CN114001398A - 超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统及方法，该系统可在冬季采暖供应与夏季大负荷发电之间进行切换，充分贴合中国北方城市热电厂的实际需求；该系统主要包括：压缩机、高温回热器、低温回热器、外部热源、二氧化碳主透平及发电机、冷却器、气体储罐、两组热网换热器、二氧化碳余热透平及发电机和相关阀门。采用本发明供热、发电两套循环方式，极大程度上改善了二氧化碳透平因背压高而余热浪费的问题，提高了整体循环效率与经济收益。两套系统的在线切换模式，减少了停机过程中工质的损耗，以及负荷波动对电网的影响，间接上节约了运行成本，减小了维护压力。

Description

超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统及 方法
技术领域
本发明涉及超临界二氧化碳循环发电技术领域，着眼于冬季北方城市机组的供热问题，具体涉及超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与夏季发电切换的一种系统及运行方法。
背景技术
随着发电技术的发展，超临界二氧化碳作为代替水蒸气的优良工质，因其更高的循环效率、更紧凑的设备布置以及更经济的前期投入而进入许多研究者的视野。而随着城市化进程的不断加剧，超大城市尤其是北方超大城市未来的供热缺口将持续上升。不同于普通蒸汽机组循环工质在凝汽器的负压环境，超临界二氧化碳运行时，背压参数高，透平乏气的热量经过回热器换热后，仍有较大部分进入冷却器被直接浪费。结合上述情况，设计一种可以同时满足冬季供热与夏季发电的系统，提升超临界二氧化碳机组的循环效率与经济效益。
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超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统及运行方法，可以同时满足冬季供热与夏季发电，提升超临界二氧化碳机组的循环效率与经济效益。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统包括：压缩机1、一级回热器2a、二级回热器2b、外部热源3、二氧化碳主机组4、冷却器5、气体储罐6、二氧化碳余热机组7、一级热网换热器8a、二级热网换热器8b、热网侧关断阀9、余热发电侧关断阀10、一级热网调节阀11、二级热网调节阀12、主透平旁路调阀13、余热透平旁路调阀14和逆止阀15；
所述压缩机1通过管道和出口阀门与一级回热器2a冷侧入口连接，一级回热器2a冷侧出口通过管道与二级回热器2b冷侧入口连接，二级回热器2b冷侧出口与外部热源3连接，外部热源3通过阀门管道与二氧化碳主机组4进气侧连接，二氧化碳主机组4包括主透平及其发电机，主透平进气侧与排气侧通过主透平旁路调阀13连接，二氧化碳主机组4排气侧与二级回热器2b热侧入口连接，管道从二级回热器2b热侧出口分为热网侧支路与余热发电侧支路两路；
热网侧支路通过管道经由热网侧关断阀9和一级热网换热器8a与一级回热器2a热侧入口连接，一级回热器2a热侧出口通过管道与二级热网换热器8b工质侧连接，进而接入冷却器5入口；余热发电侧支路通过管道经由余热发电侧关断阀10与二氧化碳余热机组7进气侧连接，二氧化碳余热机组7包括余热透平及其发电机，余热透平进气侧与排气侧通过余热透平旁路调阀14连接，排气通过管道经逆止阀15汇入二级热网换热器8b工质侧出口，与冷却器5入口连接；冷却器5出口通过阀门管道与气体储罐6连接，气体储罐6与压缩机1入口连接，构成主工质循环系统；
热网水管道分为两支路：一支路由一级热网换热器8a通过管道经由一级热网调节阀11汇入热网主路，另一支由二级热网换热器8b通过管道经由二级热网调节阀12汇入热网主路。
所述的超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统的运行方法，所述主工质循环系统运行方式分为：冬季供暖模式与夏季发电模式；
