CN108999701A - 基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，包括有燃料供给系统、供氧系统、动力生成系统、发电组件，其中动力生成系统包括有主动力生成系统以及次级动力生成系统。还包括有多级超临界二氧化碳压缩机，多级超临界二氧化碳压缩机与主动力生成系统以及次级动力生成系统连接、用于超临界二氧化碳的回流。本发明利用次级燃烧室富氧燃烧产生的高温高压烟气带动涡轮泵做功，可使整个发电系统的效率和功率密度提高。本发明中排放产物为高压二氧化碳和较为洁净的水。高压二氧化碳可以有效降低二氧化碳捕集的成本，易于实现碳捕集回收利用，实现二氧化碳的零排放。设置有余热回收组件，可实现能量的梯级利用提高发电系统整体的效率。

Description

基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统

技术领域

本发明涉及高效、高功率密度、二氧化碳减排的发电领域和水下大功率潜航器等特种动力系统领域，具体为一种基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统。

背景技术

煤、石油和天然气等化石燃料燃烧产生的二氧化碳是导致全球气候变暖的主要原因之一，全球气候变暖不但会对自然生态环境产生巨大冲击，甚至会威胁人类社会生存和发展。在我国的二氧化碳排放总量中，电力和热力生产和供应行业居首要地位。目前，常规火力发电系统的发电效率难以大幅提高，烟气碳捕集的难度和成本很高。基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统作为一种高效、高功率密度的发电系统，可以简单经济地实现二氧化碳捕集，具有广阔的应用前景，是有效解决电力和热力行业能耗和二氧化碳排放问题的方法之一。

在海洋船舶等一些特殊的领域中，会需要高效率、高功率、高功率密度和高排放压力的动力系统。基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统由于其结构紧凑、系统效率高、功率大和高排气压力等特点，可以为大功率的潜航器、海底作业设备和船舶等提供动力，具有极大的发展潜力。

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环的叶轮机械部件结构紧凑，使得整个系统具有较高的能量密度；此外，在一定温度范围内，超临界二氧化碳闭式布雷顿循环还具有很高的循环效率，是新一代发电系统动力循环的有力竞争者，也是近年来发电系统领域的研究热点。与常规的闭式循环相比，基于碳氢燃料燃烧的超临界二氧化碳半闭式循环除了继承原循环的优点之外，还充分利用了燃烧产物作为循环工质这一特点，使用直接接触式加热代替间接加热，不需要工质加热器，大幅提高了系统的功率密度。与此同时，解除了加热器材料和工艺的限制，该循环可以大幅提高涡轮入口温度和压力，使循环效率进一步提高。除了大功率密度和高效率的特点之外，超临界二氧化碳半闭式循环使用纯氧作为燃烧氧化剂，产物主要为二氧化碳和水，经简单处理后，可以得到高纯度的高压二氧化碳，有利于实现二氧化碳捕集。

分级燃烧系统将燃料分为两部分，在次级燃烧室和主燃烧室内分别进行燃烧。次级燃烧室主要为高耗功的辅助设备提供动力，如氧增压泵、燃料增压泵和空气分离制氧增压机等。主燃烧室主要为主压缩机和发电机提供动力，输出电能。利用分级燃烧技术，可以有效提高次级燃烧室、主燃烧室和主燃气涡轮的压力，有效减小辅助系统耗功和尺寸，进一步提高整体循环效率和功率密度。分级燃烧系统对于大功率的超临界二氧化碳半闭循环具有较为显著的优势。

已公开报道的超临界二氧化碳发电系统大多为闭式循环(中国专利201620863981.7和201610207341.5等)，或者单级燃烧的简单半闭式循环(中国专利201610513268.4)；分级燃烧技术应用于大功率火箭发动机，但燃烧温度控制方式迥然不同，目前并未发现有将分级燃烧技术应用于超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统的先例。此外，在船舶领域，已有利用超临界二氧化碳闭式循环系统作为动力系统的案例(中国专利201410741203.6)，但并未出现应用基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统的先例。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统，通过其结构设计，该基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧发电系统具有功率密度高、发电效率高、易于实现二氧化碳捕集处理等特点，特别适用于大型碳氢燃料发电系统和大功率船舶动力系统。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，包括有燃料供给系统、供氧系统、动力生成系统、发电组件。

所述动力生成系统包括有主动力生成系统以及次级动力生成系统，所述主动力生成系统包括有主燃烧室以及与所述主燃烧室连接的主燃气涡轮机，所述发电组件与所述主燃气涡轮机动力连接，所述次级动力生成系统包括有次级燃烧室以及与所述次级燃烧室连接的次级燃气涡轮机，所述次级燃气涡轮机通过次级烟气通道与所述主燃烧室连接，所述供氧系统与所述次级燃气涡轮机连接，所述燃料供给系统分别与所述主燃烧室以及次级燃烧室连接；

