CN114000930A - 一种分流再压缩式超临界co2循环发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统及方法，发电系统包括燃烧室、中压透平、回热器、冷却器、分离器、再压压缩机、高压透平和多级压缩机；本发明通过将出分离器的气体分流一部分物流，并增设再压压缩机进行再压缩，并与高压透平的排气混合后进入回热器进行回热，增加了回热器热端的冷流体流量及温度，可有效减少热端换热温差。此外，增加再压压缩机后，无需再设置再热装置，可避免回热器热端处物流的进口温度过高的温度。

Description

一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统及方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统及方法。
背景技术
减少化石燃料电站CO2排放对缓解全球气候变暖具有至关重要的作用，是当前能源领域关注的重要问题之一。化石燃料电站CO2减排的技术路线大致包括燃烧前捕集、燃烧后捕集、氧燃烧三种。然而无论何种技术路线，CO2捕集的引入均会造成效率的明显降低及成本的大幅增加。提高碳捕集电站的技术经济性及竞争力，一方面需要关键技术的发展，另一方面要依靠系统创新。
常规能源动力系统通常采用空气或水作为循环工质。近年来，以CO2作为动力循环工质，受到了越来越多的关注，成为研究热点。CO2属惰性物质，具有良好热稳定性及化学稳定性，比水蒸气腐蚀性低，且易达到临界状态(7.4MPa，31℃)，流体密度高，叶轮机占地面积显著减少。以超临界CO2为工质的循环可分为闭式循环和半闭式循环两种。闭式循环基于外部间接供热，循环内CO2一般均为超临界，其发展主要目的是提高热功转换效率，多应用于核能、太阳能聚光热发电、中低温余热回收等领域，近年来也向化石燃料燃烧电站应用方向发展。半闭式循环为内燃式氧燃烧循环，通过燃料纯氧燃烧直接为循环供热，燃烧产生的CO2直接参与循环，可在效率保持高效的同时方便地实现CO2完全零排放。出于效率和比功的考虑，内燃式循环多为跨临界循环。
以天然气为燃料，近二十年来国内外学者提出了多种内燃式超临界CO2循环，最具代表性的两种循环是Matiant循环、Allam循环。Matiant循环采用高压中温超临界CO2透平后接两级中低压高温燃烧、两级回热的循环形式，避免了高压和高温同时出现。Allam循环则采用一级高压高温燃烧室及一级回热的结构形式，由于高压和高温同时出现，技术挑战大，但效率较Matiant循环更高。已有内燃式超临界CO2循环采用两级燃烧或再热的方式，使回热器热端处物流的进口温度过高，带来较大的技术困难和风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统及方法，以解决现有技术中，通过再热的方式提高回热器中热流体的进口温度，使回热器热端物流进口温度过高，存在较大的技术风险的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，包括燃烧室、中压透平、回热器、冷却器、分离器、再压压缩机、高压透平和多级压缩机；
所述燃烧室的物流出口连接所述中压透平的物流进口，所述中压透平的物流出口连接回热器的第一物流进口，用于在回热器中放热；回热器的第一物流出口依次连接冷却器和分离器；
所述分离器的二氧化碳出口分为两路，第一路出口连接所述多级压缩机的物流进口，所述多级压缩机的物流出口连接回热器的第二物流进口，用于多级压缩机排出的物流吸收回热器中的热量；所述回热器的第二物流出口连接所述高压透平，用于使多级压缩机排出的物流吸收回热器热量后驱动高压透平；
所述分离器二氧化碳出口的第二路连接所述再压压缩机的物流进口，所述再压压缩机的物流出口与所述高压透平的物流出口共同连接所述回热器的第三物流进口，用于使所述再压压缩机和所述高压透平排出的物流在所述回热器中回热。
可选的，还包括燃料压缩机和氧气压缩机，所述燃烧室的进料口连接燃料压缩机、氧气压缩机压缩燃料出口和压缩氧气出口。
可选的，所述燃料压缩机压缩的燃料为甲烷，或者一氧化碳和氢气的混合气。
可选的，所述分离器的水出口连接有回收水管路。
可选的，所述多级压缩机的冷凝水出口连接有冷凝水回收管路。
可选的，所述多级压缩机的物流出口还连接有二氧化碳储罐。
可选的，所述回热器的第三物流出口连接至所述燃烧室，用于使所述再压压缩机和所述高压透平排出的物流回热后参与循环。
本发明的第二个方面，提供了一种分流再压缩式超临界CO2循环发电方法，基于所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，包括如下步骤：
