CN115773180A - 与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统及低温循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统及低温循环方法，系统包括：Allam半闭式循环回路，含碳燃料的燃烧产物依次经过透平做功、回热、除水、冷凝后得到纯净的液态CO2循环介质，部分液态CO2气化后进入Allam半闭式循环回路中燃烧室，部分液态CO2气化作为冷却流股通入透平，部分CO2进入碳捕集；开式回路，第二循环介质在开式回路中流动，第二循环介质为超低温流体，第二循环介质作为外部冷源冷却燃烧产物并吸收燃烧产物的热量升温气化，升温气化后的第二循环介质采取吸热直接膨胀做功，膨胀后的部分第二循环介质作为燃料进入Allam循环。本发明中超低温流体能帮助半闭式循环中工作介质更有效冷凝的同时，还能使系统做功能力更大，系统效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，具体为一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统及低温循环方法。
背景技术
Allam循环形式指的是一种富氧燃烧，且燃烧产物只有H2O和CO2，并带有碳捕集的超临界CO2布雷顿半闭式循环，因其热力学效率较高，且能实现理论上100％的碳捕集，目前备受全球学者以及工程师的关注，常见的燃料可以是天然气、水煤气(H2+CO)、氢气(H2)、碳氢化合物燃料等。典型的Allam循环以天然气为燃料，经压缩后，与高压O2和高压CO2的混合物在燃烧室燃烧后，高温高压的燃气进入透平做功，透平排气经回热器回收热量后，由于理论上燃烧产物只有H2O和CO2，因此经过水分离步骤后可得到高纯度的CO2，因此可进行碳捕集。经过部分碳捕集后的剩余高纯CO2经过冷却和再压缩后进入回热器吸收透平排气余热，随后再与O2混合后进入燃烧室充当助燃剂，继续重复上述循环。
由于Allam循环需要在除水后将CO2以高压的形式进行碳捕集，而现有系统中在经过除水后CO2仍以低压气态的形式存在，无法进行碳捕集。因此现有的做法是在碳捕集前加入压缩装置，先将低压气态CO2压缩至液态，再进行捕集，此种做法的优势在于：液态CO2密度远大于气态CO2的特性，大大节约捕集后的存储装置空间，进而节约CO2存储装置的制造成本。但缺点在于压缩装置耗功较大，影响系统效率。另一种替代方案是降低循环最高温度，并提高透平背压，此种方法可以再不需要压缩装置的情况下将高压气态的CO2通过常规冷却进行冷凝。但此种做法由于降低了燃烧室出口温度以及透平出口压力，限制了CO2膨胀做功，同样会造成系统效率的降低。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统及低温循环方法，超低温流体作为外部冷源与Allam半闭式循环回路中的循环介质CO2进行换热，将更低压力下的气态CO2循环介质冷却至液态，液态的CO2可以直接进行碳捕集，则不需要压缩装置或者降低燃烧室出口温度以及提高第一透平背压，因此能够大大节约系统耗功，显著提升系统效率。另一方面，较低的透平出口压力下的CO2可以拉低做功能力下限，提高系统的做功能力，进而提高发电效率。外部冷源的冷能被利用之后温度升高获得的热能在开式回路中直接膨胀做功；提高了系统的效率，实现了能量的充分利用。
本发明提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，包括：Allam半闭式循环回路，Allam半闭式循环回路中的含碳燃料和纯氧燃烧提供热量，含碳燃料的燃烧产物依次经过透平做功、回热、除水、冷凝后得到纯净的液态CO2循环介质，部分液态CO2循环介质经增压、加热、与氧气混合后再次进入Allam半闭式循环燃烧室，部分液态CO2循环介质经增压、加热气化后作为透平的冷却流股通入Allam半闭式循环的透平、部分CO2循环介质进入碳捕集装置；开式回路，第二循环介质在开式回路中流动，第二循环介质为液体饱和温度为-150℃以下的超低温流体，开式回路与Allam半闭式循环回路交换热量，第二循环介质作为外部冷源冷却燃烧产物并吸收燃烧产物的热量升温气化，升温气化后的第二循环介质采取吸热直接膨胀做功，膨胀后的部分第二循环介质作为燃料或助燃剂进入Allam半闭式循环回路。
