CN113653547A - 一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法 - Google Patents
一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113653547A CN113653547A CN202111037578.0A CN202111037578A CN113653547A CN 113653547 A CN113653547 A CN 113653547A CN 202111037578 A CN202111037578 A CN 202111037578A CN 113653547 A CN113653547 A CN 113653547A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- gas
- subsystem
- unit
- power generation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 390
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 195
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 195
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 172
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims abstract description 49
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 30
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 25
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 24
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 24
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 21
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 21
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 20
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 5
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 238000011017 operating method Methods 0.000 claims 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 abstract description 3
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 abstract description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000192 social effect Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
- F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
- F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
- F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
- F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
- F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
- F01K25/103—Carbon dioxide
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
- F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
- F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
- F02C3/22—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being gaseous at standard temperature and pressure
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
- F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
本发明提供了一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法，所述复合循环发电系统包括依次连接的燃氢燃气轮机循环子系统、超临界二氧化碳循环子系统、余热回收子系统以及循环冷却水子系统；所述燃氢燃气轮机循环子系统为开式循环；所述超临界二氧化碳循环子系统为闭式循环；所述复合循环发电系统以燃氢燃气轮机循环为顶循环，以超临界二氧化碳循环为底循环，发挥了闭式超临界二氧化碳循环和燃氢燃气轮机循环的技术优势，辅以余热回收系统，解决了能源梯级综合利用的问题，同时实现了发电系统的高发电效率和低污染物排放，优化了发电系统应用方式，对发展低碳排放发电系统具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于动力循环技术领域，涉及一种循环发电系统及其运行方法，具体涉及一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法。
背景技术
二氧化碳临界压力相对适中，具有较好的稳定性和物理性质，其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。超临界二氧化碳动力循环的循环效率高，结构紧凑，适用范围广，具有良好的应用前景。
超临界二氧化碳动力循环可分为两类：一类采用开式直燃加热方式，超临界二氧化碳在燃烧器中被燃气直接加热至高温，燃烧产物在透平出口后的处理工艺中排放或收集；另一类采用闭式间接加热方式，超临界二氧化碳由加热器加热至高温，加热器可由燃料燃烧、聚光太阳能热、核能等多种方式提供热量。
另一方面，随着碳排放要求越来越严厉，常规发电系统长期使用化石燃料逐渐暴露出更多问题。在未来无碳能源生态系统中，氢燃料将是一种非常好的替代燃料。传统天然气发电用燃气轮机市场不断萎缩，使得氢经济的蓬勃发展，燃氢燃气轮机进入高速发展阶段。国际主要燃气轮机厂商正在推进燃氢燃气轮机的研发，目前，已成功实现燃气轮机掺氢燃烧，并将最终实现燃气轮机纯氢燃烧。
因此，发挥闭式超临界二氧化碳循环系统和燃氢燃气轮机循环的优势，解决开式直燃超临界二氧化碳循环系统能源利用效率不足的问题，响应发电行业的减碳要求，满足传统化石燃料向氢燃料转型的发展需要，构建高效率低碳排放复合循环发电系统，成为本领域技术人员致力于解决的难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法，所述复合循环发电系统将燃氢燃气轮机循环系统与闭式超临界二氧化碳循环系统相结合，提高了能源利用效率，同时满足了减碳的要求，具有十分重要的意义。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种低碳排放复合循环发电系统，所述复合循环发电系统包括依次连接的燃氢燃气轮机循环子系统、超临界二氧化碳循环子系统、余热回收子系统以及循环冷却水子系统；
所述燃氢燃气轮机循环子系统为开式循环；
所述超临界二氧化碳循环子系统为闭式循环。
本发明中，燃氢燃气轮机循环子系统，作为复合循环的顶循环，采用开式循环，用于将氢燃料的化学能转化为热能，并进一步将热能转化为机械能，拖动发电机产生电能；超临界二氧化碳循环子系统，作为复合循环的底循环采用闭式循环，用于将燃氢燃气轮机的排气余热转化为机械能，拖动发电机产生电能；余热回收子系统，用于回收利用超临界二氧化碳循环子系统后的低品位燃气余热，将热能转化为机械能，为超临界二氧化碳循环子系统提供驱压缩二氧化碳的动力；循环冷却水子系统，用于提供复合循环发电系统中所需的冷却水。
本发明中，“低碳排放”是指碳排放指标小于300g/kWh。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述燃氢燃气轮机循环子系统包括依次相连的氢燃料供应单元、燃氢单元、第一转换单元、气体控制单元以及尾气排放装置；所述燃氢燃气轮机循环子系统还包括与所述燃氢单元相连的第一气体压缩单元以及与所述第一转换单元相连的第一发电单元。
优选地，所述燃氢单元包括燃氢燃烧室。
优选地，所述第一转换单元包括燃气透平。
优选地，所述气体控制单元包括排气翻板门。
优选地，所述第一气体压缩单元包括空气压缩机。
优选地，所述第一发电单元包括燃气发电机。
