热热电解耦技术：通过电锅炉，直接将热电机组超发的电转化为热，实现热电解耦。优势：供电负荷调节速度快；热电解耦彻底，可实现深度调峰；可以参与频繁的停机调峰(东北某些风电富裕的地方甚至要求每日至少停机一次)。缺点：电加热补偿技术是一个热-电-热的转换过程，热-电转化效率为机组发电效率(通常低于40％)，电-热转换效率约为100％，整个补偿供热过程的热-热转化效率通常不会超过40％，能源利用效率过低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，该热电系统能够完全实现热电解耦，并且具有高效供热、寒冷天气调峰能力高及电-热转化效率高的特点，同时解决了储热设备容量及供热能力受限制、能源利用率较低的问题。
为达到上述目的，本发明所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统包括热电机组、二氧化碳逆循环机组及热网管道，其中，热电机组包括热电机组回热系统、锅炉、汽轮机高/中压缸、汽轮机低压缸、凝汽器及二氧化碳热网加热器，二氧化碳逆循环机组包括蒸汽热网加热器、二氧化碳蒸发器、二氧化碳压缩机及二氧化碳节流阀；热网管道包括热网回水管道及热网供水管道；
热电机组回热系统的出水口与锅炉的入水口相连通，锅炉的蒸汽出口与汽轮机高/中压缸的入汽口相连通，汽轮机高/中压缸的出汽口分为两路，其中一路与汽轮机低压缸的入汽口相连通，另一路与蒸汽热网加热器的放热侧入口相连通，汽轮机低压缸的乏气出口与凝汽器的放热侧入口相连通，凝汽器的放热侧出口及蒸汽热网加热器的放热侧出口均热电机组回热系统的入水口相连通；
凝汽器的吸热侧出口与二氧化碳蒸发器的放热侧入口相连通，二氧化碳蒸发器的放热侧出口与凝汽器的吸热侧入口相连通，二氧化碳蒸发器的吸热侧出口与二氧化碳压缩机的入口相连通，二氧化碳压缩机的出口与二氧化碳热网加热器的吸热侧入口相连通，二氧化碳热网加热器的放热侧出口经二氧化碳节流阀与二氧化碳蒸发器的吸热侧入口相连通；
热网回水管道与蒸汽热网加热器的吸热侧入口及二氧化碳热网加热器的吸热侧入口相连通，热网供水管道与蒸汽热网加热器的吸热侧出口及二氧化碳热网加热器的吸热侧出口相连通。
还包括冷却塔，其中，凝汽器的吸热侧出口与冷却塔的入水口及二氧化碳蒸发器的吸热侧入口相连通。
二氧化碳逆循环机组还包括二氧化碳回热器，其中，二氧化碳蒸发器的吸热侧出口与二氧化碳回热器的吸热侧入口相连通，二氧化碳回热器的吸热侧出口与二氧化碳压缩机的入口相连通，二氧化碳热网加热器的放热侧出口与二氧化碳回热器的放热侧入口相连通，二氧化碳回热器的放热侧出口经二氧化碳节流阀与二氧化碳蒸发器的吸热侧入口相连通。
汽轮机高/中压缸的出汽口经第一阀门与汽轮机低压缸的入汽口相连通。
汽轮机高/中压缸的出汽口经第二阀门与蒸汽热网加热器的放热侧入口相连通。
热电机组还包括发电机，其中，发电机、汽轮机低压缸及汽轮机高/中压缸同轴设置。
二氧化碳压缩机的驱动轴连接有电动机。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统在具体工作时，在总供热量保持不变的情况下，可以根据实际需求调节二氧化碳热网加热器及蒸汽热网加热器的加热量，即，当供电需求旺盛时，则提高蒸汽热网加热器的加热量，同时提高热电机组的供电负荷；当电力需求较低时，则可以提高二氧化碳热网加热器的加热量，降低热电机组的供电负荷，从而在保证在总热量不变的情况下，减少热电机组的供电负荷，进而实现完全热电解耦，解决了传统热电机组以热定电的问题。本发明通过二氧化碳逆循环供热及热电机组抽汽供热相结合，一方面可以通过二氧化碳压缩机消耗热电机组超发的电量，另一方面通过高COP的逆循环吸收循环冷却水中的废热，实现高效供热，与传统的储热补偿供热热解耦技术相比，本发明不受储热设备的容量及供热能力限制，在保证高效供热的同时，实现彻底的热电解耦，从根本上解决了传统储热补偿供热热电解耦技术无法完全热电解耦及极寒天气调峰能力差的问题。同时相比于传统电加热补偿供热热电解耦技术，本发明通过高COP的二氧化碳逆循环过程，充分利用循环冷却水的低品位热能，最终实现较高的电-热转化效率，从根本上解决传统电加热补偿供热热电解耦技术能源利用效率低的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为热电机组、2为二氧化碳逆循环机组、3为热网管道、11为锅炉、12为汽轮机高/中压缸、13为汽轮机低压缸、14为发电机、15为凝汽器、16为冷却塔、17为蒸汽热网加热器、21为二氧化碳蒸发器、22为二氧化碳回热器、23为二氧化碳压缩机、24为电动机、25为二氧化碳热网加热器、26为二氧化碳节流阀、31为热网回水管道、32为热网供水管道。
