CN111022138A - 一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统 - Google Patents

一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、吸收式热泵循环系统、传统燃气型布雷顿循环系统和冷却系统。冷却系统负责提供超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统冷凝所需的冷量，传统燃气型布雷顿循环在生产出了整个系统的大部分电能的同时还分别给超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统提供了高温热源；在降低燃气轮机排烟温度的同时，还可提高系统整体热效率；超临界二氧化碳布雷顿循环系统通过在烟气回热器中利用烟气余热加热高压透平的乏汽并使之升温后继续推动低压透平做功，从而进一步提高循环热效率，提高发电效率。

Description

一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统
技术领域
本发明涉及一种发电技术，尤其涉及一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统。
背景技术
燃气轮机是当今世界应用广泛的动力机械，燃气轮机的燃料产生的热能中大约40％左右转化为动力机械的输出功，一半以上的热量被燃气轮机的排气和冷却水带走，而单循环燃气轮机的热效率更低，仅有30％左右，部分微小型燃气轮机热效率仅有20％，存在大量的热能浪费。
燃气轮机的尾气温度根据工况的不同，一般在400℃以上，具有很高的余热回收价值。目前燃气发电厂中，大功率燃气发电机组采用燃气-蒸汽联合循环发电，虽然可以提高循环的热效率，但由于采用常规的水蒸汽动力循环本身存在一定的限制，因此对燃气轮机的尾气余热利用仍然不够充分，采用一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统可以进一步充分利用其余热能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，包括：
超临界二氧化碳布雷顿循环系统、吸收式热泵循环系统、传统燃气型布雷顿循环系统和冷却系统；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括：主压缩机、再压缩机、高温回热器、低温回热器、高压透平、低压透平、发电机、烟气回热器、冷凝器；所述压缩机与透平采用不同轴的设计，所述烟气回热器设于所述高压透平与低压透平之间；
所述的吸收式热泵循环系统采用的是溴化锂吸收式热泵，包括依次连接并形成一个循环的第二冷凝器、发生器、溶液加压泵、溶液交换器、节流阀、吸收器、蒸发器、水泵；
所述的传统燃气型布雷顿循环系统包括依次连接的空气预热器、空气压缩机、燃烧室、燃气轮机、发电机，从燃气轮机的尾气分为两路，一路通过调节阀与所述发生器连接，一路与所述烟气回热器热端连接，所述空气压缩机与燃气轮机采用同轴布置；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统采用的工质是二氧化碳。
本发明的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，包括：
整个系统的运行过程是超临界二氧化碳从低压透平做功完成后分别进入高温回热器、低温回热器，从低温回热器流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，经吸收式热泵的蒸发器换热后进入再压缩机；另一部分经过空气预热器和冷凝器冷却，再进入主压缩机；
主压缩机出口的二氧化碳吸收低温回热器的热量后与再压缩机出口的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳进入高温回热器，之后进入吸收式热泵的吸收器进行换热，接着在高压透平内做功，然后经过烟气回热器并吸收燃气轮机的尾气的热量，最后在低压透平内做功；
在传统燃气型布雷顿循环系统中，空气经过空气预热器预热，然后被空气压缩机压缩后通入燃烧室与燃气混合燃烧，产生的高温高压气体推动燃气轮机做功，做完功后的尾气一部分被送到烟气回热器，用来加热二氧化碳，另一部分通入吸收式热泵的发生器进行换热，最后汇合后排空。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，冷却系统负责提供超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统冷凝所需的冷量，传统燃气型布雷顿循环在生产出了整个系统的大部分电能的同时还分别给超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统提供了高温热源；在降低燃气轮机排烟温度的同时，还可提高系统整体热效率；超临界二氧化碳布雷顿循环系统通过在烟气回热器中利用烟气余热加热高压透平的乏汽并使之升温后继续推动低压透平做功，从而进一步提高循环热效率，提高发电效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例提供的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中吸收式热泵循环系统的结构示意图。
图中：
1-低温回热器，2-高温回热器，3-低压透平，4-发电机，5-高压透平，6-再压缩机，7-主压缩机，8-冷凝器，9-吸收式热泵循环系统，10-烟气回热器，11-空气预热器，12-空气压缩机，13-发电机，14-燃烧器，15-燃气轮机，16-第二冷凝器，17-发生器，18-溶液增压泵，19-溶液交换器，20-节流阀，21-吸收器，22-蒸发器，23-水泵。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其较佳的具体实施方式是：
包括：
超临界二氧化碳布雷顿循环系统、吸收式热泵循环系统、传统燃气型布雷顿循环系统和冷却系统；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括：主压缩机、再压缩机、高温回热器、低温回热器、高压透平、低压透平、发电机、烟气回热器、冷凝器；所述压缩机与透平采用不同轴的设计，所述烟气回热器设于所述高压透平与低压透平之间；
所述的吸收式热泵循环系统采用的是溴化锂吸收式热泵，包括依次连接并形成一个循环的第二冷凝器、发生器、溶液加压泵、溶液交换器、节流阀、吸收器、蒸发器、水泵；
所述的传统燃气型布雷顿循环系统包括依次连接的空气预热器、空气压缩机、燃烧室、燃气轮机、发电机，燃气轮机的尾气出口管路分为两路，一路通过调节阀与所述发生器连接，一路与所述烟气回热器热端连接，所述空气压缩机与燃气轮机采用同轴布置；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统采用的工质是二氧化碳。
所述主压缩机入口连接所述冷凝器，出口连接所述低温回热器；
所述再压缩机入口连接所述蒸发器，出口连接所述高温回热器；
所述高温回热器与所述吸收器入口相连，所述吸收器出口与所述高压透平入口相连接，所述高压透平出口与所述烟气回热器冷端连接，所述低压透平入口与所述烟气回热器热端连接。
所述的冷却系统出口的冷却水管路通过两个调节阀控制分两路，一路与所述第二冷凝器连接，另一路与所述冷凝器连接，之后两路再次汇合回到冷却系统构成回路。
所述主压缩机、再压缩机和空气压缩机均采用低圧缩比离心式高转速压缩机。
所述高压透平、低压透平采用轴流式耐高温应力、具有高转速的透平；所述燃气轮机采用普通的电站燃气轮机。
所述高温回热器、低温回热器、冷凝器采用耐高温高压的板式换热器；所述空气预热器采用结构紧凑的管壳式换热器；所述烟气余热回热器采用耐高温高压的热管式换热器。
整个系统的运行过程是超临界二氧化碳从低压透平做功完成后分别进入高温回热器、低温回热器，从低温回热器流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，经吸收式热泵的蒸发器换热后进入再压缩机；另一部分经过空气预热器和冷凝器冷却，再进入主压缩机；
主压缩机出口的二氧化碳吸收低温回热器的热量后与再压缩机出口的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳进入高温回热器，之后进入吸收式热泵的吸收器进行换热，接着在高压透平内做功，然后在烟气回热器中吸收燃气轮机的尾气的热量，最后在低压透平内做功；
在传统燃气型布雷顿循环系统中，空气经过空气预热器预热，然后被空气压缩机压缩后通入燃烧室与燃气混合燃烧，产生的高温高压气体推动燃气轮机做功，做完功后的尾气一部分被送到烟气回热器，用来加热二氧化碳，另一部分通入吸收式热泵的发生器进行换热，最后汇合后排空。
超临界二氧化碳循环是一种新型的动力循环方式，因其能量密度大、系统结构紧凑、循环效率高等特点而受到关注。二氧化碳作为一种新型工质，具有无毒、不可燃、腐蚀性小、热稳定性好，临界参数低等优点；超临界二氧化碳兼具有液体和气体的热物理特性，密度大、粘性小、流动能力强、传热效率高、做功能力强。二氧化碳的热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，进而使得压缩机的耗功减少，提高了热力系统的循环热效率。
本发明的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，冷却系统负责提供超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统冷凝所需的冷量，传统燃气型布雷顿循环在生产出了整个系统的大部分电能的同时还分别给超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统提供了高温热源；在降低燃气轮机排烟温度的同时，还可提高系统整体热效率；超临界二氧化碳布雷顿循环系统通过在烟气回热器中利用烟气余热加热高压透平的乏汽并使之升温后继续推动低压透平做功，从而进一步提高循环热效率，提高发电效率。可以对燃气轮机的尾气余热进行充分回收利用，这对于提高超临界二氧化碳发电系统的热效率和节能减排具有重要意义。
本发明采用以上方案具有以下优点和有益的效果：
1.本发明充分利用了燃气轮机的尾气余热，使得余热回收更为充分，通过超临界二氧化碳布雷顿循环系统将热能转换成便于输送的电能，减少了污染，提高了能源利用率。
2.本发明采用的吸收式热泵，分别利用燃气轮机尾气的热量和再压缩机出口处的工质热量依次作为高低温热源，进而提供品位更高的热量来加热低压透平进口处的超临界二氧化碳，使得整个系统的热量得到更为充分地利用，提高系统的整体热效率。
3.本发明采用的冷源系统可以同时为超临界二氧化碳布雷顿循环系统和吸收式热泵循环系统提供冷量，减少了设备投资，并对冷源的利用更为充分，使系统的整体热效率进一步提高。
具体实施例：
如图1、图2所示，包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、吸收式热泵循环系统、传统燃气型布雷顿循环系统和冷却系统；
其中所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括：主压缩机7、再压缩机6、高温回热器2、低温回热器1、高压透平5、低压透平3、发电机4、烟气回热器10、冷凝器8；其主压缩机入口连接冷凝器8，出口连接低温回热器1；再压缩机6入口连接吸收式热泵9的蒸发器，出口连接高温回热器2；高温回热器2与吸收式热泵的吸收器21入口相连，吸收式热泵9的吸收器21出口与高压透平5入口相连接，高压透平出口与烟气回热器10冷端连接，低压透平3入口与烟气回热器10热端连接。
作为本发明的优选实例，所述的吸收式热泵循环系统包括依次连接并形成一个循环的冷凝器16、发生器17、溶液加压泵18、溶液交换器19、节流阀20、吸收器21、蒸发器22、水泵23。其中在发生器17和吸收器21间还存在一个溴化锂溶液的内循环，该循环是从发生器17出发，经溶液加压泵18、溶液交换器19到吸收器21；然后溴化锂溶液从吸收器21出来后经节流阀20、溶液交换器19，再回到发生器17，从而构成一个溴化锂溶液的内循环。
作为本发明的优选实例，所述的传统燃气型布雷顿循环系统包括依次连接的空气预热器11、空气压缩机12、燃烧室14、燃气轮机15、烟气回热器10；从燃气轮机15出来的尾气出口管路分为两路，一路通过调节阀与吸收式热泵9的发生器17连接，一路与烟气回热器10热端相连接。
作为本发明的优选实例，所述的冷却系统出口的冷却水通过两个调节阀控制分为两路，一路和吸收式热泵9的冷凝器16连接，一路与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的冷凝器8连接；之后两路再次汇合后回到冷却系统。
作为本发明的优选实例，整个系统的运行过程是：超临界二氧化碳从低压透平5做功完成后分别进入高、低温回热器2、1，从低压回热器1流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，经吸收式热泵9的蒸发器22换热后流入再压缩机6；另一部分经过空气预热器11和冷凝器8冷却，再经过主压缩机7；主压缩机7出口的二氧化碳吸收低温回热器1的热量后与再压缩机6出口的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳流入高温回热器2，之后进入吸收式热泵的吸收器21进行换热，接着在高压透平5内做功，然后在烟气回热器10中吸收燃气轮机的尾气热量，最后在低压透平3内做功；另外在传统燃气型布雷顿循环系统中，空气经空气预热器11后，被空气压缩机12压缩后通入燃烧室14与燃气混合燃烧后，产生的高温高压的气体推动燃气轮机15做功，做完功后的尾气一部分被送到烟气回热器10，用来加热二氧化碳，一部分通入吸收式热泵9的发生器17进行换热，最后汇合后排空。