燃烧室排出的物流S8进入中压透平做功后得到物流S9，物流S9进入回热器热侧回收热量；
回热器排出的物流S10进入冷却器进一步冷却后，得到物流S11，物流S11进入分离器分离出其中的水分得到物流S1；
物流S1分为物流S1-1和物流S1-2两股；
物流S1-1在多级压缩机中压缩至循环最高压力，得到物流S2；出多级压缩机的物流S2中一部分物流S3被抽取，进行再压缩封存，剩余物流S4进入回热器中吸收物流S9的热量进行回热得到物流S5；
物流S1-2进入再压压缩机进行再压缩为物流S6-2；
回热后的物流S5进入高压透平做功，得到物流S6-1，物流S6-1与S6-2混合后进入回热器进一步回热，出回热器的物流S7循环回燃烧室进行再次参与循环。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，通过将出分离器的气体分流一部分物流S1-2，并增设再压压缩机进行再压缩，并与高压透平的排气S6-1混合后进入回热器进行回热，增加了回热器热端的冷流体流量及温度，可有效减少热端换热温差。此外，增加再压压缩机后，无需再设置再热装置，可避免回热器热端处物流的进口温度过高的温度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统示意图。
图2为本发明优选实施例提供的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统示意图。
其中：1燃料压缩机；2氧气压缩机；3燃烧室；4中压透平；5回热器；6冷却器；7分离器；8再压压缩机；9高压透平；10多级压缩机。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
如图1所示，本发明的第一个方面，提供了一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，包括燃烧室3、中压透平4、回热器5、冷却器6、分离器7、再压压缩机8、高压透平9和多级压缩机10；
所述燃烧室3的物流出口连接所述中压透平4的物流进口，所述中压透平4的物流出口连接回热器5的第一物流进口，用于在回热器5中放热；回热器5的第一物流出口依次连接冷却器6和分离器7；
作为一种示例，中压透平4为燃气透平。
所述分离器7的二氧化碳出口分为两路，第一路出口连接所述多级压缩机10的物流进口，所述多级压缩机10的物流出口连接回热器5的第二物流进口，用于多级压缩机10排出的物流吸收回热器5中的热量；所述回热器5的第二物流出口连接所述高压透平9，用于使多级压缩机10排出的物流吸收回热器5热量后驱动高压透平9；
所述分离器7二氧化碳出口的第二路连接所述再压压缩机8的物流进口，所述再压压缩机8的物流出口与所述高压透平9的物流出口共同连接所述回热器5的第三物流进口，用于使所述再压压缩机8和所述高压透平9排出的物流在所述回热器5中回热。
所述回热器5的第三物流出口连接至所述燃烧室3，用于使所述再压压缩机8和所述高压透平9排出的物流回热后参与循环，通过回流的物流控制燃烧室3的温度。
作为一种示例，回流的物流S7为CO2工质。
所述分离器7的水出口连接有回收水管路，所述多级压缩机10的冷凝水出口连接有冷凝水回收管路，用于回收分离处的多余水分。
所述多级压缩机10的物流出口还连接有二氧化碳储罐，抽取一部分二氧化碳进行再压缩封存。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明提出了优选的实施例2，实施例2还包括燃料压缩机1和氧气压缩机2，所述燃烧室3的进料口连接燃料压缩机1、氧气压缩机2压缩燃料出口和压缩氧气出口。通过提供压缩氧气和压缩燃料，能够提高系统的发电效率。
作为一种示例，所述燃料压缩机1压缩的燃料为甲烷，或者一氧化碳和氢气的混合气。
本发明的第二个方面，提供了一种分流再压缩式超临界CO2循环发电方法，基于上述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，包括如下步骤：
燃料和氧气分别经燃料压缩机1和氧气压缩机2压缩后进入燃烧室3燃烧。燃烧室3排出的物流S8进入中压透平4做功后得到物流S9，物流S9进入回热器5热侧回收其中大部分的热量；作为一种示例，物流S8为高温燃气；物流S9为高温烟气。
回热器5排出的物流S10进入冷却器6进一步冷却后，得到物流S11，物流S11进入分离器7分离出其中的水分得到物流S1；
经分离水分后的物流S1分为物流S1-1和物流S1-2两股；
作为一种示例，物流S1为二氧化碳。
物流S1-1在多级压缩机10中压缩至循环最高压力，得到物流S2；出多级压缩机10的物流S2中一部分物流S3被抽取，进行再压缩封存，剩余物流S4进入回热器5中吸收物流S9的热量进行回热得到物流S5；
