CN114837762B - 一种s-co2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种S‑CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统及工作方法,本发明在目前蒸汽轮机朗肯循环发电系统的基础上进行改造,通过锅炉产生S‑CO2和水蒸汽混合蒸汽送入发电透平中,使用S‑CO2和水蒸汽混合工质发电,提高了循环发电效率,同时引入余热透平,将汽水换热器将冷却后的S‑CO2送入余热透平中,利用S‑CO2余热发电,大大提高了能源利用效率;本发明使用了混合双工质,整个系统体积较使用S‑CO2单一工质要大一些,不会因系统体积过小、结构过于紧凑而导致振动偏大,提高发电系统安全稳定性,这样既能提高发电循环效率,又能实现机组安全、稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于新型高效发电技术领域,具体涉及一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统及工作方法。
背景技术
随着发电技术的快速发展,为了进一步提高能源利用效率,同时减少环境污染物排放,一些新型循环工质发电技术逐渐成为研究的热点。同时,面向国家实现碳达峰、碳中和的目标,构建以新能源为主体的新型电力系统至关重要,新型发电系统应具备高效、灵活、低碳等特点。近年来,利用超临界二氧化碳(S-CO2)作为循环工质的发电技术受到国内外的广泛关注,该发电技术具有高效、清洁、结构紧凑等优点,可与化石能源、核能和太阳能等多种形式的热源相耦合,应用前景十分广阔。
目前,燃煤机组发电动力循环多为蒸汽朗肯循环,由锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器等四个关键设备组成,循环工质水在锅炉中定压吸热变成过热蒸汽,过热蒸汽进入汽轮机中绝热膨胀做功,汽轮机排汽在冷凝器中定压放热由湿蒸汽变为饱和水,水在给水泵中绝热压缩变为未饱和水,最后进入锅炉,完成循环。
CO2化学性质稳定,无毒,不易燃易爆,黏度低,可压缩性接近不可压缩流体,且临界参数低(7.38MPa,31℃),其作为能量传输和动力转换工质,具有功率密度大、传热性能好、廉价易获取等显著优点。与现有蒸汽朗肯循环发电技术相比,超临界二氧化碳(S-CO2)发电技术具备以下优势:(1)循环效率较高;(2)系统体积小,结构紧凑;(3)适用热源范围广;(4)对环境友好等。
在20世纪50年代,已经有研究学者提出S-CO2循环系统,随后大量学者开始对S-CO2循环进行理论和实验研究。但截至到目前,S-CO2循环发电技术尚不成熟,其系统构建存在一些设计难点,S-CO2透平体积较传统蒸汽轮机大幅减小,具有设备紧凑和响应快的优势,但同时对结构应力和密封冷却系统提出了巨大挑战。此外,S-CO2循环系统的主要设备部件的制造存在难度,且循环发电系统运行缺乏经验。
针对目前S-CO2循环发电技术不够成熟的现状,且利用S-CO2单一工质循环发电时,系统体积过小、结构过于紧凑而引发结构应力大,进而导致振动偏大,影响机组安全、稳定运行,并结合传统蒸汽轮机朗肯循环发电技术,本发明一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统及工作方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统及工作方法,能够提高循环发电效率,突破现有使用水蒸气单一工质发电的能源利用效率瓶颈,并且本系统体积较使用S-CO2单一工质要大一些,不会因系统体积过小、结构过于紧凑而导致振动偏大,提高发电系统安全稳定性,这样既能提高发电循环效率,又能实现机组安全、稳定运行。
为了达到上述目的,一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,包括锅炉,锅炉的S-CO2和水蒸汽混合蒸汽抽汽口连接发电透平,发电透平连接发电机,发电透平的混合蒸汽出口连接汽水换热器,汽水换热器的S-CO2出口连接余热发电透平,余热发电透平连接余热发电机,余热发电透平的排汽出口连接加热器,发电透平的混合工质排汽出口连接冷却器,冷却器的凝结水出口连接加热器,冷却器的S-CO2出口连接S-CO2储罐,S-CO2储罐连接S-CO2预处理装置,加热器的气体出口和S-CO2预处理装置的出口均连接主压缩机,主压缩机连接锅炉,加热器的液体出口连接汽水换热器,汽水换热器的液体出口连接锅炉。
S-CO2预处理装置包括预压缩机,预压缩机的两端分别连接S-CO2储罐和预冷却器,预冷却器的冷源侧连接冷却器与加热器间的管路。
冷却器连接凝结水泵,凝结水泵通过凝结水管道连接加热器。
汽水换热器连接给水泵,给水泵通过给水管道连接锅炉,给水管道上设置有给水泵。
发电透平通过抽汽管道连接汽水换热器。
加热器的气体出口通过加热器S-CO2排汽管道连接主压缩机。
