CN117449927A - 一种甲醇燃机联合循环发电装置系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种甲醇燃机联合循环发电装置系统及方法,所述甲醇燃机联合循环发电装置系统包括顶循环单元、底循环单元和熔盐换热单元;所述顶循环单元包括甲醇燃机模块;所述底循环单元包括超临界二氧化碳分流再压缩循环模块和有机朗肯循环模块;所述甲醇燃机模块经熔盐换热单元与超临界二氧化碳分流再压缩循环模块相连。本发明所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统实现了甲醇燃机模块排出的废气余热梯级利用;燃气‑有机工质换热装置出口的低温燃气用于甲醇燃料的预热,提高了整个发电装置系统的循环发电效率,应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域,尤其涉及一种甲醇燃机联合循环发电装置系统及方法。
背景技术
燃气轮机是保障能源安全和发展的核心装备、是能源高效、清洁利用的技术保障、是实现能源结构调整的核心动力装备之一,对能源安全和工业发展等方面具有重大的推动作用。燃气轮机以天然气为燃料时,其主要成分是甲烷,燃烧后的产物只有二氧化碳和水,其中二氧化碳的排放量约为燃煤机组的51%。但受限于天然气发电资源禀赋制约突出,对外依存度高,且天然气本质上属于化石能源、高碳能源。因此需要通过调整燃机燃料灵活性保障能源的供应安全。
甲醇是燃气轮机现实可行,性能优良的未来替代液体燃料之一,燃用甲醇的燃气轮机具有比燃用目前碳氢液体燃料更低的有害气体和温室气体的排放。
超临界二氧化碳循环发电系统具有环境友好、热效率高、经济性好等特点特点,是未来清洁高效发电技术和能源综合利用技术的热点研究方向,是一项将带来发电技术变革的新技术。
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CN116006326A公开了一种联合循环耦合压缩空气的储热调峰系统和方法,其中储热调峰系统包括第一压缩机、第一储气罐、第一换热器、第二换热器、燃气轮机、余热锅炉、第一熔盐罐、第二熔盐罐、第一蒸汽轮机和发电机,有偿调峰发电时,燃气轮机降低发电负荷,产生的多余热烟气输送至第一熔盐罐中进行,另一部分余热进入余热锅炉中,余热锅炉与燃气轮机的余热换热后将水加热为水蒸气,部分水蒸气驱动蒸汽轮机运转,为驱动轴转动提供了动力,从而可驱动发电机运转;参加有偿调峰发电过程中产生的多余的水蒸气输送至第二熔盐罐中,与第二熔盐进行换热,将热量储存在第二熔盐罐中,减少了在启停和调峰过程能量的损失,节约了能源。
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但上述装置系统对燃气轮机排出的废气的余热利用率仍有待进一步提高。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题,本发明提供一种甲醇燃机联合循环发电装置系统及方法,对甲醇燃机模块中燃气透平的排气余热进行梯级利用,先后用于加热超临界二氧化碳透平进口工质、有机工质透平进口工质以及甲醇燃料,而且还提高了循环发电效率。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种甲醇燃机联合循环发电装置系统,所述甲醇燃机联合循环发电装置系统包括顶循环单元、底循环单元和熔盐换热单元;
所述顶循环单元包括甲醇燃机模块;所述底循环单元包括超临界二氧化碳分流再压缩循环模块和有机朗肯循环模块;
所述甲醇燃机模块经熔盐换热单元与超临界二氧化碳分流再压缩循环模块相连。
本发明所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统将甲醇燃机循环与超临界二氧化碳分流再压缩循环、有机朗肯循环这两个底循环耦合,实现了甲醇燃机模块排出的废气余热的梯级利用;其中,熔盐换热单元的存在调节了熔盐与二氧化碳的换热量;超临界二氧化碳分流再压缩循环模块,与常规蒸汽循环相比,体积更小、重量更轻、热损更小、转换效率更高,系统仅需要较低的热量即可启动发电机、应对负荷变化调整迅速、支持快速启停,同时还可以节约大量水资源。本发明所述甲醇燃机联合循环发电装置系统还提高了循环发电效率,具有大规模推广应用前景。