物流S1-2进入再压压缩机8进行再压缩为物流S6-2；
回热后的物流S5进入高压透平9做功，得到物流S6-1，做功后的物流S6-1与S6-2混合后得到S6进入回热器5进一步回热，出回热器的物流S7循环回燃烧室3进行再次参与循环。
本发明通过将出分离器7的气体分流一部分物流S1-2，并增设再压压缩机8进行再压缩，并与高压透平9的排气S6-1混合后进入回热器5进行回热，增加了回热器热端的冷流体流量及温度，可有效减少热端换热温差。此外，增加再压压缩机后，无需再设置再热装置，可避免回热器热端处物流的进口温度过高的温度。
本发明通过取消再热装置，增加分流和再压缩过程，通过提高回热器冷侧热端物流流量的方式，一方面可降低回热器热端热物流进口温度，避免出现技术风险，另一方面可降低回热器热端换热温差，提高回热效率，从而提高系统净效率。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，包括燃烧室(3)、中压透平(4)、回热器(5)、冷却器(6)、分离器(7)、再压压缩机(8)、高压透平(9)和多级压缩机(10)；
所述燃烧室(3)的物流出口连接所述中压透平(4)的物流进口，所述中压透平(4)的物流出口连接回热器(5)的第一物流进口，用于在回热器(5)中放热；回热器(5)的第一物流出口依次连接冷却器(6)和分离器(7)；
所述分离器(7)的二氧化碳出口分为两路，第一路出口连接所述多级压缩机(10)的物流进口，所述多级压缩机(10)的物流出口连接回热器(5)的第二物流进口，用于多级压缩机(10)排出的物流吸收回热器(5)中的热量；所述回热器(5)的第二物流出口连接所述高压透平(9)，用于使多级压缩机(10)排出的物流吸收回热器(5)热量后驱动高压透平(9)；
所述分离器(7)二氧化碳出口的第二路连接所述再压压缩机(8)的物流进口，所述再压压缩机(8)的物流出口与所述高压透平(9)的物流出口共同连接所述回热器(5)的第三物流进口，用于使所述再压压缩机(8)和所述高压透平(9)排出的物流在所述回热器(5)中回热。
2.根据权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，还包括燃料压缩机(1)和氧气压缩机(2)，所述燃烧室(3)的进料口连接燃料压缩机(1)、氧气压缩机(2)压缩燃料出口和压缩氧气出口。
3.根据权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，所述燃料压缩机(1)压缩的燃料为甲烷，或者一氧化碳和氢气的混合气。
4.根据权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，所述分离器(7)的水出口连接有回收水管路。
5.根据权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，所述多级压缩机(10)的冷凝水出口连接有冷凝水回收管路。
6.根据权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，所述多级压缩机(10)的物流出口还连接有二氧化碳储罐。
7.根据权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，所述回热器(5)的第三物流出口连接至所述燃烧室(3)，用于使所述再压压缩机(8)和所述高压透平(9)排出的物流回热后参与循环。
8.一种分流再压缩式超临界CO2循环发电方法，基于权利要求1所述的分流再压缩式超临界CO2循环发电系统，其特征在于，包括如下步骤：
燃烧室(3)排出的物流S8进入中压透平(4)做功后得到物流S9，物流S9进入回热器(5)热侧回收热量；
回热器(5)排出的物流S10进入冷却器(6)进一步冷却后，得到物流S11，物流S11进入分离器(7)分离出其中的水分得到物流S1；
物流S1分为物流S1-1和物流S1-2两股；
物流S1-1在多级压缩机(10)中压缩至循环最高压力，得到物流S2；出多级压缩机(10)的物流S2中一部分物流S3被抽取，进行再压缩封存，剩余物流S4进入回热器(5)中吸收物流S9的热量进行回热得到物流S5；
物流S1-2进入再压压缩机(8)进行再压缩为物流S6-2；
回热后的物流S5进入高压透平(9)做功，得到物流S6-1，物流S6-1与S6-2混合后进入回热器(5)进一步回热，出回热器的物流S7循环回燃烧室(3)进行再次参与循环。
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