本发明中超低温流体作为外部冷源与Allam半闭式循环回路中的循环介质CO2进行换热，将气态CO2循环介质冷却至液态，液态的CO2可以直接进行碳捕集，则不需要压缩装置或者降低燃烧室出口温度和提高第一透平背压，因此能够大大节约系统耗功，显著提升系统效率。另一方面，更低透平出口压力下的CO2可以拉低做功能力下限，提高系统的做功能力，进而提高发电效率。外部冷源的冷能被利用之后温度升高获得的热能在开式回路中直接膨胀做功；提高了系统的效率，实现了能量的充分利用。
本发明的可选技术方案中，半闭式循环回路包括依次接通连接的第一透平、回热器、第一冷却器、水分离装置、第二冷却器、第一分流器、第一分流器分出的第一支路流体进入碳捕集装置，第一分流器分出的第二支路流体依次流经第一增压泵进入第二分流器分流，第二分流器分出的第一支路流股连接第二增压泵，第二分流器分出的第二支路流股与氧气混合后通入第三增压泵，第二增压泵出口的流体经第一环境吸热器后再流入回热器，第三增压泵出口的流体经第二环境吸热器后再流入回热器，回热器出口的流体部分进入第一透平、部分进入燃烧室，进入燃烧室的流体进入下一轮循环；
开式回路包括依次接通连接的第四增压泵、第二冷却器、第一冷却器、第三环境吸热器、第三分流器、第二透平，第三分流器分出的第一支路流股进入第二透平做功，第三分流器分出的第二支路流股通入上述半闭式循环的燃烧室作燃料进行燃烧。
在常规Allam循环中，第一冷却器、第二冷却器通常采用冷却水作为冷却介质，因此无法将第一透平出口压力下的CO2循环介质冷却至液体，导致后续的增压过程需要用压气机来完成，压气机的耗功远远大于增压泵的耗功，因此系统整体效率受制约。另一种替代方案是提高第一透平的出口压力，流体的饱和温度因此也会随着提高，随后便可以采用冷却水进行冷凝，但随着第一透平出口压力的提高，压比变小，第一透平的输出功有更显著的降低。该技术方案中，采用超低温流体作为冷却介质，能在较低的透平出口压力下进行CO2循环介质的冷凝，显著节约了后续耗功的同时又将吸收的余热收集起来，做到能量的合理利用。进一步地，超低温流体的冷却换热不仅仅发生在第二冷却器中，在Allam半闭式循环回路的水分离装置前布置第一冷却器器，使得超低温流体首先通过第二冷却器，再通过水分离装置前的第一冷却器，进行分级热量传递。
第一、二冷却器处的操作压力等于第一透平出口的压力，第二循环介质通过将第一冷却器处的气态循环介质冷却至所处压力的饱和液体温度以下，随后通过泵增压以满足第一透平入口的压力。
本发明的可选技术方案中，第一冷却器出口的CO2循环介质为气态形式，第二冷却器出口的CO2循环介质为液态形式。
根据该技术方案，第一冷却器将水液化进入水分离装置，第一冷却器出口的气态CO2进入第二冷却器进一步冷却为液态，即可直接对液态CO2进行捕集，而无需压缩装置或者降低燃烧室出口温度和第一透平背压，因此能够大大节约系统耗功，显著提升系统效率。
本发明的可选技术方案中，第二循环介质为液化天然气或液化氢气。
根据该技术方案，液化天然气或液化氢气(饱和温度分别为-252℃、182℃)具有较高的冷能，可以吸收Allam半闭式循环回路中不具备做功能力的透平排气的余热，从而使得不具备做功能力的透平排气重新具备做功能力，提高了能量的利用率以及联合循环发电系统的运行效率，吸热膨胀成气体的天然气或氢气还可以直接用作Allam半闭式循环回路中的燃料。
本发明的可选技术方案中，还包括闭式循环回路，第三循环介质在闭式循环中流动，闭式循环包括依次连通设置形成闭合回路的第三冷却器、第五增压泵、第二冷却器、第三透平、第一冷却器及第四透平，第三冷却器设于第四增压泵及第三环境加热装置之间，第二循环介质通过第三冷却器与闭式循环换热，闭式循环通过第二冷却器和第一冷却器与Allam半闭式循环回路换热，第三循环介质为二氧化碳。