本发明中，氢燃料供应单元用于氢燃料的预处理，具备调压、调温、过滤等氢燃料处理功能，为燃氢燃气轮机循环子系统供应氢燃料；空气压缩机，用于空气的压缩增压，向燃氢燃气轮机循环子系统提供特定压力、温度参数要求的压缩空气；燃氢燃烧室，通过氢燃料和压缩空气的定压燃烧反应，生成高温高压燃气，将氢燃料化学能转化为热能，为燃氢燃气轮机循环子系统提供高温热源；燃气透平，通过高温高压燃气在透平转动部件的膨胀做功，将燃气工质的热能转化为透平转子轴输出的机械功，并排出低压燃气排气；燃气发电机，燃气发电机用于接受透平转子轴输出的机械功，将机械功转化为电能；排气翻板门，用于切换燃气透平排气的流路走向，采用复合循环运行方式时，燃气透平的排气进入二氧化碳加热器；采用燃氢燃气轮机循环子系统独立运行方式时，燃气透平的排气进入尾气排放装置；尾气排放装置用于接受和处理燃氢燃气轮机循环尾气。
作为本发明优选的技术方案，所述超临界二氧化碳循环子系统包括依次相连的储注单元、第二气体压缩单元、换热单元、加热单元、第二转换单元以及第二发电单元；所述超临界二氧化碳循环子系统还包括与所述第二气体压缩单元相连的第一冷却单元；并且，所述第二转换单元通过所述换热单元与所述第一冷却单元相连，构成循环。
优选地，所述第二气体压缩单元包括二氧化碳压缩机。
优选地，所述换热单元包括二氧化碳回热器。
优选地，所述加热单元包括二氧化碳加热器。
优选地，所述第二转换单元包括二氧化碳透平。
优选地，所述第二发电单元包括二氧化碳发电机。
优选地，所述第一冷却单元包括二氧化碳预冷器。
本发明中，储注单元，用于二氧化碳工质的储存和充注；二氧化碳压缩机，用于对二氧化碳工质进行压缩；二氧化碳回热器，用于对压缩后的二氧化碳工质进行加热，同时回收二氧化碳透平出口工质的显热；二氧化碳加热器，用于接受燃气透平的排气，利用燃气排气加热二氧化碳回热器出口的二氧化碳工质；二氧化碳透平，通过高压二氧化碳工质在透平转动部件的膨胀做功，把二氧化碳工质的热能转化为透平转子轴输出的机械功；二氧化碳发电机，用于接受二氧化碳透平转子轴输出的机械功，将机械功转化为电能；二氧化碳预冷器，用于对二氧化碳回热器的高温侧出口二氧化碳工质进行冷却。
作为本发明优选的技术方案，所述余热回收子系统包括依次连接的第三转换单元和第二冷却单元。
优选地，所述第三转换单元还与所述第二气体压缩单元相连。
优选地，所述第二冷却单元还与所述尾气排放装置相连。
优选地，所述第三转换单元包括余热透平。
优选地，所述第二冷却单元包括尾气冷凝器。
本发明中，余热透平，用于接受二氧化碳加热器的出口燃气排气，低品质燃气排气在余热透平转动部件膨胀做功，为二氧化碳压缩机提供驱动动力；尾气冷凝器，用于接受和处理余热透平的燃气排气，将燃气排气中的水分冷凝至液态，并为余热透平提供低压膨胀条件，冷凝液经水质处理后可回收利用。
作为本发明优选的技术方案，所述燃氢燃气轮机循环子系统的气体控制单元与所述超临界二氧化碳循环子系统的加热单元相连。
所述超临界二氧化碳循环子系统的加热单元与所述余热回收子系统的第三转换单元相连。
所述循环冷却水子系统分别与所述超临界二氧化碳循环子系统的第一冷却单元和所述余热回收子系统的第二冷却单元相连。
本发明中，所述复合循环发电系统的各个设备之间通过管道连接，根据系统工艺流程和控制需要，管道上布置所需阀门、仪表，组成系统的其他部分还有辅助装置、附属设备、控制系统和电气系统等；所述复合循环发电系统的发电效率大于60％，例如61％、63％、65％、67％、69％或71％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
另一方面，本发明提供了一种上述复合循环发电系统的运行方法，所述运行方法包括以下步骤：
(1)在燃氢燃气轮机循环子系统中，氢燃料与空气燃烧生成燃气，得到的燃气经膨胀做功进行发电；
(2)步骤(1)中经膨胀做功后的燃气排气进入到超临界二氧化碳循环子系统，对二氧化碳进行加热，加热后的二氧化碳经膨胀做功进行发电；经膨胀做功后的二氧化碳经冷却后进行循环利用；
(3)步骤(2)中对二氧化碳进行加热后的燃气排气进入余热回收子系统经膨胀做功提供动力；经膨胀做功后的燃气排气进行冷却。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述空气包括压缩空气。
优选地，所述压缩空气的压缩比大于16，例如17、18、19、20或21等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，压缩空气的压缩比若过小，会导致燃气透平入口工质热力参数偏低，燃氢燃气轮机循环比功降低，燃氢燃气轮机循环效率下降；同时，引起燃气透平的排气参数降低，进而导致超临界二氧化碳循环子系统效率下降。
优选地，步骤(1)所述燃气的温度大于1300℃，例如1320℃、1340℃、1360℃、1380℃、1400℃、1420℃或1440℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)采用燃气透平进行所述膨胀做功，所述燃气透平的相对内效率大于88％，例如89％、90％、91％、92％、93％、94％或95％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述燃氢燃气轮机循环子系统的发电效率大于35％，例如36％、37％、38％、39％、40％或41％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述二氧化碳进行加热前先进行压缩以及预加热。