冬季供暖模式运行方式：二氧化碳工质由气体储罐6进入压缩机1，在压缩机1中加压后经由一级回热器2a冷侧换热，之后进入二级回热器2b再次换热，最后通过外部热源3加热升温之后进入二氧化碳机组4发电做功；做功后排气由热网侧关断阀9控制先经过管道进入二级回热器2b热侧，作为热源加热冷侧工质，换热后先经过一级热网换热器8a作为热网系统的热源，再进入一级回热器2a作为热源加热冷侧工质，进入二级热网换热器8b作为热网系统的热源，工质经过换热后进入冷却器5；工质进入冷却器5后，由冷却水带走热量，最终返回气体储罐6，完成做功循环；
夏季发电模式运行方式：二氧化碳工质由气体储罐6进入压缩机1，在压缩机1中加压后经由一级回热器2a进入二级回热器2b再次换热，最后通过外部热源3加热升温之后进入二氧化碳机组4发电做功，此过程中一级回热器2a不涉及热交换；主透平排气侧经由余热发电侧关断阀10控制，进入二氧化碳余热机组7做功，排气通过管道经由逆止阀15汇入二级热网换热器8b工质侧出口主管道，最终进入冷却器5。工质进入冷却器5后，由冷却水带走热量，最终返回气体储罐6，完成做功循环。
对于热网子系统：热网回水管线进入二氧化碳系统后分为两路，分别进入一级热网换热器8a与二级热网换热器8b，通过一级热网调节阀11、二级热网调节阀12分别调节两路热网水换热量的大小，最终汇入热网主路，接入热网管线。
对于主工质循环系统，气体储罐6与压缩机1入口压力应维持在6.5～7.5MPa，入口温度应通过冷却器5维持在35～40℃，冷却方式包括但不限于：水、空气等。二氧化碳工质经过压缩机1加压后工质压力应达到18～20MPa，经过外部热源3加热后温度应达到550℃，可包括但不限于：燃煤、燃气、核反应以及光热等，并保证一级回热器2a热侧出口400～450℃，二级回热器2b热侧出口250～300℃。
对于热网侧支路，一般用于冬季供暖季期间。回水温度与供水温度只差可根据热网中心调度拟定，通过调节一级热网调节阀11、二级热网调节阀12分别控制一级热网换热器8a、二级热网换热器8b的进水量大小，可实现热网调度目标。对于余热发电侧支路，保证二氧化碳余热机组7进气侧温度不低于300℃，压力9.5～10.5MPa，其乏气经过管道汇入主路进入冷却器5。
采用本发明供热、发电两套循环方式，极大程度上改善了二氧化碳透平因背压高而余热浪费的问题，提高了整体循环效率与经济收益。两套系统的在线切换模式，减少了停机过程中工质的损耗，以及负荷波动对电网的影响，间接上节约了运行成本，减小了维护压力。
附图说明
图1为本发明系统组成图。
具体实施方案
本发明提出了一种通过对回热器后尾部工质热量的再次利用，通过对回热器后尾部工质热量的再次利用，保证系统运行过程中干气密封供应量及温度。下面结合图1进一步详细说明。
一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统包括：压缩机1、一级回热器2a、二级回热器2b、外部热源3、二氧化碳主机组4、冷却器5、气体储罐6、二氧化碳余热机组7、一级热网换热器8a、二级热网换热器8b、热网侧关断阀9、余热发电侧关断阀10、一级热网调节阀11、二级热网调节阀12、主透平旁路调阀13、余热透平旁路调阀14、逆止阀15。
系统冷态启动前，主透平旁路调阀13、余热透平旁路调阀14、热网侧关断阀9、余热发电侧关断阀10保持“全开”状态。一级热网调节阀11、二级热网调节阀12保持“全关”状态。主工质循环系统由气体储罐6提供压缩机入口工质，压缩机1启动后，通过调节压缩机出口压力或挡板开度，逐渐为整个主系统分段补充工质。同时，投入外部热源3逐渐提升系统温度。二级回热器2b后压力在4～5MPa、其热侧出口温度升至100℃时，根据冬季或夏季不同工况需要，选择热网侧支路或余热发电侧支路。最终，工质由冷却器5带走热量，并控制压缩机1入口温度实现循环。
