CN112554980A - 一种双背压超临界二氧化碳多联产系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

基于超临界二氧化碳动力循环实现热电联产具有广阔的发展前景，但临界压力附近的二氧化碳放热曲线供热的匹配性较差，不适合直接用于供热。本发明提出一种双背压超临界二氧化碳多联产系统及运行方法，该系统主要包括透平、两级主压缩机、再压缩机、多级回热器，冷却器和锅炉构成的发电低背压回路；以及透平抽气经两级回热器放热后用以热网供热的高背压回路。该系统采用超临界二氧化碳动力循环发电提高发电效率，采用透平处压力较高的抽气为热网供热，同时为用户提供热、电两种能源。同时，可以通过调整抽气比例，满足不同的供热负荷需求，提高机组的运行灵活性。

Description

一种双背压超临界二氧化碳多联产系统及运行方法
技术领域
本发明属于热电联产领域，具体涉及一种双背压超临界二氧化碳多联产系统及运行方法。
背景技术
实现热电联产，同时满足社会的电、热负荷需求是未来发电系统发展的主要方向之一。我国的化石能源资源禀赋为富煤、贫油、少气，资源缺乏和环境污染问题严重，而发展热电联产是节能减排、提高电站能量利用效率的最有效手段之一；同时热电联产可以节约用地并提高效益。近年来，我国热电联产进入一个快速发展时期。
超临界二氧化碳动力循环具有能量密度高、系统结构紧凑、循环效率高等优点，同时还具有良好的热源匹配性，可以广泛应用于太阳能、核电、火电等领域，是未来有望取代水工质朗肯循环的新型动力循环形式。所以，基于超临界二氧化碳动力循环实现热电联产具有广阔的发展前景。
目前关于超临界二氧化碳循环的研究多以纯发电系统为主，涉及热电联产的研究相对较少。现有超临界二氧化碳热电联产系统的设计以透平出口乏气作为热网回水的加热源，或在此基础集成吸收式热泵。然而，透平出口乏气的压力在二氧化碳的临界压力附近，此参数区间二氧化碳放热曲线供热的匹配性较差，不适合直接用于供热，如图1所示。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双背压超临界二氧化碳多联产系统及运行方法,该系统采用较高压力的超临界二氧化碳在热网回热器中放热，避免放热曲线差的参数区。通过回热系统的分级优化，合理耦合高、低背压回路，大幅度提高超临界二氧化碳系统的能量利用率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，包括锅炉1，锅炉1工质出口与透平2工质入口相连，透平2排气口与2号回热器32、3号回热器33和4号回热器34热侧依次相连，4号回热器34热侧出口与预冷器7工质入口相连，预冷器7工质出口与前置主压缩机4入口相连，前置主压缩机4出口与中间冷却器9工质入口相连，中间冷却器9工质出口与主压缩机6入口相连，主压缩机6出口依次与4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32和1号回热器31冷侧依次相连，1号回热器31冷侧出口与锅炉1工质入口相连；
透平2工质抽气口与1号回热器31、5号回热器35、热网加热器8热侧依次相连，热网加热器8热侧出口与前置主压缩机4出口相连；
4号回热器34冷侧出口与5号回热器35冷侧入口相连，5号回热器35冷侧出口与2号回热器32冷侧出口相连；
热网加热器8冷却水进出口与热网相连，预冷器7、中间冷却器9预冷器冷却水进出口与冷却水系统相连。
4号回热器34出口还与再压缩机5工质入口相连，再压缩机5工质出口与2号回热器32冷侧入口相连。
透平2排气口压力为7.8MPa-8.6MPa。
透平2抽气口压力为10MPa-15.0MPa。
前置主压缩机4出口压力9.5MPa-14.5MPa。
预冷器7和中间冷却器9工质出口温度为33℃-38℃。
所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统的运行方法，超临界二氧化碳在前置主压缩机4中升压后，在中间冷却器9中冷却，而后在主压缩机6升压，然后依次在4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32、1号回热器31、锅炉1吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平2做功，透平2排气又依次在2号回热器32、3号回热器33、4号回热器34放热后分成两股，一股经再压缩机5升压后汇入2号回热器32入口，另一股在预冷器7中冷却后进入前置主压缩机4，完成闭合循环，此为低背压回路；
高温高压二氧化碳进入透平2做功后，部分从透平2抽气口抽出，依次在1号回热器31、5号回热器35、热网加热器8放热后汇入中间冷却器9冷工质入口，通过调整此部分抽气比例，调整进入热网加热器8的超临界二氧化碳工质温度，满足不同供热负荷需求，提高机组运行灵活性，此为高背压回路；
4号回热器34冷侧出口分流部分工质经5号回热器35加热后汇入1号回热器31冷侧工质入口。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
(1)本发明提出一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，通过回热系统的分级优化合理耦合高、低背压回路，大幅度提高系统的能量利用率，能量利用效率可达60％以上。
(2)本发明采用较高压力的超临界二氧化碳抽气给热网供热，避免放热曲线较差区域，合理利用系统各温区能量；
(3)本发明可以通过调整透平处的抽气比例，满足不同的供热负荷需求，提高机组的运行灵活性。
附图说明
图1为超临界二氧化碳温-焓图。
图2为本发明双背压超临界二氧化碳多联产系统示意图。
图3为本发明多联产系统回热器温度曲线图。
图中：1为锅炉、2为透平、31为1号回热器、32为2号回热器、33为3号回热器、34为4号回热器、35为5号回热器、4为前置主压缩机、5为再压缩机、6为主压缩机、7为预冷器、8为热网加热器、9为中间冷却器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
工作原理
临界压力附近的二氧化碳放热曲线供热的匹配性较差，不适合直接用来供热，如图1所示。为此，本发明提出了一种双背压超临界二氧化碳多联产系统及运行方法。该系统的低背压回路为超临界二氧化碳再压缩耦合主压缩机中间冷却的发电系统；高背压回路采用透平处较高压力(10-15MPa)的抽气供热，由于抽气温度过高，故经两级回热器降温后，再送至热网回热器放热，该区域的二氧化碳工质具有良好的放热曲线。热网回热器放热后的工质汇入中间冷却器入口。同时，通过回热系统的分级优化来匹配各分流点和汇入点温度，实现抽气热量的梯级利用，合理耦合高、低背压回路，如图3所示。该系统可以通过调整透平处的抽气比例，满足不同负荷的供热需求。
同时由于1号回热器31的布置，可以提高进入锅炉的超临界二氧化碳工质温度，降低换热的不可逆损失。本发明创新性地提出高背压供热，避免二氧化碳放热曲线较差的区域，同时采用主压缩机中间冷却、热端-回热-放热过程的耦合优化，大幅度提高超临界二氧化碳系统的能量利用率。下面对本发明的结构和工作原理做详细描述。
如图2所示，本发明一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，包括锅炉1，锅炉1工质出口与透平2工质入口相连，透平2排气口与2号回热器32、3号回热器33和4号回热器34热侧依次相连，4号回热器34热侧出口与预冷器7工质入口相连，预冷器7工质出口与前置主压缩机4入口相连，前置主压缩机4出口与中间冷却器9工质入口相连，中间冷却器9工质出口与主压缩机6入口相连，主压缩机6出口依次与4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32和1号回热器31冷侧依次相连，1号回热器31冷侧出口与锅炉1工质入口相连；透平2工质抽气口与1号回热器31、5号回热器35、热网加热器8热侧依次相连，热网加热器8热侧出口与前置主压缩机4出口相连；4号回热器34冷侧出口与5号回热器35冷侧入口相连，5号回热器35冷侧出口与2号回热器32冷侧出口相连；热网加热器8冷却水进出口与热网相连，预冷器7、中间冷却器9预冷器冷却水进出口与冷却水系统相连。
作为本发明的优选实施方式，4号回热器34出口还与再压缩机5工质入口相连，再压缩机5工质出口与2号回热器32冷侧入口相连，采用这样分流再压缩的循环方式，可以避免3号回热器33和4号回热器34出现换热“夹点”问题，同时也可以提高循环效率。
作为本发明的优选实施方式，透平2排气口压力为7.8MPa-8.6MPa，这样可维持前置主压缩机4的工质进口压力在临界点以上，保持整个循环在超临界状态，同时可以提高透平2的输出功率。
作为本发明的优选实施方式，透平2抽气口压力为10MPa-15.0MPa，这样采用较高压力的抽气给热网供热，可以避免放热曲线较差的参数区，实现热能的合理利用。
作为本发明的优选实施方式，前置主压缩机4出口压力9.5MPa-14.5MPa，这样可以避免两股工质汇集时有较大的压力差。
作为本发明的优选实施方式，预冷器7和中间冷却器9工质出口温度为33℃-38℃，这样可维持前置主压缩机4和主压缩机6的进口工质温度在临界点以上，保持整个循环在超临界状态。
本发明所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统的运行方法，超临界二氧化碳在前置主压缩机4中升压后，在中间冷却器9中冷却，而后在主压缩机6升压，然后依次在4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32、1号回热器31、锅炉1吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平2做功，透平2排气又依次在2号回热器32、3号回热器33、4号回热器34放热后分成两股，一股经再压缩机5升压后汇入2号回热器32入口，另一股在预冷器7中冷却后进入前置主压缩机4，完成闭合循环；高温高压二氧化碳进入透平2做功后，部分从透平2抽气口抽出，依次在1号回热器31、5号回热器35、热网加热器8放热后汇入中间冷却器9冷工质入口，通过调整此部分抽气比例，调整进入热网加热器8的超临界二氧化碳工质温度，满足不同供热负荷需求，提高机组运行灵活性；4号回热器34冷侧出口分流部分工质经5号回热器35加热后汇入1号回热器31冷侧工质入口。

Claims (7)

1.一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，特征在于：包括锅炉(1)，锅炉(1)工质出口与透平(2)工质入口相连，透平(2)排气口与2号回热器(32)、3号回热器(33)和4号回热器(34)热侧依次相连，4号回热器(34)热侧出口与预冷器(7)工质入口相连，预冷器(7)工质出口与前置主压缩机(4)入口相连，前置主压缩机(4)出口与中间冷却器(9)工质入口相连，中间冷却器(9)工质出口与主压缩机(6)入口相连，主压缩机(6)出口依次与4号回热器(34)、3号回热器(33)、2号回热器(32)和1号回热器(31)冷侧依次相连，1号回热器(31)冷侧出口与锅炉(1)工质入口相连；
透平(2)工质抽气口与1号回热器(31)、5号回热器(35)、热网加热器(8)热侧依次相连，热网加热器(8)热侧出口与前置主压缩机(4)出口相连；
4号回热器(34)冷侧出口与5号回热器(35)冷侧入口相连，5号回热器(35)冷侧出口与2号回热器(32)冷侧出口相连；
热网加热器(8)冷却水进出口与热网相连，预冷器(7)、中间冷却器(9)预冷器冷却水进出口与冷却水系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，其特征在于：4号回热器(34)出口还与再压缩机(5)工质入口相连，再压缩机(5)工质出口与2号回热器(32)冷侧入口相连。
3.根据权利要求1所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，其特征在于：透平(2)排气口压力为7.8MPa-8.6MPa。
4.根据权利要求1所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，其特征在于：透平(2)抽气口压力为10MPa-15.0MPa。
5.根据权利要求1所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，其特征在于：前置主压缩机(4)出口压力9.5MPa-14.5MPa。
6.根据权利要求1所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统，其特征在于：预冷器(7)和中间冷却器(9)工质出口温度为33℃-38℃。
7.权利要求1至6任一项所述的一种双背压超临界二氧化碳多联产系统的运行方法，其特征在于：超临界二氧化碳在前置主压缩机(4)中升压后，在中间冷却器(9)中冷却，而后在主压缩机(6)升压，然后依次在4号回热器(34)、3号回热器(33)、2号回热器(32)、1号回热器(31)、锅炉(1)吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平(2)做功，透平(2)排气又依次在2号回热器(32)、3号回热器(33)、4号回热器(34)放热后分成两股，一股经再压缩机(5)升压后汇入2号回热器(32)入口，另一股在预冷器(7)中冷却后进入前置主压缩机(4)，完成闭合循环；
高温高压二氧化碳进入透平(2)做功后，部分从透平(2)抽气口抽出，依次在1号回热器(31)、5号回热器(35)、热网加热器(8)放热后汇入中间冷却器(9)冷工质入口，通过调整此部分抽气比例，调整进入热网加热器(8)的超临界二氧化碳工质温度，满足不同供热负荷需求，提高机组运行灵活性；
4号回热器(34)冷侧出口分流部分工质经5号回热器(35)加热后汇入1号回热器(31)冷侧工质入口。
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