CN207974867U - 基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统 - Google Patents

Abstract

基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，属于能源利用技术领域。本实用新型的目的是采用新型循环工质替代目前工业上水‑蒸汽、有机物等工质，达到或超越现有余热回收水平，在系统体积上显著缩小；技术要点：压缩机出口与分流器相连，分流器的A出口与低温烟气段入口相连，低温烟气段出口与驱动透平相连，驱动透平与减速器、压缩机依次相连；驱动透平与汇流器的B入口相连，分流器的B出口、低温回热器、高温回热器、高温烟气段依次相连，高温烟气段出口与发电透平、高温回热器、汇流器的A入口依次相连，发电透平与发电机相连，汇流器出口与低温回热器、冷却器、压缩机依次相连。本实用新型用于燃气轮机余热回收利用。

Description

基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种燃气轮机余热回收利用二氧化碳循环发电系统，具体涉及一种基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，属于能源利用技术领域。

背景技术

燃气轮机的热功转换效率高、污染物排放较燃煤机组少，适用于经济发达、人口密集的地区，包括工业园区、高新技术开发区、大学城等。燃气轮机由于工作特性的原因，出口烟气的温度可达450～550℃甚至更高。因此，为了提高燃气轮机机组的能量利用率，在燃机排烟处需要设置余热利用装置，目前普遍采用水-蒸汽或有机工质的朗肯循环方式回收余热，余热系统回收能力利用占到联合循环整体效率(重燃机组中效率最高约为60％) 的三分之一。

超临界二氧化碳布雷顿循环发电被认为是最有潜力替代水-蒸汽朗肯循环的新型发电循环模式。主要特点是以二氧化碳为工质并在循环中始终处于超临界状态，工质能流密度大、携热能力强使得主设备体积较水-蒸汽循环有显著的缩小，同时还能节水或在水资源缺乏的地区使用。

现有超临界二氧化碳布雷顿循环通常采用简单回热、分流再压缩等布置形式，由于工质进入余热锅炉前需经过回热器加热，虽然热力系统的效率有显著提高，但烟气排烟温度偏高(超过100℃)，系统净功率也偏低。

实用新型内容

在下文中给出了关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本实用新型的目的是采用新型循环工质替代目前工业上使用的水-蒸汽、有机物等工质，达到或超越现有余热回收水平，并且在系统体积上有显著的缩小，进而提供一种基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统。

本实用新型所采取的方案为：基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，包括发电透平、发电机、高温回热器、驱动透平、低温回热器、减速器、压缩机、冷却器、超临界二氧化碳余热锅炉、分流器和回流器；

所述超临界二氧化碳余热锅炉具有低温烟气段和高温烟气段，所述压缩机出口与分流器入口相连，分流器的A出口与低温烟气段入口相连，低温烟气段出口与驱动透平入口相连，驱动透平的输出端与减速器的高速端相连，减速器的低速端与压缩机输入端相连；驱动透平出口与汇流器的B入口相连，分流器的B出口与低温回热器冷端入口相连，低温回热器冷端出口与高温回热器冷端入口相连，高温回热器冷端出口与高温烟气段入口相连，高温烟气段出口与发电透平入口相连，发电透平输出端与发电机输入端相连，发电透平出口与高温回热器热端入口相连，高温回热器热端出口与汇流器的A入口相连，汇流器出口与低温回热器热端入口相连，低温回热器热端出口通过冷却器与压缩机入口相连。

其中，一级分流器对经过压缩机升压的工质进行分流，部分工质直接进入余热锅炉，可以实现锅炉排烟温度低于85℃，比简单回热布置的超临界二氧化碳循环系统理论排烟温度下降了15℃。

其中，烟气分级利用实现了烟气能量梯级利用，对高低不同品质的烟气与不同条件工质换热，采用此种设计可以使系统实际效率(系统净功率与烟气总热值之比)达到22.5％，比现有余热锅炉系统的实际效率(低于20％)更高。超临界二氧化碳透平相较于蒸汽透平而言，透平级数更少、体积更小(理论计算分析得出，300MW蒸汽透平转轴长约20 米，而相同功率等级超临界二氧化碳透平转子轴长仅为1米)。

进一步地：所述驱动透平与压缩机功率匹配。

进一步地：所述驱动透平通过减速器减速后与压缩机轴相连，减少了系统中发电机的数量、避免了电动机的使用，还避免了使用高品位能(电力)提供低品位能(机械功)的过程，热工转换装置体积大幅缩小50％～80％。

进一步地：所述超临界二氧化碳余热锅炉保障工业余热热源450～550℃烟气与压力在 15～25MPa间的超临界二氧化碳充分换热，工质与烟气分别在高温烟气段、低温烟气段内完成换热过程。

进一步地：所述高温回热器和低温回热器均为微通道换热器，端差小于2℃，对工业级二氧化碳的高温300～450℃、高压7.5MPa～25MPa条件下具备耐腐蚀、抗压性能。微通道换热器尺寸为管壳式换热器的二十分之一。

本实用新型所达到的效果为：

本实用新型利用根据烟气温度、热值和开口系热源特点，设计了烟气分级利用双透平发电系统，可实现余热锅炉排烟温度低于85℃，同时系统实际效率(系统净功率与烟气总热值之比)可达22.5％，采用透平驱动压缩机还减少了系统中发电机的数量、避免了电动机的使用，还避免了使用高品位能(电力)提供低品位能(机械功)的过程，热工转换装置体积大幅缩小50％～80％，更利于应用在空间狭小的场所，并更利于实现集成化。

附图说明

图1为本实用新型的基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统结构示意图。

图中：

11—低温烟气段；12—高温烟气段；13—高温回热器；14—低温回热器；15—冷却器： 21—驱动透平；22—发电透平；23—压缩机；31—发电机；41—减速器；51—分流器；52—汇流器。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本实用新型公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在申请文件中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

实施例：参见图1，本实施方式的基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，是采用烟气分级利用技术和发电-驱动双透平超临界二氧化碳循环系统；

具体包括发电透平22、发电机31、高温回热器13、驱动透平21、低温回热器14、减速器41、压缩机23、冷却器15、超临界二氧化碳余热锅炉、分流器51和汇流器52；

所述超临界二氧化碳余热锅炉具有低温烟气段11和高温烟气段12，所述压缩机23出口与分流器51入口相连，分流器51的A出口与低温烟气段11入口相连，低温烟气段 11出口与驱动透平21入口相连，驱动透平21的输出端与减速器41的高速端相连，减速器41的低速端与压缩机23输入端相连；驱动透平21出口与汇流器52的B入口相连，分流器51的B出口与低温回热器14冷端入口相连，低温回热器14冷端出口与高温回热器13冷端入口相连，高温回热器13冷端出口与高温烟气段12入口相连，高温烟气段12 出口与发电透平22入口相连，发电透平22输出端与发电机31输入端相连，发电透平22 出口与高温回热器13热端入口相连，高温回热器13热端出口与汇流器52的A入口相连，汇流器52出口与低温回热器14热端入口相连，低温回热器14热端出口通过冷却器15 与压缩机23入口相连。

更为具体地：所述驱动透平21与压缩机23功率匹配。

更为具体地：所述驱动透平21通过减速器41减速后与压缩机23轴相连。

更为具体地：所述超临界二氧化碳余热锅炉保障工业余热热源450～550℃烟气与压力在15～25MPa间的超临界二氧化碳充分换热，工质与烟气分别在高温烟气段12、低温烟气段11内完成换热过程。

更为具体地：所述高温回热器13和低温回热器14均为微通道换热器，端差小于2℃，对工业级二氧化碳的高温300～450℃、高压7.5MPa～25MPa条件下具备耐腐蚀、抗压性能。微通道换热器尺寸为管壳式换热器的二十分之一。

工作过程：经过冷却器15冷却的低温低压超临界二氧化碳工质进入压缩机23被压缩为低温高压工质，通过分流器51分流进入超临界二氧化碳余热锅炉的低温烟气段11 和低温回热器14，进入低温烟气段11的工质通过与燃机烟气的换热温度上升，该工质进入驱动透平21膨胀做功，机械功通过轴、减速器41传递给压缩机23用于压缩机压缩工质，驱动透平21乏气热量被低温回热器回收，经过分流的低温高压工质通过低温回热器 14和高温回热器13加热后进入超临界二氧化碳余热锅炉的高温烟气段12进一步提升工质温度，而后工质进入发电透平22膨胀做功，电机将机械功转化为电能，发电透平22 乏气进入高温回热器13进行热量的回收，烟气分级利用双透平系统从热源、循环过程特点出发，实现了对热源能量、工质能量的梯级利用，对系统效率、净输出功的有明显的提升作用。

虽然本实用新型所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本实用新型的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本实用新型所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (5)

1.基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：包括发电透平(22)、发电机(31)、高温回热器(13)、驱动透平(21)、低温回热器(14)、减速器(41)、压缩机(23)、冷却器(15)、超临界二氧化碳余热锅炉、分流器(51)和汇流器(52)；

所述超临界二氧化碳余热锅炉具有低温烟气段(11)和高温烟气段(12)，所述压缩机(23)出口与分流器(51)入口相连，分流器(51)的A出口与低温烟气段(11)入口相连，低温烟气段(11)出口与驱动透平(21)入口相连，驱动透平(21)的输出端与减速器(41)的高速端相连，减速器(41)的低速端与压缩机(23)输入端相连；驱动透平(21)出口与汇流器(52)的B入口相连，分流器(51)的B出口与低温回热器(14)冷端入口相连，低温回热器(14)冷端出口与高温回热器(13)冷端入口相连，高温回热器(13)冷端出口与高温烟气段(12)入口相连，高温烟气段(12)出口与发电透平(22)入口相连，发电透平(22)输出端与发电机(31)输入端相连，发电透平(22)出口与高温回热器(13)热端入口相连，高温回热器(13)热端出口与汇流器(52)的A入口相连，汇流器(52)出口与低温回热器(14)热端入口相连，低温回热器(14)热端出口通过冷却器(15)与压缩机(23)入口相连。

2.根据权利要求1所述的基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述驱动透平(21)与压缩机(23)功率匹配。

3.根据权利要求2所述的基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述驱动透平(21)通过减速器(41)减速后与压缩机(23)轴相连。

4.根据权利要求1所述的基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳余热锅炉保障工业余热热源450～550℃烟气与压力在15～25MPa间的超临界二氧化碳充分换热，工质与烟气分别在高温烟气段(12)、低温烟气段(11)内完成换热过程。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于烟气分级利用的双透平超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于：所述高温回热器(13)和低温回热器(14)均为微通道换热器。