还包括有多级超临界二氧化碳压缩机，所述多级超临界二氧化碳压缩机包括有高压二氧化碳输出通道以及低压二氧化碳输出通道，所述主燃气涡轮机通过主燃气通道与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接，所述高压二氧化碳输出通道与所述次级燃烧室连接，所述低压二氧化碳输出通道与所述主燃烧室连接。

优选地，本发明还包括有余热回收组件，所述余热回收组件包括有散热管路以及高压预热管以及低压预热管，所述主燃气通道与所述散热管路连接，所述散热管路与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接，所述高压二氧化碳输出通道与所述高压预热管连接，所述高压预热管与所述次级燃烧室连接，所述低压二氧化碳输出通道与所述低压预热管连接，所述低压预热管与所述主燃烧室连接。

优选地，于所述散热管路的末端设置有冷却器，所述散热管路、所述冷却器以及所述多级超临界二氧化碳压缩机连接。

优选地，按照气体流通方向、于所述冷却器的后端设置有气水分离器，所述气水分离器包括有排水管路以及尾气排气管路，所述尾气排气管路与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接。

优选地，所述尾气排气管路包括有回流支管以及直排支管，所述回流支管与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接。

优选地，所述燃料供给系统包括有燃料泵，所述燃料泵分别与所述主燃烧室以及次级燃烧室连接，所述燃料泵与所述次级燃气涡轮机动力连接。

优选地，所述供氧系统包括有液氧泵，所述液氧泵与所述次级燃烧室连接，所述液氧泵与所述次级燃气涡轮机动力连接。

通过上述设计，本发明具有以下有益效果：1、将分级燃烧技术用于超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧循环系统，利用次级燃烧室富氧燃烧产生的高温高压烟气带动涡轮泵做功，直接为高能耗的辅助设备提供动力，可以大幅减小辅助设备功耗和尺寸，增大两级燃烧室和主燃气涡轮入口压力，使整个发电系统的效率和功率密度提高；2、利用超临界二氧化碳掺混次级燃烧室和主燃烧室的高温烟气，可以有效控制两级燃烧室的烟气组分和温度，减少设备在高温高氧气浓度的环境下的腐蚀；3、该系统排放产物为高压二氧化碳和较为洁净的水。高压二氧化碳可以有效降低二氧化碳捕集的成本，易于实现碳捕集回收利用，实现二氧化碳的零排放。在船舶领域水下高背压环境下，该发电系统具有较高的排气和排水压力，易于实现二氧化碳和水的排放和利用；4、该系统的余热回收组件可以根据不同的应用需求，结合回热器或者其他低品位热源的动力循环，实现能量的梯级利用，提高发电系统整体的效率。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本申请的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1为本发明一种实施例中基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统的结构示意方框图；

附图标号说明：

供氧系统1、发电组件2、主燃烧室3、主燃气涡轮机4、次级燃烧室5、

次级燃气涡轮机6、多级超临界二氧化碳压缩机7、余热回收组件8、

冷却器9、气水分离器10、燃料泵11、液氧泵12；

次级烟气通道a、高压二氧化碳输出通道b、低压二氧化碳输出通道c、

散热管路d、高压预热管e、低压预热管f、主燃气通道g、回流支管h。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

请参考图1，图1为本发明一种实施例中基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统的结构示意方框图。

本发明提供了一种基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，在该基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统(以下简称发电系统)中包括有用于提供碳氢燃料的燃料供给系统、用于提供纯氧的供氧系统1、能够将碳氢燃料燃烧的热能转换成动能的动力生成系统、可将动能转换成电能的发电组件2。

其中，动力生成系统包括有两部分，分别为用于进行发电的主动力生成系统以及用于驱动其他辅助设备运行的次级动力生成系统。

主动力生成系统包括有主燃烧室3以及与主燃烧室3连接的主燃气涡轮机4，燃料在主燃烧室3内燃烧产生高温烟气，高温烟气进入到主燃气涡轮机4中可以驱动主燃气涡轮机4运转，发电组件2与主燃气涡轮机4动力连接，这样可以实现动能向电能的转化。

次级动力生成系统包括有次级燃烧室5以及与次级燃烧室5连接的次级燃气涡轮机6，燃料在次级燃烧室5内燃烧产生烟气，烟气进入到次级燃气涡轮机6中可以驱动次级燃气涡轮机6运转，次级燃气涡轮机6与其他辅助设备动力连接，可以驱动其他辅助设备工作。

在本发明中，次级燃气涡轮机6上设置有一个次级烟气通道a，次级燃气涡轮机6通过次级烟气通道a与主燃烧室3连接，这样燃料由次级燃烧室5燃烧后，烟气通过次级燃气涡轮机6可以进入到主燃烧室3进行第二次燃烧。