根据该技术方案，闭式循环回路的设置，可以避免超低温冷却介质的温度过低，而将Allam循环形式的CO2循环介质冷却至三相点以下，从而出现结冰现象，造成危险事故。在闭式循环回路中选用合适的循环介质，能够增加整个联合循环发电系统的总流量，提高发电量。闭式循环回路采用CO2作为循环介质，并且加压过程CO2以液态方式存在，且膨胀做功前CO2被完全加热至气态，从而闭式循环回路中的循环介质在第一冷却器、第二冷却器处的吸热量可以匹配Allam半闭式循环回路中CO2循环介质的放热量。闭式循环回路中的循环介质在第一冷却器和第二冷却器处与半闭式循环中的循环介质发生换热时，由于两个循环的循环介质均为CO2，在温区几乎相同的情况下，两者均发生相变，且温度变化较为匹配，因此第一冷却器和第二冷却器处不会出现传热恶化现象，消除了可能降低系统效率的可能性。
本发明的可选技术方案中，联合循环发电系统的电力输出端连接有空气分离装置以及液氧储罐，空气分离装置产生低温液氧进入液氧储罐储存，液氧储罐的出口与第一增压泵的入口连通，低温液氧为第二循环介质。
根据该技术方案，在用电低谷时，联合循环发电循环系统可以将多余的电力驱动空气分离装置中的空气压缩机，高压空气经过冷却以及过滤杂质后后通过膨胀阀节流膨胀，利用氮气和氧气的沸点不同生产出液态氧气和气态氮气，经过分离后的液氧并储存于液氧储罐，在用电高峰时，液氧储罐内的的低温液氧进入开式回路中利用其冷能进行发电，以满足用电需求。从而提高系统灵活性。经空气分离装置获取的高压液氧具有极低的温度，低温液氧作为第二循环介质经过升温气化、换热及做功从第二透平排出时进入燃烧室时可以直接作为Allam半闭式循环回路的助燃剂，提高了能量的利用率。
本发明的可选技术方案中，第三透平与第四透平之间设置再热装置。
根据该技术方案，循环介质首先吸收半闭式循环中CO2冷凝过程放出的热量，经第三透平膨胀做功后，进入再热装置吸收H2O冷凝放出的热量，随后再进入第四透平进一步做功，通过再热装置提升循环介质的温度使闭式循环回路的循环介质能够尽量在较高的温度下膨胀做功，从而增加系统净功。
本发明另提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统的低温循环方法，包括以下步骤：
在开式回路包括：
增压步骤：对第二循环介质以液态形式进行增压；
第一换热步骤：增压后的第二循环介质吸收Allam半闭式循环回路中的CO2或CO2与H2O循环介质的液化潜热，第二循环介质升温气化；
第一做功步骤：升温后的第二循环介质对外直接膨胀做功，第二循环介质自身温度压力下降；
分流步骤：第一换热步骤后的部分第二循环介质通过分流通向Allam闭式循环回路中充当燃料；
在闭式循环包括：
压缩步骤，对第三循环介质以液态形式进行增压；
第二换热步骤：增压后的第三循环介质吸收Allam半闭式循环回路中的CO2循环介质的液化潜热，自身升温气化；
第二做功步骤，换热后的第三循环介质对外做功，自身压力温度下降。
再换热步骤：经过第二做功步骤的第三循环介质吸收燃烧产物中的H2O液化潜热余热，自身升温；
再做功步骤：经过再加热步骤得到的第三循环介质再次对外直接膨胀做功；
冷凝步骤：完成再做功步骤的第三循环介质被第二循环介质冷凝为液体。
附图说明
图1为本发明第一实施方式中与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统的结构示意图。
图2为本发明第二实施方式中与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统的结构示意图。
图3为本发明第三实施方式中与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统的结构示意图。
图4为本发明第四实施方式中与Allam循环形式电站相结合的联合循环系统的结构示意图。
附图标记：
燃烧室1；第一透平21；第二透平22；第三透平23；第四透平24；回热器3；第一冷却器41；第二冷却器42；第三冷却器43；水分离装置5；第一分流器61；第二分流器62；第三分流器63；第一增压泵71；第二增压泵72；第三增压泵73；第四增压泵74；第五增压泵75；第六增压泵76；第一环境吸热器81；第二环境吸热器82；第三环境吸热器83；第四环境吸热器84；液氧储罐9；空气分离装置10。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【第一实施方式】
