CN109139147B - 一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法 - Google Patents

一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法，该系统包括采暖季主压缩机、非采暖季主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、锅炉、高压透平、第一发电机、低压透平、第二发电机，预冷器和热网加热器；本发明以超临界二氧化碳循环为基础构建了高效灵活的热电联产系统，包含采暖季和非采暖季工艺流程，相比于常规超临界二氧化碳热电机组，该发电系统在采暖季和非采暖季均有较高的发电效率和能源利用效率；通过优化的采暖季和非采暖季的工艺流程，提高了热电机组的运行灵活性，且两种工艺流程在采暖季和非采暖季交替时容易转换。

Description

一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法
技术领域
本发明属于热电联产领域，具体涉及一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法。
背景技术
热电联产是利用发电站同时产生电力和有用热量的一种技术。热电联产通过能量的梯级利用与用户需求的合理匹配，大幅提高了发电站的能源利用效率，是未来我国火力发电的一个重要发展方向。我国热电联产机组主要包含背压机组和抽凝机组两类。背压机组利用汽轮机排出的乏汽作为热源供热，没有冷源损失，效率高；但是其供热负荷确定后，供电负荷也随之确定，电负荷的调峰能力受热负荷限制严重，属于严格意义的“以热定电”。抽凝机组通过抽取汽轮机部分蒸汽进行供热，由于低压缸最小凝汽流量和锅炉最低不投油稳燃负荷的限制，抽凝机组虽然有一定的供电负荷调峰能力，但是其最低供电负荷通常也不低于50％，且机组的能源利用效率低于背压机组。
为了解决目前热电机组存在的问题，大致有两种途径：一种是在现有热电联产技术的技术上，进一步的优化和改进，提高其能源利用效率和灵活性，比如低压缸零出力技术等灵活性改造措施、溴化锂热泵辅助供暖等深度节能措施；另一条途径是从动力循环的热力学基础层面进行革命性创新，大幅提升机组发电效率、能源利用效率，彻底解决以蒸汽朗肯循环为动力循环的热电机组调峰能力不足的问题，比如采用超临界二氧化碳动力循环。
超临界二氧化碳动力循环是以超临界二氧化碳为工质的真实气体闭式布雷顿循环，整个循环工作在二氧化碳临界点(7.37MPa,31℃)以上，循环结构接近理论最优的广义卡诺循环，且随着发电参数的提高，发电效率的优势越明显。超临界二氧化碳动力循环在工质参数32MPa，620℃条件下，采用现有材料和污染物超低排放技术，发电效率可在300MW小容量等级机组突破50％，与未来700℃等级1000MW大容量超超临界蒸汽机组相当。另一方面，由于超临界二氧化碳循环采用了全流量的极限回热技术，可以实现热电以任意比例输出，真正实现热电完全解耦。
然而经调研，目前关于超临界二氧化碳循环的研究多集中在纯发电机组上，以提升机组发电效率为首要目的，涉及热电联产的研究相对较少。为数不多的超临界二氧化碳热电联产研究也基本上只涉及采暖季的系统工作流程。然而，对于热电机组而言，非采暖季的机组效率，采暖季和非采暖季之间的系统转换难易程度，均是热电机组需要考虑的重点问题。
因此，还需要大量的原创性工作：首先，以超临界二氧化碳循环为基础构建高效热电联产系统，并细化采暖季和非采暖季的工艺流程，保证该发电系统在采暖季和非采暖季均有较高的发电效率和能源利用效率；其次，优化采暖季和非采暖季的工艺流程，保证其运行灵活性，且使两种工艺流程容易转换。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法，通过提出采暖季和非采暖季的工艺流程，保证该发电系统在采暖季和非采暖季均有较高的发电效率和能源利用效率，通过优化采暖季和非采暖季的工艺流程，保证其运行灵活性，且使两种工艺流程容易转换。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于，包括采暖季主压缩机、非采暖季主压缩机、再压缩机、低温回热器、高温回热器、锅炉、高压透平、第一发电机、低压透平、第二发电机，预冷器和热网加热器；锅炉包括气冷壁、再热气冷壁、高温过热器、高温再热器、低温再热器、低温过热器、分流省煤器、SCR和空气预热器；所述系统中部件的连接关系如下：
