CN113719816B - 一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统 - Google Patents

一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，包括炉膛、至少三条水平烟道及至少三条尾部烟道，炉膛上部侧壁间隔环设有多个与水平烟道一一对应且相连通的烟道进口，至少三条尾部烟道分别一一对应的与水平烟道相连通，水平烟道中沿气流方向顺次布置有高温过热器和高温再热器，部分尾部烟道内布置有低温再热器，其余的尾部烟道中布置有低温过热器；每条尾部烟道的尾端内部均沿气流方向顺次布置有省煤器以及烟气挡板，或多条尾部烟道的尾端汇流进一个主烟道中，并在该主烟道中沿气流方向顺次布置省煤器以及烟气挡板。优点：能适用于超临界CO2布雷顿循环发电系统，且在锅炉变负荷运行时能够有效地调节主蒸汽和再热蒸汽的温度。

Description

一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统
技术领域
本发明涉及先进高效火力发电技术领域，特别涉及一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统。
背景技术
传统的火力发电循环效率在现有基础上不会再有较大提升，并且污染较大。超临界CO2循环燃煤发电技术符合国家能源发展战略，具有广阔的应用前景。
我国的超临界CO2循环发电技术相较于国外发展较慢。其中大部分超临界CO2锅炉采用π型布置，π型布置为单烟道结构，但是单烟道结构布置存在一些缺点：单烟道转弯造成烟气速度场和飞灰浓度场不均匀，影响传热性能，导致炉膛出口换热器可能出现超温，引起局部磨损；
常规的燃煤切圆锅炉、对冲锅炉，锅炉燃烧器区域截面为正方形或者矩形结构，这样结构导致外墙中心靠火焰近的区域热流密度大，辐射受热面高温腐蚀结焦结渣严重。而超临界CO2类圆炉膛构型可以使锅炉炉膛内的热负荷沿轴向与径向分布均匀，避免锅炉炉膛受热面超温，延长冷却壁的使用寿命，保证锅炉安全经济运行。类圆炉膛构型已有相关发明专利(申请号CN202010361542.7)证明其可行性和优势。
对于超临界CO2布雷顿循环发电系统，整个循环系统包括多级回热系统，在锅炉入口处的工质温度较高，这也导致了锅炉尾部的排烟温度较高，因此，如何降低超临界CO2锅炉的排烟温度，提高锅炉的热效率是发展超临界CO2技术的主要问题和难点。
再热发电机组的热效率相对于常规的发电机组有较大的提高，热效率的提高意味着燃煤消耗和污染物排放的减少。由于增加了再热回路使得机组热力系统更加复杂，当锅炉负荷变化时，汽温精准调节难度加大，锅炉汽温调节方式的成败决定再热技术能否实现高效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，有效的克服了现有技术的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，包括炉膛、至少三条水平烟道及至少三条尾部烟道，上述炉膛竖直设置，其上部侧壁间隔环设有多个与上述水平烟道一一对应且相连通的烟道进口，至少三条上述尾部烟道分别一一对应的与上述水平烟道相连通，上述水平烟道中沿气流方向分别顺次布置有高温过热器和高温再热器，部分上述尾部烟道内布置有低温再热器，其余的上述尾部烟道中布置有低温过热器；每条上述尾部烟道的尾端内部均沿气流方向顺次布置有省煤器以及烟气挡板，或多条上述尾部烟道的尾端汇流进一个主烟道中，并在该主烟道中沿气流方向顺次布置省煤器以及烟气挡板。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，上述炉膛的横截面为正多边形，其每条边对应的侧壁上部均设有一个上述烟道进口。
进一步，上述省煤器和烟气挡板之间布置有烟气再循环系统。
进一步，上述主烟道中沿气流方向顺次布置有SCR脱硝装置以及空气预热器。