如图1所示，本发明提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，包括：Allam半闭式循环回路，Allam半闭式循环回路中的含碳燃料和纯氧燃烧提供热量，含碳燃料的燃烧产物依次经过透平做功、回热、除水、冷凝后得到纯净的液态CO2循环介质，部分液态CO2循环介质经增压、与纯氧混合、加热气化后再次进入Allam半闭式循环回路中的燃烧室，部分液态CO2循环介质经增压、加热气化后作为透平的冷却流股通入透平，部分液态CO2循环介质进入碳捕集装置(图中未示出)；开式回路，第二循环介质在开式回路中流动，第二循环介质为液体饱和温度为-150℃以下的超低温流体，开式回路与Allam半闭式循环回路交换热量，第二循环介质作为外部冷源冷却燃烧产物(H2O和CO2)并吸收燃烧产物的热量升温气化，升温气化后的第二循环介质采取吸热直接膨胀做功，膨胀后的部分第二循环介质作为燃料进入Allam半闭式循环回路。
本发明中超低温流体作为外部冷源与Allam半闭式循环回路中的循环介质CO2进行换热，将气态CO2循环介质冷却至液态，液态的CO2可以直接进行碳捕集，则不需要压缩装置或者降低燃烧室1出口温度和第一透平21背压，因此能够大大节约系统耗功，显著提升系统效率。另一方面，更低透平出口压力下的CO2参数可以拉低Allam半闭式循环回路做功能力的下限，放出的热量传递给开式循环，提高系统的做功能力，进而提高发电效率。外部冷源的冷能被利用之后温度升高获得的热能在开式回路中直接膨胀做功；提高了系统的效率，实现了能量的充分利用。
具体来说，半闭式循环回路包括依次接通连接的燃烧室1、第一透平21、回热器3、第一冷却器41、水分离装置5、第二冷却器42、第一分流器61、第一分流器61分出的第一支路流体进入碳捕集装置，第一分流器61分出的第二支路流体依次流经第一增压泵71进入第二分流器62分流，第二分流器62分出的第一支路流股连接第二增压泵72，第二分流器62分出的第二支路流股与氧气混合后通入第三增压泵73，第二增压泵72出口的流体经第一环境吸热器81后再流入回热器3，第三增压泵73出口的流体经第二环境吸热器82后再流入回热器3，回热器3出口的流体部分进入第一透平21、部分进入燃烧室1作为氧化剂，进入燃烧室1的流体进入下一轮循环；其中碳捕集装置由布置在第二冷却器42后的第一分流器61后引出。经空气分离装置(图1中未示出)分离出来的纯氧在第三增压泵73前汇入流股，经加压和加热后送入燃烧室1。
开式回路包括依次接通连接的第四增压泵74、第二冷却器42、第一冷却器41、第三环境吸热器83、第三分流器63、第二透平22，第三分流器63分出的第一支路流股进入第二透平22做功，第三分流器63分出的第二支路流股通入上述半闭式循环的燃烧室1作燃料进行燃烧，为Allam半闭式循环回路提供热量。
在常规Allam循环中，第一冷却器41、第二冷却器42通常采用冷却水作为冷却介质，因此无法将第一透平21出口压力下的CO2循环介质冷却至液体，导致后续的增压过程需要用压气机来完成，压气机的耗功远远大于增压泵的耗功，因此系统整体效率受制约。另一种替代方案是提高第一透平21的出口压力，流体的饱和温度因此也会随着提高，随后便可以采用冷却水进行冷凝，但随着第一透平21出口压力的提高，压比变小，第一透平21的输出功有更显著的降低。本发明实施方式中，采用超低温流体作为冷却介质，能在较低的第一透平21出口压力下进行CO2循环介质的冷凝，显著节约了后续耗功的同时又将吸收的余热收集起来，做到能量的合理利用。进一步地，超低温流体的冷却换热不仅仅发生在第二冷却器42中，在Allam半闭式循环回路的水分离装置5前布置第一冷却器41，使得超低温流体首先通过第二冷却器42，再通过水分离装置5前的第一冷却器41，进行分级热量传递。
进一步地，燃烧室1处发生的燃烧反应由于燃料和助燃剂(氧气)中仅含有C、H、O三种元素，且燃烧室1内氧气和燃料反应完全。因此燃烧产物中仅含有CO2和H2O，与来自第二增压泵72、第三增压泵73的CO2混合后，以超临界状态进入第一透平21做功。
第一透平21中的CO2循环介质经历跨临界过程，在第一透平21出口处于亚临界状态，但其出口仍具有比较高的温度，因此需要回热器3将剩余的较大热量传递给较低温的工作介质。
回热器3出口处的CO2和H2O经过第一冷却器41冷却至低于该压力下的H2O的饱和液体温度，由于CO2在此状态下饱和液体温度较低，因此只有H2O被冷凝为液体。