优选地,所述有机朗肯循环模块包括循环连接的燃气-有机工质换热装置、有机工质透平、有机工质冷却装置和有机工质输送装置。
优选地,所述甲醇燃机模块经燃气-有机工质换热装置与有机朗肯循环模块相连,将燃气-有机工质换热装置出口的低温燃气用于甲醇燃料的预热,提高了循环发电效率。
优选地,所述有机朗肯循环模块还包括第一发电机和第一电动机。
优选地,所述第一发电机与有机工质透平相连。
优选地,所述第一电动机与有机工质输送装置相连。
优选地,所述甲醇燃机模块包括依次连接的空气压缩装置、燃烧室、燃气透平和第二发电机。
优选地,所述空气压缩装置与燃气透平同轴连接,可平衡轴向推力并提升装置结构紧凑度。
优选地,所述甲醇燃机模块还包括甲醇燃料预热装置。
优选地,所述甲醇燃料预热装置上设置有甲醇燃料进口管道和废气排出管道。
本发明所述甲醇燃机模块通过低温废气对甲醇燃料进行预热。
优选地,所述甲醇燃料预热装置分别与燃烧室和燃气-有机工质换热装置相连。
优选地,所述熔盐换热单元包括循环连接的燃气-熔盐换热装置、第一熔盐储存装置、熔盐-二氧化碳换热装置和第二熔盐储存装置。
优选地,所述燃气透平、燃气-熔盐换热装置和燃气-有机工质换热装置依次连接。
优选地,所述超临界二氧化碳分流再压缩循环模块包括依次连接的熔盐-二氧化碳换热装置、二氧化碳透平、第一二氧化碳回热装置、第二二氧化碳回热装置、二氧化碳冷却装置、二氧化碳主压缩装置。
优选地,所述二氧化碳主压缩装置依次与第二二氧化碳回热装置、第一二氧化碳回热装置和熔盐-二氧化碳换热装置相连。
优选地,所述二氧化碳透平与第三发电机相连。
优选地,所述二氧化碳主压缩装置与第二电动机相连。
优选地,所述超临界二氧化碳分流再压缩循环模块还包括二氧化碳旁路压缩装置。
优选地,所述二氧化碳旁路压缩装置分别与第一二氧化碳回热装置和第二二氧化碳回热装置相连。
优选地,所述二氧化碳旁路压缩装置与第三电动机相连。
第二方面,本发明还提供一种甲醇燃机联合循环发电的方法,所述方法采用第一方面所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统进行;所述方法包括:
将顶循环甲醇燃机循环与两个底循环超临界二氧化碳分流再压缩循环、有机朗肯循环耦合,通过熔盐换热调节二氧化碳的换热量,实现甲醇燃机模块出口废气余热的梯级利用。
所述方法具体包括:
空气通过空气压缩装置压缩后,与通过甲醇燃料预热装置加热后的燃料甲醇在燃烧室混合燃烧,得到的燃气进入燃气透平膨胀作功,带动第二发电机发电;
膨胀作功后的燃气进入燃气-熔盐换热装置,熔盐加热后进入第一熔盐储存装置,继续通过熔盐-二氧化碳换热装置加热二氧化碳后进入第二熔盐储存装置,降温后的熔盐回到燃气-熔盐换热装置加热;
以熔盐-二氧化碳换热装置为起点,二氧化碳在熔盐-二氧化碳换热装置被加热后,进入二氧化碳透平膨胀作功,带动第三发电机发电;二氧化碳依次通过第一二氧化碳回热装置和第二二氧化碳回热装置,在第二二氧化碳回热装置出口处分流:一股通过二氧化碳冷却装置预冷后进入二氧化碳主压缩装置压缩,之后进入第二二氧化碳回热装置;另一股直接进入二氧化碳旁路压缩装置压缩,两股二氧化碳工质混合,一起进入第一二氧化碳回热装置,再回到熔盐-二氧化碳换热装置;
有机工质进入燃气-有机工质换热装置被加热后,进入有机工质透平膨胀作功,带动第一发电机发电;之后有机工质通过有机工质冷却装置降温,再进入有机工质输送装置,回到燃气-有机工质换热装置。
本发明所述的甲醇燃机联合循环发电的方法将甲醇燃机膨胀作功后产生的废气首先与熔盐换热,该部分热量在超临界二氧化碳分流再压缩循环模块中被合理利用;之后废气继续与有机工质换热,该部分热量在有机朗肯循环模块中被利用;最后废气进入甲醇燃料预热装置将甲醇燃料预热,实现了对甲醇燃机模块中燃气透平的排气余热的梯级利用,且大幅度提高了装置系统的发电效率。
优选地,所述空气在空气压缩装置内进行等熵压缩。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
(1)本发明提供的甲醇燃机联合循环发电装置系统甲醇燃机循环与超临界二氧化碳分流再压缩循环、有机朗肯循环这两个底循环耦合,实现了甲醇燃机模块排出的废气余热的梯级利用;将燃气-有机工质换热装置出口的低温燃气用于甲醇燃料的预热,提高了循环发电效率;