冬季供暖模式运行方式：选择关闭余热发电侧关断阀10。待系统压力稳定后，继续通过外部热源3续提升二级回热器2b热侧出口温度至200℃，并结合减少主透平旁路调阀13的开度，逐渐给主透平内部暖机、升温。当二氧化碳主机组4稳定运行后，继续提升外部热源3功率。当一级回热器2a热侧出口高于100℃，即可先缓慢增加二级热网调节阀12开度，逐渐投入一级热网换热器8b。当二级回热器2b热侧出口高于350℃，缓慢增加一级热网调节阀11开度，逐渐投入一级热网换热器8a。值得注意的是，这一过程中不可避免会影响主透平进气侧温度，故在投入一级热网换热器8a时，应保证温度变化率在2℃/min以内，减少对主工质循环系统扰动。由于一级热网换热器8a、二级热网换热器8b工作温度不同，可通过调整一级热网调节阀11、二级热网调节阀12满足市政热网调度的热负荷要求。
夏季发电模式运行方式：选择关闭热网侧关断阀9，并沿用供热方法，启动主透平。当二氧化碳主机组4稳定运行后，继续通过外部热源3提高温度参数二级回热器2b热侧出口温度参数。当保证二级回热器2b热侧出口温度大于200℃，即可减少余热透平旁路调阀14开度，逐渐给余热透平内部暖机、升温，启动过程与主透平相同。值得注意的是，这一过程中将不可避免会影响主透平进气侧压力从而影响输出功率，应综合考量余热透平旁路调阀14开度、余热透平转速或二氧化碳余热机组7功率以及二氧化碳主机组4功率，将系统调整至稳态。
当根据城市电网调度或热网调度需要在两种工况切换时，以“冬季供热切换至夏季发电”为例。需要提前以最小开度开启余热发电侧关断阀10，平衡热网侧支路与余热发电侧支路参数。当热网侧支路与余热发电侧支路温度差在20℃以内，压力差在0.5MPa以内，即保持余热发电侧关断阀10“全开”状态，余热发电侧工质经由余热透平旁路调阀14与逆止阀15汇入。此时，冬季供热与夏季发电并列运行。之后，沿用二氧化碳余热机组7启动方式，逐渐关闭热网侧关断阀9、减少余热透平旁路调阀14开度，最终至“全关”状态。完成“冬季供热切换至发电”工况的切换。

Claims (7)

1.一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统，其特征在于：系统包括：压缩机(1)、一级回热器(2a)、二级回热器(2b)、外部热源(3)、二氧化碳主机组(4)、冷却器(5)、气体储罐(6)、二氧化碳余热机组(7)、一级热网换热器(8a)、二级热网换热器(8b)、热网侧关断阀(9)、余热发电侧关断阀(10)、一级热网调节阀(11)、二级热网调节阀(12)、主透平旁路调阀(13)、余热透平旁路调阀(14)和逆止阀(15)；
所述压缩机(1)通过管道和出口阀门与一级回热器(2a)冷侧入口连接，一级回热器(2a)冷侧出口通过管道与二级回热器(2b)冷侧入口连接，二级回热器(2b)冷侧出口与外部热源(3)连接，外部热源(3)通过阀门管道与二氧化碳主机组(4)进气侧连接，二氧化碳主机组(4)包括主透平及其发电机，主透平进气侧与排气侧通过主透平旁路调阀(13)连接，二氧化碳主机组(4)排气侧与二级回热器(2b)热侧入口连接，管道从二级回热器(2b)热侧出口分为热网侧支路与余热发电侧支路两路；
热网侧支路通过管道经由热网侧关断阀(9)和一级热网换热器(8a)与一级回热器(2a)热侧入口连接，一级回热器(2a)热侧出口通过管道与二级热网换热器(8b)工质侧连接，进而接入冷却器(5)入口；余热发电侧支路通过管道经由余热发电侧关断阀(10)与二氧化碳余热机组(7)进气侧连接，二氧化碳余热机组(7)包括余热透平及其发电机，余热透平进气侧与排气侧通过余热透平旁路调阀(14)连接，排气通过管道经逆止阀(15)汇入二级热网换热器(8b)工质侧出口，与冷却器(5)入口连接；冷却器(5)出口通过阀门管道与气体储罐(6)连接，气体储罐(6)与压缩机(1)入口连接，构成主工质循环系统；
热网水管道分为两支路：一支路由一级热网换热器(8a)通过管道经由一级热网调节阀(11)汇入热网主路，另一支由二级热网换热器(8b)通过管道经由二级热网调节阀(12)汇入热网主路。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统，其特征在于：对于主工质循环系统，气体储罐(6)与压缩机(1)入口压力应维持在6.5～7.5MPa，入口温度应通过冷却器(5)维持在35～40℃；二氧化碳工质经过压缩机(1)加压后工质压力应达到18～20MPa，经过外部热源(3)加热后温度应达到550℃，并保证一级回热器(2a)热侧出口温度为400～450℃，二级回热器(2b)热侧出口温度为250～300℃。