水分离装置5处经过闪蒸过程，上一步的水经由水分离装置的底部排出，气态CO2由水分离装置5的顶部排出进入第二冷却器42。此处的CO2被进一步冷却直至其饱和液体温度以下，从而获得高纯度的CO2，以便后续通过第一增压泵71增压以及捕集。
经过第一增压泵71增压后，液态CO2被分流为两股，第一流股经第二增压泵72继续增压后进入第一环境加热器81被加热至环境温度，并在其中气化升温；第二流股与液态纯氧混合后进入第三增压泵73，随后进入第二环境加热器82被加热至环境温度，同样在其中气化升温。
经过气化升温的第一、第二流股随后进入回热器3继续吸收第一透平21出口处循环介质的热量，随后第一流股通入第一透平21的入口，第二流股通入燃烧室1，随后第一、第二流股在第一透平21的入口处汇合，共同进入第一透平21做功。
开式循环中，第四增压泵74将来自外部的超低温工作介质预先增压，并依次通过第二冷却器42、第一冷却器41逐渐吸收半闭式循环的余热，自身温度升高且气化。
第三环境加热器83进一步将已经气化的工作介质进一步加热至环境温度，随后通过第三分流器63分流成为两股，第一流股通入第二透平22直接膨胀做功，第二流股通入燃烧室1，与上文助燃剂在燃烧室内发生燃烧反应为半闭式循环提供热量。
较佳地，第一、二冷却器41、42处的操作压力等于第一透平21出口的压力，第二循环介质通过将第二冷却器42处的气态循环介质冷却至所处压力的饱和液体温度以下，随后通过泵增压以满足第一透平21入口的压力。
本发明的优选实施方式中，第一冷却器41出口的CO2循环介质为气态形式，第二冷却器42出口的CO2循环介质为液态形式。
通过上述方式，第一冷却器41将水液化进入水分离装置5，第一冷却器41出口的气态CO2进入第二冷却器42进一步冷却为液态，即可直接对液态CO2进行捕集，而无需压缩装置或者降低燃烧室1出口温度和第一透平21背压，因此能够大大节约系统耗功，显著提升系统效率。
本发明的优选实施方式中，第二循环介质为液化天然气或液化氢气。
通过上述方式，液化天然气或液化氢气(饱和温度分别为-252℃、182℃)具有较高的冷能，可以吸收Allam半闭式循环回路中不具备做功能力的透平排气的余热，从而使得不具备做功能力的透平排气重新具备做功能力，提高了能量的利用率以及联合循环发电系统的运行效率，吸热膨胀成气体的天然气或氢气还可以直接用作Allam半闭式循环回路中的燃料。
对应于本发明的第一实施方式，本发明另提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统的低温循环方法，包括以下步骤：
在开式回路包括：
增压步骤：对第二循环介质以液态形式进行增压。
第一换热步骤：增压后的第二循环介质吸收Allam半闭式循环回路中的CO2循环介质的液化潜热，第二循环介质升温气化；
第一做功步骤：升温后的第二循环介质对外直接膨胀做功，第二循环介质自身温度压力下降；
分流步骤：第一换热步骤后的部分第二循环介质通过分流通向Allam闭式循环回路中充当燃料，部分第二循环介质进入第二透平22做功。
【第二实施方式】
如图2所示，本发明的第二实施方式提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，与第一实施方式的不同之处在于，还包括闭式循环回路，第三循环介质在闭式循环中流动，闭式循环包括依次连通设置形成闭合回路的第三冷却器43、第五增压装置75、第二冷却器42、第四透平24、第一冷却器41及第三透平23，第三冷却器43设于第四增压泵74及第三环境加热装置83之间，第二循环介质通过第三冷却器43与闭式循环换热，闭式循环通过第二冷却器42和第一冷却器41与Allam半闭式循环回路换热，第三循环介质为二氧化碳。
通过上述方式，闭式循环回路的设置，可以避免超低温冷却介质的温度过低，而将Allam循环形式的CO2循环介质冷却至三相点以下，从而出现结冰现象，造成危险事故。在闭式循环回路中选用合适的循环介质，能够增加整个联合循环发电系统的总流量，提高发电量。闭式循环回路采用CO2作为循环介质，并且加压过程CO2以液态方式存在，且膨胀做功前CO2被完全加热至气态，从而闭式循环回路中的循环介质在第一冷却器41、第二冷却器42处的吸热量可以匹配Allam半闭式循环回路中CO2循环介质的放热量。闭式循环回路中的循环介质在第一冷却器41和第二冷却器42处与半闭式循环中的循环介质发生换热时，由于两个循环的循环介质均为CO2，在温区几乎相同的情况下，两者均发生相变，且温度变化较为匹配，因此第一冷却器41和第二冷却器42处不会出现传热恶化现象，消除了可能降低系统效率的可能性。