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，本发明所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，其特征在于，包括热电机组1、二氧化碳逆循环机组2及热网管道3，其中，热电机组1包括热电机组回热系统、锅炉11、汽轮机高/中压缸12、汽轮机低压缸13、凝汽器15及二氧化碳热网加热器25，二氧化碳逆循环机组2包括蒸汽热网加热器17、二氧化碳蒸发器21、二氧化碳压缩机23及二氧化碳节流阀26；热网管道3包括热网回水管道31及热网供水管道32；热电机组回热系统的出水口与锅炉11的入水口相连通，锅炉11的蒸汽出口与汽轮机高/中压缸12的入汽口相连通，汽轮机高/中压缸12的出汽口分为两路，其中一路与汽轮机低压缸13的入汽口相连通，另一路与蒸汽热网加热器17的放热侧入口相连通，汽轮机低压缸13的乏气出口与凝汽器15的放热侧入口相连通，凝汽器15的放热侧出口及蒸汽热网加热器17的放热侧出口均热电机组回热系统的入水口相连通；凝汽器15的吸热侧出口与二氧化碳蒸发器21的放热侧入口相连通，二氧化碳蒸发器21的放热侧出口与凝汽器15的吸热侧入口相连通，二氧化碳蒸发器21的吸热侧出口与二氧化碳压缩机23的入口相连通，二氧化碳压缩机23的出口与二氧化碳热网加热器25的吸热侧入口相连通，二氧化碳热网加热器25的放热侧出口经二氧化碳节流阀26与二氧化碳蒸发器21的吸热侧入口相连通；热网回水管道31与蒸汽热网加热器17的吸热侧入口及二氧化碳热网加热器25的吸热侧入口相连通，热网供水管道32与蒸汽热网加热器17的吸热侧出口及二氧化碳热网加热器25的吸热侧出口相连通。
本发明还包括冷却塔16，其中，凝汽器15的吸热侧出口与冷却塔16的入水口及二氧化碳蒸发器21的吸热侧入口相连通；二氧化碳逆循环机组2还包括二氧化碳回热器22，其中，二氧化碳蒸发器21的吸热侧出口与二氧化碳回热器22的吸热侧入口相连通，二氧化碳回热器22的吸热侧出口与二氧化碳压缩机23的入口相连通，二氧化碳热网加热器25的放热侧出口与二氧化碳回热器22的放热侧入口相连通，二氧化碳回热器22的放热侧出口经二氧化碳节流阀26与二氧化碳蒸发器21的吸热侧入口相连通。
汽轮机高/中压缸12的出汽口经第一阀门与汽轮机低压缸13的入汽口相连通；汽轮机高/中压缸12的出汽口经第二阀门与蒸汽热网加热器17的放热侧入口相连通。
热电机组1还包括发电机14，其中，发电机14、汽轮机低压缸13及汽轮机高/中压缸12同轴设置；二氧化碳压缩机23的驱动轴连接有电动机24。
本发明的具体工作过程为：
热电机组1内的工质为水，其工作流程为：热电机组回热系统输出的水进入锅炉11中加热；锅炉11产生的蒸汽进入汽轮机高/中压缸12中膨胀做功，汽轮机高/中压缸12输出的蒸汽分为两路；一路作为供热抽汽进入到蒸汽热网加热器17中；另一路进入汽轮机低压缸13继续膨胀做功，做功后的乏汽在凝汽器15中，并在凝汽器15中放热，凝汽器15产生的凝结水进入热电机组的回热系统中。
二氧化碳工质的工作流程为：二氧化碳节流阀26输出的低温低压二氧化碳汽液两相工质进入二氧化碳蒸发器21中吸热后转变为二氧化碳饱和气，所述二氧化碳饱和气依次经过二氧化碳回热器22及二氧化碳压缩机23升温升压后进入到二氧化碳热网加热器25中，并在二氧化碳热网加热器25中加热热网回水；二氧化碳热网加热器25输出的二氧化碳过热气依次经过二氧化碳回热器22及二氧化碳节流阀26转变为低温低压二氧化碳汽液两相工质，至此，二氧化碳在该系统内形成了完整的逆循环，从而实现从循环冷却水中吸收低品位废热，并向热网回水释放高品位供暖热量的过程。
循环冷却水的工质流程为：在凝汽器15吸热后的循环冷却水被分为两路，一路进入冷却塔16向外界环境放热，另一路进入二氧化碳蒸发器21中加热低温低压的二氧化碳汽液两相工质，二氧化碳蒸发器21输出的循环冷却水进入到凝汽器15中，其中，可以根据对抽汽供热和二氧化碳逆循环供热的比例进行确定。
热网的工质流程：热网回水管道31输出的热网回水分为两路，一路进入蒸汽热网加热器17中吸热，然后再进入到热网供水管道32中，另一路进入二氧化碳热网加热器25中吸热，然后再进入热网供水管道32中。
需要说明的是，本发明中的热网回水既可以通过蒸汽热网加热器17加热，也可以通过二氧化碳热网加热器25加热。同时可以在总供热量保持不变的情况下，蒸汽热网加热器17的加热量与二氧化碳热网加热器25加热量的比例可以根据实际需求任意调节。
另外，汽轮机高/中压缸12及汽轮机低压缸13做功通过发电机14转化为电能；二氧化碳压缩机23通过电动机24带动，以驱动二氧化碳逆循环实现高效供热，同时消耗热电机组1超发的电量。当供电需求旺盛时，则可以提高蒸汽热网加热器17的加热量，同时提高热电机组1的供电负荷；当供电需求较低时，则可以提高二氧化碳热网加热器25的出力，降低热电机组1的出力，在保证总共热量不变的情况下，减少热电机组1的供电负荷，进而实现完全热电解耦，解决传统热电机组1“以热定电”的问题。
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 (5)

1.一种利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，其特征在于，包括热电机组(1)、二氧化碳逆循环机组(2)及热网管道(3)，其中，热电机组(1)包括热电机组回热系统、锅炉(11)、汽轮机高/中压缸(12)、汽轮机低压缸(13)、凝汽器(15)及二氧化碳热网加热器(25)，二氧化碳逆循环机组(2)包括蒸汽热网加热器(17)、二氧化碳蒸发器(21)、二氧化碳压缩机(23)及二氧化碳节流阀(26)；热网管道(3)包括热网回水管道(31)及热网供水管道(32)；
热电机组回热系统的出水口与锅炉(11)的入水口相连通，锅炉(11)的蒸汽出口与汽轮机高/中压缸(12)的入汽口相连通，汽轮机高/中压缸(12)的出汽口分为两路，其中一路与汽轮机低压缸(13)的入汽口相连通，另一路与蒸汽热网加热器(17)的放热侧入口相连通，汽轮机低压缸(13)的乏气出口与凝汽器(15)的放热侧入口相连通，凝汽器(15)的放热侧出口及蒸汽热网加热器(17)的放热侧出口均与热电机组回热系统的入水口相连通；
凝汽器(15)的吸热侧出口与二氧化碳蒸发器(21)的放热侧入口相连通，二氧化碳蒸发器(21)的放热侧出口与凝汽器(15)的吸热侧入口相连通，二氧化碳蒸发器(21)的吸热侧出口与二氧化碳压缩机(23)的入口相连通，二氧化碳压缩机(23)的出口与二氧化碳热网加热器(25)的吸热侧入口相连通，二氧化碳热网加热器(25)的放热侧出口经二氧化碳节流阀(26)与二氧化碳蒸发器(21)的吸热侧入口相连通；
热网回水管道(31)与蒸汽热网加热器(17)的吸热侧入口及二氧化碳热网加热器(25)的吸热侧入口相连通，热网供水管道(32)与蒸汽热网加热器(17)的吸热侧出口及二氧化碳热网加热器(25)的吸热侧出口相连通；
还包括冷却塔(16)，其中，凝汽器(15)的吸热侧出口与冷却塔(16)的入水口及二氧化碳蒸发器(21)的吸热侧入口相连通；
二氧化碳逆循环机组(2)还包括二氧化碳回热器(22)，其中，二氧化碳蒸发器(21)的吸热侧出口与二氧化碳回热器(22)的吸热侧入口相连通，二氧化碳回热器(22)的吸热侧出口与二氧化碳压缩机(23)的入口相连通，二氧化碳热网加热器(25)的放热侧出口与二氧化碳回热器(22)的放热侧入口相连通，二氧化碳回热器(22)的放热侧出口经二氧化碳节流阀(26)与二氧化碳蒸发器(21)的吸热侧入口相连通。
2.根据权利要求1所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，其特征在于，汽轮机高/中压缸(12)的出汽口经第一阀门与汽轮机低压缸(13)的入汽口相连通。
3.根据权利要求2所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，其特征在于，汽轮机高/中压缸(12)的出汽口经第二阀门与蒸汽热网加热器(17)的放热侧入口相连通。
4.根据权利要求1所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，其特征在于，热电机组(1)还包括发电机(14)，其中，发电机(14)、汽轮机低压缸(13)及汽轮机高/中压缸(12)同轴设置。
5.根据权利要求2所述的利用二氧化碳逆循环实现完全热电解耦的热电系统，其特征在于，二氧化碳压缩机(23)的驱动轴连接有电动机(24)。
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