具体地，供氧系统1与次级燃气涡轮机6连接，燃料供给系统分别与主燃烧室3以及次级燃烧室5连接。

基于上述结构设计，本发明还提供了多级超临界二氧化碳压缩机7，多级超临界二氧化碳压缩机7是一种能够对二氧化碳气体进行分级压缩的气体压缩设备，在本发明中，通过多级超临界二氧化碳压缩机7可以将二氧化碳气体重新导入到次级燃烧室5以及主燃烧室3内参与燃料燃烧，这样通过二氧化碳气体回流参与辅助燃烧，可以实现燃料室内部燃烧温度的控制。

多级超临界二氧化碳压缩机7包括有高压二氧化碳输出通道b以及低压二氧化碳输出通道c，主燃气涡轮机4通过主燃气通道g与多级超临界二氧化碳压缩机7连接，高压二氧化碳输出通道b与次级燃烧室5连接，低压二氧化碳输出通道c与主燃烧室3连接。

基于上述结构设计，本发明对发电系统进行了如下优化设计：特别设置了余热回收组件8，余热回收组件8包括有散热管路d、高压预热管e以及低压预热管f，主燃气通道g与散热管路d连接，主燃烧室3进行燃料燃烧后，高温烟气通过主燃气涡轮机4进行做功，之后由主燃气涡轮机4上设置的主燃气通道g进行输出。散热管路与多级超临界二氧化碳压缩机7的主燃气通道g连接，这样高温烟气通过散热管路d进行散热。

在余热回收组件8内，散热管路d与高压二氧化碳输出通道b以及低压二氧化碳输出通道c之间形成有热传递结构，由散热管路d释放的热能被高压二氧化碳输出通道b以及低压二氧化碳输出通道c接收，从而对高压二氧化碳输出通道b以及低压二氧化碳输出通道c内输送的气体进行加热。

在本发明中，余热回收组件8根据效率与功率密度的需求，可以选择回热器，或者其他闭式动力循环，如蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环和超临界二氧化碳循环。

高压二氧化碳输出通道b与高压预热管e连接，高压预热管e与次级燃烧室5连接，低压二氧化碳输出通道c与低压预热管f连接，低压预热管f与主燃烧室3连接。

为了进一步降低主燃气涡轮机4输出的尾气的温度，在于散热管路的末端设置有冷却器9，散热管路d、冷却器9以及多级超临界二氧化碳压缩机7连接。由主燃气涡轮机4输出的尾气经过余热回收组件8进行第一次降温后，尾气会经过冷却器9，经过冷却器9进行第二次降温。

具体地，按照气体流通方向、于冷却器9的后端设置有气水分离器10，气水分离器10包括有排水管路以及尾气排气管路，尾气排气管路与多级超临界二氧化碳压缩机7连接。设置气水分离器10，可以将低温尾气中水分进行分离，从而使得干燥的二氧化碳气体重新回到系统中参与燃烧。

在本发明中，尾气排气管路包括有回流支管h以及直排支管，回流支管h与多级超临界二氧化碳压缩机7连接。这样，低温尾气的一部分可以通过回流支管h返回发电系统参与燃烧，另一部分通过直排支管直接排放。

为了提高燃料压力，保证燃料的供给，燃料供给系统包括有燃料泵11，燃料泵11分别与主燃烧室3以及次级燃烧室5连接。

为了提高氧气压力，保证烟气的供给，供氧系统1包括有液氧泵12，液氧泵12与次级燃烧室5连接。

在本发明中，供氧系统1提供的低压液氧经过液氧泵12增压后进入次级燃烧室5的氧化剂入口；碳氢燃料经燃料泵11增压后一部分进入次级燃烧室5的燃料入口，另一部分进入主燃烧室3的燃料入口。在次级燃烧室5中，纯氧、燃料与超临界二氧化碳在高压环境下混合燃烧，形成含氧高温高压烟气。含氧高温高压烟气进入次级燃气涡轮机6，推动次级燃气涡轮机6运转，次级燃气涡轮机6与燃料泵11以及液氧泵12动力连接，次级燃气涡轮机6为燃料泵11和液氧泵12提供动力。次级燃气涡轮机6的出口的含氧烟气进入主燃烧室3与燃料混合燃烧，同时掺混超临界二氧化碳，通过超临界二氧化碳控制烟气温度，得到高温高压高二氧化碳浓度的烟气尾气。主燃烧室3的出口烟气进入主燃气涡轮机4并推动主燃气涡轮机4做功，主燃气涡轮机4的一部分动能带动多级超临界二氧化碳压缩机7工作，另一部分动能驱动发电组件2工作对外输出电能。

经主燃气涡轮机4做功后的烟气进入余热回收组件8，余热回收组件8回收利用烟气中剩余热量，进一步降低烟气温度。经过余热回收组件8的低温烟气尾气在冷却器9内进一步冷却，使烟气温度下降到接近环境温度，烟气尾气中的水蒸汽体凝结。含有液滴的低温烟气尾气流经气水分离器10，得到高浓度二氧化碳和液态水。一部分二氧化碳进入多级超临界二氧化碳压缩机7进行增压，重新参与热力循环；另一部分二氧化碳离开热力循环，可用于二氧化碳捕集或其他用途。液态水经处理后可以回收利用或直径排放。多级超临界二氧化碳压缩机7至少由两级组成，将超临界二氧化碳增压后分为高、低压两路。高压超临界二氧化碳经余热回收组件8预热或直接进入次级燃烧室5参与燃烧，低压超临界二氧化碳经余热回收组件8预热或直接进入主燃烧室3参与燃烧。这样就形成了一个完整的超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧分级燃烧发电系统。

本发明具有以下有益效果：

1、将分级燃烧技术用于超临界二氧化碳半闭式碳氢燃料纯氧燃烧循环系统，利用次级燃烧室5富氧燃烧产生的高温高压烟气带动涡轮泵做功，直接为高能耗的辅助设备提供动力，可以大幅减小辅助设备功耗和尺寸，增大两级燃烧室和主燃气涡轮入口压力，使整个发电系统的效率和功率密度提高；

2、利用超临界二氧化碳掺混次级燃烧室5和主燃烧室3的高温烟气，可以有效控制两级燃烧室的烟气组分和温度，减少设备在高温高氧气浓度的环境下的腐蚀；

3、该系统排放产物为高压二氧化碳和较为洁净的水。高压二氧化碳可以有效降低二氧化碳捕集的成本，易于实现碳捕集回收利用，实现二氧化碳的零排放。在船舶领域水下高背压环境下，该发电系统具有较高的排气和排水压力，易于实现二氧化碳和水的排放和利用；

4、该系统的余热回收组件8可以根据不同的应用需求，结合回热器或者其他低品位热源的动力循环，实现能量的梯级利用，提高发电系统整体的效率。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，包括有燃料供给系统、供氧系统、动力生成系统、发电组件，其特征在于，

所述动力生成系统包括有主动力生成系统以及次级动力生成系统，所述主动力生成系统包括有主燃烧室以及与所述主燃烧室连接的主燃气涡轮机，所述发电组件与所述主燃气涡轮机动力连接，所述次级动力生成系统包括有次级燃烧室以及与所述次级燃烧室连接的次级燃气涡轮机，所述次级燃气涡轮机通过次级烟气通道与所述主燃烧室连接，所述供氧系统与所述次级燃气涡轮机连接，所述燃料供给系统分别与所述主燃烧室以及次级燃烧室连接；

还包括有多级超临界二氧化碳压缩机，所述多级超临界二氧化碳压缩机包括有高压二氧化碳输出通道以及低压二氧化碳输出通道，所述主燃气涡轮机通过主燃气通道与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接，所述高压二氧化碳输出通道与所述次级燃烧室连接，所述低压二氧化碳输出通道与所述主燃烧室连接。

2.根据权利要求1所述的基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，其特征在于，

还包括有余热回收组件，所述余热回收组件包括有散热管路以及高压预热管以及低压预热管，所述主燃气通道与所述散热管路连接，所述散热管路与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接，所述高压二氧化碳输出通道与所述高压预热管连接，所述高压预热管与所述次级燃烧室连接，所述低压二氧化碳输出通道与所述低压预热管连接，所述低压预热管与所述主燃烧室连接。

3.根据权利要求2所述的基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，其特征在于，

于所述散热管路的末端设置有冷却器，所述散热管路、所述冷却器以及所述多级超临界二氧化碳压缩机连接。

4.根据权利要求3所述的基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，其特征在于，

按照气体流通方向、于所述冷却器的后端设置有气水分离器，所述气水分离器包括有排水管路以及尾气排气管路，所述尾气排气管路与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接。

5.根据权利要求4所述的基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，其特征在于，

所述尾气排气管路包括有回流支管以及直排支管，所述回流支管与所述多级超临界二氧化碳压缩机连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，其特征在于，

所述燃料供给系统包括有燃料泵，所述燃料泵分别与所述主燃烧室以及次级燃烧室连接，所述燃料泵与所述次级燃气涡轮机动力连接。

7.根据权利要求6所述的基于分级燃烧的超临界二氧化碳半闭式纯氧燃烧发电系统，其特征在于，

所述供氧系统包括有液氧泵，所述液氧泵与所述次级燃烧室连接，所述液氧泵与所述次级燃气涡轮机动力连接。