CN209067349U - 一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统 - Google Patents

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周贤
李启明
钟迪
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Abstract

本实用新型提供的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，包括空气分离装置、燃烧器、二氧化碳透平、回热器、水分离器、第一二氧化碳增压装置、二氧化碳回收装置、余热回收换热器和卡林那循环系统；本系统以天然气为燃料，采用富氧燃烧方式，实现二氧化碳全捕集；二氧化碳在透平中膨胀到亚临界状态，膨胀比高于超临界二氧化碳布雷顿循环，因此透平出功较多，提高循环效率；底循环采用卡林那循环回收超临界二氧化碳循环余热，工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得汽化过程与热源的放热过程匹配良好，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了余热利用效率。

Description

一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统
技术领域
本实用新型属于超临界二氧化碳发电技术领域，尤其涉及一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统。
背景技术
能源和环境是人类社会发展面临的两大难题，不断提高发电机组效率是电力行业研究的永恒主题和目标。目前较常用的动力循环包括以水为工质的朗肯循环和以空气为工质的布雷顿循环。常规燃煤电厂主要是以水为工质的朗肯循环，目前最大的百万千瓦燃煤电站的蒸汽初参数已达到31MPa，620℃。燃气轮机主要是以空气为工质的布雷顿循环，目前先进航空发动机透平进口燃气温度已超过1700℃，先进重型燃气轮机透平进口温度已达1600℃。进一步提高工质初参数收到材料的限制，存在一定困难。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统,解决了现有的发电机组效率得不到提高的缺陷。
为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型提供的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，包括空气分离装置、燃烧器、二氧化碳透平、回热器、水分离器、第一二氧化碳增压装置、二氧化碳回收装置、余热回收换热器和卡林那循环系统，其中，空气分离装置的氧气出口连接燃烧器的氧气进口，燃烧器的出口连接二氧化碳透平的入口，二氧化碳透平的出口经过回热器和余热回收换热器的热端连接水分离器的入口相连，水分离器的二氧化碳出口连接第一二氧化碳增压装置的入口，第一二氧化碳增压装置的出口连接；其中，余热回收换热器的冷端连接卡林那循环系统。
优选地，第一二氧化碳增压装置的出口还设置有分支，该分支经过回热器的冷端连接燃烧器的入口。
优选地，余热回收换热器的热端出口和水分离器的入口之间设置有第一冷却器。
优选地，第一二氧化碳增压装置的出口依次设置有第二冷却器和第二二氧化碳增压装置，其中，第一二氧化碳增压装置的出口连接第二冷却器的入口，第二冷却器的出口连接第二二氧化碳增压装置的入口，第二二氧化碳增压装置的出口分为两路，一路连接二氧化碳回收装置的入口，另一路经过回热器的冷端连接燃烧器的二氧化碳入口。
优选地，卡林那循环系统包括卡林那透平、卡林那回热器、第一混合器、氨分离器、第二混合器、高压凝汽器和气液分离器，高压凝汽器的出口经过余热回收换热器连接卡林那透平的入口，卡林那透平的出口连接卡林那回热器的入口，卡林那回热器的出口连接第一混合器的入口，第一混合器的出口连接氨分离器的入口，氨分离器的出口分为两路，一路经过卡林那回热器的冷端连接气液分离器的入口；另一路连接第二混合器的入口，第二混合器的出口连接高压凝汽器；气液分离器的浓氨水出口连接第二混合器的入口，气液分离器的稀氨水出口连接第一混合器的入口。
优选地，高压凝汽器的出口和余热回收换热器的入口之间设置有高压泵。
