CN108868931A - 高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，超临界二氧化碳余热锅炉内沿烟气流通的方向依次设置有加热器及分流加热器，顶层燃气轮机发电系统的出口与超临界二氧化碳余热锅炉的入口相连通，压缩机的出口与回热器的冷侧入口及分流加热器的入口相连通，回热器的冷侧出口及分流加热器的出口通过管道并管后与加热器的入口相连通，加热器的出口与发电透平的入口及拖动透平的入口相连通，发电透平的出口及拖动透平的出口通过管道并管后与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口依次经热网加热器及预冷器与压缩机的入口相连通，该系统能够实现热电完全解耦，并且机组的灵活性较高。

Description

高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统
技术领域
本发明属于联合循环热电联产领域，涉及一种高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统。
背景技术
燃气轮机具有启动方便快捷、运行灵活、变负荷相应快的特点以及占地少、效率高、污染小、建设工期短等优点，在最近几年来迅速发展，已经成为提供清洁、可靠、高质量发电及冷热电联供的最佳方式。但是，燃气轮机排烟温度高，一般为450～600℃，如果直接排放到大气当中，不仅造成能量的损失，使得燃机的热利用率低，还会污染环境。目前，燃气轮机单循环热效率一般为20％～42％。
燃气蒸汽联合循环发电，其特点是采用两个不同工质、不同参数、独立的动力循环，整体发电效率高，目前大多数重型燃机均采用燃气蒸汽联合循环。通过燃气蒸汽联合循环，大大提高的机组的整体效率。
发展更加高效灵活的火力发电系统，是未来能源体系建设的重大需求。因此，在火电机组在提升机组效率的同时，机组灵活性也是另一个不可忽视的特性。
对于热电联产机组，其深度调峰和快速调峰的能力将是考核热电机组的重要指标。如果不能有效的提升热电联产机组的灵活性，弃风弃光现象将无法得到有效解决，这会严重制约我国新能源发电的发展和应用。目前，无论是燃气蒸汽联合循环的热电机组，还是燃煤热电联产机组，均存在严重的“以热定电”问题，灵活性较差，这主要是由于蒸汽朗肯循环基本特性的限制(锅炉最低不投油稳燃负荷限制，低负荷水动力稳定性限制，低压缸最低凝汽流量限制等)。
目前各国学者也进行了大量努力，旨在提高热电机组的运行灵活性，且取得了一定的成果。如燃气蒸汽联合循环热电机组中，可采用同步自换挡(3S，Synchro-Self-Shifting)离合器对汽轮机进行解列和并列，运用类似的技术，在汽轮机低压缸和发电机之间设置3S离合器，实现低压缸的解列和并列，从而实现汽轮机的背压运行和抽凝运行切换，可以有效的提升燃气蒸汽联合循环热电机组的灵活性。但是，类似的灵活性改造措施只能一定程度上提升机组的深度调峰能力，却不能从根本上突破蒸汽朗肯循环基本特性的限制，实现热电完全解耦。
相比于蒸汽朗肯循环的底层循环，超临界二氧化碳底层循环有着临界点适中、循环效率高、灵活性强等特点。其用作底层热电联产循环时，可在提升联合循环发电效率的同时，实现完全热电解耦，大幅提升机组的灵活性。然而经调研，目前国内外关于燃气超临界二氧化碳联合循环的研究刚刚起步，更是鲜有涉及燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统的研究。因此，还需要大量的原创性工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，该系统能够实现热电完全解耦，并且机组的灵活性较高。
为达到上述目的，本发明所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统包括顶层燃气轮机发电系统及底层超临界二氧化碳热电联产系统，底层超临界二氧化碳热电联产系统包括超临界二氧化碳余热锅炉、压缩机、回热器、分流加热器、加热器、发电透平、拖动透平、第一发电机、热网加热器及预冷器；
超临界二氧化碳余热锅炉内沿烟气流通的方向依次设置有加热器及分流加热器，顶层燃气轮机发电系统的出口与超临界二氧化碳余热锅炉的入口相连通，压缩机的出口与回热器的冷侧入口及分流加热器的入口相连通，回热器的冷侧出口及分流加热器的出口通过管道并管后与加热器的入口相连通，加热器的出口与发电透平的入口及拖动透平的入口相连通，发电透平的出口及拖动透平的出口通过管道并管后与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口依次经热网加热器及预冷器与压缩机的入口相连通；拖动透平拖动压缩机工作，发电透平与第一发电机相连接。
所述顶层燃气轮机发电系统包括压气机、燃料输入管道、燃烧室、燃气透平及第二发电机，其中，压气机的出口及燃料输入管道与燃烧室的入口相连通，燃烧室的出口与燃气透平的入口相连通，燃气透平的出口与超临界二氧化碳余热锅炉的入口相连通，燃气透平与第二发电机相连接。
拖动透平与压缩机同轴布置；
发电透平与第一发电机同轴布置。
燃气透平、压气机及第二发电机同轴布置。
压缩机的出口经第一阀门与回热器的冷侧入口相连通；
压缩机的出口经第二阀门与分流加热器的入口相连通。
加热器的出口经第三阀门与拖动透平的入口相连通；
加热器的出口经第四阀门与发电透平的入口相连通。
还包括第五阀门及第六阀门，其中，回热器的热侧出口与第五阀门的一端及第六阀门的一端相连通，第五阀门的另一端与热网加热器的入口相连通，热网加热器的出口与第六阀门的出口通过管道并管后与预冷器的入口相连通。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统在具体操作时，顶层燃气轮机发电系统输出的烟气进入到超临界二氧化碳余热锅炉中，通过加热器及分流加热器实现烟气余热的阶梯利用，以提升机组的整体发电效率，并以此作为底层超临界二氧化碳热电联产系统的热源。需要说明的是，本发明采用超临界二氧化碳热电联产系统作为底层循环，避免锅炉最低不投油稳燃负荷的限制，并且不受低压缸最小凝气流量的限制，解决了传统蒸汽热电机组以热定电的问题，实现热电完全解耦，即在任一供热负荷条件下，底层循环的供电负荷均可以在0％-100％之间进行任意调节，相比现有燃机蒸汽联合循环抽凝背热电机组，系统运行的灵活性得到大幅的提升。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
其中，11为压气机、12为燃烧室、13为燃气透平、14为第二发电机、21为压缩机、22为回热器、23为超临界二氧化碳余热锅炉、231为加热器、232为分流加热器、24为拖动透平、25为发电透平、26为第一发电机、27为热网加热器、28为预冷器、K1为第一阀门、K2为第二阀门、K3为第三阀门、K4为第四阀门、K5为第五阀门、K6为第六阀门。
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，本发明所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统包括顶层燃气轮机发电系统及底层超临界二氧化碳热电联产系统，底层超临界二氧化碳热电联产系统包括超临界二氧化碳余热锅炉23、压缩机21、回热器22、分流加热器232、加热器231、发电透平25、拖动透平24、第一发电机26、热网加热器27及预冷器28；超临界二氧化碳余热锅炉23内沿烟气流通的方向依次设置有加热器231及分流加热器232，顶层燃气轮机发电系统的出口与超临界二氧化碳余热锅炉23的入口相连通，压缩机21的出口与回热器22的冷侧入口及分流加热器232的入口相连通，回热器22的冷侧出口及分流加热器232的出口通过管道并管后与加热器231的入口相连通，加热器231的出口与发电透平25的入口及拖动透平24的入口相连通，发电透平25的出口及拖动透平24的出口通过管道并管后与回热器22的热侧入口相连通，回热器22的热侧出口依次经热网加热器27及预冷器28与压缩机21的入口相连通；拖动透平24拖动压缩机21工作，发电透平25与第一发电机26相连接。
所述顶层燃气轮机发电系统包括压气机11、燃料输入管道、燃烧室12、燃气透平13及第二发电机14，其中，压气机11的出口及燃料输入管道与燃烧室12的入口相连通，燃烧室12的出口与燃气透平13的入口相连通，燃气透平13的出口与超临界二氧化碳余热锅炉23的入口相连通，燃气透平13与第二发电机14相连接。
拖动透平24与压缩机21同轴布置；发电透平25与第一发电机26同轴布置；燃气透平13、压气机11及第二发电机14同轴布置。
压缩机21的出口经第一阀门K1与回热器22的冷侧入口相连通；压缩机21的出口经第二阀门K2与分流加热器232的入口相连通；加热器231的出口经第三阀门K3与拖动透平24的入口相连通；加热器231的出口经第四阀门K4与发电透平25的入口相连通。另外本发明还包括第五阀门K5及第六阀门K6，其中，回热器22的热侧出口与第五阀门K5的一端及第六阀门K6的一端相连通，第五阀门K5的另一端与热网加热器27的入口相连通，热网加热器27的出口与第六阀门K6的出口通过管道并管后与预冷器28的入口相连通。
通过第一阀门K1及第二阀门K2调节压缩机21送入回热器22及分流加热器232内工质的流量比例；通过第三阀门K3及第四阀门K4调节进入到拖动透平24及发电透平25内工质的流量比例，通过第五阀门K5及第六阀门K6调节进入到热网加热器27内工质的流量。
本发明的具体工作过程为：
在顶层燃气轮机发电系统中，经压气机11升压后的空气进入到燃烧室12中，燃料输入管道输出的燃料进入到燃烧室12，在燃烧室12中升压后的空气与燃料混合燃料，以产生高温气体，高温气体进入到燃气透平13中进行做功，燃气透平13拖动压气机11及第二发电机14工作，燃气透平13排出的气体进入到超临界二氧化碳余热锅炉23中，并以此作为底层超临界二氧化碳热电联产系统的热源，通过加热器231及分流加热器232实现热量的梯级吸收。
在底层超临界二氧化碳热电联产系统中，经压缩机21升压后的超临界二氧化碳分为两路，一路进入分流加热器232中升温后进入到加热器231中，另一路经回热器22升温后进入到加热器231中，加热器231输出的高温高压超临界二氧化碳分为两路，其中一路进入到拖动透平24中，另一路进入到发电透平25中，拖动透平24拖动压缩机21工作，发电透平25拖动第一发电机26发电，拖动透平24及发电透平25输出的乏气汇流后进入到回热器22中进行放热，然后分为两路，其中一路经第六阀门K6直接进入到预冷器28中进行冷却，另一路在热网加热器27中放热后进入到预冷器28中进行冷却，预冷器28输出的超临界二氧化碳进入到压缩机21中，完成闭式超临界二氧化碳热电联产底层循环。
需要说明的是，本发明中分流加热器232与回热器22采用并联方式，通过第一阀门K1及第二阀门K2调节进入到分流加热器232及回热器22中工质的流量，使得回热器22的换热效力及超临界二氧化碳余热锅炉23热效率均达到较高的水平，以提升系统整体的效率。
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 (7)

1.一种高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，包括顶层燃气轮机发电系统及底层超临界二氧化碳热电联产系统，底层超临界二氧化碳热电联产系统包括超临界二氧化碳余热锅炉(23)、压缩机(21)、回热器(22)、分流加热器(232)、加热器(231)、发电透平(25)、拖动透平(24)、第一发电机(26)、热网加热器(27)及预冷器(28)；
超临界二氧化碳余热锅炉(23)内沿烟气流通的方向依次设置有加热器(231)及分流加热器(232)，顶层燃气轮机发电系统的出口与超临界二氧化碳余热锅炉(23)的入口相连通，压缩机(21)的出口与回热器(22)的冷侧入口及分流加热器(232)的入口相连通，回热器(22)的冷侧出口及分流加热器(232)的出口通过管道并管后与加热器(231)的入口相连通，加热器(231)的出口与发电透平(25)的入口及拖动透平(24)的入口相连通，发电透平(25)的出口及拖动透平(24)的出口通过管道并管后与回热器(22)的热侧入口相连通，回热器(22)的热侧出口依次经热网加热器(27)及预冷器(28)与压缩机(21)的入口相连通；拖动透平(24)拖动压缩机(21)工作，发电透平(25)与第一发电机(26)相连接。
2.根据权利要求1所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，所述顶层燃气轮机发电系统包括压气机(11)、燃料输入管道、燃烧室(12)、燃气透平(13)及第二发电机(14)，其中，压气机(11)的出口及燃料输入管道与燃烧室(12)的入口相连通，燃烧室(12)的出口与燃气透平(13)的入口相连通，燃气透平(13)的出口与超临界二氧化碳余热锅炉(23)的入口相连通，燃气透平(13)与第二发电机(14)相连接。
3.根据权利要求1所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，拖动透平(24)与压缩机(21)同轴布置；
发电透平(25)与第一发电机(26)同轴布置。
4.根据权利要求2所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，燃气透平(13)、压气机(11)及第二发电机(14)同轴布置。
5.根据权利要求1所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，压缩机(21)的出口经第一阀门(K1)与回热器(22)的冷侧入口相连通；
压缩机(21)的出口经第二阀门(K2)与分流加热器(232)的入口相连通。
6.根据权利要求5所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，加热器(231)的出口经第三阀门(K3)与拖动透平(24)的入口相连通；
加热器(231)的出口经第四阀门(K4)与发电透平(25)的入口相连通。
7.根据权利要求6所述的高效灵活的燃气超临界二氧化碳联合循环热电联产系统，其特征在于，还包括第五阀门(K5)及第六阀门(K6)，其中，回热器(22)的热侧出口与第五阀门(K5)的一端及第六阀门(K6)的一端相连通，第五阀门(K5)的另一端与热网加热器(27)的入口相连通，热网加热器(27)的出口与第六阀门(K6)的出口通过管道并管后与预冷器(28)的入口相连通。
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