(2)本发明提供的甲醇燃机联合循环发电装置系统中各个循环单元均对环境无污染,有利于电力行业能源脱碳,应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明具体实施方式提供的一种甲醇燃机联合循环发电装置系统的结构示意图。
图中:1-空气压缩装置;2-甲醇燃料预热装置;3-燃烧室;4-燃气透平;5-燃气-熔盐换热装置;6-第一熔盐储存装置;7-熔盐-二氧化碳换热装置;8-第二熔盐储存装置;9-二氧化碳透平;10-第一二氧化碳回热装置;11-第二二氧化碳回热装置;12-二氧化碳冷却装置;13-二氧化碳主压缩装置;14-二氧化碳旁路压缩装置;15-燃气-有机工质换热装置;16-有机工质透平;17-有机工质冷却装置;18-有机工质输送装置;19-甲醇燃料进口管道;20-第二发电机;21-第三发电机;22-第一发电机;23-第二电动机;24-第三电动机;25-第一电动机。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准。
需要理解的是,在本发明的描述中,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是,在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是,本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备,但以上内容不属于本发明的主要发明点,本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型自行增设布局,本发明对此不做特殊要求和具体限定。
作为本发明一个具体实施方式,提供一种甲醇燃机联合循环发电装置系统,其结构示意图如图1所示。
所述甲醇燃机联合循环发电装置系统包括顶循环单元、底循环单元和熔盐换热单元;
所述顶循环单元包括甲醇燃机模块;所述底循环单元包括超临界二氧化碳分流再压缩循环模块和有机朗肯循环模块;
所述甲醇燃机模块经熔盐换热单元与超临界二氧化碳分流再压缩循环模块相连。
所述有机朗肯循环模块包括循环连接的燃气-有机工质换热装置15、有机工质透平16、有机工质冷却装置17和有机工质输送装置18;
所述甲醇燃机模块经燃气-有机工质换热装置15与有机朗肯循环模块相连。
所述有机朗肯循环模块还包括第一发电机22和第一电动机25;
所述第一发电机22与有机工质透平16相连;
所述第一电动机25与有机工质输送装置18相连。
所述甲醇燃机模块包括依次连接的空气压缩装置1、燃烧室3、燃气透平4和第二发电机20;
所述空气压缩装置1与燃气透平4同轴连接。
所述甲醇燃机模块还包括甲醇燃料预热装置2;所述甲醇燃料预热装置2上设置有甲醇燃料进口管道19和废气排出管道;所述甲醇燃料预热装置2分别与燃烧室3和燃气-有机工质换热装置15相连。
所述熔盐换热单元包括循环连接的燃气-熔盐换热装置5、第一熔盐储存装置6、熔盐-二氧化碳换热装置7和第二熔盐储存装置8;
所述燃气透平4、燃气-熔盐换热装置5和燃气-有机工质换热装置15依次连接。
所述超临界二氧化碳分流再压缩循环模块包括依次连接的熔盐-二氧化碳换热装置7、二氧化碳透平9、第一二氧化碳回热装置10、第二二氧化碳回热装置11、二氧化碳冷却装置12、二氧化碳主压缩装置13;
所述二氧化碳主压缩装置13依次与第二二氧化碳回热装置11、第一二氧化碳回热装置10和熔盐-二氧化碳换热装置7相连;
所述二氧化碳透平9与第三发电机21相连;
所述二氧化碳主压缩装置13与第二电动机23相连。
所述超临界二氧化碳分流再压缩循环模块还包括二氧化碳旁路压缩装置14;
所述二氧化碳旁路压缩装置14分别与第一二氧化碳回热装置10和第二二氧化碳回热装置相连11;
所述二氧化碳旁路压缩装置14与第三电动机24相连。
作为本发明的具体实施方式,还提供一种甲醇燃机联合循环发电的方法,所述方法采用上述的甲醇燃机联合循环发电装置系统进行;所述方法具体包括:
空气通过空气压缩装置1压缩后,压力为2.1MPa,与通过甲醇燃料预热装置2加热后的燃料甲醇在燃烧室3混合燃烧,得到的燃气进入燃气透平4膨胀作功,带动第二发电机20发电;所述空气压缩装置1的压比为21;所述燃烧室3出口的燃气温度为1520℃;