采暖季运行时，采暖季主压缩机和再压缩机并联，其出口管道并管后与高温回热器冷侧入口和分流省煤器入口相连通，高温回热器冷侧出口管道和分流省煤器出口管道并管后依次与锅炉的气冷壁、低温过热器和高温过热器相连通，高温过热器的出口与高压透平的入口相连通，高压透平的出口依次与锅炉的再热气冷壁、低温再热器和高温再热器相连通，高温再热器出口依次与低压透平和高温回热器热侧通道相连通，高温回热器热侧通道出口分为两路，分别与预冷器热侧和热网加热器热侧的入口相连通，预冷器热侧出口管道和热网加热器热侧出口管道并管后与采暖季主压缩机和再压缩机的入口管道相连通；
非采暖季运行时，非采暖季主压缩机出口经低温回热器冷侧通道和再压缩机出口管道汇合，并管后与高温回热器冷侧入口和分流省煤器入口相连通，高温回热器冷侧出口管道和分流省煤器出口管道并管后依次与锅炉的气冷壁、低温过热器和高温过热器相连通，高温过热器的出口与高压透平的入口相连通，高压透平的出口依次与锅炉的再热气冷壁、低温再热器和高温再热器相连通，高温再热器出口依次与低压透平、高温回热器和低温回热器热侧通道相连通，低温回热器热侧通道出口分为两路，一路经预冷器热侧与非采暖季主压缩机入口相连通，另一路直接与再压缩机入口相连通。
采暖季运行时，非采暖季主压缩机和低温回热器不参与工作；非采暖季运行时，采暖季主压缩机和热网加热器不参与工作。采暖季运行模式和非采暖季运行模式的主设备可共用，两种模式的切换仅需通过管道连接的切换即可实现。
所述高压透平、再压缩机和第一发电机同轴布置，所述低压透平、采暖季主压缩机或非采暖季主压缩机和第二发电机同轴布置。
所述分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统的运行方法，
采暖季运行时，经预冷器和热网加热器冷却的超临界二氧化碳分为两路，一路进入采暖季主压缩机进行压缩，另一路进入再压缩机进行压缩；升压后的超临界二氧化碳汇合后再次分为两路，一路进入分流省煤器加热，另一路进入高温回热器升温，两路汇合后依次经过锅炉的气冷壁、低温过热器和高温过热器加热，形成高温高压主气；主气在高压透平做功后依次经过锅炉的再热气冷壁、低温再热器和高温再热器加热，形成再热气；再热气在低压透平做功后经高温回热器降温后分为两路，一路进入热网加热器进行供热，另一路进入预冷器将多余的废热排放至环境；
非采暖季运行时，预冷器冷却的超临界二氧化碳经非采暖季主压缩机升压后，经低温回热器升温，升温后与再压缩机升压后的超临界二氧化碳汇合；汇合后的工质再次分为两路，一路进入分流省煤器加热，另一路进入高温回热器升温，两路汇合后依次经过锅炉的气冷壁、低温过热器和高温过热器加热，形成高温高压主气；主气在高压透平做功后依次经过锅炉的再热气冷壁、低温再热器和高温再热器加热，形成再热气；再热气在低压透平做功后，依次经高温回热器、低温回热器降温后分为两路，一路进入预冷器将多余的废热排放至环境后回到非采暖季主压缩机入口，另一路则回到再压缩机入口。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统在具体操作时，首先，以超临界二氧化碳循环为基础构建的高效灵活的热电联产系统，包括采暖季和非采暖季的工艺流程，相比于常规超临界二氧化碳热电机组，该发电系统采暖季时为一次再热的超临界二氧化碳布雷顿循环热电系统，且使用低温回热器热侧出口工质实现全流量供热，非采暖季时为一次再热的分流再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环纯发电系统，因此该发电系统在采暖季和非采暖季均有较高的发电效率和能源利用效率；其次，通过优化的采暖季和非采暖季的工艺流程，即采暖季时通过低温回热器热侧出口工质全流量供热，辅以预冷器旁路调节，实现了热电系统热电完全解耦，提高了热电机组的运行灵活性，且两种工艺流程在采暖季和非采暖季交替时容易转换。
附图说明
图1为本发明采暖季的工艺流程图。
图2为为本发明非采暖季的工艺流程图。
其中，1H为采暖季主压缩机、1N为非采暖季主压缩机、2为再压缩机、3为低温回热器、4为高温回热器、5为锅炉、6为高压透平、7为第一发电机、8为低压透平、9为第二发电机，10为预冷器、11为热网加热器、51为气冷壁、52为再热气冷壁、53为高温过热器、54为高温再热器、55为低温再热器、56为低温过热器、57为分流省煤器、58为SCR、59为空气预热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1和图2所示，本发明一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统，包括采暖季主压缩机1H、非采暖季主压缩机1N、再压缩机2、低温回热器3、高温回热器4、锅炉5、高压透平6、第一发电机7、低压透平8、第二发电机9，预冷器10和热网加热器11；锅炉5包括气冷壁51、再热气冷壁52、高温过热器53、高温再热器54、低温再热器55、低温过热器56、分流省煤器57、SCR58和空气预热器59。