3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统，其特征在于：冷却器(5)的冷却方式包括水冷和空冷；所述外部热源(3)的加热方式包括燃煤加热、燃气加热、核反应加热和光热加热。
4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统，其特征在于：对于热网侧支路，用于冬季供暖季期间；回水温度与供水温度之差根据热网中心调度拟定，通过调节一级热网调节阀(11)、二级热网调节阀(12)分别控制一级热网换热器(8a)、二级热网换热器(8b)的进水量大小，实现热网调度目标。
5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统，其特征在于：对于余热发电侧支路，保证二氧化碳余热机组(7)进气侧温度不低于300℃，压力9.5～10.5MPa，其乏气经过管道进入冷却器(5)。
6.权利要求1至5任一项所述的超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统的运行方法，其特征在于：所述主工质循环系统运行方式分为：冬季供暖模式与夏季发电模式；
冬季供暖模式运行方式：二氧化碳工质由气体储罐(6)进入压缩机(1)，在压缩机(1)中加压后经由一级回热器(2a)冷侧换热，之后进入二级回热器(2b)再次换热，最后通过外部热源(3)加热升温之后进入二氧化碳机组(4)发电做功；做功后排气由热网侧关断阀(9)控制先经过管道进入二级回热器(2b)热侧，作为热源加热冷侧工质，换热后先经过一级热网换热器(8a)作为热网系统的热源，再进入一级回热器(2a)作为热源加热冷侧工质，进入二级热网换热器(8b)作为热网系统的热源，工质经过换热后进入冷却器(5)；工质进入冷却器(5)后，由冷却水带走热量，最终返回气体储罐(6)，完成做功循环；
夏季发电模式运行方式：二氧化碳工质由气体储罐(6)进入压缩机(1)，在压缩机(1)中加压后经由一级回热器(2a)进入二级回热器(2b)再次换热，最后通过外部热源(3)加热升温之后进入二氧化碳机组(4)发电做功，此过程中一级回热器(2a)不涉及热交换；主透平排气侧经由余热发电侧关断阀(10)控制，进入二氧化碳余热机组(7)做功，排气通过管道经由逆止阀(15)汇入二级热网换热器(8b)工质侧出口主管道，最终进入冷却器(5)；工质进入冷却器(5)后，由冷却水带走热量，最终返回气体储罐(6)，完成做功循环；
与主工质循环系统有热交换的热网子系统的运行方式：热网的回水取自热网回水管线，进入二氧化碳系统后分为两路，分别进入一级热网换热器(8a)与二级热网换热器(8b)，通过一级热网调节阀(11)、二级热网调节阀(12)分别调节两路热网水换热量的大小，最终汇入热网主路，接入热网管线。
7.根据权利要求6所述的超临界二氧化碳发电背景下的冬季供热与发电切换系统的运行方法，其特征在于：根据城市电网调度或热网调度能够在冬季供暖模式和夏季发电模式两种工况切换时，对于以冬季供热切换至夏季发电，需要提前以最小开度开启余热发电侧关断阀(10)，平衡热网侧支路与余热发电侧支路参数；当热网侧支路与余热发电侧支路温度差在20℃以内，压力差在0.5MPa以内，即保持余热发电侧关断阀(10)“全开”状态，余热发电侧工质经由余热透平旁路调阀(14)与逆止阀(15)汇入；此时，冬季供热与夏季发电并列运行；
之后，沿用二氧化碳余热机组(7)启动方式，逐渐关闭热网侧关断阀(9)、减少余热透平旁路调阀(14)开度，最终至“全关”状态，完成“冬季供热切换至发电”工况的切换。
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