膨胀作功后的729.0℃的常压燃气进入燃气-熔盐换热装置5,熔盐加热后进入第一熔盐储存装置6,继续通过熔盐-二氧化碳换热装置7加热二氧化碳后进入第二熔盐储存装置8,降温后的熔盐回到燃气-熔盐换热装置5加热;
以熔盐-二氧化碳换热装置7为起点,二氧化碳在熔盐-二氧化碳换热装置7被加热后,进入二氧化碳透平9膨胀作功,带动第三发电机21发电;二氧化碳依次通过第一二氧化碳回热装置10和第二二氧化碳回热装置11,在第二二氧化碳回热装置11出口处分流:一股通过二氧化碳冷却装置12预冷后进入二氧化碳主压缩装置13压缩,之后进入第二二氧化碳回热装置11;另一股直接进入二氧化碳旁路压缩装置14压缩,两股二氧化碳工质混合,一起进入第一二氧化碳回热装置10,再回到熔盐-二氧化碳换热装置7;
有机工质R236EA(1,1,1,2,3,3-六氟丙烷)进入燃气-有机工质换热装置15被加热后,进入有机工质透平16膨胀作功,带动第一发电机22发电;之后有机工质通过有机工质冷却装置17降温,再进入有机工质输送装置18,回到燃气-有机工质换热装置15。
上述具体实施方式中不考虑空气在不同装置及各段管道中的换热损失和泄露损失;
第一二氧化碳回热装置10和第二二氧化碳回热装置11各段管道端差不得低于5℃以保持正常换热;
第一电动机25、第二电动机23和第三电动机24效率均为99.8%;第一发电机22、第二发电机20和第三发电机21效率均为98.6%;
空气压缩装置1的等熵效率为89%,机械效率为99%;
燃烧室3的燃烧效率(由于热能损失)为98%;
燃气透平4的等熵效率为90%,机械效率为99%;
熔盐换热单元不考虑换热损失;
二氧化碳透平9的等熵效率为89%,机械效率为99.8%;
第一二氧化碳回热器10的高压段和低压段压损均为0.2MPa,低温端端差为10℃;第二二氧化碳回热器11的高压段和低压段压损均为0.1MPa,低温端端差为10℃;
分流比(流向二氧化碳主压缩装置13的流量占循环总流量的比例)为0.675;
二氧化碳冷却装置12的出口二氧化碳温度为34.4℃;
二氧化碳主压缩装置13和二氧化碳旁路压缩装置14的等熵效率均为75%,机械效率为99%;
有机工质透平16的等熵效率为88%,机械效率为99.8%;
有机工质输送装置18的等熵效率为80%,机械效率为99.8%。
采用联合循环发电效率来评价上述甲醇燃机联合循环发电装置系统的性能。
所述联合循环发电效率是指联合循环发电机输出的电功率与联合循环输入的热功率的比值,即:
式中,
ηfd--联合循环发电效率,%;
P--联合循环的输出功率,kW;
G--燃料的流量,kg/h或m3/h;
Q--燃料的低位发热值,kJ/kg或kJ/m3。
为提高燃气轮机排气余热利用比例,需要对甲醇燃机模块、超临界二氧化碳分流再压缩循环模块、有机朗肯循环模块(工质选用R236EA)进行流量匹配。
本具体实施方式中,以甲醇燃机联合循环发电功率为30MW为例,各个模块工质质量流量如表1所示。
表1
子循环 | 工质 | 质量流量,kg/s |
甲醇燃机循环 | 空气 | 18.56 |
甲醇燃机循环 | 甲醇 | 1.54 |
超临界二氧化碳循环 | 透平进口二氧化碳 | 31.56 |
超临界二氧化碳循环 | 主压缩机二氧化碳 | 21.31 |
有机朗肯循环 | R236EA | 18.94 |
计算得到甲醇燃机联合循环主要性能参数如表2所示。
表2
综上所述,本发明提供的甲醇燃机联合循环发电装置系统甲醇燃机循环与超临界二氧化碳分流再压缩循环、有机朗肯循环这两个底循环耦合,实现了甲醇燃机模块排出的废气余热的梯级利用;将燃气-有机工质换热装置出口的低温燃气用于甲醇燃料的预热,提高了循环发电效率;其中,各个循环单元均对环境无污染,有利于电力行业能源脱碳。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述甲醇燃机联合循环发电装置系统包括顶循环单元、底循环单元和熔盐换热单元;
所述顶循环单元包括甲醇燃机模块;所述底循环单元包括超临界二氧化碳分流再压缩循环模块和有机朗肯循环模块;
所述甲醇燃机模块经熔盐换热单元与超临界二氧化碳分流再压缩循环模块相连。