优选地，所述压缩采用二氧化碳压缩机进行，所述二氧化碳压缩机的出口压力大于20MPa，例如21MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa或30MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，二氧化碳压缩机的出口压力即为闭式二氧化碳循环子系统的最高设计压力。若压力过小，会导致二氧化碳透平入口工质热力学参数偏低，二氧化碳工质做功能力下降，二氧化碳透平输出轴功随之下降，引起超临界二氧化碳循环效率降低，进而影响复合循环发电系统总效率。
优选地，采用步骤(2)中经膨胀做功后的二氧化碳进行所述预加热。
优选地，步骤(2)中经膨胀做功后的二氧化碳与所述压缩后的二氧化碳的温度差大于12℃，例如13℃、14℃、15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃或22℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，经膨胀做功后的二氧化碳为高温流体，压缩后的二氧化碳为低温流体。
优选地，步骤(2)所述加热后二氧化碳的温度大于500℃，例如510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃或590℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，若加热后二氧化碳的温度过低，会导致二氧化碳透平入口工质热力学参数偏低，二氧化碳工质做功能力下降，超临界二氧化碳循环效率降低；同时，会导致二氧化碳加热器的出口燃气排气参数下降，影响余热透平对低品质燃气排气的回收利用，降低复合循环发电系统总效率，严重时，将导致复合循环发电系统无法正常运行。
优选地，步骤(2)采用二氧化碳透平进行所述膨胀做功，所述二氧化碳透平的等熵效率大于85％，例如86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％或93％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述膨胀做功为压缩二氧化碳提供动力。
作为本发明优选的技术方案，将步骤(3)经膨胀做功后燃气排气中的水分冷却至液态。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述复合循环发电系统，顶循环燃用氢燃料大幅降低了发电循环系统的二氧化碳生成，采用纯氢燃料时可达到二氧化碳零生成，实现循环系统的零碳排放，解决了传统发电系统碳减排问题，有助于发电行业的新型电力系统的开发和实用化，符合国家减碳要求，具有积极的社会效果；
(2)本发明所述复合循环发电系统，采用燃氢燃气轮机开式循环作为顶循环，燃氢燃烧室燃烧反应温度高，循环的热端温度参数高，循环的热效率高，具有高燃气轮机循环发电效率；同时，燃气轮机的排气温度可以达到500℃以上，向超临界二氧化碳闭式循环子系统提供了理想供热热源，为超临界二氧化碳闭式循环的推广和应用提供了新的方向和途径；
(3)本发明所述复合循环发电系统，采用超临界二氧化碳闭式循环作为底循环，系统简单，结构紧凑，内置回热器最大限度利用循环内部余热；二氧化碳压缩机由燃气余热透平驱动，不消耗外部电能，最大限度减小能源浪费，解决了能源梯级综合利用的问题，实现了高发电效率和低污染物排放，具有优良的节能减排效果。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的低碳排放复合循环发电系统的流程图。
其中，1-燃氢燃气轮机循环子系统，11-氢燃料供应单元，12-空气压缩机，13-燃氢燃烧室，14-燃气透平，15-燃气发电机，16-排气翻板门，17-尾气排放装置，2-超临界二氧化碳循环子系统，21-二氧化碳压缩机，22-二氧化碳回热器，23-二氧化碳加热器，24-二氧化碳透平，25-二氧化碳发电机，26-二氧化碳预冷器，27-储注单元，3-余热回收子系统，31-余热透平，32-尾气冷凝器，4-循环冷却水子系统。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法，所述复合循环发电系统的流程图如图1所示。
所述复合循环发电系统包括依次连接的燃氢燃气轮机循环子系统1、超临界二氧化碳循环子系统2、余热回收子系统3以及循环冷却水子系统4；
所述燃氢燃气轮机循环子系统1为开式循环；所述超临界二氧化碳循环子系统2为闭式循环。
所述燃氢燃气轮机循环子系统1包括依次相连的氢燃料供应单元11、燃氢燃烧室13、燃气透平14、排气翻板门16以及尾气排放装置17；所述燃氢燃气轮机循环子系统1还包括与所述燃氢燃烧室13相连的空气压缩机12以及与所述燃气透平14相连的燃气发电机15；
所述超临界二氧化碳循环子系统2包括依次相连的储注单元27、二氧化碳压缩机21、二氧化碳回热器22、二氧化碳回热器22、二氧化碳透平24以及二氧化碳发电机25；所述超临界二氧化碳循环子系统2还包括与所述二氧化碳压缩机21相连的二氧化碳预冷器26；并且，所述二氧化碳透平24通过所述二氧化碳回热器22与所述二氧化碳预冷器26，构成循环；
所述余热回收子系统3包括依次连接的余热透平4和尾气冷凝器32；所述余热透平4还与所述二氧化碳压缩机21相连；所述尾气冷凝器32还与所述尾气排放装置17相连；
所述燃氢燃气轮机循环子系统1的排气翻板门16与所述超临界二氧化碳循环子系统2的二氧化碳加热器23相连；
所述超临界二氧化碳循环子系统2的二氧化碳加热器23与所述余热回收子系统3的余热透平4相连；
所述循环冷却水子系统4分别与所述超临界二氧化碳循环子系统2的二氧化碳预冷器26和所述余热回收子系统3的尾气冷凝器32相连。
上述复合循环发电系统的运行方法包括：
(1)氢燃料经氢燃料供应单元11处理后供应至燃氢燃烧室13，与空气压缩机12提供的压缩空气(压缩比为18)发生燃烧反应生成1380℃的高温燃气，高温燃气在燃气透平14中膨胀做功，拖动燃气发电机15产生电能；所述燃气透平14的相对内效率达90％；
(2)步骤(1)中经膨胀做功后的燃气排气进入二氧化碳加热器23，加热来自二氧化碳回热器22的二氧化碳工质，使其达到530℃，加热后的二氧化碳工质进入二氧化碳透平24进行膨胀做功，拖动二氧化碳发电机25产生电能；所述二氧化碳透平24的等熵效率达88％；
二氧化碳透平24膨胀做功后的二氧化碳工质进入二氧化碳回热器22进行冷却，在二氧化碳预冷器26中被循环冷却水进一步预冷，再由二氧化碳压缩机21增压至闭式二氧化碳循环子系统的最高设计压力23MPa，经二氧化碳回热器22进一步加热后，送至二氧化碳加热器23。
(3)从二氧化碳加热器23排出的燃气排气进入余热透平31进行膨胀做功，余热透平32输出轴功为二氧化碳压缩机21提供驱动动力，通过低品质余热的膨胀做功实现燃气排气热能的梯级利用；
余热透平31排出的燃气排气进入尾气冷凝器32，将燃气排气中的水分被循环冷却水冷凝至液态，并为余热透平31提供低压膨胀条件；未被冷凝的燃气排气经尾气排放装置17排放。
实施例2：
本实施例提供了一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法，所述复合循环发电系统与实施例1中的复合循环发电系统相同。
所述运行方法包括以下步骤：
(1)氢燃料经氢燃料供应单元11处理后供应至燃氢燃烧室13，与空气压缩机12提供的压缩空气(压缩比为20)发生燃烧反应生成1450℃的高温燃气，高温燃气在燃气透平14中膨胀做功，拖动燃气发电机15产生电能；所述燃气透平14的相对内效率达92％；
(2)步骤(1)中经膨胀做功后的燃气排气进入二氧化碳加热器23，加热来自二氧化碳回热器22的二氧化碳工质，使其达到550℃，加热后的二氧化碳工质进入二氧化碳透平24进行膨胀做功，拖动二氧化碳发电机25产生电能；所述二氧化碳透平24的等熵效率达90％；
二氧化碳透平24膨胀做功后的二氧化碳工质进入二氧化碳回热器22进行冷却，在二氧化碳预冷器26中被循环冷却水进一步预冷，再由二氧化碳压缩机21增压至闭式二氧化碳循环子系统的最高设计压力25MPa，经二氧化碳回热器22进一步加热后，送至二氧化碳加热器23。
(3)从二氧化碳加热器23排出的燃气排气进入余热透平31进行膨胀做功，余热透平32输出轴功为二氧化碳压缩机21提供驱动动力，通过低品质余热的膨胀做功实现燃气排气热能的梯级利用；
余热透平31排出的燃气排气进入尾气冷凝器32，将燃气排气中的水分被循环冷却水冷凝至液态，并为余热透平31提供低压膨胀条件；未被冷凝的燃气排气经尾气排放装置17排放。
实施例3：
本实施例提供了一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法，所述复合循环发电系统与实施例1中的复合循环发电系统相同。
所述运行方法包括以下步骤：
(1)氢燃料经氢燃料供应单元11处理后供应至燃氢燃烧室13，与空气压缩机12提供的压缩空气(压缩比为17)发生燃烧反应生成1350℃的高温燃气，高温燃气在燃气透平14中膨胀做功，拖动燃气发电机15产生电能；所述燃气透平14的相对内效率达89％；
(2)步骤(1)中经膨胀做功后的燃气排气进入二氧化碳加热器23，加热来自二氧化碳回热器22的二氧化碳工质，使其达到510℃，加热后的二氧化碳工质进入二氧化碳透平24进行膨胀做功，拖动二氧化碳发电机25产生电能；所述二氧化碳透平24的等熵效率达86％；
