CN111219218A - 一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统及方法 - Google Patents

一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统及方法，该系统在预冷器前并列布置第一辅助预冷器和第二辅助预冷器，以及在空预器之后布置低温省煤器；该系统在主循环系统上耦合由依次相连通的泵、第二辅助预冷器、低温省煤器、膨胀机和蒸发器构成的底循环余热回收系统，通过在第二辅助预冷器和低温省煤器分别回收冷端余热和排烟余热用于发电，从而提高锅炉效率和系统发电效率；该系统通过在在第一辅助预冷器中预热冷空气，从而回收冷端余热，提高锅炉效率，进而提高发电效率。本发明同时回收冷端余热和排烟余热，解决了冷源损失及排烟损失较大的问题，有效提高了系统发电效率。

Description

一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统及方法
技术领域
本发明涉及燃煤发电技术领域，特别涉及一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统及方法。
背景技术
目前，燃煤发电仍然是我国主要发电方式，所以提高燃煤发电效率对我国节约能源、减少污染物排放具有重大意义。基于蒸汽朗肯循环原理的传统燃煤发电技术经过几十年的发展已经相当成熟，发电效率进一步提升的空间较小。而基于布雷顿循环原理的超临界二氧化碳动力循环系统具有循环效率高、体积功率密度大等优点，通过与燃煤锅炉相结合，有望大幅提高燃煤发电效率。
以超临界二氧化碳为工质的动力循环燃煤发电系统的研究主要集中在主循环构型方面，而有关系统余热回收方面的研究较少。锅炉排烟温度普遍高于120℃，携带有大量可利用的热能；同时，冷端预冷器中工质放热温度较高，同样蕴含大量可利用热能。这两部分低温热能被释放到环境中，造成大量能量损失。而当前的相关研究较少地考虑低温热能的回收利用，所以现有的超临界二氧化碳燃煤发电系统具有较大的节能潜力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统及方法，通过在空预器后面布置低温省煤器回收排烟余热，排烟温度降低到90℃左右；同时，通过第一辅助预冷器和第二辅助预冷器回收冷端余热，用于发电，从而降低能量损失，提高了系统发电效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，包括主循环系统和底循环系统；
所述的主循环系统包括依次相连通的第一辅助预冷器12、预冷器13、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、低压透平11；还包括再压缩机14、省煤器15和空预器16；
所述的底循环系统包括依次相连通的泵17、第二辅助预冷器18、低温省煤器19、膨胀机20和蒸发器21。
所述的主压缩机1出口、低温回热器2冷侧进出口、高温回热器3冷测进出口和过热气冷壁4进口依次相连通，低压透平11出口、高温回热器3热侧进出口、低温回热器2热侧进口依次相连通，低温回热器2热侧出口分别与再压缩机14进口、第一辅助预冷器12进口和第二辅助预冷器18进口相连通，预冷器13进口分别与第一辅助预冷器12出口和第二辅助预冷器18出口相连通，再压缩机14出口与低温回热器2冷侧出口相连通，省煤器15进口与再压缩机14出口相连通，省煤器15出口与高压透平7进口相连通，第一辅助预冷器12空气出口与空预器16空气进口相连通。
所述第一辅助预冷器12和第二辅助预冷器18并列布置在预冷器13之前位置。
所述低温省煤器19布置在空预器16之后位置。
所述第一辅助预冷器12和空预器16依次相连通构成空气加热系统，通过在第一辅助预冷器12中预热冷空气从而回收冷端余热。
所述泵17、第二辅助预冷器18、低温省煤器19、膨胀机20和蒸发器21依次相连通构成底循环系统，用于回收余热发电，其中第二辅助预冷器18回收冷端余热，低温省煤器19回收排烟余热。
所述底循环系统适用于有机朗肯循环或跨临界二氧化碳循环。
所述主循环系统使用的工质为超临界二氧化碳。
所述低温省煤器19出口排烟温度为90℃左右。
一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统的方法，主循环工质经主压缩机1升压后，依次在低温回热器2、高温回热器3、锅炉过热气冷壁4、低温过热器5、高温过热器6中吸热，然后进入高压透平7膨胀做功，排气又依次在再热气冷壁8、低温再热器9和高温再热器10中吸热，温度再次升高后进入低压透平11完全膨胀做功，排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热后，在第一辅助预冷器12、第二辅助预冷器18和预冷器13中被冷却，然后工质再次进入主压缩机1，完成闭合循环；低温回热器2热侧出口分流部分工质，经再压缩机14压缩后汇入低温回热器2冷侧出口；再压缩机14出口分流部分工质，在省煤器15中吸锅炉尾部烟气热量后，进入高压透平7做功；冷空气依次经第一辅助预冷器12和空预器16加热后进入炉膛辅助燃烧；
