CN113623038B - 一种空气-蒸汽联合循环发电系统和方法 - Google Patents

一种空气-蒸汽联合循环发电系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气‑蒸汽联合循环发电系统和方法，包括空气循环发电系统和蒸汽循环发电系统；所述的空气循环发电系统包括同轴连接的空气透平、空气预热器、低压压气机、高压压气机和空气透平带动的发电机；所述的蒸汽循环发电系统包括给水泵、凝汽器、蒸汽透平和蒸汽透平带动的发电机；所述的空气循环发电方法包括步骤一；所述的蒸汽循环发电方法包括步骤二。本发明一方面在传统火电厂蒸汽循环发电系统基础上叠加空气循环发电系统，并实现了压气机耗功转化为热量后在给水系统中的再吸收，这样可以有效提高火电厂经济性；另外一方面，利用空气热容小，升温迅速，可以把传统大机组火电厂改造为小型火力发电厂，提高传统火电厂在人烟稀少等北方极寒地区的负荷匹配性及灵活性。

Description

一种空气-蒸汽联合循环发电系统和方法
技术领域
本发明属于发电设备技术领域，具体涉及一种空气-蒸汽联合循环发电系统和方法。
背景技术
目前针对空气-蒸汽联合循环发电的研究还较少，但是针对空气作为循环介质的研究，主要集中在以空气为储能介质进行发电系统的储能和释能研究方面。如授权日为2021年06月18日，授权公告号为CN112983566的中国专利中，公开了一种应用于压缩空气储能系统的释能子系统和释能方法，该系统针对压力较低的空气采用空气透平进行膨胀做功，做完功的空气直接排入环境，造成了环境中废热的增加，不利于环境的改善。另外如授权日为2021年06月22日，授权公告号为CN109944650的中国专利中，公开了一种含超临界压缩空气储能的冷热电联产系统及方法，空气透平1和空气透平2虽然均参与发电，但是空气透平进口的热空气吸收的热量采用太阳能集热/蓄热系统，均未采用火力发电厂的常规燃料进行空气加热。在火电厂中采用空气-蒸汽联合循环来发电以提高循环热效率并且空气透平的排气回收到锅炉炉膛里参与燃烧的发明在本发明里还是首次提出。
综上所述，对于在火力发电厂中采用空气-蒸汽联合循环发电系统和方法来进行发电的尝试，目前尚无一种普适性和方便可靠的发电方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用性强、方便可靠的、并且可以小型化当前火电厂的可用于火力发电厂发电的一种空气-蒸汽联合循环发电系统和方法。
本发明是采用如下技术方案来实现的：
一种空气-蒸汽联合循环发电系统，包括空气循环发电系统和蒸汽循环发电系统；
空气循环发电系统包括空气过滤器进口管道，空气过滤器进口管道设置有空气进口，其空气出口连接至空气过滤器的进口，空气过滤器的出口通过低压压气机进口管道连接至低压压气机的进口，低压压气机的出口通过压气机级间冷却器进口管道连接至空气在压气机级间冷却器的空气进口，空气在压气机级间冷却器的空气出口通过高压压气机进口管道连接至高压压气机的进口，高压压气机的出口通过高压压气机出口管道连接至布置在锅炉炉膛里高温区的空气预热器的进口，空气预热器的出口通过空气透平进口管道连接至空气透平的进口，通过空气透平带动发电机的轴带动低压压气机、高压压气机和空气透平带动的发电机旋转做功和发电，空气透平的出口通过空气透平排气管道排入锅炉炉膛内充分回收余热并与磨煤机通过磨煤机送粉管道送入锅炉中的煤粉混合燃烧，从而完成一个空气的开式发电循环；
蒸汽循环发电系统包括给水泵，给水泵的出口通过给水泵至蒸汽发生器给水管道连接至布置在锅炉炉膛里低温区的蒸汽发生器的进口，蒸汽发生器的出口通过蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道连接至蒸汽透平的进口，通过蒸汽透平带动发电机的轴带动蒸汽透平带动的发电机发电，蒸汽透平的出口通过蒸汽透平排汽管道连接至凝汽器的进口，凝汽器的出口通过压气机级间冷却器水侧进口管道连接至压气机级间冷却器的水进口，压气机级间冷却器的水出口通过压气机级间冷却器水侧出口管道连接至给水泵的进口。
