CN206037009U - 煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，包括余热换热器、低温省煤器、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及有机朗肯循环系统，该系统能够实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与有机朗肯循环系统的联合发电，同时能够实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中锅炉烟气热量的梯级利用，保证空气预热器安全运行，同时能够有效的利用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中透平乏气的余热。

Description

煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统

技术领域

本实用新型属于超临界二氧化碳高效火力发电领域，涉及一种煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统。

背景技术

发电机组效率的高低对国民经济的发展和环境保护都有着重要影响，我国能源储备的构成特点决定了火力发电机组仍然是未来几十年内我国电力行业的主力军，因此，提高火力发电机组的效率在我国显得尤为重要。

提高超临界机组的蒸汽参数可以有效的提高火力发电系统的效率。将主蒸汽参数提高至700℃，可将蒸汽朗肯循环机组的发电效率提高至50％左右。但是，目前700℃高温合金材料开发难度大，成本高，材料问题成为了700℃发电技术的最大瓶颈。为了避开材料方面的技术瓶颈，各国学者纷纷将目光转移到新型动力循环系统，以期实现发电效率的提升。经过各国学者大量的前期研究和论证，目前普遍认为超临界二氧化碳布雷顿循环系统是极具潜力的新概念先进动力系统。这主要是由于超临界二氧化碳具有能量密度大、传热效率高等特点，超临界二氧化碳布雷顿循环高效发电系统可以在620℃温度范围内达到常规蒸汽朗肯循环700℃的效率，避开了新型的高温合金的制约，且设备尺寸小于同参数的蒸汽机组，经济性非常好。

但是，超临界二氧化碳布雷顿循环高效发电系统作为一种新型的先进发电系统，仍然有一些问题有待解决。尤其是对于用于火力发电的超临界二氧化碳布雷顿循环，其二氧化碳锅炉与蒸汽锅炉有显著差别，二氧化碳锅炉烟气余热梯级利用是目前亟待解决的问题。

由于二氧化碳和水物性的不同，二氧化碳布雷顿循环与蒸汽朗肯循环的发电原理也有明显差异，在超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统中，二氧化碳锅炉入口工质的温度比同参数蒸汽锅炉高出100-200℃，这意味着当600℃等级的超临界二氧化碳锅炉仍采用传统超临界蒸汽锅炉的结构形式时，省煤器内工质温度会达到500-550℃，省煤器处的烟气温度则会高达600℃以上，而省煤器后的空气预热器比较合理的烟气入口温度应为400℃，这就导致了600℃-400℃的这部分烟气余热无法利用，锅炉热效率低，严重影响了机组的发电效率。此外，过高的烟气温度会造成空预器的损坏以及脱硝设备无法正常工作。因此，提出一种能够实现超临界二氧化碳锅炉烟气热量梯级利用的联合循环，降低锅炉排烟温度，提高锅炉及系统效率十分有必要。

然而经调研可知，目前国内外公开成果和专利中关于以超临界二氧化碳布雷顿循环为基础的联合循环火力发电系统的内容很少，更鲜有专利涉及通过联合循环的方式解决超临界二氧化碳锅炉烟气热量梯级利用的问题，同时现有技术不能保证二氧化碳锅炉中空气预热器的安全运行，不能有效的利用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中透平乏气的余热。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，该系统能够实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与有机朗肯循环系统的联合发电，同时能够实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中锅炉烟气热量的梯级利用，保证空气预热器安全运行，同时能够有效的利用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中透平乏气的余热。

为达到上述目的，本实用新型所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统包括余热换热器、低温省煤器、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及有机朗肯循环系统；

过热器位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中锅炉的尾部烟道内，且低温省煤器位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中省煤器与空气预热器之间，低温省煤器的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中压缩机的出口相连通，低温省煤器的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器冷侧的入口相连通，余热换热器热侧的入口及出口分别与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器热侧的出口及预冷器的入口相连通，余热换热器冷侧的入口及出口分别与有机朗肯循环系统中ORC泵的出口及ORC透平的入口相连通。

有机朗肯循环系统包括ORC泵、ORC冷凝器、ORC透平及循环发电机，ORC透平的出口与ORC冷凝器的入口相连通，ORC冷凝器的出口与ORC泵的入口相连通，ORC透平的输出轴与循环发电机的驱动轴相连接。

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括预冷器、压缩机、透平、发电机、回热器、锅炉、以及设于锅炉内的省煤器、水冷壁、过热器及空气预热器；

预冷器的出口与压缩机的入口相连通，回热器冷侧的出口依次经省煤器、水冷壁及过热器与透平的入口相连通，透平的出口与回热器热侧的入口相连通，压缩机、透平及发电机同轴布置，过热器、省煤器、低温省煤器及空气预热器沿烟气流通的方向依次布置，空气预热器的出口与锅炉的空气入口相连通。

锅炉的尾部烟道内还设SCR脱硝装置，其中，低温省煤器、SCR脱硝装置及空气预热器沿烟气流通的方向依次布置。

锅炉为π型锅炉。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统在具体操作时，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中压缩机输出的工质进入到低温省煤器中进行加热，然后再进入到回热器中，其中低温省煤器位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中高温省煤器与空气预热器之间，实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中锅炉烟气热量的梯级利用，同时通过低温省煤器降低进入到空气预热器中烟气的温度，保证空气预热器安全运行，并且降低锅炉排出烟气的温度，提高锅炉的热效率及系统的发电效率。同时超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器热侧输出的工质进入到余热换热器中进行换热，为有机朗肯循环系统提供热源，从而有效的利用透平乏气的余热，实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统与有机朗肯循环系统的联合发电。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中，1为压缩机、2为回热器、3为锅炉、31为省煤器、32为水冷壁、33为过热器、34为低温省煤器、35为空气预热器、4为透平、5为发电机、6为余热换热器、7为预冷器、8为ORC透平、9为循环发电机、10为ORC冷凝器、11为ORC泵。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参考图1，本实用新型所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统包括余热换热器6、低温省煤器34、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及有机朗肯循环系统；过热器33位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中锅炉3的尾部烟道内，且低温省煤器34位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中省煤器31与空气预热器35之间，低温省煤器34的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中压缩机1的出口相连通，低温省煤器34的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器2冷侧的入口相连通，余热换热器6热侧的入口及出口分别与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器2热侧的出口及预冷器7的入口相连通，余热换热器6冷侧的入口及出口分别与有机朗肯循环系统中ORC泵11的出口及ORC透平8的入口相连通。