一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统的工作方法,包括以下步骤:
锅炉产生S-CO2和水蒸汽混合蒸汽送入发电透平中;
发电透平将热能转化成机械能带动发电机工作,发电透平将混合蒸汽抽汽送入汽水换热器中,发电透平将混合蒸汽排汽送入冷却器中;
汽水换热器将冷却后的S-CO2送入余热透平中;
余热透平热能转化成机械能带动余热发电机工作,余热透平将排汽送入加热器中;
冷却器将S-CO2和水蒸气定压放热后分离,将凝结水送入加热器中,将冷却后的S-CO2送入S-CO2储罐中;
S-CO2储罐内的S-CO2经过S-CO2预处理装置先压缩再降温,使S-CO2升压升温后送入主压缩机中;
加热器将加热后的凝结水送入汽水换热器中,将冷却后的S-CO2送入主压缩机中;
汽水换热器的出口水进入锅炉中;
主压缩机将压缩后的气体送入锅炉中。
S-CO2储罐内的S-CO2经过预压缩机进行压缩,再通过预冷却器进行换热,使S-CO2升压升温后送入主压缩机中,预冷却器的冷源侧采用冷却器通过凝结水泵排出的凝结水。
与现有技术相比,本发明在目前蒸汽轮机朗肯循环发电系统的基础上进行改造,通过锅炉产生S-CO2和水蒸汽混合蒸汽送入发电透平中,使用S-CO2和水蒸汽混合工质发电,提高了循环发电效率,同时引入余热透平,将汽水换热器将冷却后的S-CO2送入余热透平中,利用S-CO2余热发电,大大提高了能源利用效率;本发明使用了混合双工质,整个系统体积较使用S-CO2单一工质要大一些,不会因系统体积过小、结构过于紧凑而导致振动偏大,提高发电系统安全稳定性,这样既能提高发电循环效率,又能实现机组安全、稳定运行。
附图说明
图1为本发明的系统结构图;
其中,1、锅炉,2、发电透平,3、发电机,4、冷却器,5、汽水换热器,6、余热发电透平,7、余热发电机,8、加热器,9、S-CO2储罐,10、凝结水泵,11、给水泵,12、S-CO2预处理装置,13、预冷却器,14、预压缩机,15、主压缩机,16、抽汽管道,17、加热器S-CO2排汽管道,18、凝结水管道,19、给水管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1,一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,包括锅炉1,锅炉1的S-CO2和水蒸汽混合蒸汽抽汽口连接发电透平2,发电透平2连接发电机3,发电透平2和发电机3连接在同一转轴上,发电透平2的混合蒸汽出口连接汽水换热器5,汽水换热器5的S-CO2出口连接余热发电透平6,余热发电透平6连接余热发电机7,余热发电透平6和余热发电机7连接在同一转轴上,余热发电透平6的排汽出口连接加热器8,发电透平2的混合工质排汽出口连接冷却器4,冷却器4的凝结水出口连接加热器8,冷却器4的S-CO2出口连接S-CO2储罐9,S-CO2储罐9连接S-CO2预处理装置12,加热器8的气体出口和S-CO2预处理装置12的出口均连接主压缩机15,主压缩机15连接锅炉1,加热器8的液体出口连接汽水换热器5,汽水换热器5的液体出口通过给水泵11连接锅炉1。
S-CO2预处理装置12包括预压缩机14,预压缩机14的两端分别连接S-CO2储罐9和预冷却器13,预冷却器13的冷源侧连接冷却器4与加热器8间的管路,对S-CO2进行升压后再对其降温,实现S-CO2升压时不超温,满足管道材料和运行的要求。
冷却器4连接凝结水泵10,凝结水泵10通过凝结水管道18连接加热器8,汽水换热器5连接给水泵11,给水泵11通过给水管道19连接锅炉1。发电透平2通过抽汽管道16连接汽水换热器5。加热器8的气体出口通过加热器S-CO2排汽管道17连接主压缩机15。
一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统的工作方法,包括以下步骤:
锅炉1产生S-CO2和水蒸汽混合蒸汽送入发电透平2中;
混合蒸汽在发电透平2内绝热膨胀,热能转化成机械能,通过转轴传递给发电机3,实现对外做功发电,发电透平2第N级,部分混合蒸汽通过抽汽管道16进入汽水换热器5,发电透平2将混合蒸汽排汽送入冷却器4中;
汽水换热器5将冷却后的S-CO2送入余热透平6中;
余热透平6进行绝热膨胀,热能转化成机械能,通过转轴传递给余热发电机7,余热透平6将排汽送入加热器8中;
冷却器4将S-CO2和水蒸气定压放热后分离,冷却成的水经凝结水泵10首先进入加热器8,将冷却后的S-CO2送入S-CO2储罐9中;
S-CO2储罐9内的S-CO2经过S-CO2预处理装置12先压缩再降温,S-CO2储罐9内的S-CO2经过预压缩机14进行压缩,再通过预冷却器13进行换热,使S-CO2升压升温后送入主压缩机15中,预冷却器13的冷源侧采用冷却器4排出的凝结水。
加热器8中的S-CO2与凝结水发生热交换,凝结水被加热,加热后的凝结水送入汽水换热器5中,冷却后的S-CO2送入主压缩机15中;