本发明进一步的改进在于，所述的空气预热器为管侧能够承受高压压气机出口空气压力的管式预热器。
本发明进一步的改进在于，所述的空气预热器中管侧高压空气的温度具有相应的高限报警值和主燃料跳闸值，以防空气预热器温度过高被烧坏。
本发明进一步的改进在于，低压压气机排出的空气在压气机级间冷却器中充分冷却之后，再通过高压压气机进口管道进入高压压气机，这样能够充分降低高压压气机的耗功，从而提高空气透平带动的发电机的发电绝对值。
本发明进一步的改进在于，通过压气机级间冷却器水侧进口管道把凝汽器中的冷凝水引入到压气机级间冷却器中，并通过压气机级间冷却器水侧出口管道把吸收了热量的水引入到给水泵入口去。
一种空气-蒸汽联合循环发电方法，包括：
空气通过空气过滤器进口管道进入空气过滤器中充分过滤杂质后，通过低压压气机进口管道进入低压压气机进行充分压缩，压缩过后的空气通过低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道进入压气机级间冷却器，空气在压气机级间冷却器中冷却之后，通过高压压气机进口管道进入高压压气机中继续压缩，得到进一步压缩之后的空气通过高压压气机出口管道进入布置在锅炉炉膛里高温区的空气预热器中吸热升温，当空气温度升高到空气透平的入口温度要求后，通过空气预热器至空气透平进口管道进入空气透平中膨胀做功，通过空气透平带动发电机的轴带动低压压气机、高压压气机和空气透平带动的发电机旋转做功和发电，最后，空气透平的排气通过空气透平排气管道排入锅炉炉膛内充分回收余热并与磨煤机通过磨煤机送粉管道送入锅炉中的煤粉混合燃烧，从而完成一个空气的开式发电循环；
水泵通过给水泵至蒸汽发生器给水管道把给水打入布置在锅炉炉膛里低温区的蒸汽发生器中吸热蒸发转换为过热蒸汽，通过蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道进入蒸汽透平中进行膨胀做功，通过蒸汽透平带动发电机的轴带动蒸汽透平带动的发电机发电，膨胀做功后的蒸汽通过蒸汽透平排汽管道排入凝汽器进行冷凝，在凝汽器中蒸汽冷凝为水后的水通过压气机级间冷却器水侧进口管道进入压气机级间冷却器中吸热后，通过压气机级间冷却器水侧出口管道进入给水泵继续完成一个蒸汽的闭式发电循环。
本发明进一步的改进在于，所述的空气预热器为管侧能够承受高压压气机出口空气压力的管式预热器。
本发明进一步的改进在于，所述的空气预热器中管侧高压空气的温度具有相应的高限报警值和主燃料跳闸值，以防空气预热器温度过高被烧坏。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供了一种空气-蒸汽联合循环发电的系统和方法，在传统蒸汽循环发电系统基础上叠加空气循环发电系统，实现锅炉内煤粉燃烧能量的梯级利用，提高了火电厂循环发电的经济性。其中，低压压气机排出的空气在压气机级间冷却器中充分冷却之后，再通过高压压气机进口管道进入高压压气机，这样能够充分降低高压压气机的耗功，从而提高空气透平带动的发电机的发电绝对值，另外，通过压气机级间冷却器水侧进口管道把凝汽器中的冷凝水引入到压气机级间冷却器中，并通过压气机级间冷却器水侧出口管道把吸收了热量的水引入到给水泵入口去，这样可以充分提高所述的蒸汽循环发电系统的平均吸热温度，从而提高所述的蒸汽循环发电系统的循环热效率。本发明可以充分利用空气热容较小，可以快速吸热升温到较高温度的特点，这样就可以把发电厂的功率降低到较小的数值，最终可以单台磨煤机布置这样的所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统，从而提高火力发电厂的负荷响应灵活性。
这样的系统可以布置在我国北方极寒地区，充分利用环境温度较低时压气机耗功会大幅度减小的特点，从而大幅度提高空气透平带动的发电机(2)的发电绝对值。
另外，由于我国北方局部极寒地区冬季时间较长，环境温度又较低，最低可以达到零下30℃以下，幅员辽阔，人口又相对稀少，这样的特点，造成社会发展对发电厂负荷的要求通常较低，但是对供热的要求通常较高，这样就可以充分利用所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统可以使火力发电厂发电功率大幅度减小的特点，在所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统中的蒸汽透平(11)排汽中布置直接加热循环水的高背压装置，从而实现空气-蒸汽联合循环发电兼高背压供热的方法改进。
综上，本发明在压气机耗功转化为空气的内能之后，利用凝汽器的冷凝水在压气机级间冷却器里进行吸热，实现了压气机耗功的再利用，提高了热力循环经济性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明：
1、空气过滤器，2、空气透平带动的发电机，3、低压压气机，4、高压压气机，5、空气透平，6、压气机级间冷却器，7、锅炉，8、磨煤机，9、给水泵，10、凝汽器，11、蒸汽透平，12、蒸汽透平带动的发电机，13、空气预热器，14、蒸汽发生器，L1、空气过滤器进口管道，L2、低压压气机进口管道，L3、低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道，L4、压气机级间冷却器水侧进口管道，L5、压气机级间冷却器水侧出口管道，L6、高压压气机进口管道，L7、高压压气机出口管道，L8、空气预热器至空气透平进口管道，L9、空气透平排气管道，L10、磨煤机送粉管道，L11、给水泵至蒸汽发生器给水管道，L12、蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道，L13、蒸汽透平排汽管道，S1、空气透平带动发电机的轴，S2、蒸汽透平带动发电机的轴。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明提供的一种空气-蒸汽联合循环发电系统，包括空气循环发电系统和蒸汽循环发电系统。
所述的空气循环发电系统包括：空气通过空气过滤器进口管道L1进入空气过滤器1中充分过滤杂质后，通过低压压气机进口管道L2进入低压压气机3进行充分压缩，压缩过后的空气通过低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道L3进入压气机级间冷却器6。空气在压气机级间冷却器6中冷却之后，通过高压压气机进口管道L6进入高压压气机4中继续压缩，得到进一步压缩之后的空气通过高压压气机出口管道L7进入布置在锅炉7炉膛里高温区的空气预热器13中吸热升温。当空气温度升高到空气透平5的入口温度要求后，通过空气预热器至空气透平进口管道L8进入空气透平5中膨胀做功，通过空气透平带动发电机的轴S1带动低压压气机3、高压压气机4和空气透平带动的发电机2旋转做功和发电。最后，空气透平5的排气通过空气透平排气管道L9排入锅炉7炉膛内充分回收余热并与磨煤机8通过磨煤机送粉管道L10排入锅炉7中的煤粉混合燃烧，从而完成一个空气的开式发电循环。
所述的蒸汽循环发电系统包括：给水泵9通过给水泵至蒸汽发生器给水管道L11把给水打入布置在锅炉7炉膛里低温区的蒸汽发生器14中吸热蒸发转换为过热蒸汽，通过蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道L12进入蒸汽透平11进行膨胀做功，通过蒸汽透平带动发电机的轴S2带动蒸汽透平带动的发电机12发电。膨胀做功后的蒸汽通过蒸汽透平排汽管道L13排入凝汽器10进行冷凝。在凝汽器10中蒸汽冷凝为水后的水通过压气机级间冷却器水侧进口管道L4进入压气机级间冷却器6中吸热后，通过压气机级间冷却器水侧出口管道L5进入给水泵9完成一个蒸汽的闭式发电循环。
本发明提供的一种空气-蒸汽联合循环发电方法，包括以下步骤：
步骤一：空气通过空气过滤器进口管道L1进入空气过滤器1中充分过滤杂质后，通过低压压气机进口管道L2进入低压压气机3进行充分压缩，压缩过后的空气通过低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道L3进入压气机级间冷却器6。空气在压气机级间冷却器6中冷却之后，通过高压压气机进口管道L6进入高压压气机4中继续压缩，得到进一步压缩之后的空气通过高压压气机出口管道L7进入布置在锅炉7炉膛里高温区的空气预热器13中吸热升温。当空气温度升高到空气透平5的入口温度要求后，通过空气预热器至空气透平进口管道L8进入空气透平5中膨胀做功，通过空气透平带动发电机的轴S1带动低压压气机3、高压压气机4和空气透平带动的发电机2旋转做功和发电。最后，空气透平5的排气通过空气透平排气管道L9排入锅炉7炉膛内充分回收余热并与磨煤机8通过磨煤机送粉管道L10排入锅炉7中的煤粉混合燃烧，从而完成一个空气的开式发电循环。
步骤二：给水泵9通过给水泵至蒸汽发生器给水管道L11把给水打入布置在锅炉7炉膛里低温区的蒸汽发生器14中吸热蒸发转换为过热蒸汽，通过蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道L12进入蒸汽透平11进行膨胀做功，通过蒸汽透平带动发电机的轴S2带动蒸汽透平带动的发电机12发电。膨胀做功后的蒸汽通过蒸汽透平排汽管道L13排入凝汽器10进行冷凝。在凝汽器10中蒸汽冷凝为水后的水通过压气机级间冷却器水侧进口管道L4进入压气机级间冷却器6中吸热后，通过压气机级间冷却器水侧出口管道L5进入给水泵9继续完成一个蒸汽的闭式发电循环。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种空气-蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，包括空气循环发电系统和蒸汽循环发电系统；
空气循环发电系统包括空气过滤器进口管道(L1)，空气过滤器进口管道(L1)设置有空气进口，其空气出口连接至空气过滤器(1)的进口，空气过滤器(1)的出口通过低压压气机进口管道(L2)连接至低压压气机(3)的进口，低压压气机(3)的出口通过压气机级间冷却器进口管道(L3)连接至压气机级间冷却器(6)的空气进口，空气在压气机级间冷却器(6)的空气出口通过高压压气机进口管道(L6)连接至高压压气机(4)的进口，高压压气机(4)的出口通过高压压气机出口管道(L7)连接至布置在锅炉(7)炉膛里高温区的空气预热器(13)的进口，空气预热器(13)的出口通过空气透平进口管道(L8)连接至空气透平(5)的进口，通过空气透平带动发电机的轴(S1)带动低压压气机(3)、高压压气机(4)和空气透平带动的发电机(2)旋转做功和发电，空气透平(5)的出口通过空气透平排气管道(L9)排入锅炉(7)炉膛内充分回收余热并与磨煤机(8)通过磨煤机送粉管道(L10)送入锅炉(7)中的煤粉混合燃烧，从而完成一个空气的开式发电循环；
蒸汽循环发电系统包括给水泵(9)，给水泵(9)的出口通过给水泵至蒸汽发生器给水管道(L11)连接至布置在锅炉(7)炉膛里低温区的蒸汽发生器(14)的进口，蒸汽发生器(14)的出口通过蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道(L12)连接至蒸汽透平(11)的进口，通过蒸汽透平带动发电机的轴(S2)带动蒸汽透平带动的发电机(12)发电，蒸汽透平(11)的出口通过蒸汽透平排汽管道(L13)连接至凝汽器(10)的进口，凝汽器(10)的出口通过压气机级间冷却器水侧进口管道(L4)连接至压气机级间冷却器(6)的水进口，压气机级间冷却器(6)的水出口通过压气机级间冷却器水侧出口管道(L5)连接至给水泵(9)的进口。