如图1所示，采暖季运行时，采暖季主压缩机1H和再压缩机2并联，其出口管道并管后与高温回热器4冷侧入口和分流省煤器57入口相连通，高温回热器4冷侧出口管道和分流省煤器57出口管道并管后依次与锅炉5的气冷壁51、低温过热器56和高温过热器53相连通，高温过热器53的出口与高压透平6的入口相连通，高压透平6的出口依次与锅炉5的再热气冷壁52、低温再热器55和高温再热器54相连通，高温再热器54出口依次与低压透平8和高温回热器4热侧通道相连通，高温回热器4热侧通道出口分为两路，分别与预冷器10热侧和热网加热器11热侧的入口相连通，预冷器10热侧出口管道和热网加热器11热侧出口管道并管后与采暖季主压缩机1H和再压缩机2的入口管道相连通。
如图2所示，非采暖季运行时，非采暖季主压缩机1N出口经低温回热器3冷侧通道和再压缩机2出口管道汇合，并管后与高温回热器4冷侧入口和分流省煤器57入口相连通，高温回热器4冷侧出口管道和分流省煤器57出口管道并管后依次与锅炉5的气冷壁51、低温过热器56和高温过热器53相连通，高温过热器53的出口与高压透平6的入口相连通，高压透平6的出口依次与锅炉5的再热气冷壁52、低温再热器55和高温再热器54相连通，高温再热器54出口依次与低压透平8、高温回热器4和低温回热器3热侧通道相连通，低温回热器3热侧通道出口分为两路，一路经预冷器10热侧与非采暖季主压缩机1N入口相连通，另一路直接与再压缩机2入口相连通。
所述的一种高效灵活的分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统，采暖季运行时，非采暖季主压缩机1N和低温回热器3不参与工作；非采暖季运行时，采暖季主压缩机1H和热网加热器11不参与工作。采暖季运行模式和非采暖季运行模式的主设备可共用，两种模式的切换仅需通过管道连接的切换即可实现。
作为本发明的优选实施方式，所述高压透平6、再压缩机2和第一发电机7同轴布置，所述低压透平8、采暖季主压缩机1H或非采暖季主压缩机1N和第二发电机9同轴布置。
本发明的具体运行方法为：
如图1所示，采暖季运行时，经预冷器10和热网加热器11冷却的超临界二氧化碳分为两路，一路进入采暖季主压缩机1H进行压缩，另一路进入再压缩机2进行压缩。升压后的超临界二氧化碳汇合后再次分为两路，一路进入分流省煤器57加热，另一路进入高温回热器4升温，两路汇合后依次经过锅炉5的气冷壁51、低温过热器56和高温过热器53加热，形成高温高压主气。主气在高压透平6做功后依次经过锅炉5的再热气冷壁52、低温再热器55和高温再热器54加热，形成再热气。再热气在低压透平8做功后经高温回热器4降温后分为两路，一路进入热网加热器11进行供热，另一路进入预冷器10将多余的废热排放至环境。至此，构成了分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统的采暖季工艺流程。
如图2所示，非采暖季运行时，预冷器10冷却的超临界二氧化碳经非采暖季主压缩机1N升压后，经低温回热器3升温，升温后与再压缩机2升压后的超临界二氧化碳汇合。汇合后的工质再次分为两路，一路进入分流省煤器57加热，另一路进入高温回热器4升温，两路汇合后依次经过锅炉5的气冷壁51、低温过热器56和高温过热器53加热，形成高温高压主气。主气在高压透平6做功后依次经过锅炉5的再热气冷壁52、低温再热器55和高温再热器54加热，形成再热气。再热气在低压透平8做功后，依次经高温回热器4、低温回热器3降温后分为两路，一路进入预冷器10将多余的废热排放至环境后回到非采暖季主压缩机1N入口，另一路则回到再压缩机2入口。至此，构成了分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统的非采暖季工艺流程。
采用上述具体操作时，首先，以超临界二氧化碳循环为基础构建的高效灵活的热电联产系统，包括采暖季和非采暖季的工艺流程，相比于常规超临界二氧化碳热电机组，该发电系统在采暖季和非采暖季均有较高的发电效率和能源利用效率；其次，通过优化的采暖季和非采暖季的工艺流程，提高了热电机组的运行灵活性，且两种工艺流程在采暖季和非采暖季交替时容易转换。
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 (3)