优选地，第一混合器的出口和氨分离器的入口之间依次设置有低压凝汽器和低压泵。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型提供的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，采用超临界二氧化碳作为工质，其密度接近于液体，临界点附近二氧化碳的压缩因子只有0.2-0.5，实际压缩功大大减小；使得该系统结构简单、设备体积小；同时，以天然气为燃料，采用富氧燃烧方式，实现二氧化碳全捕集；二氧化碳在透平中膨胀到亚临界状态，膨胀比高于超临界二氧化碳布雷顿循环，因此透平出功较多，提高循环效率；底循环采用卡林那循环回收超临界二氧化碳循环余热，工质相变的非等温过程和循环过程中工质浓度的改变，使得汽化过程与热源的放热过程匹配良好，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了余热利用效率。
进一步的，采用分级加压方式，避开了两相区，不需要排放气化潜热，可以提高二氧化碳的冷却温度，从而可以在常温下冷却二氧化碳，而且减小了压缩功。
附图说明
图1是本实用新型涉及的发电系统的结构示意图；
其中，1、空气分离装置 2、燃烧器 3、二氧化碳透平 4、回热器 5、第一冷却器 6、水分离器 7、第一二氧化碳增压装置 8、第二冷却器 9、第二二氧化碳增压装置 10、二氧化碳回收装置 11、余热回收换热器 11-1、卡林那透平 11-2、卡林那回热器 11-3、第一混合器、11-4、低压凝汽器 11-5、低压泵 11-6、氨分离器 11-7、第二混合器 11-8、高压凝汽器11-9、高压泵 11-10、气液分离器。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提供的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，包括空气分离装置1、燃烧器2、二氧化碳透平3、回热器4、第一冷却器5、水分离器6、第一二氧化碳增压装置7、第二冷却器8、第二二氧化碳增压装置9、二氧化碳回收装置10、余热回收换热器11、卡林那透平11-1、卡林那回热器11-2、第一混合器11-3、低压凝汽器11-4、低压泵11-5、氨分离器11-6、第二混合器11-7、高压凝汽器11-8、高压泵11-9和气液分离器11-10，其中，空气分离装置1的氧气出口与燃烧器2的氧气入口相连，燃烧器2的出口与二氧化碳透平3的入口相连，二氧化碳透平3的出口与回热器4的热端入口相连，回热器4的热端出口与余热回收换热器11的热端入口相连，余热回收换热器11的热端出口与第一冷却器5的入口相连，第一冷却器5的出口与水分离器6的入口相连，水分离器6的二氧化碳出口与第一二氧化碳增压装置7的入口相连，第一二氧化碳增压装置7的出口与第二冷却器8的入口相连，第二冷却器8的出口与第二二氧化碳增压装置9的入口相连，第二二氧化碳增压装置9的出口分别与二氧化碳回收装置10的入口以及回热器4的冷端入口相连，回热器4的冷端出口与燃烧器2的二氧化碳入口相连。
余热回收换热器11的冷端出口与卡林那透平11-1的入口相连，卡林那透平11-1的出口与卡林那回热器11-2的热端入口相连，卡林那回热器11-2的热端出口与混合器111-3的入口1相连，混合器111-3的出口与低压凝汽器11-4的入口相连，低压凝汽器11-4的出口与低压泵11-5的入口相连，低压泵11-5的出口与氨分离器11-6的入口相连，氨分离器11-6的出口1与混合器211-7的入口1相连，氨分离器11-6的出口2与卡林那回热器11-2的冷端入口相连，卡林那回热器11-2的冷端出口与气液分离器11-10的入口相连，气液分离器11-10的浓氨水出口与第二混合器11-7的入口2相连，气液分离器11-10的稀氨水出口与混合器111-3的入口2相连，第二混合器11-7的出口与高压凝汽器11-8的入口相连，高压凝汽器11-8的出口与高压泵11-9的入口相连，高压泵11-9的出口与余热回收换热器11的的冷端入口相连。
该系统过程:
天然气、从空气分离装置1出来的氧气、在回热器4中回热后的超临界二氧化碳工质一起进入燃烧器2燃烧，燃烧室出口的高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平3做功发电，出口超临界二氧化碳在回热器4中进行余热回收后，进入水分离器6将水分离，出口的纯二氧化碳在第一二氧化碳增压装置7中被加压，然后在第二冷却器8中被冷却，接着被第二二氧化碳增压装置9升压。此时，多余的二氧化碳被分离出来进入二氧化碳回收装置10或用于其他用途，其余的二氧化碳在回热器中被加热后继续循环。
处于饱和液体状态的工作溶液通过高压泵11-9升压，在余热回收换热器11中吸热成为过热蒸气，送至卡林那透平11-1作功发电，乏汽经卡林那回热器11-2冷却后，与气液分离器11-10底部流出的稀氨水在第一混合器11-3中混合，在低压凝汽器11-4中冷凝，并在低压泵11-5中升压，送至氨分离器11-6，氨分离器11-6出口氨水一股经卡林那回热器11-2加热，并在气液分离器(11-10)中分离成为浓氨水和稀氨水；另一股进入第二混合器11-7与气液分离器11-10顶部流出的气态浓氨水混合形成工作溶液，经高压凝汽器11-8冷凝成为饱和工作溶液。