2.根据权利要求1所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述有机朗肯循环模块包括循环连接的燃气-有机工质换热装置、有机工质透平、有机工质冷却装置和有机工质输送装置;
优选地,所述甲醇燃机模块经燃气-有机工质换热装置与有机朗肯循环模块相连。
3.根据权利要求1或2所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述有机朗肯循环模块还包括第一发电机和第一电动机;
优选地,所述第一发电机与有机工质透平相连;
优选地,所述第一电动机与有机工质输送装置相连。
4.根据权利要求1~3任一项所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述甲醇燃机模块包括依次连接的空气压缩装置、燃烧室、燃气透平和第二发电机;
优选地,所述空气压缩装置与燃气透平同轴连接。
5.根据权利要求1~4任一项所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述甲醇燃机模块还包括甲醇燃料预热装置;
优选地,所述甲醇燃料预热装置上设置有甲醇燃料进口管道和废气排出管道;
优选地,所述甲醇燃料预热装置分别与燃烧室和燃气-有机工质换热装置相连。
6.根据权利要求1~5任一项所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述熔盐换热单元包括循环连接的燃气-熔盐换热装置、第一熔盐储存装置、熔盐-二氧化碳换热装置和第二熔盐储存装置;
优选地,所述燃气透平、燃气-熔盐换热装置和燃气-有机工质换热装置依次连接。
7.根据权利要求1~6任一项所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述超临界二氧化碳分流再压缩循环模块包括依次连接的熔盐-二氧化碳换热装置、二氧化碳透平、第一二氧化碳回热装置、第二二氧化碳回热装置、二氧化碳冷却装置、二氧化碳主压缩装置;
优选地,所述二氧化碳主压缩装置依次与第二二氧化碳回热装置、第一二氧化碳回热装置和熔盐-二氧化碳换热装置相连;
优选地,所述二氧化碳透平与第三发电机相连;
优选地,所述二氧化碳主压缩装置与第二电动机相连。
8.根据权利要求1~7任一项所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统,其特征在于,所述超临界二氧化碳分流再压缩循环模块还包括二氧化碳旁路压缩装置;
优选地,所述二氧化碳旁路压缩装置分别与第一二氧化碳回热装置和第二二氧化碳回热装置相连;
优选地,所述二氧化碳旁路压缩装置与第三电动机相连。
9.一种甲醇燃机联合循环发电的方法,其特征在于,所述方法采用权利要求1~8任一项所述的甲醇燃机联合循环发电装置系统进行;所述方法包括:
将顶循环甲醇燃机循环与两个底循环超临界二氧化碳分流再压缩循环、有机朗肯循环耦合,通过熔盐换热调节二氧化碳的换热量,实现甲醇燃机模块出口废气余热的梯级利用。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述方法具体包括:
空气通过空气压缩装置压缩后,与通过甲醇燃料预热装置加热后的燃料甲醇在燃烧室混合燃烧,得到的燃气进入燃气透平膨胀作功,带动第二发电机发电;
膨胀作功后的燃气进入燃气-熔盐换热装置,熔盐加热后进入第一熔盐储存装置,继续通过熔盐-二氧化碳换热装置加热二氧化碳后进入第二熔盐储存装置,降温后的熔盐回到燃气-熔盐换热装置加热;
以熔盐-二氧化碳换热装置为起点,二氧化碳在熔盐-二氧化碳换热装置被加热后,进入二氧化碳透平膨胀作功,带动第三发电机发电;二氧化碳依次通过第一二氧化碳回热装置和第二二氧化碳回热装置,在第二二氧化碳回热装置出口处分流:一股通过二氧化碳冷却装置预冷后进入二氧化碳主压缩装置压缩,之后进入第二二氧化碳回热装置;另一股直接进入二氧化碳旁路压缩装置压缩,两股二氧化碳工质混合,一起进入第一二氧化碳回热装置,再回到熔盐-二氧化碳换热装置;
有机工质进入燃气-有机工质换热装置被加热后,进入有机工质透平膨胀作功,带动第一发电机发电;之后有机工质通过有机工质冷却装置降温,再进入有机工质输送装置,回到燃气-有机工质换热装置。
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