CN111810297A - 一种基于lng冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统及运行方法 - Google Patents

一种基于lng冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统及运行方法，该系统包括燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳发电系统和底循环发电系统；超临界二氧化碳发电系统冷端通过级间冷却方式可以提高循环效率，同时降低压缩机出口工质温度，用于完全回收燃气轮机排烟余热；底循环发电系统通过回收超临界二氧化碳发电系统冷源损失和燃气轮机发电系统的燃料LNG的冷量发电。本发明实现能量分质梯级利用，可以大幅提高能量利用率，从而有效提高系统发电效率。

Description

一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统 及运行方法
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统及运行方法。
背景技术
目前，燃气蒸汽联合循环发电系统凭借其发电效率高、运行灵活和环境污染小等优势，在国内迅速发展。燃气轮机排烟温度较高，一般在450℃～600℃，携带大量可利用热量，如果排烟直接排放到环境中，会造成大量能量损失。而通过耦合蒸汽朗肯循环回收燃气轮机排烟余热，可以大幅提高系统发电效率。燃气轮机单循环发电系统热效率一般为20％～42％，而燃气蒸汽联合循环发电系统热效率高达60％以上，节能效果显著。
燃气蒸汽联合循环发电系统一般耦合蒸汽朗肯循环用于回收排烟热量，而基于布雷顿循环原理的超临界二氧化碳动力循环具有循环效率高、系统简单、结构紧凑和投资成本低等优点，可以取代蒸汽朗肯循环用于回收燃气轮机排烟余热。所以，由燃气轮机和超临界二氧化碳动力循环耦合构成的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统有望进一步提高发电效率和降低发电成本。
燃气电站的常用燃料为天然气，液化天然气(LNG)温度约为-161℃，携带大量高品质冷量，是一种优良的冷却介质，一般由船运输到沿海LNG接收站。超临界二氧化碳动力循环冷源损失是造成热效率低的重要原因，如果燃气电站建在LNG接收站附近，可以在超临界二氧化碳动力循环冷端耦合底循环，并利用LNG作为底循环的冷源，可以回收超临界二氧化碳动力循环冷源损失，同时回收LNG冷量，从而进一步提高发电效率。而目前关于超临界二氧化碳动力循环回收燃气轮机排烟余热并同时利用燃料LNG冷量发电的研究较少，因此还需要对此进行更深入的研究。
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基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统及运行方法，可以更高效地回收燃气轮机排烟余热，同时回收超临界二氧化碳动力循环冷源损失和燃料LNG冷量，从而大幅提高燃气电站发电效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，包括依次相连的燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳发电系统和底循环发电系统；
所述的燃气轮机发电系统包括依次相连通的压气机1、燃烧室2和燃气轮机3；
所述的超临界二氧化碳发电系统包括第一主压缩机6，所述的第一主压缩机6出口与第二预冷器7进口相连、第二预冷器7出口与第二主压缩机8进口相连、第二主压缩机8出口与低温回热器9冷侧进口相连、低温回热器9冷侧出口与高温回热器10冷侧进口相连、高温回热器10冷侧出口与高温换热器4进口相连、高温换热器4出口与透平11进口相连、透平11出口与高温回热器10热侧进口相连、高温回热器10热侧出口与低温回热器9热侧进口相连、低温回热器9热侧出口与预冷器13进口相连、预冷器13出口与主压缩机6入口依次相连通；
低温回热器9热侧出口与再压缩机12进口相连，再压缩机12出口与低温回热器9冷侧出口相连；低温换热器5进出口分别与第二压缩机8出口和高温换热器4入口相连通；
所述的高温换热器4烟气侧进出分别与燃气轮机3出口和低温换热器5烟气侧入口相连通；
所述的底循环发电系统包括依次相连通的底循环泵14、第二预冷器7、第一预冷器13、底循环透平15和冷凝器16；LNG泵17、冷凝器16、燃料调节阀18和燃烧室2依次相连通。
所述第一预冷器13、第一主压缩机6、第二预冷器7和第二主压缩机8依次相连通构成冷端级间冷却方式，该方式可以降低第二主压缩机8出口工质温度。
所述第二主压缩机8出口分流部分低温工质进入低温换热器5，回收低温排烟余热。
所述的底循环工质依次在第二预冷器7和第一预冷器13中吸热，从而完全回收超临界二氧化碳发电系统冷端余热。
所述的底循环发电系统可以采用有机朗肯循环或跨临界二氧化碳循环。
所述LNG泵17、冷凝器16、燃料调节阀18和燃烧室2依次相连通构成底循环工质冷却系统和燃烧室燃料供应系统。
一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统的运行方法，燃气轮机发电系统中，空气经压气机1压缩后，与天然气在燃烧室2混合燃烧，然后高温燃气进入燃气轮机3膨胀做功，高温排气依次流经高温换热器4和低温换热器5，加热超临界二氧化碳工质；
超临界二氧化碳发电系统中，工质先经第一主压缩机6升压，经第二预冷器7冷却，在第二主压缩机8中再次升压后分成两路，主回路工质依次在低温回热器9和高温回热器10中吸热；分回路工质在低温换热器5中吸热后，与主回路工质混合，继续在高温换热器4中吸热后，进入透平11膨胀做功，排气依次在高温回热器10和低温回热器9中放热后分成两路，主回路在预冷器13中冷却后，再次进入主压缩机6，完成闭合循环；分回路经再压缩机12压缩后汇入低温回热器9冷测出口；
底循环发电系统工质经底循环泵14压缩后，依次在第二预冷器7和第一预冷器13中吸热，然后进入底循环透平15做功，排气在冷凝器16中放热冷却后，再次进入底循环泵14，完成闭合循环；LNG由LNG泵17升压进入冷凝器16冷凝底循环工质，然后一部分LNG进入燃烧室10燃烧，驱动燃气轮机发电系统运行，另一部分供向其他天然气用户；燃料调节阀18调节供向燃气轮机发电系统和其他用户的燃料量分配比。
本发明的有益效果：
1.本发明超临界二氧化碳发电系统采用再压缩构型，可以保证超临界二氧化碳发电系统具有较高的热效率；冷端采用级间冷却方式降低高压吸热工质的初始温度，可以回收排烟更低温度的排烟余热，提高能量利用率。
2.本发明底循环发电系统不仅完全回收超临界二氧化碳发电系统冷源损失，而且回收LNG冷量，大幅提高底循环发电效率，从而提高整个系统发电效率。
3.本发明燃气超临界二氧化碳联合发电系统建在LNG接收站附近，一方面降低燃料LNG运输成本，另一方面方便利用LNG冷量作为系统冷源，从而充分利用LNG不同种类和品质的能量。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，包括燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳发电系统和底循环发电系统；
所述的燃气轮机发电系统由依次相连通的压气机1、燃烧室2和燃气轮机3构成；
所述的超临界二氧化碳发电系统包括第一主压缩机6，所述的第一主压缩机6出口、第二预冷器7进出口、第二主压缩机8进出口、低温回热器9冷侧进出口、高温回热器10冷侧进出口、高温换热器4进出口、透平11进出口、高温回热器10热侧进出口、低温回热器9热侧进出口、预冷器13进出口和主压缩机6入口依次相连通；再压缩机12进出口分别与低温回热器9热侧出口和低温回热器9冷侧出口相连通；低温换热器5进出口分别与第二压缩机8出口和高温换热器4入口相连通；高温换热器4烟气侧进出分别与燃气轮机3出口和低温换热器5烟气侧入口相连通；
所述的底循环发电系统包括依次相连通的底循环泵14、第二预冷器7、第一预冷器13、底循环透平15和冷凝器16构成；LNG泵17、冷凝器16、燃料调节阀18和燃烧室2依次相连通。
作为本发明的优选实施方式，所述第一预冷器13、第一主压缩机6、第二预冷器7和第二主压缩机8依次相连通构成冷端级间冷却方式，该方式可以降低第二主压缩机8出口工质温度。
作为本发明的优选实施方式，所述第二主压缩机8出口分流部分低温工质进入低温换热器5，回收低温排烟余热。
作为本发明的优选实施方式，底循环工质依次在第二预冷器7和第一预冷器13中吸热，从而完全回收超临界二氧化碳发电系统冷端余热。
作为本发明的优选实施方式，低循环发电系统可以采用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LNG泵17、冷凝器16、燃料调节阀18和燃烧室2依次相连通构成底循环工质冷却系统和燃烧室燃料供应系统。
本发明实现能量分质梯级利用，可以大幅提高能量利用率，从而有效提高系统发电效率。
如图1所示，本发明一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统的运行方法，燃气轮机发电系统中，空气经压气机1压缩后，与天然气在燃烧室2混合燃烧，然后高温燃气进入燃气轮机3膨胀做功，高温排气依次流经高温换热器4和低温换热器5，加热超临界二氧化碳工质；
超临界二氧化碳发电系统中，工质先经第一主压缩机6升压，经第二预冷器7冷却，在第二主压缩机8中再次升压后分成两路，主回路工质依次在低温回热器9和高温回热器10中吸热；分回路工质在低温换热器5中吸热后，与主回路工质混合，继续在高温换热器4中吸热后，进入透平11膨胀做功，排气依次在高温回热器10和低温回热器9中放热后分成两路，主回路在预冷器13中冷却后，再次进入主压缩机6，完成闭合循环；分回路经再压缩机12压缩后汇入低温回热器9冷测出口；
底循环发电系统工质经底循环泵14压缩后，依次在第二预冷器7和第一预冷器13中吸热，然后进入底循环透平15做功，排气在冷凝器16中放热冷却后，再次进入底循环泵14，完成闭合循环；LNG由LNG泵17升压进入冷凝器16冷凝底循环工质，然后一部分LNG进入燃烧室10燃烧，驱动燃气轮机发电系统运行，另一部分供向其他天然气用户；燃料调节阀18调节供向燃气轮机发电系统和其他用户的燃料量分配比。

Claims (6)

1.一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于，包括依次相连的燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳发电系统和底循环发电系统；
所述的燃气轮机发电系统包括依次相连通的压气机(1)、燃烧室(2)和燃气轮机(3)；
所述的超临界二氧化碳发电系统包括第一主压缩机(6)，所述的第一主压缩机(6)出口与第二预冷器(7)进口相连、第二预冷器(7)出口与第二主压缩机(8)进口相连、第二主压缩机(8)出口与低温回热器(9)冷侧进口相连、低温回热器(9)冷侧出口与高温回热器(10)冷侧进口相连、高温回热器(10)冷侧出口与高温换热器(4)进口相连、高温换热器(4)出口与透平(11)进口相连、透平(11)出口与高温回热器(10)热侧进口相连、高温回热器(10)热侧出口与低温回热器(9)热侧进口相连、低温回热器(9)热侧出口与预冷器(13)进口相连、预冷器(13)出口与主压缩机(6)入口依次相连通；
低温回热器(9)热侧出口与再压缩机(12)进口相连，再压缩机(12)出口与低温回热器(9)冷侧出口相连；低温换热器(5)进出口分别与第二压缩机(8)出口和高温换热器(4)入口相连通；
所述的高温换热器(4)烟气侧进出分别与燃气轮机(3)出口和低温换热器(5)烟气侧入口相连通；
所述的底循环发电系统包括依次相连通的底循环泵(14)、第二预冷器(7)、第一预冷器(13)、底循环透平(15)和冷凝器(16)；LNG泵(17)、冷凝器(16)、燃料调节阀(18)和燃烧室(2)依次相连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于，所述第一预冷器(13)、第一主压缩机(6)、第二预冷器(7)和第二主压缩机(8)依次相连通构成冷端级间冷却方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于，所述第二主压缩机(8)出口分流部分低温工质进入低温换热器(5)，回收低温排烟余热。
4.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于，所述的底循环发电系统可以采用有机朗肯循环或跨临界二氧化碳循环。
5.根据权利要求1所述的一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统，其特征在于，所述LNG泵(17)、冷凝器(16)、燃料调节阀(18)和燃烧室(2)依次相连通构成底循环工质冷却系统和燃烧室燃料供应系统。
6.一种基于LNG冷源的燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统的运行方法，其特征在于，燃气轮机发电系统中，空气经压气机(1)压缩后，与天然气在燃烧室(2)混合燃烧，然后高温燃气进入燃气轮机(3)膨胀做功，高温排气依次流经高温换热器(4)和低温换热器(5)，加热超临界二氧化碳工质；
超临界二氧化碳发电系统中，工质先经第一主压缩机(6)升压，经第二预冷器(7)冷却，在第二主压缩机(8)中再次升压后分成两路，主回路工质依次在低温回热器(9)和高温回热器(10)中吸热；分回路工质在低温换热器(5)中吸热后，与主回路工质混合，继续在高温换热器(4)中吸热后，进入透平(11)膨胀做功，排气依次在高温回热器(10)和低温回热器(9)中放热后分成两路，主回路在预冷器(13)中冷却后，再次进入主压缩机(6)，完成闭合循环；分回路经再压缩机(12)压缩后汇入低温回热器(9)冷测出口；
底循环发电系统工质经底循环泵(14)压缩后，依次在第二预冷器(7)和第一预冷器(13)中吸热，然后进入底循环透平(15)做功，排气在冷凝器(16)中放热冷却后，再次进入底循环泵(14)，完成闭合循环；LNG由LNG泵(17)升压进入冷凝器(16)冷凝底循环工质，然后一部分LNG进入燃烧室(10)燃烧，驱动燃气轮机发电系统运行，另一部分供向其他天然气用户；燃料调节阀(18)调节供向燃气轮机发电系统和其他用户的燃料量分配比。
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