CN109826685A - 一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统及方法，包括超临界二氧化碳循环回路、中间传热回路和燃煤锅炉系统。超临界二氧化碳循环回路包括：主压缩机，低温回热器，高温回热器，主加热器，高压透平，再热器，低压透平，发电机，中间冷却器，预压缩机，再压缩机，预冷器。中间传热回路包括：中间介质循环泵，热罐，冷罐，热罐阀，冷罐阀。通过运行于常压工况的中间传热回路，有利于换热面的设计，管道材料要求不高，运行可靠性好，还使锅炉的热负荷调节范围增大，有利于缓减锅炉的燃烧调节要求，提高机组的灵活性；采用分流低温工质冷却锅炉炉壁，提高锅炉效率。本发明适用于大型燃煤发电机组，构成高效、经济、灵活的燃煤发电系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，属于新型火力发电技术领域。
背景技术
近年来，超临界二氧化碳循环技术发展迅速，关键技术不断取得突破。二氧化碳化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，超临界二氧化碳循环系统简化、结构紧凑、效率高、可空冷，并且可以与多种热源组成发电系统。因此，超临界二氧化碳循环在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电以及多能混合发电领域均具有良好的应用前景。
超临界二氧化碳循环可以与燃煤锅炉集成，替代汽轮机系统，形成新型火力发电系统。当系统初参数为600℃等级以上时，超临界二氧化碳循环燃煤发电系统的高效率优势特别突出，并且透平的小体积优势使机组成本更佳，但是，进一步提高初参数至700℃等级以上时，上述系统与汽轮发电机组类似地也遇到锅炉管及主管道材料成本过高的问题。考虑到超临界二氧化碳循环深度回热的特点，工质进入锅炉的温度非常高，势必造成炉壁冷却困难，且锅炉排烟温度过高，这些也是需要解决的难题。随着能源结构中新能源电力比例的提高，燃煤机组必须具备更大的负荷调节范围和更好的灵活性，现有热力系统的布置方式也存在储多弊端。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何构建高效、经济、灵活的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：由超临界二氧化碳循环回路、中间传热回路和燃煤锅炉系统组成；
所述超临界二氧化碳循环回路包括主压缩机，主压缩机出口连接锅炉炉壁冷却工质进口和低温回热器高压侧进口，锅炉炉壁冷却工质出口连接分流工质加热器工质进口，低温回热器高压侧出口连接高温回热器高压侧进口，分流工质加热器工质出口和高温回热器高压侧出口汇合后连接主加热器工质进口；主加热器工质出口连接高压透平进气口，高压透平排气口连接再热器工质进口，再热器工质出口连接低压透平进气口，低压透平排气口连接高温回热器低压侧进口，高压透平、低压透平与发电机同轴连接；高温回热器低压侧出口连接低温回热器低压侧进口，低温回热器低压侧出口连接中间冷却器进口，中间冷却器出口连接预压缩机进口，预压缩机出口连接预冷器进口和再压缩机进口，预冷器出口连接主压缩机进口，再压缩机出口连接高温回热器高压侧进口；
所述中间传热回路包括中间介质循环泵，中间介质循环泵出口连接省煤器中间介质进口，省煤器中间介质出口连接锅炉中间介质进口，锅炉中间介质出口连接主加热器中间介质进口、再热器中间介质进口及热罐阀一端，热罐阀另一端连接热罐，主加热器和再热器中间介质出口汇合后再分两路，一路连接中间介质循环泵进口，另一路连接冷罐阀一端，冷罐阀另一端连接冷罐；
所述燃煤锅炉系统包括锅炉，锅炉炉壁布置冷却管路，锅炉的尾部烟道内布置省煤器，省煤器烟气出口连接二次风加热器烟气侧进口和分流工质加热器烟气侧进口，二次风加热器烟气侧出口和分流工质加热器烟气侧出口汇合后连接空气预热器烟气侧进口，空气预热器一次风出口连接锅炉一次风进口，空气预热器二次风出口连接二次风加热器二次风进口，二次风加热器二次风出口连接锅炉二次风进口。
优选地，所述中间传热回路的中间介质为液态金属或熔盐。
优选地，所述主加热器、再热器布置尽量靠近高压透平、低压透平。
优选地，所述主加热器、再热器的二氧化碳工质侧换热面采用强化传热技术(如：扩展表面、扰流)。
本发明还提供了一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，采用上述的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，步骤为：冷态的二氧化碳工质进入主压缩机，压力和温度升高，压缩机出口的二氧化碳工质中分流一路工质进入锅炉用于炉壁冷却，再进入分流工质加热器，再进入主加热器，压缩机出口的另一路工质经低温回热器吸收透平排出工质的低温段热量，然后与再压缩机出口工质汇合后进入高温回热器吸收透平排出工质的高温段热量，高温回热器出来的工质与分流工质加热器出口工质汇合进入主加热器，工质从主加热器吸收热量后，再进入高压透平做功，高压透平排气进入再热器吸收热量后，再进入低压透平做功，高压透平和低压透平推动发电机产生电能；低压透平排出的工质依次经高温回热器、低温回热器释放部分热量，经中间冷却器冷却，再经预压缩机增压，然后分为两路：一路进入再压缩机，再压缩机出口工质进入高温回热器，另一路进入预冷器再进入主压缩机；
中间介质循环泵将中间介质输送至省煤器吸收烟气余热，再进入锅炉吸收热量，然后进入主加热器和再热器释放热量，从主加热器和再热器出来的中间介质再回到中间介质循环泵。中间介质循环回路通过调节中间介质流量来改变换热功率。同时，还配备热罐和冷罐用于储热。当机组负荷降低时，为确保锅炉热负荷不低于稳燃极限，可将多余的燃烧热量储存起来，储热时，冷罐阀和热罐阀打开，储于冷罐的冷的中间介质释放至中间介质循环泵进口管路，并经中间介质循环泵进入锅炉加热，锅炉出来的中间介质分流一部分进入热罐储存，储热结束时，关闭冷罐阀和热罐阀。当机组负荷提高时，热罐释热，冷罐阀和热罐阀打开，储于热罐的热的中间介质释放至主加热器和再热器的进口管路，并经主加热器和再热器释放热量，再进入冷罐储存，释热结束时，关闭冷罐阀和热罐阀；
锅炉排烟先经过省煤器，接着分为两路，一路进入二次风加热器，另一路进入分流工质加热器将部分热量传递给分流工质，然后两路烟气汇合进入空气预热器，一次风和二次风分别进入空气预热器，然后一次风与煤粉混合进入锅炉，二次风再进入二次风加热器进一步提高温度，再进入锅炉，如此锅炉排烟余热被充分回收，排烟温度得到有效控制。
优选地，所述中间介质的工作压力为常压。
优选地，所述主加热器、再热器的冷、热两侧温差均不超过30℃。
优选地，所述主加热器、再热器的出口二氧化碳工质温度均为600℃～800℃。
优选地，所述主加热器出口二氧化碳工质压力为25～50MPa。
优选地，所述低压透平出口压力为5～7MPa。
本发明适用于大型燃煤发电机组，与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统具有如下有益效果：
1、采用中间传热回路，一方面中间传热介质具有良好的传热性能，与锅炉烟气换热、与二氧化碳工质换热的传热系数都较高，有利于换热面的设计，另一方面中间传热回路运行于常压工况，管道材料要求不高，运行可靠性好。同时，主加热器、再热器可方便地与高压透平、低压透平紧邻布置，大量节省高温高压管道长度。
2、采用中间传热介质储热，使锅炉的热负荷调节范围增大，有利于缓减锅炉的燃烧调节要求，提高机组的灵活性。
3、采用分流低温工质冷却锅炉炉壁并回收高温烟气部分余热，确保锅炉炉壁得到冷却并降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率。
附图说明
图1为本实施例提供的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统示意图；
其中：1-主压缩机，2-低温回热器，3-高温回热器，4-主加热器，5-高压透平，6-再热器，7-低压透平，8-发电机，9-中间冷却器，10-预压缩机，11-再压缩机，12-预冷器，13-中间介质循环泵，14-热罐，15-冷罐，16-热罐阀，17-冷罐阀，18-省煤器，19-分流工质加热器，20-锅炉，21-一次风出口，22-二次风出口，23-空气预热器，24-二次风加热器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1为本实施例提供的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统示意图，所述的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统由超临界二氧化碳循环回路、中间传热回路和燃煤锅炉系统组成；
所述超临界二氧化碳循环回路包括主压缩机1，主压缩机1出口分为两路：一路连接锅炉20工质进口用于炉壁冷却，再进入分流工质加热器19工质进口，分流工质加热器19工质出口连接主加热器4工质进口；另一路连接低温回热器2高压侧进口，低温回热器2高压侧出口连接高温回热器3高压侧进口，高温回热器3高压侧出口连接主加热器4工质进口；主加热器4工质出口连接高压透平5进气口，高压透平5排气口连接再热器6工质进口，再热器6工质出口连接低压透平7进气口，低压透平7排气口连接高温回热器3低压侧进口，高压透平5和低压透平7与发电机8连接，高温回热器3低压侧出口连接低温回热器2低压侧进口，低温回热器2低压侧出口连接中间冷却器9进口，中间冷却器9出口连接预压缩机10进口，预压缩机10出口分为两路，分别连接预冷器12进口和再压缩机11进口，预冷器12出口连接主压缩机1进口，再压缩机11出口连接高温回热器3高压侧进口。
所述中间传热回路包括中间介质循环泵13，中间介质循环泵13出口连接省煤器18中间介质进口，省煤器18中间介质出口连接锅炉20中间介质进口，锅炉20中间介质出口分三路，第一路连接主加热器4中间介质进口，第二路连接再热器6中间介质进口，第三路连接热罐阀16一端，热罐阀16另一端连接热罐14，主加热器4和再热器6中间介质出口汇合后再分两路，一路连接中间介质循环泵13进口，另一路连接冷罐阀17一端，冷罐阀17另一端连接冷罐15。
所述燃煤锅炉系统包括锅炉20，锅炉20炉壁布置冷却管路，锅炉20的尾部烟道内布置省煤器18，省煤器18烟气出口分为两路，分别连接二次风加热器24烟气侧进口和分流工质加热器19烟气侧进口，二次风加热器24烟气侧出口和分流工质加热器19烟气侧出口汇合连接空气预热器23烟气侧进口，空气预热器23一次风出口21连接锅炉20一次风进口，空气预热器23二次风出口22连接二次风加热器24二次风进口，二次风加热器24二次风出口连接锅炉20二次风进口。
上述系统中各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置泵、阀、仪表等，组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、控制系统、安全系统等。
上述的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统的工作过程如下：
冷态(32℃)的二氧化碳工质进入主压缩机1增压至40MPa，同时温度升高至约90℃，压缩机1出口的二氧化碳工质中分流一路工质进入锅炉20用于炉壁冷却，再进入分流工质加热器19，再进入主加热器4，压缩机1出口的另一路工质经低温回热器2吸收透平排出工质的低温段热量，然后与再压缩机11出口工质汇合后进入高温回热器3吸收透平排出工质的高温段热量，高温回热器3出来的工质与分流工质加热器19出口工质汇合进入主加热器4，工质从主加热器4吸收热量后升温至700℃，再进入高压透平5做功，高压透平5排气进入再热器6吸收热量后升温至700℃，再进入低压透平7做功，高压透平5和低压透平7推动发电机8产生电能；低压透平7排出的工质压力约6MPa，依次经高温回热器3、低温回热器2释放部分热量，经中间冷却器9冷却，再经预压缩机10增压，然后分为两路：一路进入再压缩机11，再压缩机11出口工质进入高温回热器3，另一路进入预冷器12再进入主压缩机1。
中间介质循环泵13将中间介质输送至省煤器18吸收烟气余热，再进入锅炉20吸收热量升温至720℃，然后进入主加热器4和再热器6，释放热量给二氧化碳工质，从主加热器4和再热器6出来的中间介质再回到中间介质循环泵13。中间介质循环回路通过调节中间介质流量来改变换热功率。当机组负荷降低时，热罐14储热，冷罐阀17和热罐阀16打开，储于冷罐15的冷的中间介质释放至中间介质循环泵13进口管路，并经中间介质循环泵13进入锅炉20加热，锅炉20出来的中间介质分一部分进入热罐14储存，储热结束时，关闭冷罐阀17和热罐阀16。当机组负荷提高时，热罐14释热，冷罐阀17和热罐阀16打开，储于热罐14的热的中间介质释放至主加热器4和再热器6的进口管路，并经主加热器4和再热器6释放热量，再进入冷罐15储存，释热结束时，关闭冷罐阀17和热罐阀16。
锅炉20排烟先经过省煤器18，接着分为两路，一路进入二次风加热器24，另一路进入分流工质加热器19将部分热量传递给分流工质，然后两路烟气汇合进入空气预热器23，一次风和二次风分别进入空气预热器23，然后一次风与煤粉混合进入锅炉20，二次风再进入二次风加热器24进一步提高温度，再进入锅炉20，如此锅炉20排烟余热被充分回收，排烟温度控制在约110℃。
对于大型燃煤发电机组，在上述运行参数下，额定工况的全厂发电净效率可达52％，且还可以通过优化系统和增加余热回收手段进一步提升效率，例如：进入中间冷却器9、预冷器12的二氧化碳工质温度较高(约100℃)，还可以采用低品位余热发电技术产生额外的电能，全厂发电净效率再提高1～2个百分点。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：由超临界二氧化碳循环回路、中间传热回路和燃煤锅炉系统组成；
所述超临界二氧化碳循环回路包括主压缩机(1)，主压缩机(1)出口连接锅炉(20)炉壁冷却工质进口和低温回热器(2)高压侧进口，锅炉(20)炉壁冷却工质出口连接分流工质加热器(19)工质进口，低温回热器(2)高压侧出口连接高温回热器(3)高压侧进口，分流工质加热器(19)工质出口和高温回热器(3)高压侧出口汇合后连接主加热器(4)工质进口；主加热器(4)工质出口连接高压透平(5)进气口，高压透平(5)排气口连接再热器(6)工质进口，再热器(6)工质出口连接低压透平(7)进气口，低压透平(7)排气口连接高温回热器(3)低压侧进口，高压透平(5)、低压透平(7)与发电机(8)同轴连接；高温回热器(3)低压侧出口连接低温回热器(2)低压侧进口，低温回热器(2)低压侧出口连接中间冷却器(9)进口，中间冷却器(9)出口连接预压缩机(10)进口，预压缩机(10)出口连接预冷器(12)进口和再压缩机(11)进口，预冷器(12)出口连接主压缩机(1)进口，再压缩机(11)出口连接高温回热器(3)高压侧进口；
所述中间传热回路包括中间介质循环泵(13)，中间介质循环泵(13)出口连接省煤器(18)中间介质进口，省煤器(18)中间介质出口连接锅炉(20)中间介质进口，锅炉(20)中间介质出口连接主加热器(4)中间介质进口、再热器(6)中间介质进口及热罐阀(16)一端，热罐阀(16)另一端连接热罐(14)，主加热器(4)和再热器(6)中间介质出口汇合后再分两路，一路连接中间介质循环泵(13)进口，另一路连接冷罐阀(17)一端，冷罐阀(17)另一端连接冷罐(15)；
所述燃煤锅炉系统包括锅炉(20)，锅炉(20)炉壁布置冷却管路，锅炉(20)的尾部烟道内布置省煤器(18)，省煤器(18)烟气出口连接二次风加热器(24)烟气侧进口和分流工质加热器(19)烟气侧进口，二次风加热器(24)烟气侧出口和分流工质加热器(19)烟气侧出口汇合后连接空气预热器(23)烟气侧进口，空气预热器(23)一次风出口(21)连接锅炉(20)一次风进口，空气预热器(23)二次风出口(22)连接二次风加热器(24)二次风进口，二次风加热器(24)二次风出口连接锅炉(20)二次风进口。
2.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述中间传热回路的中间介质为液态金属或熔盐。
3.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述主加热器(4)、再热器(6)紧邻高压透平(5)布置。
4.如权利要求1所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，其特征在于：所述主加热器(4)、再热器(6)的二氧化碳工质侧换热面采用强化传热技术。
5.一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，其特征在于：采用如权利要求1～4任一项所述的超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，步骤为：
冷态的二氧化碳工质进入主压缩机(1)后，压力和温度升高；压缩机(1)出口的二氧化碳工质中分流一路工质进入锅炉(20)用于炉壁冷却，再进入分流工质加热器(19)，再进入主加热器(4)；压缩机(1)出口的另一路工质经低温回热器(2)吸收透平排出工质的低温段热量，然后与再压缩机(11)出口工质汇合后进入高温回热器(3)吸收透平排出工质的高温段热量；高温回热器(3)出来的工质与分流工质加热器(19)出口工质汇合进入主加热器(4)，工质从主加热器(4)吸收热量后升温，再进入高压透平(5)做功，高压透平(5)排气进入再热器(6)吸收热量后升温，再进入低压透平(7)做功，高压透平(5)和低压透平(7)推动发电机(8)产生电能；低压透平(7)排出的工质依次经高温回热器(3)、低温回热器(2)释放部分热量，经中间冷却器(9)冷却，再经预压缩机(10)增压，然后分为两路：一路进入再压缩机(11)，再压缩机(11)出口工质进入高温回热器(3)，另一路进入预冷器(12)再进入主压缩机(1)；
中间介质循环泵(13)将中间介质输送至省煤器(18)吸收烟气余热，再进入锅炉(20)吸收热量升温，然后进入主加热器(4)和再热器(6)，释放热量给二氧化碳工质，从主加热器(4)和再热器(6)出来的中间介质再回到中间介质循环泵(13)；中间介质循环回路通过调节中间介质流量来改变换热功率；当机组负荷降低时，热罐(14)储热，冷罐阀(17)和热罐阀(16)打开，储于冷罐(15)的冷的中间介质释放至中间介质循环泵(13)进口管路，并经中间介质循环泵(13)进入锅炉(20)加热，锅炉(20)出来的中间介质分一部分进入热罐(14)储存，储热结束时，关闭冷罐阀(17)和热罐阀(16)；当机组负荷提高时，热罐(14)释热，冷罐阀(17)和热罐阀(16)打开，储于热罐(14)的热的中间介质释放至主加热器(4)和再热器(6)的进口管路，并经主加热器(4)和再热器(6)释放热量，再进入冷罐(15)储存，释热结束时，关闭冷罐阀(17)和热罐阀(16)；
锅炉(20)排烟先经过省煤器(18)，接着分为两路，一路进入二次风加热器(24)，另一路进入分流工质加热器(19)将部分热量传递给分流工质，然后两路烟气汇合进入空气预热器(23)，一次风和二次风分别进入空气预热器(23)，然后一次风与煤粉混合进入锅炉(20)，二次风再进入二次风加热器(24)进一步提高温度，再进入锅炉(20)，如此锅炉(20)排烟余热被充分回收，排烟温度得到有效控制。
6.如权利要求5所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，其特征在于：所述中间介质的工作压力为常压。
7.如权利要求5所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，其特征在于：所述主加热器(4)、再热器(6)的冷、热两侧温差均不超过30℃。
8.如权利要求5所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，其特征在于：所述主加热器(4)、再热器(6)的出口二氧化碳工质温度均为600℃～800℃。
9.如权利要求5所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，其特征在于：所述主加热器(4)出口二氧化碳工质压力为25～50MPa。
10.如权利要求5所述的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电方法，其特征在于：所述低压透平(7)出口压力为5～7MPa。
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