进一步，多条上述尾部烟道的尾端分别共同连通一个容积腔体，且该容积腔体设有排气口，该排气口连接上述主烟道。
进一步，上述容积腔体的横截面为正多边形，其每条边对应的侧壁上均设有与上述尾部烟道一一对应连通的烟气入口，上述容积腔体的一端中部设有排气口。
进一步，上述水平烟道设有四条。
进一步，上述水平烟道设有六条。
进一步，上述水平烟道设有八条。
本发明的有益效果是：能够适用于超临界CO2布雷顿循环发电系统，并且在锅炉变负荷运行时能够有效地调节主蒸汽和再热蒸汽的温度。
附图说明
图1为本发明的多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统的炉膛截面图；
图2为本发明的多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统的烟道连接结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、炉膛；2、水平烟道；3、尾部烟道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
如图1和2所示，本实施例的多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统包括炉膛1、至少三条水平烟道2及至少三条尾部烟道3，上述炉膛1竖直设置，其上部侧壁间隔环设有多个与上述水平烟道2一一对应且相连通的烟道进口，至少三条上述尾部烟道3分别一一对应的与上述水平烟道2相连通，上述水平烟道2中沿气流方向分别顺次布置有高温过热器和高温再热器，部分上述尾部烟道3内布置有低温再热器，其余的上述尾部烟道3中布置有低温过热器；每条上述尾部烟道3的尾端内部均沿气流方向顺次布置有省煤器以及烟气挡板。
一般地，炉膛1内的受热面布置不随着烟道数的不同而变化，炉膛1内沿烟气流通的方向依次布置有冷却壁和屏式过热器，具体的使用根据烟道数的变化来灵活的调节，具体如下：
1)当烟道数为4时，考虑采用一次再热，水平烟道2内沿烟气流动方向依次布置高温过热器和高温再热器，对于尾部烟道3受热面的布置，在任意两个尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置低温再热器及省煤器，另外两个尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置低温过热器及省煤器，省煤器后布置烟气挡板用以烟道中调节烟气流量从而实现对主蒸汽和一次再热蒸汽温度的调节。
2)当烟道数为6时，考虑采用二次再热，水平烟道2内沿烟气流通方向依次布置高温过热器、二次高温再热器、一次高温再热器。对于尾部烟道3受热面的布置，选择在对称的两个尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置一次低温再热器及省煤器；再选择另外两个对称的尾部烟道3在其尾部烟道内沿烟气流动方向依次布置二次再热低温及省煤器；在剩余的两个对称的尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置低温过热器及省煤器，省煤器后布置烟气挡板用以调节烟道中烟气流量从而实现对主蒸汽、一次再热蒸汽以及二次再热蒸汽温度的调节。
3)当烟道数为8时，考虑采用二次再热，水平烟道2内沿烟气流动方向依次布置高温过热器、二次高温再热器、一次高温再热器。因为再热蒸汽的调温较为困难，所以考虑再热器的布置多于过热器，对于尾部烟道3受热面的布置，选择在其中的两个尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置低温过热器及省煤器。再选择在其他的三个尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置一次低温再热器及省煤器。然后在剩下的三个尾部烟道3内沿烟气流动方向依次布置二次低温再热器及省煤器。省煤器后布置烟气挡板用以调节烟道中烟气流量从而实现对主蒸汽、一次再热蒸汽以及二次再热蒸汽温度的调节。
需要补充说明的是：
超临界CO2布雷顿循环发电系统中低温回热器的冷端出口与超临界CO2布雷顿循环发电系统中高温回热器的冷侧入口相连通，超临界CO2布雷顿循环发电系统中高温回热器的冷侧出口与冷却壁的入口相连通；
冷却壁的出口与低温过热器的入口相连通，低温过热器的出口与高温过热器的入口相连通，高温过热器的出口与超临界CO2布雷顿循环发电系统中的高压透平的入口相连通；
采用一次再热时，超临界CO2布雷顿循环发电系统中高压透平的出口与低温再热器入口相连通，低温再热器的出口与高温再热器的入口相连通，高温再热器的出口与超临界CO2布雷顿循环发电系统中的低压透平的入口相连通，超临界CO2布雷顿循环发电系统中的低压透平的出口与高温回热器的热侧入口相连通，高温回热器的热侧出口与低温回热器的热侧入口相连通，低压透平的输出轴与发电机的驱动轴相连接。
采用二次再热时，超临界CO2布雷顿循环发电系统中高压透平的出口与一次低温再热器入口相连通，一次低温再热器的出口与一次高温再热器的入口相连通，一次高温再热器的出口与超临界CO2布雷顿循环发电系统中的中压透平的入口相连通，超临界CO2布雷顿循环发电系统中的中压透平的出口与二次低温再热器的入口相连通，二次低温再热器的出口与二次高温再热器的入口相连通，二次高温再热器的出口与超临界CO2布雷顿循环发电系统中的低压透平的入口相连通，超临界CO2布雷顿循环发电系统中的低压透平的出口与高温回热器的热侧入口相连通，高温回热器的热侧出口与低温回热器的热侧入口相连通，低压透平的输出轴与发电机的驱动轴相连接。
更具体的：超临界CO2布雷顿循环发电系统中低温回热器的冷端出口分为两路，其中一路与超临界CO2布雷顿循环发电系统中高温回热器的冷侧入口相连通，另一路与省煤器相连通，省煤器的出口和超临界CO2布雷顿循环发电系统中高温回热器的冷侧出口通过管道并管后与冷却壁相连通。
整个实施例中，采用多烟道结构，烟气流动更加对称，可以避免屏式换热器超温，同时，烟道数目变多，使得锅炉的换热面可以更加灵活布置，可以布置更多的换热面以充分与烟气换热降低锅炉排烟温度。
需要补充说明的是：在不同负荷时，烟道中的烟气流量不同，可以通过改变烟气挡板的开度实现在低负荷时只允许部分烟道中有烟气通过，而在高负荷时则允许全部烟道通流。
实施例2
本实施例的多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统包括炉膛1、至少三条水平烟道2及至少三条尾部烟道3，上述炉膛1竖直设置，其上部侧壁间隔环设有多个与上述水平烟道2一一对应且相连通的烟道进口，至少三条上述尾部烟道3分别一一对应的与上述水平烟道2相连通，上述水平烟道2中沿气流方向分别顺次布置有高温过热器和高温再热器，部分上述尾部烟道3内布置有低温再热器，其余的上述尾部烟道3中布置有低温过热器，多条上述尾部烟道3的尾端汇流进一个主烟道中，并在该主烟道中沿气流方向顺次布置省煤器以及烟气挡板。
该实施例的原理同实施例1，合并尾部烟道3可集中排烟气，布局更紧凑、合理。
该实施例2中，水平烟道的数量布置参考实施例1。
更佳的，在上述实施例2的基础上，多条上述尾部烟道3的尾端分别共同连通一个容积腔体，且该容积腔体设有排气口，该排气口连接上述主烟道。
该实施方案中，容积腔体的设计方便尾部烟道3在合并时于主烟道的良好衔接，气流输送更顺畅。
最佳的，上述容积腔体的横截面为正多边形，其每条边对应的侧壁上均设有与上述尾部烟道3一一对应连通的烟气入口，上述容积腔体的一端中部设有排气口，便于尾部烟道3与容积腔体之间衔接的布局更合理。
在其他一些实施例中，上述炉膛1的横截面为正多边形，其每条边对应的侧壁上部均设有一个上述烟道进口，该设计便于炉膛1与烟道的良好衔接，布局比较合理。
在其他一些实施例中，上述省煤器和烟气挡板之间布置有烟气再循环系统，该实施例中，烟气再循环系统采用现有的技术产品，其具体结构及原理再次不做赘述，主要用于降低燃烧温度和氧的浓度。
在其他一些实施例中，上述主烟道中沿气流方向顺次布置有SCR脱硝装置以及空气预热器。
最佳的，SCR脱硝装置以及空气预热器布置在省煤器和烟气挡板的后方，也就是烟气流向的后段。
本发明的多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统能够满足超临界CO2布雷顿循环发电系统在不同负荷下的工作要求，具体优势如下：
1)多烟道锅炉烟道结构对称分布使得烟气流动更加均匀，避免屏超温，随着烟道数目的增加，可以布置更多的换热面，降低锅炉排烟温度；
2)多烟道结构适合于超临界二氧化碳类圆炉膛构型，避免了多边形变四边形的复杂结构，有利于冷却壁管束的布置，以及使得锅炉热负荷较为均匀。
3)多烟道结构可根据实际要求在部分尾部烟道内设置低温过热器，部分尾部烟道3内布置一次低温再热器，部分尾部烟道3内布置二次低温再热器，实现对主蒸汽、一次再热蒸汽、二次再热蒸汽的不同侧重。通过调节烟气挡板，利用挡板开度的大小来改变流过烟道中烟气的流量大小，从而实现在不同负荷下对锅炉的主蒸汽、一次再热蒸汽和二次再热蒸汽温度精准调节，另外，当有屏超温时，可以从省煤器后抽取不同温度的烟气进行烟气循环以避免超温现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于：包括炉膛（1）、水平烟道（2）及尾部烟道（3），所述炉膛（1）竖直设置，其上部侧壁间隔环设有多个与所述水平烟道（2）一一对应且相连通的烟道进口，所述水平烟道（2）设有六条或八条，所述尾部烟道（3）设有六条或八条，所述尾部烟道（3）分别一一对应的与所述水平烟道（2）相连通，所述水平烟道（2）中沿气流方向分别顺次布置有高温过热器和高温再热器，部分所述尾部烟道（3）内布置有低温再热器，其余的所述尾部烟道（3）中布置有低温过热器；多条所述尾部烟道（3）的尾端汇流进一个主烟道中，并在该主烟道中沿气流方向顺次布置省煤器以及烟气挡板，多条所述尾部烟道（3）的尾端分别共同连通一个容积腔体，且该容积腔体设有排气口，该排气口连接所述主烟道；所述省煤器和烟气挡板之间布置有烟气再循环系统；
当所述水平烟道（2）设有六条时，采用二次再热，所述水平烟道（2）内沿烟气流通方向依次布置高温过热器、二次高温再热器和一次高温再热器，其中对称分布的两个所述尾部烟道（3）内沿烟气流动方向依次布置一次低温再热器及省煤器；另外两个对称的所述尾部烟道（3）在其尾部烟道内沿烟气流动方向依次布置二次再热低温及省煤器；剩余的两个对称的所述尾部烟道（3）内沿烟气流动方向依次布置低温过热器及省煤器，所述省煤器后布置烟气挡板；
当所述水平烟道（2）设有八条时，采用二次再热，所述水平烟道（2）内沿烟气流动方向依次布置高温过热器、二次高温再热器和一次高温再热器，其中的两个所述尾部烟道（3）内沿烟气流动方向依次布置低温过热器及省煤器，其他的三个所述尾部烟道（3）内沿烟气流动方向依次布置一次低温再热器及省煤器，剩下的三个所述尾部烟道（3）内沿烟气流动方向依次布置二次低温再热器及省煤器，所述省煤器后布置烟气挡板。
2.根据权利要求1所述的一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于：所述炉膛（1）的横截面为正多边形，其每条边对应的侧壁上部均设有一个所述烟道进口。
3.根据权利要求1所述的一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于：所述主烟道中沿气流方向顺次布置有SCR脱硝装置以及空气预热器。
4.根据权利要求1所述的一种多烟道结构可调温的超临界二氧化碳锅炉系统，其特征在于：所述容积腔体的横截面为正多边形，其每条边对应的侧壁上均设有与所述尾部烟道（3）一一对应连通的烟气入口，所述容积腔体的一端中部设有排气口。
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