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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括：
超临界二氧化碳布雷顿循环系统、吸收式热泵循环系统、传统燃气型布雷顿循环系统和冷却系统；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括：主压缩机(7)、再压缩机(6)、高温回热器(2)、低温回热器(1)、高压透平(5)、低压透平(3)、发电机(4)、烟气回热器(10)、冷凝器(8)；所述压缩机(7)(6)与透平(5)(3)采用不同轴的设计，所述烟气回热器(10)设于所述高压透平(5)与低压透平(3)之间；
所述的吸收式热泵循环系统采用的是溴化锂吸收式热泵，包括依次连接并形成一个循环的第二冷凝器(16)、发生器(17)、溶液加压泵(18)、溶液交换器(19)、节流阀(20)、吸收器(21)、蒸发器(22)、水泵(23)；
所述的传统燃气型布雷顿循环系统包括依次连接的空气预热器(11)、空气压缩机(12)、燃烧室(14)、燃气轮机(15)、发电机(13)，燃气轮机(15)的尾气出口管路分为两路，一路通过调节阀与所述发生器(17)连接，一路与所述烟气回热器(10)热端连接，所述空气压缩机(12)与燃气轮机(15)采用同轴布置；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统采用的工质是二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于：
所述主压缩机(7)入口连接所述冷凝器(8)，出口连接所述低温回热器(1)；
所述再压缩机(6)入口连接所述蒸发器(22)，出口连接所述高温回热器(2)；
所述高温回热器(2)与所述吸收器(21)入口相连，所述吸收器(21)出口与所述高压透平(5)入口相连接，所述高压透平(5)出口与所述烟气回热器(10)冷端连接，所述低压透平(3)入口与所述烟气回热器(10)热端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述的冷却系统出口的冷却水通过两个调节阀控制分两路，一路与所述第二冷凝器(16)连接，另一路与所述冷凝器(8)连接，之后两路再次汇合回到冷却系统构成回路。
4.根据权利要求3所述的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述主压缩机(7)、再压缩机(6)和空气压缩机(12)均采用低圧缩比离心式高转速压缩机。
5.根据权利要求4所述的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述高压透平(5)、低压透平(3)采用轴流式耐高温应力、具有高转速的透平；所述燃气轮机(15)采用普通的电站燃气轮机。
6.根据权利要求5所述的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述高温回热器(2)、低温回热器(1)、冷凝器(8)采用耐高温高压的板式换热器；所述空气预热器(11)采用结构紧凑的管壳式换热器；所述烟气余热回热器(10)采用耐高温高压的热管式换热器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括：
整个系统的运行过程是超临界二氧化碳从低压透平(3)做功完成后分别进入高温回热器(2)、低温回热器(1)，从低压回热器(1)流出的二氧化碳，一部分不经过冷却，经吸收式热泵(9)的蒸发器(22)换热后进入再压缩机(6)；另一部分经过空气预热器(11)和冷凝器(8)冷却，再进入主压缩机(7)；
主压缩机(7)出口的二氧化碳吸收低温回热器(1)的热量后与再压缩机(6)出口的二氧化碳汇合，汇合后的二氧化碳流入高温回热器(2)，之后进入吸收式热泵的吸收器(21)进行换热，接着经过高压透平(5)做功，然后在烟气回热器(10)中吸收燃气轮机的尾气中的热量，在低压透平处做功；
在传统燃气型布雷顿循环系统中，空气经过空气预热器(11)预热，然后被空气压缩机(12)压缩后通入燃烧室(14)与燃气混合燃烧，产生的高温高压气体推动燃气轮机(15)做功，做完功后的尾气一部分被送到烟气回热器(10)，用来加热二氧化碳，另一部分通入吸收式热泵(9)的发生器(17)进行换热，最后汇合后排空。
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