本发明的优选实施方式中，第三透平23与第四透平24之间设置再热装置(图中未示出)。第三循环介质在第二冷却器42处首先吸收半闭式循环中CO2冷凝过程放出的相变热，经第三透平23膨胀做功后再进入第一冷却器吸收H2O的相变热，随后再经第四透平24膨胀做功，第三透平23与第四透平24之间设置再热装置来提升循环介质的温度，可以使循环介质在较高的温度区间内膨胀做功，使第三循环介质的做功能力最大化，从而增加系统净功。
对应于本发明第二实施方式，提供一种低温循环方法，包括：
压缩步骤，对第三循环介质以液态形式进行增压；
第二换热步骤：增压后的第三循环介质吸收Allam半闭式循环回路中的CO2循环介质的液化潜热，自身升温气化；
第二做功步骤，换热后的第三循环介质对外做功，自身压力温度下降。
再换热步骤：经过第二做功步骤的第三循环介质吸收燃烧产物中的H2O液化潜热余热，自身升温；
再做功步骤：经过再加热步骤得到的第三循环介质再次对外直接膨胀做功；
冷凝步骤：完成再做功步骤的第三循环介质被第二循环介质冷凝为液体；随后继续压缩步骤重复上述流程。
【第三实施方式】
如图3所示，本发明的第三实施方式中提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，与第一实施方式的不同之处在于，联合循环发电系统的电力输出端连接有空气分离装置10以及液氧储罐9，空气分离装置10产生低温液氧进入液氧储罐9储存，液氧储罐9的出口与第四增压泵74的入口连通，低温液氧为第二循环介质。
通过上述方式，在用电低谷时，联合循环发电循环系统可以将多余的电力驱动空气分离装置中的空气压缩机，高压空气经过冷却以及过滤杂质后后通过膨胀阀节流膨胀，利用氮气和氧气的沸点不同生产出液态氧气和气态氮气，经过分离后的液氧并储存于液氧储罐，在用电高峰时，液氧储罐内的的低温液氧进入开式回路中利用其冷能进行发电，以满足用电需求。从而提高系统灵活性。经空气分离装置获取的高压液氧具有极低的温度，低温液氧作为第二循环介质经过升温、换热及做功从第二透平排出时进入燃烧室1时可以直接作为Allam半闭式循环回路的助燃剂，提高了能量的利用率。在Allam半闭式循环回路中，燃料有额外的支路通过第五增压泵75，第四环境加热装置84经增压升温后于回热器3流出的循环介质混合后通入燃烧室1进行燃烧并提供燃烧热。
此实施方式通过液氧储罐9使系统具有了储能特性，储存起来的冷能除了能通过第三环境吸热器83吸热膨胀做功外，还可以用作半闭式循环的助燃剂，其余部分还可以以合理的温度压力输送给其他用户，大大提高了系统的灵活性。
【第四实施方式】
如图4所示，本发明的第四实施方式中提供一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，与第二实施方式的不同之处在于，联合循环发电系统的电力输出端连接有空气分离装置10以及液氧储罐9，空气分离装置10产生低温液氧进入液氧储罐9储存，液氧储罐9的出口与第四增压泵74的入口连通，低温液氧为第二循环介质。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，包括：
Allam半闭式循环回路，所述Allam半闭式循环回路中的含碳燃料和纯氧燃烧提供热量，所述含碳燃料的燃烧产物依次经过透平做功、回热、除水、冷凝后得到纯净的液态CO2循环介质，部分所述液态CO2循环介质经增压、与所述纯氧混合、加热气化后再次进入所述Allam半闭式循环回路中的燃烧室，部分所述液态CO2循环介质经增压、加热气化后作为所述透平的冷却流股通入所述透平，部分所述CO2循环介质进入碳捕集装置；
开式回路，第二循环介质在所述开式回路中流动，所述第二循环介质为液体饱和温度为-150℃以下的超低温流体，所述开式回路与所述Allam半闭式循环回路交换热量，所述第二循环介质作为外部冷源冷却所述燃烧产物并吸收所述燃烧产物的热量升温气化，升温气化后的所述第二循环介质采取吸热直接膨胀做功，膨胀后的部分所述第二循环介质作为燃料进入所述Allam半闭式循环回路。