二氧化碳透平24膨胀做功后的二氧化碳工质进入二氧化碳回热器22进行冷却，在二氧化碳预冷器26中被循环冷却水进一步预冷，再由二氧化碳压缩机21增压至闭式二氧化碳循环子系统的最高设计压力21MPa，经二氧化碳回热器22进一步加热后，送至二氧化碳加热器23。
(3)从二氧化碳加热器23排出的燃气排气进入余热透平31进行膨胀做功，余热透平32输出轴功为二氧化碳压缩机21提供驱动动力，通过低品质余热的膨胀做功实现燃气排气热能的梯级利用；
余热透平31排出的燃气排气进入尾气冷凝器32，将燃气排气中的水分被循环冷却水冷凝至液态，并为余热透平31提供低压膨胀条件；未被冷凝的燃气排气经尾气排放装置17排放。
测定实施例1-3所述的复合循环发电系统中燃氢燃气轮机循环子系统的发电效率以及复合循环发电系统总的发电效率，结果如表1所示。
表1
实施例1-3采用本发明所述的复合循环发电系统，通过优化运行参数，使得整个系统的发电效率可达60％以上；实施例2中相比于实施例1，提高了空气压缩比和高温燃气温度，使得燃气透平相对内效率增加，燃氢燃气轮机循环子系统的发电效率升高，同时二氧化碳透平入口温度和压力参数提升，使得二氧化碳透平等熵效率增加，进而导致复合循环发电系统发电效率增加；实施例3相比于实施例1，降低了空气压缩比和高温燃气温度，导致燃气透平相对内效率减小，燃氢燃气轮机循环子系统的发电效率减小，此外，二氧化碳透平入口温度和压力参数的降低，使得二氧化碳透平等熵效率减小，进而导致复合循环发电系统发电效率降低。
综合上述实施例可以看出，本发明所述复合循环发电系统以燃氢燃气轮机循环为顶循环，以超临界二氧化碳循环为底循环，发挥了闭式超临界二氧化碳循环和燃氢燃气轮机循环的技术优势，辅以余热回收系统，解决了能源梯级综合利用的问题，整个系统的发电效率可达60％以上；同时实现了发电系统的高发电效率和低污染物排放，创新了发电系统应用方式，对发展低碳排放新型发电系统具有重要意义。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的系统和详细方法，但本发明并不局限于上述系统和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述系统和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种低碳排放复合循环发电系统，其特征在于，所述复合循环发电系统包括依次连接的燃氢燃气轮机循环子系统、超临界二氧化碳循环子系统、余热回收子系统以及循环冷却水子系统；
所述燃氢燃气轮机循环子系统为开式循环；
所述超临界二氧化碳循环子系统为闭式循环。
2.根据权利要求1所述的复合循环发电系统，其特征在于，所述燃氢燃气轮机循环子系统包括依次相连的氢燃料供应单元、燃氢单元、第一转换单元、气体控制单元以及尾气排放装置；所述燃氢燃气轮机循环子系统还包括与所述燃氢单元相连的第一气体压缩单元以及与所述第一转换单元相连的第一发电单元；
优选地，所述燃氢单元包括燃氢燃烧室；
优选地，所述第一转换单元包括燃气透平；
优选地，所述气体控制单元包括排气翻板门；
优选地，所述第一气体压缩单元包括空气压缩机；
优选地，所述第一发电单元包括燃气发电机。
3.根据权利要求1或2所述的复合循环发电系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳循环子系统包括依次相连的储注单元、第二气体压缩单元、换热单元、加热单元、第二转换单元以及第二发电单元；所述超临界二氧化碳循环子系统还包括与所述第二气体压缩单元相连的第一冷却单元；并且，所述第二转换单元通过所述换热单元与所述第一冷却单元相连，构成循环；
优选地，所述第二气体压缩单元包括二氧化碳压缩机；
优选地，所述换热单元包括二氧化碳回热器；
优选地，所述加热单元包括二氧化碳加热器；
优选地，所述第二转换单元包括二氧化碳透平；
优选地，所述第二发电单元包括二氧化碳发电机；
优选地，所述第一冷却单元包括二氧化碳预冷器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合循环发电系统，其特征在于，所述余热回收子系统包括依次连接的第三转换单元和第二冷却单元；
优选地，所述第三转换单元还与所述第二气体压缩单元相连；
优选地，所述第二冷却单元还与所述尾气排放装置相连；
优选地，所述第三转换单元包括余热透平；
优选地，所述第二冷却单元包括尾气冷凝器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合循环发电系统，其特征在于，所述燃氢燃气轮机循环子系统的气体控制单元与所述超临界二氧化碳循环子系统的加热单元相连；
所述超临界二氧化碳循环子系统的加热单元与所述余热回收子系统的第三转换单元相连；
所述循环冷却水子系统分别与所述超临界二氧化碳循环子系统的第一冷却单元和所述余热回收子系统的第二冷却单元相连。
6.一种如权利要求1-5任一项所述复合循环发电系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括以下步骤：
(1)在燃氢燃气轮机循环子系统中，氢燃料与空气燃烧生成燃气，得到的燃气经膨胀做功进行发电；
(2)步骤(1)中经膨胀做功后的燃气排气进入到超临界二氧化碳循环子系统，对二氧化碳进行加热，加热后的二氧化碳经膨胀做功进行发电；经膨胀做功后的二氧化碳经冷却后进行循环利用；
(3)步骤(2)中对二氧化碳进行加热后的燃气排气进入余热回收子系统经膨胀做功提供动力；经膨胀做功后的燃气排气进行冷却。
7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于，步骤(1)所述空气包括压缩空气；
优选地，所述压缩空气的压缩比大于16；
优选地，步骤(1)所述燃气的温度大于1300℃；
优选地，步骤(1)采用燃气透平进行所述膨胀做功，所述燃气透平的相对内效率大于88％；
优选地，步骤(1)所述燃氢燃气轮机循环子系统的发电效率大于35％。
8.根据权利要求6或7所述的运行方法，其特征在于，步骤(2)所述二氧化碳进行加热前先进行压缩以及预加热；
优选地，所述压缩采用二氧化碳压缩机进行，所述二氧化碳压缩机的出口压力大于20MPa；
优选地，采用步骤(2)中经膨胀做功后的二氧化碳进行所述预加热；
优选地，步骤(2)中经膨胀做功后的二氧化碳与所述压缩后的二氧化碳的温度差大于12℃；
优选地，步骤(2)所述加热后二氧化碳的温度大于500℃；
优选地，步骤(2)采用二氧化碳透平进行所述膨胀做功，所述二氧化碳透平的等熵效率大于85％。
9.根据权利要求6-8任一项所述的运行方法，其特征在于，步骤(3)所述膨胀做功为压缩二氧化碳提供动力。
10.根据权利要求6-9任一项所述的运行方法，其特征在于，将步骤(3)经膨胀做功后燃气排气中的水分冷却至液态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111037578.0A CN113653547B (zh) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111037578.0A CN113653547B (zh) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113653547A true CN113653547A (zh) | 2021-11-16 |
| CN113653547B CN113653547B (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=78493558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111037578.0A Active CN113653547B (zh) | 2021-09-06 | 2021-09-06 | 一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113653547B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114718730A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-08 | 西安交通大学 | 一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0277777A2 (en) * | 1987-02-04 | 1988-08-10 | CBI Research Corporation | Power plant using CO2 as a working fluid |
| EP1647709A2 (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-19 | Erwin Croughs | Power system using natural temperature differences |
| CN107143403A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-09-08 | 清华大学 | 氢燃气轮机尾气余热利用系统 |
| CN108374720A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-08-07 | 西安热工研究院有限公司 | 一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的igcc发电系统 |
-
2021
- 2021-09-06 CN CN202111037578.0A patent/CN113653547B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0277777A2 (en) * | 1987-02-04 | 1988-08-10 | CBI Research Corporation | Power plant using CO2 as a working fluid |
| EP1647709A2 (en) * | 2004-10-18 | 2006-04-19 | Erwin Croughs | Power system using natural temperature differences |
| CN107143403A (zh) * | 2017-04-19 | 2017-09-08 | 清华大学 | 氢燃气轮机尾气余热利用系统 |
| CN108374720A (zh) * | 2018-01-24 | 2018-08-07 | 西安热工研究院有限公司 | 一种煤气-超临界二氧化碳再压缩循环的igcc发电系统 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114718730A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-08 | 西安交通大学 | 一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法 |
| CN114718730B (zh) * | 2022-04-19 | 2023-06-30 | 西安交通大学 | 一种氨转化为氢的燃氢燃气轮机系统及控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113653547B (zh) | 2024-02-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109826681B (zh) | 一种用于燃气蒸汽联合循环机组抽汽集成的工业供热系统及其运行方法 | |
| CN111022138B (zh) | 一种基于吸收式热泵余热回收的超临界二氧化碳发电系统 | |
| CN109869204B (zh) | 一种用于燃气蒸汽联合循环机组的供热与电力调峰耦合系统及其运行方法 | |
| CN104879177A (zh) | 一种有机朗肯循环与热泵循环的耦合系统 | |
| CN103206317B (zh) | 一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统 | |
| CN109854316B (zh) | 一种基于能源梯级利用的联合循环供热与电力调峰耦合系统及其运行方法 | |
| CN113090507B (zh) | 一种基于压缩空气储能和有机朗肯循环的冷热电联供系统与方法 | |
| CN203201684U (zh) | 一种基于朗肯循环的内燃发电机组余热梯级回收利用系统 | |
| CN108843418A (zh) | 一种双压高效燃气超临界二氧化碳联合循环发电系统 | |
| CN108798808B (zh) | 一种用于高温烟气余热回收的co２循环热电联产系统 | |
| CN214741510U (zh) | 超临界二氧化碳循环冷端余热辅助加热凝结水系统 | |
| CN113653547B (zh) | 一种低碳排放复合循环发电系统及其运行方法 | |
| CN213807777U (zh) | 火力发电系统和压缩空气储能系统的耦合系统 | |
| CN208380648U (zh) | 一种带双压超临界二氧化碳余热锅炉的联合循环发电系统 | |
| CN109854318B (zh) | 一种生物质直燃热电联产系统及方法 | |
| CN101788141B (zh) | 一种吸收式回热器在电厂回热循环系统中的应用 | |
| CN109139147B (zh) | 一种分流再压缩超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法 | |
| CN114776411B (zh) | 一种集成储热的燃煤发电系统及工作方法 | |
| CN205977287U (zh) | 复合式沼气发电系统 | |
| CN114934843A (zh) | 一种多能源高效互补集成的双压orc联合循环发电系统 | |
| CN109057898B (zh) | 一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统 | |
| CN219932274U (zh) | 一种供能系统 | |
| CN116146463B (zh) | 基于工业压缩空气系统的储能系统 | |
| CN114893267B (zh) | 用于高背压-抽凝热电联供系统的液态二氧化碳储能系统 | |
| CN217206599U (zh) | 一种利用s-co2布雷顿循环热电联供系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |