CN112146073A - 集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界co2发电系统及方法 - Google Patents

集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界co2发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统及方法，该系统包括超临界CO2燃煤发电系统和褐煤预干燥系统，超临界CO2燃煤发电系统包括锅炉、主压缩机、再压缩机、透平、低温回热器、高温回热器和预冷器，褐煤预干燥系统包括流量调节阀、凝汽器和压缩式热泵系统；压缩式热泵系统吸收温度较高的系统冷端余热，提高蒸发温度，降低压缩机耗功，进而提高热泵性能系数；压缩式热泵系统中冷凝器放热实现褐煤预干燥目的。本发明利用压缩式热泵将系统冷端余热转化更高温度的热量干燥褐煤，一方面可以降低系统冷源损失；另一方面可以减少褐煤中的水分，提高褐煤热值，可以提高锅炉效率和降低厂用电，从而大幅提高系统能量利用效率。

Description

集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统及方法
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统及方法。
背景技术
超临界CO2动力循环具有热效率高、系统简单、灵活性高、投资小以及运行维护费用低等优点，在燃煤发电领域具有广阔的应用前景。研究表明，相比常规蒸汽朗肯循环燃煤发电机组，基于超临界CO2动力循环的燃煤发电系统具有更高的发电效率和更低的投资，有望得到大规模应用。但是，超临界CO2燃煤发电系统冷端工质放热温度较高，余热损失较大；而且，目前有关超临界CO2循环在燃煤发电领域的研究较少考虑煤种的变化，尤其缺乏针对褐煤发电系统的研究。我国褐煤储量丰富，已探明储量达1300亿吨，占全国煤炭储量的12％，并且价格低廉，正成为我国火力发电的主要燃料。但是，由于褐煤水分含量较高，导致热值较低，直燃褐煤发电系统能量利用效率低，设备成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统及方法，该系统通过在超临界CO2燃煤发电系统冷端耦合压缩式热泵系统，一方面通过回收超临界CO2燃煤发电系统冷端余热驱动压缩式热泵系统运行，另一方面压缩式热泵系统中的冷凝器放出130℃左右的中温热量干燥褐煤，脱除褐煤中的水分，从而实现回收系统冷端余热、提高褐煤热值、提高系统能量利用效率的目的。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统，包括超临界CO2燃煤发电系统和褐煤预干燥系统；其中，
所述超临界CO2燃煤发电系统包括主压缩机1、低温回热器2、高温回热器3、锅炉4、透平5、预冷器6和再压缩机7，其中主压缩机1出口、低温回热器2冷侧进出口、高温回热器3冷侧进出口、锅炉4进出口、透平5进出口、高温回热器3热侧进出口、低温回热器2热侧进出口、预冷器6进出口和主压缩机1入口依次相连通；再压缩机7进出口分别与低温回热器2热侧出口和低温回热器2冷侧出口相连通；
所述褐煤预干燥系统包括流量调节阀13、凝汽器12以及由蒸发器8、压缩机9、冷凝器10和节流阀11依次相连通构成的压缩式热泵系统，其中低温回热器2热侧出口、流量调节阀13进出口、蒸发器8热侧进出口和预冷器6入口依次相连通，冷凝器10出口干燥煤送入锅炉4，冷凝器10排气出口与凝汽器12入口连通。
所述低温回热器2热侧出口超临界CO2工质温度为80-100℃，其携带的余热驱动压缩式热泵系统运行。
所述流量调节阀13调节进入蒸发器8中的超临界CO2工质流量，从而调节输入压缩式热泵系统的热量。
所述冷凝器10加热干燥褐煤，褐煤中的水分蒸发后进入凝汽器12凝结成液态水，干燥后的褐煤送入锅炉4炉膛。
所述的集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统的工作方法，超临界CO2工质经主压缩机1升压，然后依次在低温回热器2、高温回热器3和锅炉4中吸热后进入透平5做功，透平5排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热后，分流成三部分：第一部分被预冷器6冷却后，进入主压缩机1，完成闭式发电循环；第二部分经再压缩机7升压后汇入低温回热器2冷侧出口；第三部分经流量调节阀13进入蒸发器8放热用于加热压缩式热泵系统中的工质，然后进入预冷器6被冷却后再进入主压缩机1；
压缩式热泵系统中的工质在蒸发器8中吸热蒸发变成气态，然后经压缩机9压缩后温度升高，然后进入冷凝器10冷凝放热变成液态，随后经节流阀11节流后，温度压力均降低，变成湿蒸汽，进而再次进入蒸发器8吸热，完成压缩式热泵系统闭式循环；工质在冷凝器10中放出的热量加热干燥褐煤，褐煤蒸发出的水蒸气排气进入凝汽器12凝结成液态水，脱水后的干燥煤被送入锅炉4燃烧。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1本发明通过干燥褐煤降低燃料水分、提高燃料热值，可以降低锅炉排烟温度，提高锅炉效率；同时，在同等发电功率下，可以降低燃料消耗量、风量和烟气量，进而降低磨煤机、送风机和引风机电耗，提高系统能量利用效率。
2本发明超临界CO2燃煤发电系统冷端超临界CO2工质温度较高，携带大量余热，用于驱动压缩式热泵系统运行，一方面可以回收部分冷端余热，降低系统冷源损失，另一方面可以提高压缩式热泵系统蒸发温度，降低压缩机耗功，提高压缩式热泵系统性能系数。
附图说明
图1为本发明集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统，包括超临界CO2燃煤发电系统和褐煤预干燥系统；其中，
所述超临界CO2燃煤发电系统包括主压缩机1、低温回热器2、高温回热器3、锅炉4、透平5、预冷器6和再压缩机7，其中主压缩机1出口、低温回热器2冷侧进出口、高温回热器3冷侧进出口、锅炉4进出口、透平5进出口、高温回热器3热侧进出口、低温回热器2热侧进出口、预冷器6进出口和主压缩机1入口依次相连通；再压缩机7进出口分别与低温回热器2热侧出口和低温回热器2冷侧出口相连通；
所述褐煤预干燥系统包括流量调节阀13、凝汽器12以及由蒸发器8、压缩机9、冷凝器10和节流阀11依次相连通构成的压缩式热泵系统，其中低温回热器2热侧出口、流量调节阀13进出口、蒸发器8热侧进出口和预冷器6入口依次相连通，冷凝器10出口干燥煤送入锅炉4，冷凝器10排气出口与凝汽器12入口连通。
作为本发明的优选实施方式，所述低温回热器2热侧出口超临界CO2温度为80-100℃，其携带的余热驱动压缩式热泵系统运行。
作为本发明的优选实施方式，所述流量调节阀13调节蒸发器8中的超临界CO2工质流量，从而调节输入压缩式热泵系统的热量。
作为本发明的优选实施方式，所述冷凝器10加热干燥褐煤，褐煤中的水分蒸发后进入凝汽器12凝结成液态水，干燥后的褐煤送入锅炉4炉膛。
如图1所示，本发明所述的集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统的工作方法为：超临界CO2工质经主压缩机1升压，然后依次在低温回热器2、高温回热器3和锅炉4中吸热后进入透平5做功，透平5排气依次在高温回热器3和低温回热器2中放热后，分流成三部分：第一部分被预冷器6冷却后，进入主压缩机1，完成闭式发电循环；第二部分经再压缩机7升压后汇入低温回热器2冷侧出口；第三部分经流量调节阀13进入蒸发器8放热用于加热压缩式热泵系统中的工质，然后进入预冷器6被冷却后再进入主压缩机1；
压缩式热泵系统中的工质在蒸发器8中吸热蒸发变成气态，然后经压缩机9压缩后温度升高，然后进入冷凝器10冷凝放热变成液态，随后经节流阀11节流后，温度压力均降低，变成湿蒸汽，进而再次进入蒸发器8吸热，完成压缩式热泵系统闭式循环；工质在冷凝器10中放出的热量加热干燥褐煤，褐煤蒸发出的水蒸气排气进入凝汽器12凝结成液态水，脱水后的干燥煤被送入锅炉4燃烧。
本发明低温回热器2热侧出口CO2工质携带大量余热，通常情况下这部分热量会在预冷器3中被冷却水全部带走，并释放到环境中，造成能量损失。而本发明通过压缩式热泵系统回收这部分冷端余热，并将其转化为高温热量用于加热褐煤，脱除其水分，达到干燥褐煤的目的。低温回热器2热侧出口CO2温度较高，85℃左右，所以其作为蒸发器8吸热的热源，可以使压缩式热泵系统具有较高的蒸发温度，从而减小热泵系统中的压缩机9耗功，提高压缩式热泵系统性能系数。褐煤被干燥后，水分降低，烟气中水蒸汽含量降低，锅炉排烟温度降低，锅炉效率提高；同时，干燥褐煤热值提高，同功率的煤耗量减少，烟气量、风量也相应减少，锅炉体积减小，成本降低，磨煤机、引风机和送风机电耗也减小，厂用电率降低，从而系统能量综合利用效率提高。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统，其特征在于：包括超临界CO2燃煤发电系统和褐煤预干燥系统；其中，
所述超临界CO2燃煤发电系统包括主压缩机(1)、低温回热器(2)、高温回热器(3)、锅炉(4)、透平(5)、预冷器(6)和再压缩机(7)，其中主压缩机(1)出口、低温回热器(2)冷侧进出口、高温回热器(3)冷侧进出口、锅炉(4)进出口、透平(5)进出口、高温回热器(3)热侧进出口、低温回热器(2)热侧进出口、预冷器(6)进出口和主压缩机(1)入口依次相连通；再压缩机(7)进出口分别与低温回热器(2)热侧出口和低温回热器(2)冷侧出口相连通；
所述褐煤预干燥系统包括流量调节阀(13)、凝汽器(12)以及由蒸发器(8)、压缩机(9)、冷凝器(10)和节流阀(11)依次相连通构成的压缩式热泵系统，其中低温回热器(2)热侧出口、流量调节阀(13)进出口、蒸发器(8)热侧进出口和预冷器(6)入口依次相连通，冷凝器(10)出口干燥煤送入锅炉(4)，冷凝器(10)排气出口与凝汽器(12)入口连通。
2.根据权利要求1所述的集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统，其特征在于：所述低温回热器(2)热侧出口超临界CO2工质温度为80-100℃，其携带的余热驱动压缩式热泵系统运行。
3.根据权利要求1所述的集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统，其特征在于：所述流量调节阀(13)调节进入蒸发器(8)中的超临界CO2工质流量，从而调节输入压缩式热泵系统的热量。
4.根据权利要求1所述的集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统，其特征在于：所述冷凝器(10)加热干燥褐煤，褐煤中的水分蒸发后进入凝汽器(12)凝结成液态水，干燥后的褐煤送入锅炉(4)炉膛。
5.权利要求1至4任一项所述的集成压缩式热泵的褐煤预干燥超临界CO2发电系统的工作方法，其特征在于：超临界CO2工质经主压缩机(1)升压，然后依次在低温回热器(2)、高温回热器(3)和锅炉(4)中吸热后进入透平(5)做功，透平(5)排气依次在高温回热器(3)和低温回热器(2)中放热后，分流成三部分：第一部分被预冷器(6)冷却后，进入主压缩机(1)，完成闭式发电循环；第二部分经再压缩机(7)升压后汇入低温回热器(2)冷侧出口；第三部分经流量调节阀(13)进入蒸发器(8)放热用于加热压缩式热泵系统中的工质，然后进入预冷器(6)被冷却后再进入主压缩机(1)；
压缩式热泵系统中的工质在蒸发器(8)中吸热蒸发变成气态，然后经压缩机(9)压缩后温度升高，然后进入冷凝器(10)冷凝放热变成液态，随后经节流阀(11)节流后，温度压力均降低，变成湿蒸汽，进而再次进入蒸发器(8)吸热，完成压缩式热泵系统闭式循环；工质在冷凝器(10)中放出的热量加热干燥褐煤，褐煤蒸发出的水蒸气排气进入凝汽器(12)凝结成液态水，脱水后的干燥煤被送入锅炉(4)燃烧。
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