2.根据权利要求1所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，所述半闭式循环回路包括依次接通连接的燃烧室、第一透平、回热器、第一冷却器、水分离装置、第二冷却器、第一分流器、所述第一分流器分出的第一支路流体进入所述碳捕集装置，所述第一分流器分出的第二支路流体依次流经第一增压泵进入第二分流器分流，所述第二分流器分出的第一支路流股连接第二增压泵，所述第二分流器分出的第二支路流股与氧气混合后通入第三增压泵，所述第二增压泵出口的流体经第一环境吸热器后再流入所述回热器，所述第三增压泵出口的流体经第二环境吸热器后再流入所述回热器，所述回热器出口的流体部分进入所述第一透平、部分进入所述燃烧室，进入所述燃烧室的所述流体进入下一轮循环；
所述开式回路包括依次接通连接的第四增压泵、所述第二冷却器、所述第一冷却器、第三环境吸热器、第三分流器、第二透平，所述第三分流器分出的第一支路流股进入所述第二透平做功，所述第三分流器分出的第二支路流股通入上述半闭式循环的燃烧室作燃料进行燃烧。
3.根据权利要求1所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，所述第一冷却器出口的所述CO2循环介质为气态形式，所述第二冷却器出口的所述CO2循环介质为液态形式。
4.根据权利要求1所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，所述第二循环介质为液化天然气或液化氢气。
5.根据权利要求1所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，还包括闭式循环回路，第三循环介质在所述闭式循环中流动，所述闭式循环包括依次连通设置形成闭合回路的第三冷却器、第五增压泵、所述第二冷却器、第四透平、所述第一冷却器及第三透平，所述第三冷却器设于所述第四增压泵及所述第三环境加热装置之间，所述第二循环介质通过所述第三冷却器与所述闭式循环换热，所述闭式循环通过所述第二冷却器和所述第一冷却器与所述Allam半闭式循环回路换热，所述第三循环介质为二氧化碳。
6.根据权利要求5所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，所述联合循环发电系统的电力输出端连接有空气分离装置以及液氧储罐，所述空气分离装置产生低温液氧进入所述液氧储罐储存，所述液氧储罐的出口与所述第四增压泵的入口连通，所述低温液氧为所述第二循环介质。
7.根据权利要求5所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统，其特征在于，所述第三透平与所述第四透平之间设置再热装置。
8.一种如权利要求5至7中任一权利要求所述的与Allam循环形式电站相结合的联合循环发电系统的低温循环方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述开式回路包括：
增压步骤：对所述第二循环介质以液态形式进行增压；
第一换热步骤：增压后的所述第二循环介质吸收所述Allam半闭式循环回路中的CO2循环介质的液化潜热，所述第二循环介质升温气化；
第一做功步骤：升温后的所述第二循环介质对外直接膨胀做功，所述第二循环介质自身温度压力下降；
分流步骤：所述第一换热步骤后的部分所述第二循环介质通过分流通向所述Allam闭式循环回路中充当燃料；
在闭式循环包括：
压缩步骤，对所述第三循环介质以液态形式进行增压；
第二换热步骤：增压后的所述第三循环介质吸收所述Allam半闭式循环回路中的CO2循环介质的液化潜热，自身升温气化；
第二做功步骤，换热后的所述第三循环介质对外做功，自身压力温度下降；
再换热步骤：经过所述第二做功步骤的所述第三循环介质吸收H2O液化潜热余热，自身升温；
再做功步骤：经过所述再加热步骤得到的所述第三循环介质再次对外直接膨胀做功；
冷凝步骤：完成所述再做功步骤的所述第三循环介质被所述第二循环介质冷凝为液体。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20230310 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |