CN109555569B - 超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统及运行方法 - Google Patents

超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统及运行方法，该系统包括主压缩机、再压缩机、预冷器、低温回热器、高温回热器、锅炉、高压透平、低压透平和辅助空预器；其中锅炉包括过热气冷壁、再热气冷壁、低温过热器、低温再热器、高温过热器、高温再热器、分流过热器和空气预热器；炉膛内通过布置过热气冷壁和再热气冷壁两个辐射受热面共同承担炉膛辐射热负荷，防止过热超临界二氧化碳超温；本发明从再压缩机出口分流部分低温超临界二氧化碳工质进入锅炉尾部分流过热器吸收中低温烟气热量，从而降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率；本发明通过在辅助空预器中利用冷源超临界二氧化碳工质预热冷空气，降低冷源损失，从而提高循环效率，进一步提高发电效率。

Description

超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统及运行方法
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统及运行方法。
背景技术
燃煤发电是我国主要发电方式,但是煤炭燃烧排放大量二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等污染物，造成全球变暖、环境污染，所以提高火电发电效率对我国节能减排具有重大意义。近年来，我国通过采用大容量高参数机组、各种联合循环、提高运行水平、以大压小关闭低容量低效率机组等方式，在火力发电行业取得了长足的进步，提高发电效率的技术也从提高初参数、蒸汽再热等方式向全工况运行、余热深度利用等方向转变，常规蒸汽动力循环火力发电技术日趋成熟。因此，改变火电发展思路，革新火力发电技术，对提高火电发电效率具有重要意义。
超临界二氧化碳动力循环凭借其能量密度大、系统结构紧凑、循环效率高等特点。二氧化碳作为一种新型工质，无毒、不可燃，腐蚀性小，热稳定性，临界参数低；超临界状态的二氧化碳兼具有液体和气体的物理特性，密度大、粘性小、流动能力强、传热效率高、做功能力强。二氧化碳物性在临界点附近变化剧烈，当接近临界点时，密度急剧增大，压缩性减小，压缩机耗功减小，系统循环效率较高。超临界二氧化碳循环技术有良好的继承性，可基于现有的材料实现，避免开发耐高温镍基合金材料。超临界二氧化碳密度高，尺寸较小，结构紧凑，并且系统部件较少，初投资及维护成本较低。
因此，超临界二氧化碳动力循环有望取代蒸汽动力循环，大幅提高燃煤发电效率。而低温超临界二氧化碳经低温回热器、高温回热器加热，导致锅炉入口超临界二氧化碳温度较高，无法利用锅炉尾部烟道中低温烟气热量，造成锅炉排烟温度过高，锅炉效率下降，所以超临界二氧化碳动力循环系统构型有待进一步优化；同时，由于锅炉炉膛辐射热负荷较高，过热二氧化碳在锅炉中的吸热负荷较低，而在炉膛布置只布置单一的过热气冷壁会导致过热二氧化碳超温，从而造成管道金属壁温超温，影响锅炉安全运行，所以需要对锅炉炉膛内的辐射受热面进行合理布置；此外，预冷器入口二氧化碳温度较高，直接在预冷器中放热会造成大量冷源损失，所以回收这部分热量有利于提高循环效率。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统及运行方法，该系统从再压缩机出口分流部分低温超临界二氧化碳吸收锅炉中低温烟气热量，降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率；该锅炉炉膛内部上下布置再热气冷壁和过热气冷壁，共同承担炉膛辐射热负荷，减少过热二氧化碳吸热量，从而避免工质及金属壁温超温；预冷器入口二氧化碳温度较高，可以用来预热冷空气，回收部分冷源损失，提高发电效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统，包括依次相连通的辅助空预器13、预冷器14、主压缩机1、低温回热器2、高温回热器3、过热气冷壁4、低温过热器5、高温过热器6、高压透平7、再热气冷壁8、低温再热器9、高温再热器10和低压透平11；还包括再压缩机12、辅助空预器13、预冷器14、空气预热器15和分流过热器16；所述过热气冷壁4、再热气冷壁8、低温过热器5、低温再热器9、高温过热器6、高温再热器10、分流过热器16和空气预热器15从下到上依次布置构成塔式锅炉；所述低压透平11排气出口依次连通高温回热器3和低温回热器2入口，排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热，主压缩机1出口低温工质依次在低温回热器2和高温回热3中吸热；辅助空预器13空气出口连通空气预热器15空气入口，冷空气依次在辅助空预器13和空气预热器15中吸热后进入塔式锅炉，辅助空预器13排气出口连通预冷器14排气入口，预冷器14排气出口连通主压缩机1入口；再压缩机12入口同时与辅助空预器13工质入口和低温回热器2热侧工质出口相连通，再压缩机12出口同时与高温回热器3冷侧工质入口、低温回热器2冷侧工质出口和分流过热器16工质入口相连通；分流过热器16出口和高温过热器6工质出口同时与高压透平7入口相连通。
所述过热气冷壁4和再热气冷壁8布置在锅炉炉膛内部，共同承担炉膛辐射热负荷。
所述再压缩机12出口分流部分低温工质进入分流过热器16吸热后，直接进入高压透平7做功。
所述分流过热器16的入口烟气温度为630℃。
所述辅助空预器13在冷端回收部分工质释放热量，用来预热冷空气，减小冷源损失。
所述系统使用的工质为超临界二氧化碳。
上述一项所述的一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统的运行方法，工质在主压缩机1中增压后，依次在低温回热器2、高温回热器3以及塔式锅炉内部的过热气冷壁4、低温过热器5、高温过热器6中吸热，温度升高后进入高压透平7部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉依次在再热气冷壁8、低温再热器9和高温再热器10中吸热，温度再次提高后进入低压透平11完全膨胀做功，低压透平11排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热后，分流成两股，一股经再压缩机12增压后与低温回热器2冷侧出口工质混合，另一股依次在辅助空预器13和预冷器14中冷却后，再次进入主压缩机1，完成闭合循环；再压缩机12出口分流出的部分低温工质在分流过热器16中吸热后，也进入高压透平7做功；冷空气依次在辅助空预器13、空气预热器15中吸热后进入塔式锅炉炉膛辅助燃烧。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1本发明可以充分利用锅炉中低温烟气热量，降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率。
2本发明可以合理布置炉膛内辐射受热面，从而合理分配过热二氧化碳和再热二氧化碳在炉膛内的辐射吸热量，避免气冷壁金属壁温超温。
3本发明可以回收部分冷源损失，提高循环效率，从而提高发电效率。
4本发明采用两级回热再热再压缩超临界二氧化碳动力循环构型，系统结构简单，循环效率较高。
附图说明
图1为本发明一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统，包括依次相连通的辅助空预器13、预冷器14、主压缩机1、低温回热器2、高温回热器3、过热气冷壁4、低温过热器5、高温过热器6、高压透平7、再热气冷壁8、低温再热器9、高温再热器10和低压透平11；还包括再压缩机12、辅助空预器13、预冷器14、空气预热器15和分流过热器16；低压透平11排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热，主压缩机1出口低温工质依次在低温回热器2和高温回热3中吸热；冷空气依次在辅助空预器13和空气预热器15中吸热后进入塔式锅炉，辅助空预器13排气出口连通预冷器14排气入口，预冷器14排气出口连通主压缩机1入口；再压缩机12入口同时与辅助空预器13工质入口和低温回热器2热侧工质出口相连通，再压缩机12出口同时与高温回热器3冷侧工质入口、低温回热器2冷侧工质出口和分流过热器16工质入口相连通；分流过热器16出口和高温过热器6工质出口同时与高压透平7入口相连通；
作为本发明的优选实施方式，过热气冷壁4、再热气冷壁8、低温过热器5、低温再热器9、高温过热器6、高温再热器10、分流过热器16和空气预热器15从下到上依次布置构成塔式锅炉。
作为本发明的优选实施方式，过热气冷壁4和再热气冷壁8布置在锅炉炉膛内部，共同承担炉膛辐射热负荷。
作为本发明的优选实施方式，再压缩机12出口分流部分低温工质进入分流过热器16吸热后，直接进入高压透平7做功。
作为本发明的优选实施方式，分流过热器16的入口烟气温度为630℃。
作为本发明的优选实施方式，辅助空预器13在冷端回收部分工质释放热量，用来预热冷空气，减小冷源损失。
作为本发明的优选实施方式，系统使用的工质为超临界二氧化碳。
如图1所示，本发明的一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统的运行方法，工质在主压缩机1中增压后，依次在低温回热器2、高温回热器3以及塔式锅炉内部的过热气冷壁4、低温过热器5、高温过热器6中吸热，温度升高后进入高压透平7部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉依次在再热气冷壁8、低温再热器9和高温再热器10中吸热，温度再次提高后进入低压透平11完全膨胀做功，低压透平11排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热后，分流成两股，一股经再压缩机12增压后与低温回热器2冷侧出口工质混合，另一股依次在辅助空预器13和预冷器14中冷却后，再次进入主压缩机1，完成闭合循环；再压缩机12出口分流出的部分低温工质在分流过热器16中吸热后，也进入高压透平7做功；冷空气依次在辅助空预器13、空气预热器15中吸热后进入塔式锅炉炉膛辅助燃烧。
本发明通过过热二氧化碳和再热二氧化碳共同吸收炉膛辐射热量，降低工质辐射吸热温度，从而使气冷壁金属材料温度不会超过金属耐温的极限温度，保证锅炉安全运行。同时从再压缩机出口分流出部分低温超临界二氧化碳在分流过热器中直接被加热到很高温度，进入高压透平做功，这种方式可以全部吸收锅炉尾部中低温烟气的热量，提高锅炉效率，同时，只需要在锅炉尾部中低温烟气区布置一个受热面，简化锅炉结构。此外，冷空气通过被辅助空预器预热，回收部分冷源损失，提高发电效率。

Claims (3)

1.一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统，其特征在于：包括依次相连通的辅助空预器(13)、预冷器(14)、主压缩机(1)、低温回热器(2)、高温回热器(3)、过热气冷壁(4)、低温过热器(5)、高温过热器(6)、高压透平(7)、再热气冷壁(8)、低温再热器(9)、高温再热器(10)和低压透平(11)；还包括再压缩机(12)、辅助空预器(13)、预冷器(14)、空气预热器(15)和分流过热器(16)；所述过热气冷壁(4)、再热气冷壁(8)、低温过热器(5)、低温再热器(9)、高温过热器(6)、高温再热器(10)、分流过热器(16)和空气预热器(15)从下到上依次布置构成塔式锅炉；所述低压透平(11)排气出口依次连通高温回热器(3)和低温回热器(2)入口，排气依次在高温回热器(3)和低温回热器(2)中放热，主压缩机(1)出口低温工质依次在低温回热器(2)和高温回热(3)中吸热；辅助空预器(13)空气出口连通空气预热器(15)空气入口，冷空气依次在辅助空预器(13)和空气预热器(15)中吸热后进入塔式锅炉，辅助空预器(13)排气出口连通预冷器(14)排气入口，预冷器(14)排气出口连通主压缩机(1)入口；再压缩机(12)入口同时与辅助空预器(13)工质入口和低温回热器(2)热侧工质出口相连通，再压缩机(12)出口同时与高温回热器(3)冷侧工质入口、低温回热器(2)冷侧工质出口和分流过热器(16)工质入口相连通；分流过热器(16)出口和高温过热器(6)工质出口同时与高压透平(7)入口相连通。所述过热气冷壁(4)和再热气冷壁(8)布置在锅炉炉膛内部，共同承担炉膛辐射热负荷；所述再压缩机(12)出口分流部分低温工质进入分流过热器(16)吸热后，直接进入高压透平(7)做功；所述辅助空预器(13)在冷端回收部分工质释放热量，用来预热冷空气，减小冷源损失；所述系统使用的工质为超临界二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统，其特征在于：所述分流过热器(16)的入口烟气温度为630℃。
3.权利要求1或2所述的一种超临界二氧化碳循环冷端余热回收发电系统的运行方法，其特征在于：工质在主压缩机(1)中增压后，依次在低温回热器(2)、高温回热器(3)以及塔式锅炉内部的过热气冷壁(4)、低温过热器(5)、高温过热器(6)中吸热，温度升高后进入高压透平(7)部分膨胀做功，做功后温度和压力都降低，工质再次进入锅炉依次在再热气冷壁(8)、低温再热器(9)和高温再热器(10)中吸热，温度再次提高后进入低压透平(11)完全膨胀做功，低压透平(11)排气依次在高温回热器(3)和低温回热器(2)中放热后，分流成两股，一股经再压缩机(12)增压后与低温回热器(2)冷侧出口工质混合，另一股依次在辅助空预器(13)和预冷器(14)中冷却后，再次进入主压缩机(1)，完成闭合循环；再压缩机(12)出口分流出的部分低温工质在分流过热器(16)中吸热后，也进入高压透平(7)做功；冷空气依次在辅助空预器(13)、空气预热器(15)中吸热后进入塔式锅炉炉膛辅助燃烧。
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