CN109854318B - 一种生物质直燃热电联产系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种生物质直燃热电联产系统，分为热电联产模式和纯发电模式，包括主压缩机、分压缩机、透平、发电机、高温余热回收器、低温余热回收器、冷却器、空气预热器、炉渣冷却器、给料机、低温空气预热器、省煤器、锅炉等设备。本发明还提供了一种生物质直燃热电联产方法，在供暖期，系统运行于热电联产模式下；在非供暖期，系统运行于纯发电模式下。将超临界二氧化碳循环用于生物质直燃热电联产分布式发电系统，以适合于我国北方冬季清洁供暖需求，并获得较高的全年运营效益。本发明的系统具有效率高、设备少、运维简便等优点。

Description

一种生物质直燃热电联产系统及方法

技术领域

本发明涉及一种生物质直燃热电联产系统，属于分布式发电技术领域。

背景技术

热电联产分布式发电是能源高效利用的理想途径，可实现高品质的电能与低品质热量需求的有机统一。热电联产也是生物质能源大规模利用的主要形式之一，其能量利用率高、经济和社会效益好。

基于生物质能的热电联产分布式发电系统可配置多种类型的原动机，包括：汽轮机、燃气轮机、内燃机、有机工质透平等，同时提供余热用于生产和生活供热。相应地，生物质能转化分为直燃和气化两种方式，其中前者技术成熟、应用广泛。作为一种分布式能源，生物质热电联产系统的综合性能与采用的能量转换技术密切相关。生物质直燃与动力循环技术相结合的装置使用最为广泛，其中基于汽轮机组的生物质直燃发电技术已非常成熟且运行业绩良好。

然而，为了进一步优化生物质直燃热电联产技术，仍有必要开发新型的热电联产技术。近年来，超临界二氧化碳循环倍受发电行业关注，具有广阔的应用前景。生物质直燃锅炉的热容量和燃烧温度十分适合于超临界二氧化碳循环，两者可组成新型的热电联产分布式发电系统。

如何将超临界二氧化碳循环用于生物质直燃热电联产分布式发电系统，以适合于我国北方冬季清洁供暖需求，并获得较高的全年运营效益，是本领域技术人员致力于解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何构建基于超临界二氧化碳循环的生物质直燃热电联产分布式发电系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种生物质直燃热电联产系统，其特征在于：分为热电联产模式和纯发电模式；

热电联产模式时，系统包括主压缩机，主压缩机和分压缩机的出口汇合后连接省煤器工质进口，省煤器工质出口连接锅炉工质进口，锅炉工质出口连接透平进口，透平连接发电机，透平出口连接高温余热回收器工质进口，高温余热回收器工质出口连接低温余热回收器工质进口，低温余热回收器工质出口分两路分别连接主压缩机和分压缩机进口；热用户回水出口连接低温余热回收器回水进口，低温余热回收器出水口连接热用户进水口；空气预热器空气出口连接炉渣冷却器空气进口，炉渣冷却器空气出口连接高温余热回收器空气进口，高温余热回收器空气出口连接锅炉一、二次风进口，锅炉烟气出口连接省煤器烟气进口，省煤器烟气出口连接空气预热器烟气进口，给料机出口连接锅炉进料口；

纯发电模式时，系统包括主压缩机，主压缩机出口连接低温余热回收器高压工质进口，低温余热回收器高压工质出口与分压缩机出口汇合后连接省煤器工质进口，省煤器工质出口连接锅炉工质进口，锅炉工质出口连接透平进口，透平连接发电机，透平出口连接高温余热回收器工质进口，高温余热回收器工质出口连接低温余热回收器低压工质进口，低温余热回收器低压工质出口分两路，一路连接分压缩机进口，另一路连接低温空气预热器工质进口，低温空气预热器工质出口连接冷却器进口，冷却器出口连接主压缩机进口；低温空气预热器空气出口连接空气预热器空气进口，空气预热器空气出口连接炉渣冷却器空气进口，炉渣冷却器空气出口连接高温余热回收器空气进口，高温余热回收器空气出口连接锅炉一、二次风进口，锅炉烟气出口连接省煤器烟气进口，省煤器烟气出口连接空气预热器烟气进口，给料机出口连接锅炉进料口。