2.根据权利要求1所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，所述的空气预热器(13)为管侧能够承受高压压气机(4)出口空气压力的管式预热器。
3.根据权利要求1所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，所述的空气预热器(13)中管侧高压空气的温度具有相应的高限报警值和主燃料跳闸值，以防空气预热器(13)温度过高被烧坏。
4.根据权利要求1所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，低压压气机(3)排出的空气在压气机级间冷却器(6)中充分冷却之后，再通过高压压气机进口管道(L6)进入高压压气机(4)，这样能够充分降低高压压气机(4)的耗功，从而提高空气透平带动的发电机(2)的发电绝对值。
5.根据权利要求1所述的一种空气-蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，通过压气机级间冷却器水侧进口管道(L4)把凝汽器(10)中的冷凝水引入到压气机级间冷却器(6)中，并通过压气机级间冷却器水侧出口管道(L5)把吸收了热量的水引入到给水泵(9)入口去。
6.一种空气-蒸汽联合循环发电方法，其特征在于，包括：
空气通过空气过滤器进口管道(L1)进入空气过滤器(1)中充分过滤杂质后，通过低压压气机进口管道(L2)进入低压压气机(3)进行充分压缩，压缩过后的空气通过低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道(L3)进入压气机级间冷却器(6)，空气在压气机级间冷却器(6)中冷却之后，通过高压压气机进口管道(L6)进入高压压气机(4)中继续压缩，得到进一步压缩之后的空气通过高压压气机出口管道(L7)进入布置在锅炉(7)炉膛里高温区的空气预热器(13)中吸热升温，当空气温度升高到空气透平(5)的入口温度要求后，通过空气预热器至空气透平进口管道(L8)进入空气透平(5)中膨胀做功，通过空气透平带动发电机的轴(S1)带动低压压气机(3)、高压压气机(4)和空气透平带动的发电机(2)旋转做功和发电，最后，空气透平(5)的排气通过空气透平排气管道(L9)排入锅炉(7)炉膛内充分回收余热并与磨煤机(8)通过磨煤机送粉管道(L10)送入锅炉(7)中的煤粉混合燃烧，从而完成一个空气的开式发电循环；
水泵(9)通过给水泵至蒸汽发生器给水管道(L11)把给水打入布置在锅炉(7)炉膛里低温区的蒸汽发生器(14)中吸热蒸发转换为过热蒸汽，通过蒸汽发生器至蒸汽透平主蒸汽管道(L12)进入蒸汽透平(11)中进行膨胀做功，通过蒸汽透平带动发电机的轴(S2)带动蒸汽透平带动的发电机(12)发电，膨胀做功后的蒸汽通过蒸汽透平排汽管道(L13)排入凝汽器(10)进行冷凝，在凝汽器(10)中蒸汽冷凝为水后的水通过压气机级间冷却器水侧进口管道(L4)进入压气机级间冷却器(6)中吸热后，通过压气机级间冷却器水侧出口管道(L5)进入给水泵(9)继续完成一个蒸汽的闭式发电循环。
7.根据权利要求6所述的一种空气-蒸汽联合循环发电方法，其特征在于，所述的空气预热器(13)为管侧能够承受高压压气机(4)出口空气压力的管式预热器。
8.根据权利要求6所述的一种空气-蒸汽联合循环发电方法，其特征在于，所述的空气预热器(13)中管侧高压空气的温度具有相应的高限报警值和主燃料跳闸值，以防空气预热器(13)温度过高被烧坏。
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