底循环工质经泵17升压后，依次在第二辅助预冷器18和低温省煤器19中吸热回收冷端余热和排烟余热后，温度升高，进入膨胀机20做功，进而在蒸发器21中吸热后再次进入泵17，完成闭式循环。
本发明的有益效果：
1.本发明通过底循环系统可以同时回收冷端余热和排烟余热用于发电，从而有效提高系统发电效率。
2.本发明底循环系统构型灵活，适用于有机朗肯循环或跨临界二氧化碳循环。
3.本发明通过预热冷空气回收冷端余热，提高锅炉效率，进而提高发电效率。
4.本发明采用塔式锅炉，同样适用于其他型式的锅炉，如π型锅炉等。
附图说明
图1为本发明一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统示意图。
图2为冷端采用分流布置前主循环工质与冷空气或底循环工质单独换热的曲线图。
图3为冷端采用分流布置后主循环工质与冷空气和底循环工质同时换热的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于：主循环系统包括依次相连通的第一辅助预冷器12、预冷器13、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、低压透平11；还包括再压缩机14、省煤器15和空预器16；底循环系统包括依次相连通的泵17、第二辅助预冷器18、低温省煤器19、膨胀机20和蒸发器21。
其中，主压缩机1出口、低温回热器2冷侧进口、高温回热器3冷测进出口和过热气冷壁4进口依次相连通，低压透平11出口、高温回热器3热侧进出口、低温回热器2热侧进口依次相连通，低温回热器2热侧出口分别与再压缩机14进口、第一辅助预冷器12进口和第二辅助预冷器18进口相连通，预冷器13进口分别与第一辅助预冷器12出口和第二辅助预冷器18出口相连通，再压缩机14出口与低温回热器2冷侧出口相连通，省煤器15进口与再压缩机14出口相连通，省煤器15出口与高压透平7进口相连通，第一辅助预冷器12空气出口与空预器16空气进口相连通。
作为本发明的优选实施方式，所述第一辅助预冷器12和第二辅助预冷器18并列布置在预冷器13之前位置。
作为本发明的优选实施方式，所述低温省煤器19布置在空预器16之后位置。
作为本发明的优选实施方式，所述第一辅助预冷器12和空预器16依次相连通构成空气加热系统，通过在第一辅助预冷器12中预热冷空气从而回收冷端余热。
作为本发明的优选实施方式，所述泵17、第二辅助预冷器18、低温省煤器19、膨胀机20和蒸发器21依次相连通构成底循环系统，用于回收余热发电，其中第二辅助预冷器18回收冷端余热，低温省煤器19回收排烟余热。
作为本发明的优选实施方式，所述底循环系统适用于有机朗肯循环或跨临界二氧化碳循环。
作为本发明的优选实施方式，所述主循环系统使用的工质为超临界二氧化碳。
作为本发明的优选实施方式，所述低温省煤器19出口排烟温度为90℃左右。
如图1所示，一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统的方法，主循环工质经主压缩机1升压后，依次在低温回热器2、高温回热器3、锅炉过热气冷壁4、低温过热器5、高温过热器6中吸热，然后进入高压透平7膨胀做功，排气又依次在再热气冷壁8、低温再热器9和高温再热器10中吸热，温度再次升高后进入低压透平11完全膨胀做功，排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热后，在第一辅助预冷器12、第二辅助预冷器18和预冷器13中被冷却，然后工质再次进入主压缩机1，完成闭合循环；低温回热器2热侧出口分流部分工质，经再压缩机14压缩后汇入低温回热器2冷侧出口；再压缩机14出口分流部分工质，在省煤器15中吸锅炉尾部烟气热量后，进入高压透平7做功；冷空气依次经第一辅助预冷器12和空预器16加热后进入炉膛辅助燃烧。
底循环工质经泵17升压后，依次在第二辅助预冷器18和低温省煤器19中吸热回收冷端余热和排烟余热后，温度升高，进入膨胀机20做功，进而在蒸发器21中吸热后再次进入泵17，完成闭式循环。
煤基超临界二氧化碳发电系统冷端主循环工质热容量较大，而被加热的冷空气或底循环工质热容量较小，如图2所示，当主循环工质单独与冷空气或底循环工质换热时，主循环工质温降较小，而冷空气或底循环工质温升较大，导致吸放热特性曲线不匹配，冷端余热回收较少。所以，本发明将冷端主循环工质分流成两股，减小每股工质流量，降低热容量，然后分别在并列布置的第一辅助预冷器12和第二辅助预冷器18中冷空气和底循环工质换热。如图3所示，通过分流布置可以增加冷端主循环工质温降，提高吸放热曲线匹配程度，增加冷端余热回收热量，从而显著提高系统发电效率。

Claims (10)

1.一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括主循环系统和底循环系统；
所述的主循环系统包括依次相连通的第一辅助预冷器(12)、预冷器(13)、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)；
所述的底循环系统包括依次相连通的泵(17)、第二辅助预冷器(18)、低温省煤器(19)、膨胀机(20)和蒸发器(21)。
2.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述的主压缩机(1)出口、低温回热器(2)冷侧进出口、高温回热器(3)冷测进出口和过热气冷壁(4)进口依次相连通，低压透平(11)出口、高温回热器(3)热侧进出口、低温回热器(2)热侧进口依次相连通，低温回热器(2)热侧出口分别与再压缩机(14)进口、第一辅助预冷器(12)进口和第二辅助预冷器(18)进口相连通，预冷器(13)进口分别与第一辅助预冷器(12)出口和第二辅助预冷器(18)出口相连通，再压缩机(14)出口与低温回热器(2)冷侧出口相连通，省煤器(15)进口与再压缩机(14)出口相连通，省煤器(15)出口与高压透平(7)进口相连通，第一辅助预冷器(12)空气出口与空预器(16)空气进口相连通。
3.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述第一辅助预冷器(12)和第二辅助预冷器(18)并列布置在预冷器(13)之前位置。
4.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低温省煤器(19)布置在空预器(16)之后位置。
5.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述第一辅助预冷器(12)和空预器(16)依次相连通构成空气加热系统，通过在第一辅助预冷器(12)中预热冷空气从而回收冷端余热。
6.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述泵(17)、第二辅助预冷器(18)、低温省煤器(19)、膨胀机(20)和蒸发器(21)依次相连通构成底循环系统，用于回收余热发电，其中第二辅助预冷器(18)回收冷端余热，低温省煤器19回收排烟余热。
7.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述底循环系统适用于有机朗肯循环或跨临界二氧化碳循环。
8.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述主循环系统使用的工质为超临界二氧化碳。
9.根据权利要求1所述的一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，所述低温省煤器(19)出口排烟温度为90℃左右。
10.一种带余热回收的煤基超临界二氧化碳发电系统的方法，其特征在于，主循环工质经主压缩机(1)升压后，依次在低温回热器(2)、高温回热器(3)、锅炉过热气冷壁(4)、低温过热器(5)、高温过热器(6)中吸热，然后进入高压透平(7)膨胀做功，排气又依次在再热气冷壁(8)、低温再热器(9)和高温再热器(10)中吸热，温度再次升高后进入低压透平(11)完全膨胀做功，排气依次在高温回热器(3)和低温回热器(2)中放热后，在第一辅助预冷器(12)、第二辅助预冷器(18)和预冷器(13)中被冷却，然后工质再次进入主压缩机(1)，完成闭合循环；低温回热器(2)热侧出口分流部分工质，经再压缩机(14)压缩后汇入低温回热器(2)冷侧出口；再压缩机(14)出口分流部分工质，在省煤器(15)中吸锅炉尾部烟气热量后，进入高压透平(7)做功；冷空气依次经第一辅助预冷器(12)和空预器(16)加热后进入炉膛辅助燃烧；
底循环工质经泵(17)升压后，依次在第二辅助预冷器(18)和低温省煤器(19)中吸热回收冷端余热和排烟余热后，温度升高，进入膨胀机(20)做功，进而在蒸发器(21)中吸热后再次进入泵(17)，完成闭式循环。
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