有机朗肯循环系统包括ORC泵11、ORC冷凝器10、ORC透平8及循环发电机9，ORC透平8的出口与ORC冷凝器10的入口相连通，ORC冷凝器10的出口与ORC泵11的入口相连通，ORC透平8的输出轴与循环发电机9的驱动轴相连接。

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括预冷器7、压缩机1、透平4、发电机5、回热器2、锅炉3、以及设于锅炉3内的省煤器31、、水冷壁32、过热器33及空气预热器35；预冷器7的出口与压缩机1的入口相连通，回热器2冷侧的出口依次经省煤器31、水冷壁32及过热器33与透平4的入口相连通，透平4的出口与回热器2热侧的入口相连通，压缩机1、透平4及发电机5同轴布置，过热器33、省煤器31、低温省煤器34及空气预热器35沿烟气流通的方向依次布置，空气预热器35的出口与锅炉3的空气入口相连通。

锅炉3的尾部烟道内还设SCR脱硝装置，其中，低温省煤器34、SCR脱硝装置及空气预热器35沿烟气流通的方向依次布置；锅炉3为π型锅炉。

超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的工作过程为：透平4输出的乏气进入回热器2的热侧放热，并对其冷侧工质进行加热，再在余热换热器6内将余热传递到有机朗肯循环系统的工质中，然后再经预冷器7冷却后进入到压缩机1中升压，压缩机1输出的工质进入低温省煤器34到中进行预热，预热后的工质依次进入到回热器2的冷侧吸热、锅炉3尾部烟道内的省煤器31、水冷壁32及过热器33中加热至设计温度，加热后的高温高压工质进入透平4做功，并通过发电机5实现发电，工质在透平4内膨胀做功后，变为乏气，至此工质实现了一个完整的闭式循环。

有机朗肯循环系统的工作过程为：经ORC泵11升压后的有机工质进入余热换热器6的冷侧中加热至循环设计温度，加热后的有机工质被送入ORC透平8中做功，并通过循环发电机9发电，ORC透平8输出的乏气经过ORC冷凝器10向环境排出废热后进入ORC泵11中升压，至此有机工质实现了一个完整的有机朗肯循环。

低温省煤器34布置于省煤器31与空气预热器35之间，低温省煤器34有效利用省煤器31至空气预热器35之间中温烟气的热量(以600℃机组为例，中温烟气为温度大约在600℃至400℃的烟气)，既实现了锅炉3中烟气余热的梯级利用，又保证了空气预热器35烟气侧入口温度处于合理的范围。

此外，在本实用新型中，余热换热器6布置在回热器2热侧出口与预冷器7入口之间，充分利用回热器2未能充分利用的乏气余热对有机工质进行加热，实现透平4乏气余热的梯级利用，减少预冷器7向外部环境的放热，进一步提高了系统的效率。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，其特征在于，包括余热换热器(6)、低温省煤器(34)、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及有机朗肯循环系统；

过热器(33)位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中锅炉(3)的尾部烟道内，且低温省煤器(34)位于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中省煤器(31)与空气预热器(35)之间，低温省煤器(34)的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中压缩机(1)的出口相连通，低温省煤器(34)的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器(2)冷侧的入口相连通，余热换热器(6)热侧的入口及出口分别与超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器(2)热侧的出口及预冷器(7)的入口相连通，余热换热器(6)冷侧的入口及出口分别与有机朗肯循环系统中ORC泵(11)的出口及ORC透平(8)的入口相连通。

2.根据权利要求1所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，其特征在于，有机朗肯循环系统包括ORC泵(11)、ORC冷凝器(10)、ORC透平(8)及循环发电机(9)，ORC透平(8)的出口与ORC冷凝器(10)的入口相连通，ORC冷凝器(10)的出口与ORC泵(11)的入口相连通，ORC透平(8)的输出轴与循环发电机(9)的驱动轴相连接。

3.根据权利要求1所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，其特征在于，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括预冷器(7)、压缩机(1)、透平(4)、发电机(5)、回热器(2)、锅炉(3)、以及设于锅炉(3)内的省煤器(31)、水冷壁(32)、过热器(33)及空气预热器(35)；

预冷器(7)的出口与压缩机(1)的入口相连通，回热器(2)冷侧的出口依次经省煤器(31)、水冷壁(32)及过热器(33)与透平(4)的入口相连通，透平(4)的出口与回热器(2)热侧的入口相连通，压缩机(1)、透平(4)及发电机(5)同轴布置，过热器(33)、省煤器(31)、低温省煤器(34)及空气预热器(35)沿烟气流通的方向依次布置，空气预热器(35)的出口与锅炉(3)的空气入口相连通。

4.根据权利要求3所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，其特征在于，锅炉(3)的尾部烟道内还设SCR脱硝装置，其中，低温省煤器(34)、SCR脱硝装置及空气预热器(35)沿烟气流通的方向依次布置。

5.根据权利要求1所述的煤基二氧化碳和有机工质联合循环发电系统，其特征在于，锅炉(3)为π型锅炉。