1.一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于，包括采暖季主压缩机(1H)、非采暖季主压缩机(1N)、再压缩机(2)、低温回热器(3)、高温回热器(4)、锅炉(5)、高压透平(6)、第一发电机(7)、低压透平(8)、第二发电机(9)，预冷器(10)和热网加热器(11)；锅炉(5)包括气冷壁(51)、再热气冷壁(52)、高温过热器(53)、高温再热器(54)、低温再热器(55)、低温过热器(56)、分流省煤器(57)、SCR(58)和空气预热器(59)；所述系统中部件的连接关系如下：
采暖季运行时，采暖季主压缩机(1H)和再压缩机(2)并联，其出口管道并管后与高温回热器(4)冷侧入口和分流省煤器(57)入口相连通，高温回热器(4)冷侧出口管道和分流省煤器(57)出口管道并管后依次与锅炉(5)的气冷壁(51)、低温过热器(56)和高温过热器(53)相连通，高温过热器(53)的出口与高压透平(6)的入口相连通，高压透平(6)的出口依次与锅炉(5)的再热气冷壁(52)、低温再热器(55)和高温再热器(54)相连通，高温再热器(54)出口依次与低压透平(8)和高温回热器(4)热侧通道相连通，高温回热器(4)热侧通道出口分为两路，分别与预冷器(10)热侧和热网加热器(11)热侧的入口相连通，预冷器(10)热侧出口管道和热网加热器(11)热侧出口管道并管后与采暖季主压缩机(1H)和再压缩机(2)的入口管道相连通；
非采暖季运行时，非采暖季主压缩机(1N)出口经低温回热器(3)冷侧通道和再压缩机(2)出口管道汇合，并管后与高温回热器(4)冷侧入口和分流省煤器(57)入口相连通，高温回热器(4)冷侧出口管道和分流省煤器(57)出口管道并管后依次与锅炉(5)的气冷壁(51)、低温过热器(56)和高温过热器(53)相连通，高温过热器(53)的出口与高压透平(6)的入口相连通，高压透平(6)的出口依次与锅炉(5)的再热气冷壁(52)、低温再热器(55)和高温再热器(54)相连通，高温再热器(54)出口依次与低压透平(8)、高温回热器(4)和低温回热器(3)热侧通道相连通，低温回热器(3)热侧通道出口分为两路，一路经预冷器(10)热侧与非采暖季主压缩机(1N)入口相连通，另一路直接与再压缩机(2)入口相连通；
采暖季运行时，非采暖季主压缩机(1N)和低温回热器(3)不参与工作；非采暖季运行时，采暖季主压缩机(1H)和热网加热器(11)不参与工作；采暖季运行模式和非采暖季运行模式的主设备能够共用，两种模式的切换仅需通过管道连接的切换即能够实现。
2.根据权利要求1所述的一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于，所述高压透平(6)、再压缩机(2)和第一发电机(7)同轴布置，所述低压透平(8)、采暖季主压缩机(1H)或非采暖季主压缩机(1N)和第二发电机(9)同轴布置。
3.权利要求1所述分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统的运行方法，其特征在于：
采暖季运行时，经预冷器(10)和热网加热器(11)冷却的超临界二氧化碳分为两路，一路进入采暖季主压缩机(1H)进行压缩，另一路进入再压缩机(2)进行压缩；升压后的超临界二氧化碳汇合后再次分为两路，一路进入分流省煤器(57)加热，另一路进入高温回热器(4)升温，两路汇合后依次经过锅炉(5)的气冷壁(51)、低温过热器(56)和高温过热器(53)加热，形成高温高压主气；主气在高压透平(6)做功后依次经过锅炉(5)的再热气冷壁(52)、低温再热器(55)和高温再热器(54)加热，形成再热气；再热气在低压透平(8)做功后经高温回热器(4)降温后分为两路，一路进入热网加热器(11)进行供热，另一路进入预冷器(10)将多余的废热排放至环境；
非采暖季运行时，预冷器(10)冷却的超临界二氧化碳经非采暖季主压缩机(1N)升压后，经低温回热器(3)升温，升温后与再压缩机(2)升压后的超临界二氧化碳汇合；汇合后的工质再次分为两路，一路进入分流省煤器(57)加热，另一路进入高温回热器(4)升温，两路汇合后依次经过锅炉(5)的气冷壁(51)、低温过热器(56)和高温过热器(53)加热，形成高温高压主气；主气在高压透平(6)做功后依次经过锅炉(5)的再热气冷壁(52)、低温再热器(55)和高温再热器(54)加热，形成再热气；再热气在低压透平(8)做功后，依次经高温回热器(4)、低温回热器(3)降温后分为两路，一路进入预冷器(10)将多余的废热排放至环境后回到非采暖季主压缩机(1N)入口，另一路则回到再压缩机(2)入口。
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