汽水换热器5通过给水泵11将给水送入锅炉1中;
主压缩机15将压缩后的S-CO2送入锅炉1中。
抽汽管道16来的水蒸汽和加热器来的水进入汽-水换热器5换热后,全部变为液态水,一起汇入给水泵11,经绝热压缩后进入锅炉1。
S-CO2和水分别进入锅炉1内定压吸热,产生的高温高压的S-CO2和水蒸汽混合蒸汽,完成热力循环;
S-CO2预处理装置12内的预冷却器13热源侧为S-CO2,冷源侧为凝结水,实现利用凝结水冷却S-CO2的目的。
S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统主要热力参数如表1所示。
表1 S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统主要热力参数
Claims (8)
1.一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,其特征在于,包括锅炉(1),锅炉(1)的S-CO2和水蒸汽混合蒸汽出口连接发电透平(2),发电透平(2)连接发电机(3),发电透平(2)的混合蒸汽抽汽口连接汽水换热器(5),汽水换热器(5)的S-CO2出口连接余热发电透平(6),余热发电透平(6)连接余热发电机(7),余热发电透平(6)的排汽出口连接加热器(8),发电透平(2)的混合工质排汽出口连接冷却器(4),冷却器(4)的凝结水出口连接加热器(8),冷却器(4)的S-CO2出口连接S-CO2储罐(9),S-CO2储罐(9)连接S-CO2预处理装置(12),加热器(8)的气体出口和S-CO2预处理装置(12)的出口均连接主压缩机(15),主压缩机(15)连接锅炉(1),加热器(8)的液体出口连接汽水换热器(5),汽水换热器(5)的液体出口连接锅炉(1)。
2.根据权利要求1所述的一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,其特征在于,S-CO2预处理装置(12)包括预压缩机(14),预压缩机(14)的两端分别连接S-CO2储罐(9)和预冷却器(13),预冷却器(13)的冷源侧连接冷却器(4)与加热器(8)间的管路。
3.根据权利要求1所述的一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,其特征在于,冷却器(4)连接凝结水泵(10),凝结水泵(10)通过凝结水管道(18)连接加热器(8)。
4.根据权利要求1所述的一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,其特征在于,汽水换热器(5)连接给水泵(11),给水泵(11)通过给水管道(19)连接锅炉(1)。
5.根据权利要求1所述的一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,其特征在于,发电透平(2)通过抽汽管道(16)连接汽水换热器(5)。
6.根据权利要求1所述的一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统,其特征在于,加热器(8)的气体出口通过加热器S-CO2排汽管道(17)连接主压缩机(15)。
7.一种权利要求1所述的S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统的工作方法,其特征在于,包括以下步骤:
锅炉(1)产生S-CO2和水蒸汽混合蒸汽送入发电透平(2)中;
发电透平(2)将热能转化成机械能带动发电机(3)工作,发电透平(2)将混合蒸汽抽汽送入汽水换热器(5)中,发电透平(2)将混合蒸汽排汽送入冷却器(4)中;
汽水换热器(5)将冷却后的S-CO2送入余热发电透平(6)中;
余热发电透平(6)热能转化成机械能带动余热发电机(7)工作,余热发电透平(6)将排汽送入加热器(8)中;
冷却器(4)将S-CO2和水蒸汽定压放热后分离,将凝结水送入加热器(8)中,将冷却后的S-CO2送入S-CO2储罐(9)中;
S-CO2储罐(9)内的S-CO2经过S-CO2预处理装置(12)先压缩再降温,使S-CO2升压升温后送入主压缩机(15)中;
加热器(8)将加热后的凝结水送入汽水换热器(5)中,将冷却后的S-CO2送入主压缩机(15)中;
汽水换热器(5)的出口水进入锅炉(1)中;
主压缩机(15)将压缩后的气体送入锅炉(1)中。
8.根据权利要求7所述的一种S-CO2耦合水蒸汽朗肯循环发电系统的工作方法,其特征在于,S-CO2储罐(9)内的S-CO2经过预压缩机(14)进行压缩,再通过预冷却器(13)进行换热,使S-CO2升压升温后送入主压缩机(15)中,预冷却器(13)的冷源侧采用冷却器(4)通过凝结水泵(10)排出的凝结水。
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