优选地，所述主压缩机、分压缩机、透平与发电机同轴连接。

优选地，所述锅炉为炉排锅炉或流化床锅炉。

本发明还提供了上述生物质直燃热电联产系统的工作方法，其特征在于：在供暖期，系统运行于热电联产模式下；在非供暖期，系统运行于纯发电模式下。

在热电联产模式下，二氧化碳工质经主压缩机和分压缩机升压，然后经省煤器吸收锅炉排烟热量，再进入锅炉进一步加热，然后进入透平膨胀做功，推动发电机发电，透平排出的二氧化碳工质经高温余热回收器释放部分热量给空气，然后经低温余热回收器释放热量并提供给热用户，最后二氧化碳工质回到主压缩机和分压缩机进口；

空气经空气预热器吸收锅炉排烟余热，再经炉渣冷却器吸收锅炉排渣余热，然后经高温余热回收器吸收透平排出二氧化碳工质余热，输入锅炉的一次风、二次风进口，给料机将生物质燃料送入锅炉炉膛内燃烧，锅炉尾部烟气经省煤器释放余热给二氧化碳工质，再经空气预热器释放热量给空气。

在纯发电模式下，二氧化碳工质经主压缩机和分压缩机升压，主压缩机出口二氧化碳工质经低温余热回收器吸收透平排出二氧化碳工质余热，再与分压缩机出口二氧化碳工质汇合并进入省煤器吸收锅炉排烟热量，再进入锅炉进一步被加热，然后进入透平膨胀做功，推动发电机发电，透平排出的二氧化碳工质经高温余热回收器释放部分热量给空气，然后经低温余热回收器释放热量给主压缩机出口的二氧化碳工质；低温余热回收器出口的二氧化碳再分两路，一路进入分压缩机，另一路进入低温空气预热器释放余热给空气，再经冷却器冷却后进入主压缩机。空气经低温空气预热器吸收透平排出二氧化碳工质余热，再经空气预热器吸收锅炉排烟余热，再经炉渣冷却器吸收锅炉排渣余热，然后经高温余热回收器吸收透平排出二氧化碳工质余热，输入锅炉的一次风、二次风进口，给料机将生物质燃料送入锅炉炉膛内燃烧，锅炉尾部烟气经省煤器释放余热给二氧化碳工质，再经空气预热器释放热量给空气。

优选地，所述锅炉的容量为1～100MW_th。

优选地，所述锅炉炉膛燃烧温度为800～900℃。

优选地，所述透平进口温度为500～650℃，进口压力为15～25MPa。

优选地，所述透平出口压力为7.8～8.5MPa。

优选地，所述热电联产模式下低温余热回收器工质侧的出口温度为75～85℃。

优选地，所述纯发电模式下主压缩机进口温度为32～35℃。

本发明适用于生物质直燃热电联产分布式发电系统，相比现有技术，本发明提供的生物质直燃热电联产系统具有如下有益效果：

(1)本发明的系统效率高。针对中国北方现状，供暖期为4～7个月，系统分为热电联产模式和纯发电模式，分别用于供暖季节和非供暖季节，热电联产模式下，冷端释放的热量全部用于供暖，系统的能量利用率可达85％以上，纯发电模式下，系统的发电效率可达35％以上。

(2)本发明的系统设备少。从系统的设备构成来看，超临界二氧化碳循环相比汽轮机组省去了水化学处理设备，透平体积减小，没有泵，但增加了压缩机，换热器数量相当，锅炉及其他设备不变，总体上设备减少，有利于减少固定投资。

(3)本发明的系统运维简便。生物质锅炉技术成熟，超临界二氧化碳循环系统简化、无化水处理环节、冷端可空冷，系统经济实用。

附图说明

图1为本实施例提供的生物质直燃热电联产系统热电联产模式的示意图；

图2为本实施例提供的生物质直燃热电联产系统纯发电模式的示意图；

附图标记说明：

1—主压缩机，2—分压缩机，3—省煤器，4—锅炉，5—透平，6—发电机，7—高温余热回收器，8—低温余热回收器，9—热用户，10—空气预热器，11—炉渣冷却器，12—给料机，13—冷却器，14—低温空气预热器。

具体实施方式

生物质直燃热电联产系统分为热电联产模式和纯发电模式。

如图1所示，对于热电联产模式，系统包括主压缩机1，主压缩机1和分压缩机2并联，两者的出口汇合后连接省煤器3工质进口，省煤器3工质出口连接锅炉4工质进口，锅炉4工质出口连接透平5进口，透平5连接发电机6，透平5出口连接高温余热回收器7工质进口，高温余热回收器7工质出口连接低温余热回收器8工质进口，低温余热回收器8工质出口分两路分别连接主压缩机1和分压缩机2进口。热用户9回水出口连接低温余热回收器8回水进口，低温余热回收器8出水口连接热用户9进水口。空气预热器10空气出口连接炉渣冷却器11空气进口，炉渣冷却器11空气出口连接高温余热回收器7空气进口，高温余热回收器7空气出口连接锅炉4一次风和二次风进口，锅炉4烟气出口连接省煤器3烟气进口，省煤器3烟气出口连接空气预热器10烟气进口，给料机12出口连接锅炉4进料口。

如图2所示，对于纯发电模式，系统包括主压缩机1，主压缩机1出口连接低温余热回收器8高压工质进口，低温余热回收器8高压工质出口与分压缩机2出口汇合后连接省煤器3工质进口，省煤器3工质出口连接锅炉4工质进口，锅炉4工质出口连接透平5进口，透平5连接发电机6，透平5出口连接高温余热回收器7工质进口，高温余热回收器7工质出口连接低温余热回收器8低压工质进口，低温余热回收器8低压工质出口分两路，一路连接分压缩机2进口，另一路连接低温空气预热器14工质进口，低温空气预热器14工质出口连接冷却器13进口，冷却器13出口连接主压缩机1进口。低温空气预热器14空气出口连接空气预热器10空气进口，空气预热器10空气出口连接炉渣冷却器11空气进口，炉渣冷却器11空气出口连接高温余热回收器7空气进口，高温余热回收器7空气出口连接锅炉4一次风和二次风进口，锅炉4烟气出口连接省煤器3烟气进口，省煤器3烟气出口连接空气预热器10烟气进口，给料机12出口连接锅炉4进料口。

所述主压缩机1、分压缩机2、透平5与发电机6同轴连接。

所述锅炉4为炉排锅炉或流化床锅炉。

各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上可布置流体机械、阀门、仪表。组成系统的其它部分还有辅助设施、电气系统、控制系统等。

本实施例提供的生物质直燃热电联产系统的工作过程如下：

在供暖期，系统运行于热电联产模式下，二氧化碳工质经主压缩机1和分压缩机2升压至20MPa，然后经省煤器3吸收锅炉4排烟热量，再进入锅炉4进一步加热至600℃，然后进入透平5膨胀做功，推动发电机6发电，透平5排出的二氧化碳工质压力为8MPa，经高温余热回收器7释放部分热量给空气，然后经低温余热回收器8释放热量并提供给热用户9，最后二氧化碳工质回到主压缩机1和分压缩机2进口。空气经空气预热器10吸收锅炉4排烟余热，再经炉渣冷却器11吸收锅炉4排渣余热，然后经高温余热回收器7吸收透平5排出二氧化碳工质余热，再输入锅炉4的一次风、二次风进口，给料机12将生物质燃料送入锅炉4炉膛内燃烧，锅炉4燃烧后达到约850℃，锅炉4尾部烟气经省煤器3释放余热给二氧化碳工质，再经空气预热器10释放热量给空气。

在非供暖期，系统运行于纯发电模式下，二氧化碳工质经主压缩机1和分压缩机2升压至20MPa，主压缩机1出口二氧化碳工质经低温余热回收器8吸收透平5排出二氧化碳工质余热，再与分压缩机2出口的二氧化碳工质汇合，一起进入省煤器3吸收锅炉4排烟热量，再进入锅炉4进一步加热至600℃，然后进入透平5膨胀做功，推动发电机6发电，透平5排出的二氧化碳工质压力为8MPa，经高温余热回收器7释放部分热量给空气，然后经低温余热回收器8释放热量给主压缩机1出口的二氧化碳工质，低温余热回收器8出口的二氧化碳工质再分两路，一路进入分压缩机2，另一路进入低温空气预热器14释放余热给空气，再经冷却器13冷却至32℃后进入主压缩机1。空气经低温空气预热器14吸收透平5排出二氧化碳工质余热，再经空气预热器10吸收锅炉4排烟余热，再经炉渣冷却器11吸收锅炉4排渣余热，然后经高温余热回收器7吸收透平5排出二氧化碳工质余热，输入锅炉4的一次风、二次风进口，给料机将生物质燃料送入锅炉4炉膛内燃烧，锅炉4燃烧后达到约850℃，锅炉4尾部烟气经省煤器3释放余热给二氧化碳工质，再经空气预热器10释放热量给空气。

热电联产模式和纯发电模式之间可以方便地切换，仅需要调整少量设备的布置即可。锅炉可根据使用现场状况选型。上述实施例下，热电联产模式下，系统的能量利用率可达85％以上，纯发电模式下，系统的发电效率可达35％以上。

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 (9)

1.一种生物质直燃热电联产方法，采用生物质直燃热电联产系统，其特征在于：所述生物质直燃热电联产系统分为热电联产模式和纯发电模式；在供暖期，系统运行于热电联产模式下；在非供暖期，系统运行于纯发电模式下；

热电联产模式时，系统包括主压缩机（1），主压缩机（1）和分压缩机（2）的出口汇合后连接省煤器（3）工质进口，省煤器（3）工质出口连接锅炉（4）工质进口，锅炉（4）工质出口连接透平（5）进口，透平（5）连接发电机（6），透平（5）出口连接高温余热回收器（7）工质进口，高温余热回收器（7）工质出口连接低温余热回收器（8）工质进口，低温余热回收器（8）工质出口分两路分别连接主压缩机（1）和分压缩机（2）进口；热用户（9）回水出口连接低温余热回收器（8）回水进口，低温余热回收器（8）出水口连接热用户（9）进水口；空气预热器（10）空气出口连接炉渣冷却器（11）空气进口，炉渣冷却器（11）空气出口连接高温余热回收器（7）空气进口，高温余热回收器（7）空气出口连接锅炉（4）一次风和二次风进口，锅炉（4）烟气出口连接省煤器（3）烟气进口，省煤器（3）烟气出口连接空气预热器（10）烟气进口，给料机（12）出口连接锅炉（4）进料口；

纯发电模式时，系统包括主压缩机（1），主压缩机（1）出口连接低温余热回收器（8）高压工质进口，低温余热回收器（8）高压工质出口与分压缩机（2）出口汇合后连接省煤器（3）工质进口，省煤器（3）工质出口连接锅炉（4）工质进口，锅炉（4）工质出口连接透平（5）进口，透平（5）连接发电机（6），透平（5）出口连接高温余热回收器（7）工质进口，高温余热回收器（7）工质出口连接低温余热回收器（8）低压工质进口，低温余热回收器（8）低压工质出口连接分压缩机（2）进口和低温空气预热器（14）工质进口；低温空气预热器（14）工质出口连接冷却器（13）进口，冷却器（13）出口连接主压缩机（1）进口；低温空气预热器（14）空气出口连接空气预热器（10）空气进口，空气预热器（10）空气出口连接炉渣冷却器（11）空气进口，炉渣冷却器（11）空气出口连接高温余热回收器（7）空气进口，高温余热回收器（7）空气出口连接锅炉（4）一次风和二次风进口，锅炉（4）烟气出口连接省煤器（3）烟气进口，省煤器（3）烟气出口连接空气预热器（10）烟气进口，给料机（12）出口连接锅炉（4）进料口；

热电联产模式和纯发电模式之间进行切换。

2.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：所述主压缩机（1）、分压缩机（2）、透平（5）与发电机（6）同轴连接。

3.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：所述锅炉（4）为炉排锅炉或流化床锅炉。

4.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：在热电联产模式下，二氧化碳工质经主压缩机（1）和分压缩机（2）升压，然后经省煤器（3）吸收锅炉（4）排烟热量，再进入锅炉（4）进一步被加热，然后进入透平（5）膨胀做功，推动发电机（6）发电；透平（5）排出的二氧化碳工质经高温余热回收器（7）释放部分热量给空气，然后经低温余热回收器（8）释放热量并提供给热用户（9），最后二氧化碳工质回到主压缩机（1）和分压缩机（2）进口；

空气经空气预热器（10）吸收锅炉（4）排烟余热，再经炉渣冷却器（11）吸收锅炉（4）排渣余热，然后经高温余热回收器（7）吸收透平（5）排出的二氧化碳工质余热，再输入锅炉（4）的一次风、二次风进口，给料机（12）将生物质燃料送入锅炉（4）炉膛内燃烧，锅炉（4）尾部烟气经省煤器（3）释放余热给二氧化碳工质，再经空气预热器（10）释放热量给空气。

5.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：在纯发电模式下，二氧化碳工质经主压缩机（1）和分压缩机（2）升压，主压缩机（1）出口二氧化碳工质经低温余热回收器（8）吸收透平（5）排出的二氧化碳工质余热，再与分压缩机（2）出口二氧化碳工质汇合后进入省煤器（3）吸收锅炉（4）排烟热量，再进入锅炉（4）进一步被加热，然后进入透平（5）膨胀做功，推动发电机（6）发电；透平（5）排出的二氧化碳工质经高温余热回收器（7）释放部分热量给空气，然后经低温余热回收器（8）释放热量给主压缩机（1）出口的二氧化碳工质；低温余热回收器（8）出口的二氧化碳工质再分两路，一路进入分压缩机（2），另一路进入低温空气预热器（14）释放余热给空气，再经冷却器（13）冷却后进入主压缩机（1）；

空气经低温空气预热器（14）吸收透平（5）排出的二氧化碳工质余热，再经空气预热器（10）吸收锅炉（4）排烟余热，再经炉渣冷却器（11）吸收锅炉（4）排渣余热，然后经高温余热回收器（7）吸收透平（5）排出的二氧化碳工质余热，再输入锅炉（4）的一、二次风进口，给料机（12）将生物质燃料送入锅炉（4）炉膛内燃烧，锅炉（4）尾部烟气经省煤器（3）释放余热给二氧化碳工质，再经空气预热器（10）释放热量给空气。

6.如权利要求1~5任一项所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：所述锅炉（4）的容量为1～100MW_th，所述锅炉（4）炉膛燃烧温度为800～900℃。

7.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：所述透平（5）的进口温度为500～650℃，所述透平（5）的进口压力为15～25MPa，所述透平（5）的出口压力为7.8～8.5MPa。

8.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：所述热电联产模式下，低温余热回收器（8）工质侧的出口温度为75～85℃。

9.如权利要求1所述的一种生物质直燃热电联产方法，其特征在于：所述纯发电模式下，主压缩机（1）进口温度为32～35℃。