CN110080848B - 一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统 - Google Patents

一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，包括炉膛和一次再热器，所述炉膛的内壁安置有膜式壁，且炉膛的上端安置有二级过热器，所述炉膛的顶部外端连接有分离器，且分离器的底端连接有回料阀，所述回料阀底部的一端接入炉膛，且回料阀底部的另一端连接有外置换热器，所述外置换热器的出口接入炉膛的底部一端。本发明的有益效果是：该超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，超临界二氧化碳循环与循环流化床锅炉相结合，循环流化床锅炉燃料灵活性好，能清洁高效利用高硫煤和低热值燃料，而且仅通过炉内脱硫和低温燃烧抑氮即能实现达标排放，循环流化床锅炉可达90％以上的热效率，相比煤粉燃料锅炉，具有更好的经济性优势。

Description

一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统
技术领域
本发明涉及火力发电技术领域，具体为一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统。
背景技术
能源结构“多煤少油缺气”，在一次能源消费中，煤炭占70％以上。同时，全面推进燃煤电厂超低排放，依靠现有的先进燃煤锅炉技术(如：循环流化床锅炉)，同时，开发新型的高效率动力循环系统(如：超临界二氧化碳循环)，进一步提高煤电转换效率，降低发电成本。
超临界二氧化碳循环也可以与燃煤锅炉集成，代替汽轮机组，形成新型火力发电系统，考虑到超临界二氧化碳循环深度回热的特点，工质进入热源的温度较高，与燃煤锅炉集成时，势必造成锅炉排烟温度过高，需要采取有效措施控制排烟温度，确保锅炉效率，同时，超临界二氧化碳循环也需要优化调整以提高循环效率，所以必须对整个系统进行创新设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，以解决上述背景技术中提出的如何集成循环流化床燃煤锅炉和超临界二氧化碳循环，构成新型的发电系统，保证系统的高效率，并提高机组的经济性的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，包括炉膛和一次再热器，所述炉膛的内壁安置有膜式壁，且炉膛的上端安置有二级过热器，所述炉膛的顶部外端连接有分离器，且分离器的底端连接有回料阀，所述回料阀底部的一端接入炉膛，且回料阀底部的另一端连接有外置换热器，所述外置换热器的出口接入炉膛的底部一端，所述分离器的上端连接有尾部烟道，且尾部烟道的底端安置有低温省煤器，所述尾部烟道的中部安装有中温省煤器，且尾部烟道的顶端衔接有高温省煤器，所述一次再热器安置于高温省煤器的顶端，且一次再热器的并联衔接有二次再热器，所述外置换热器的中部安装有一级过热器，所述膜式壁的左端连接有煤进口，且煤进口的底端设置有石灰石进口，所述二级过热器连接有高压透平，且高压透平连接有中压透平，所述中压透平的外端安置有发电机，所述一次再热器出口连接有中压透平，所述二次再热器的出口端连接有低压透平，且低压透平的出口端连接有高温空气预热器，所述高温空气预热器的工质侧出口一端连接有中温空气预热器，且高温空气预热器的工质侧出口另一端安置有一次分流压缩机，所述中温空气预热器的工质侧出口一端衔接有低温空气预热器，且中温空气预热器的工质侧出口一端安置有二次分流压缩机，所述低温空气预热器的工质侧出口一端连接有预冷器，且预冷器的出口端连接有主压缩机，所述低温空气预热器的外端一端连接有高压风进口，且高压风进口的底端设置有一次风进口，所述一次风进口的下端安置有二次风进口。
优选的，所述高压透平、中压透平和低压透平进口温度为500～800℃。
优选的，所述高压透平进口压力为20～40MPa。
优选的，所述分离器上部出口连接尾部烟道，且尾部烟道内自下而上布置低温省煤器、中温省煤器、高温省煤器，而且高温省煤器以上分成平行的两个烟道，并且分别布置一次再热器和二次再热器。
优选的，所述低温空气预热器的高压风、一次风、二次风的出口分别连接中温空气预热器的高压风、一次风、二次风的进口，且中温空气预热器的高压风、一次风、二次风的出口分别连接高温空气预热器的高压风、一次风、二次风的进口，而且高温空气预热器的高压风、一次风、二次风的出口分别连接回料阀和外置换热器、高压风进口、炉膛、一次风进口和炉膛、二次风进口。
优选的，所述低温空气预热器、中温空气预热器和高温空气预热器均为多股流换热器。
优选的，所述高压风、一次风、二次风分别从低温空气预热器的高压风进口、一次风进口和二次风进口进入，经低温空气预热器加热，再进入中温空气预热器加热，再进入高温空气预热器加热，最后高压风进入回料阀和外置换热器，一次风和二次风进入炉膛。
优选的，所述发电系统的运行方法包括：
从循环流化床锅炉的二级过热器出来的高温高压(600℃/35MPa)超临界二氧化碳工质进入高压透平膨胀做功，然后进入一次再热器再热后(600℃)进入中压透平膨胀做功，高压透平和低压透平推动发电机发电，低压透平排出的工质再经二次再热器再热后(600℃)进入低压透平膨胀做功，低压透平推动一次分流压缩机、二次分流压缩机和主压缩机运行，低压透平排气经高温空气预热器释放高温段余热，然后分为两路，一路工质经一次分流压缩机增压后进入高温省煤器，另一路再经中温空气预热器释放中温余热，然后再分为两路，一路进入二次分流压缩机增压后进入中温省煤器，另一路再经低温空气预热器释放低温余热，然后工质进入预冷器冷却至系统要求的冷端温度(32℃)，冷端工质再经主压缩机增压后进入低温省煤器，从低温省煤器出来的工质先进入中温省煤器再进入高温省煤器，然后分两路，一路进入膜式壁，另一路进入一级过热器，两路汇合后进入二次过热器，至此完成超临界二氧化碳循环过程。
优选的，所述发电系统的运行方法包括：
高压风、一次风、二次风分别从低温空气预热器的高压风进口、一次风进口和二次风进口进入，经低温空气预热器加热，再进入中温空气预热器加热，再进入高温空气预热器加热，最后高压风进入回料阀和外置换热器，一次风和二次风进入炉膛，煤和石灰石分别从煤进口和石灰石进口输入炉膛燃烧和脱硫，炉膛燃烧热量传给膜式壁和二级过热器，炉膛排烟进入分离器，其中再循环烟气和颗粒进入回料阀，并且回料阀分两路，一路进入炉膛，另一路经外置换热器将热量传给一级过热器后再进入炉膛，分离器排出的烟气进入尾部烟道，先将热量传给并列布置的一次再热器和二次再热器，再依次经高温省煤器、中温省煤器和低温省煤器传热，最后低温(110℃)烟气排出锅炉。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、超临界二氧化碳循环回路中取消设置回热器，一方面消除了高压回热器制造难度大的问题，及其制造成本对系统经济性的不利影响，另一方面进入锅炉尾部烟道省煤器的工质温度大幅降低，非常有利于降低锅炉排烟温度，从而确保锅炉热效率。
2、超临界二氧化碳循环与循环流化床锅炉相结合，循环流化床锅炉燃料灵活性好，能清洁高效利用高硫煤和低热值燃料，而且仅通过炉内脱硫和低温燃烧抑氮即能实现达标排放，循环流化床锅炉可达90％以上的热效率，相比煤粉燃料锅炉，具有更好的经济性优势。
3、锅炉进风空气通过超临界二氧化碳循环低压透平排气预热，由于循环流化床锅炉可接受高的进风温度，所以通过进风空气预热可充分回收低压透平排气余热，从而避免系统热效率损失。
4、低压侧的二氧化碳工质两次分流，可抵消低压侧二氧化碳工质在降温时的比热上升，提高空气预热器换热效率，同时，也可抵消高压侧二氧化碳工质在升温时的比热下降，提高省煤器换热效率，进入膜式壁和进入一级过热器的工质流量可根据锅炉设计进行分配，一次分流压缩机、—二次分流压缩机中的工质流量可通过计算和试验优化，以使系统效率最高。
附图说明
图1为本实施例提供的一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统结构示意图。
图中：1、炉膛；2、分离器；3、回料阀；4、尾部烟道；5、外置换热器；6、低温省煤器；7、中温省煤器；8、高温省煤器；9、一级过热器；10、膜式壁；11、二级过热器；12、一次再热器；13、二次再热器；14、煤进口；15、石灰石进口；16、高压风进口；17、一次风进口；18、二次风进口；19、低温空气预热器；20、中温空气预热器；21、高温空气预热器；22、高压透平；23、中压透平；24、发电机；25、低压透平；26、一次分流压缩机；27、二次分流压缩机；28、主压缩机；29、预冷器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，包括炉膛1、分离器2、回料阀3、尾部烟道4、外置换热器5、低温省煤器6、中温省煤器7、高温省煤器8、一级过热器9、膜式壁10、二级过热器11、一次再热器12、二次再热器13、煤进口14、石灰石进口15、高压风进口16、一次风进口17、二次风进口18、低温空气预热器19、中温空气预热器20、高温空气预热器21、高压透平22、中压透平23、发电机24、低压透平25、一次分流压缩机26、二次分流压缩机27、主压缩机28和预冷器29，炉膛1的内壁安置有膜式壁10，且炉膛1的上端安置有二级过热器11，炉膛1的顶部外端连接有分离器2，且分离器2的底端连接有回料阀3，回料阀3底部的一端接入炉膛1，且回料阀3底部的另一端连接有外置换热器5，外置换热器5的出口接入炉膛1的底部一端，分离器2的上端连接有尾部烟道4，且尾部烟道4的底端安置有低温省煤器6，尾部烟道4的中部安装有中温省煤器7，且尾部烟道4的顶端衔接有高温省煤器8，一次再热器12安置于高温省煤器8的顶端，且一次再热器12的外侧衔接有二次再热器13，外置换热器5的中部安装有一级过热器9，膜式壁10的左端连接有煤进口14，且煤进口14的底端设置有石灰石进口15，二级过热器11连接有高压透平22，所述一次再热器12出口连接有中压透平23，且高压透平22的出口连接有中压透平23，中压透平23的外端安置有发电机24，二次再热器13的出口端连接有低压透平25，且低压透平25的出口端连接有高温空气预热器21，高温空气预热器21的工质侧出口一端连接有中温空气预热器20，且高温空气预热器21的工质侧出口另一端安置有一次分流压缩机26，中温空气预热器20的工质侧出口一端衔接有低温空气预热器19，且中温空气预热器20的工质侧出口一端安置有二次分流压缩机27，低温空气预热器19的工质侧出口一端连接有预冷器29，且预冷器29的出口端连接有主压缩机28，低温空气预热器19的外端一端连接有高压风进口16，且高压风进口16的底端设置有一次风进口17，一次风进口17的下端安置有二次风进口18。
综上，该超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，使用时，从循环流化床锅炉的二级过热器11出来的高温高压600℃/35MPa超临界二氧化碳工质进入高压透平22膨胀做功，然后进入一次再热器12再热后600℃进入中压透平23膨胀做功，高压透平22和低压透平25推动发电机24发电，低压透平25排出的工质再经二次再热器13再热后600℃进入低压透平25膨胀做功，低压透平25推动一次分流压缩机26、二次分流压缩机27和主压缩机28运行，低压透平25排气经高温空气预热器21释放高温段余热，然后分为两路，一路工质经一次分流压缩机26增压后进入高温省煤器8，另一路再经中温空气预热器20释放中温余热，然后再分为两路，一路进入二次分流压缩机27增压后进入中温省煤器7，另一路再经低温空气预热器19释放低温余热，然后工质进入预冷器29冷却至系统要求的冷端温度32℃，冷端工质再经主压缩机28增压后进入低温省煤器6，从低温省煤器6出来的工质先进入中温省煤器7再进入高温省煤器8，然后分两路，一路进入膜式壁10，另一路进入一级过热器9，两路汇合后进入二次过热器，至此完成超临界二氧化碳循环过程，高压风、一次风、二次风分别从低温空气预热器19的高压风进口16、一次风进口17和二次风进口18进入，经低温空气预热器19加热，再进入中温空气预热器20加热，再进入高温空气预热器21加热，最后高压风进入回料阀3和外置换热器5，一次风和二次风进入炉膛1，煤和石灰石分别从煤进口14和石灰石进口15输入炉膛1燃烧和脱硫，炉膛1燃烧热量传给膜式壁10和二级过热器11，炉膛1排烟进入分离器2，其中再循环烟气和颗粒进入回料阀3，并且回料阀3分两路，一路进入炉膛1，另一路经外置换热器5将热量传给一级过热器9后再进入炉膛1，分离器2排出的烟气进入尾部烟道4，先将热量传给并列布置的一次再热器12和二次再热器13，再依次经高温省煤器8、中温省煤器7和低温省煤器6传热，最后低温110℃烟气排出锅炉。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超临界二氧化碳循环燃煤发电系统，包括炉膛（1）和一次再热器（12），其特征在于：所述炉膛（1）的内壁安置有膜式壁（10），且炉膛（1）的上端安置有二级过热器（11），所述炉膛（1）的顶部外端连接有分离器（2），且分离器（2）的底端连接有回料阀（3），所述回料阀（3）底部的一端接入炉膛（1），且回料阀（3）底部的另一端连接有外置换热器（5），所述外置换热器（5）的出口接入炉膛（1）的底部一端，所述分离器（2）的上端连接有尾部烟道（4），且尾部烟道（4）的底端安置有低温省煤器（6），所述尾部烟道（4）的中部安装有中温省煤器（7），且尾部烟道（4）的顶端衔接有高温省煤器（8），所述一次再热器（12）安置于高温省煤器（8）的顶端，且一次再热器（12）的外侧衔接有二次再热器（13），所述外置换热器（5）的中部安装有一级过热器（9），所述膜式壁（10）的左端连接有煤进口（14），且煤进口（14）的底端设置有石灰石进口（15），所述二级过热器（11）的顶端连接有高压透平（22），且高压透平（22）的出口连接有中压透平（23），所述中压透平（23）的外端安置有发电机（24），所述二次再热器（13）的出口端连接有低压透平（25），且低压透平（25）的出口端连接有高温空气预热器（21），所述高温空气预热器（21）的工质侧出口一端连接有中温空气预热器（20），且高温空气预热器（21）的工质侧出口另一端安置有一次分流压缩机（26），所述中温空气预热器（20）的工质侧出口一端衔接有低温空气预热器（19），且中温空气预热器（20）的工质侧出口一端安置有二次分流压缩机（27），所述低温空气预热器（19）的工质侧出口一端连接有预冷器（29），且预冷器（29）的出口端连接有主压缩机（28），所述低温空气预热器（19）的外端一端连接有高压风进口（16），且高压风进口（16）的底端设置有一次风进口（17），所述一次风进口（17）的下端安置有二次风进口（18），低压透平（25）排气经高温空气预热器（21）释放高温段余热，然后分为两路，一路工质经一次分流压缩机（26）增压后进入高温省煤器（8），另一路再经中温空气预热器（20）释放中温余热，然后再分为两路，一路进入二次分流压缩机（27）增压后进入中温省煤器（7），另一路再经低温空气预热器（19）释放低温余热，然后工质进入预冷器（29）冷却至系统要求的冷端温度，冷端工质再经主压缩机（28）增压后进入低温省煤器（6），从低温省煤器（6）出来的工质先进入中温省煤器（7）再进入高温省煤器（8），然后分两路，一路进入膜式壁（10），另一路进入一级过热器（9），两路汇合后进入二次过热器，至此完成超临界二氧化碳循环过程。
2.根据权利要求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：所述高压透平（22）、中压透平（23）和低压透平（25）进口温度为500～800℃。
3.根据权利要求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：所述高压透平（22）进口压力为20～40MPa。
4.根据权利要求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：所述分离器（2）上部出口连接尾部烟道（4），且尾部烟道（4）内自下而上布置低温省煤器（6）、中温省煤器（7）、高温省煤器（8），而且高温省煤器（8）以上分成平行的两个烟道，并且分别布置一次再热器（12）和二次再热器（13）。
5.根据权利要求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：所述低温空气预热器（19）的高压风、一次风、二次风的出口分别连接中温空气预热器（20）的高压风、一次风、二次风的进口，且中温空气预热器（20）的高压风、一次风、二次风的出口分别连接高温空气预热器（21）的高压风、一次风、二次风的进口，而且高温空气预热器（21）的高压风、一次风、二次风的出口分别连接回料阀（3）和外置换热器（5）、炉膛（1）、炉膛（1）。
6.根据权利要求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：所述低温空气预热器（19）、中温空气预热器（20）和高温空气预热器（21）均为多股流换热器。
7.根据权利要求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：所述高压风、一次风、二次风分别从低温空气预热器（19）的高压风进口（16）、一次风进口（17）和二次风进口（18）进入，经低温空气预热器（19）加热，再进入中温空气预热器（20）加热，再进入高温空气预热器（21）加热，最后高压风进入回料阀（3）和外置换热器（5），一次风和二次风进入炉膛（1）。
8.根据权利要求1-7任一项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：所述发电系统的运行方法包括：
从循环流化床锅炉的二级过热器（11）出来的高温高压超临界二氧化碳工质进入高压透平（22）膨胀做功，然后进入一次再热器（12）再热后进入中压透平（23）膨胀做功，高压透平（22）和低压透平（25）推动发电机（24）发电，低压透平（25）排出的工质再经二次再热器（13）再热后进入低压透平（25）膨胀做功，低压透平（25）推动一次分流压缩机（26）、二次分流压缩机（27）和主压缩机（28）运行。
9.根据权利要求1-7任一项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：所述发电系统的运行方法包括：
高压风、一次风、二次风分别从低温空气预热器（19）的高压风进口（16）、一次风进口（17）和二次风进口（18）进入，经低温空气预热器（19）加热，再进入中温空气预热器（20）加热，再进入高温空气预热器（21）加热，最后高压风进入回料阀（3）和外置换热器（5），一次风和二次风进入炉膛（1），煤和石灰石分别从煤进口（14）和石灰石进口（15）输入炉膛（1）燃烧和脱硫，炉膛（1）燃烧热量传给膜式壁（10）和二级过热器（11），炉膛（1）排烟进入分离器（2），其中再循环烟气和颗粒进入回料阀（3），并且回料阀（3）分两路，一路进入炉膛（1），另一路经外置换热器（5）将热量传给一级过热器（9）后再进入炉膛（1），分离器（2）排出的烟气进入尾部烟道（4），先将热量传给并列布置的一次再热器（12）和二次再热器（13），再依次经高温省煤器（8）、中温省煤器（7）和低温省煤器（6）传热，最后低温烟气排出锅炉。
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