Claims (7)

1.一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，包括空气分离装置(1)、燃烧器(2)、二氧化碳透平(3)、回热器(4)、水分离器(6)、第一二氧化碳增压装置(7)、二氧化碳回收装置(10)、余热回收换热器(11)和卡林那循环系统，其中，空气分离装置(1)的氧气出口连接燃烧器(2)的氧气进口，燃烧器(2)的出口连接二氧化碳透平(3)的入口，二氧化碳透平(3)的出口依次经过回热器(4)和余热回收换热器(11)的热端连接水分离器(6)的入口相连，水分离器(6)的二氧化碳出口连接第一二氧化碳增压装置(7)的入口，第一二氧化碳增压装置(7)的出口连接二氧化碳回收装置(10)的入口；其中，余热回收换热器(11)的冷端连接卡林那循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一二氧化碳增压装置(7)的出口还设置有分支，该分支经过回热器(4)的冷端连接燃烧器(2)的入口。
3.根据权利要求1所述的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，余热回收换热器(11)的热端出口和水分离器(6)的入口之间设置有第一冷却器(5)。
4.根据权利要求1所述的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一二氧化碳增压装置(7)的出口依次设置有第二冷却器(8)和第二二氧化碳增压装置(9)，其中，第一二氧化碳增压装置(7)的出口连接第二冷却器(8)的入口，第二冷却器(8)的出口连接第二二氧化碳增压装置(9)的入口，第二二氧化碳增压装置(9)的出口分为两路，一路连接二氧化碳回收装置(10)的入口，另一路经过回热器(4)的冷端连接燃烧器(2)的二氧化碳入口。
5.根据权利要求1所述的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，卡林那循环系统包括卡林那透平(11-1)、卡林那回热器(11-2)、第一混合器(11-3)、氨分离器(11-6)、第二混合器(11-7)、高压凝汽器(11-8)和气液分离器(11-10)，高压凝汽器(11-8)的出口经过余热回收换热器(11)的冷端连接卡林那透平(11-1)的入口，其中，卡林那透平(11-1)的出口连接卡林那回热器(11-2)的入口，卡林那回热器(11-2)的出口连接第一混合器(11-3)的入口，第一混合器(11-3)的出口连接氨分离器(11-6)的入口，氨分离器(11-6)的出口分为两路，一路经过卡林那回热器(11-2)的冷端连接气液分离器(11-10)的入口；另一路连接第二混合器(11-7)的入口，第二混合器(11-7)的出口连接高压凝汽器(11-8)；气液分离器(11-10)的浓氨水出口连接第二混合器(11-7)的入口，气液分离器(11-10)的稀氨水出口连接第一混合器(11-3)的入口。
6.根据权利要求5所述的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，高压凝汽器(11-8)的出口和余热回收换热器(11)的入口之间设置有高压泵(11-9)。
7.根据权利要求5所述的一种天然气余热回收的超临界二氧化碳发电系统，其特征在于，第一混合器(11-3)的出口和氨分离器(11-6)的入口之间依次设置有低压凝汽器(11-4)和低压泵(11-5)。
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