CN211598772U - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其中过热器连接透平，透平排气管道依次连接高低温回热器低压侧，低温回热器低压侧出口分别连接再压缩机和低温空气加热器的入口，低温空气加热器出口依次连接预冷器和主压缩机，主压缩出口连接低温回热器高压侧入口，再压缩机出口与低温回热器高压侧出口连接，然后依次连接高温回热器高压侧和高温二氧化碳加热器；中低温二氧化碳加热器分别与高低温回热器并联，烟气空气加热器与低温二氧化碳加热器并联；空气经风机由低高温空气加热器或烟气空气加热器加热，并分为一二次风送入锅炉。本实用新型回收了部分耗散在预冷器中的热能，实现了烟气能量的梯级利用，克服了冷热流体热容流率不同的缺陷。

Description

一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统

技术领域

本实用新型属于热力发电技术领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统。

背景技术

火力发电一般采用的是以水蒸气作为循环工质的朗肯循环，然而基于朗肯循环的火力发电技术已经发展到十分成熟的地步，受高温材料以及经济性等因素的限制，进一步提高发电效率已经十分困难。为此，世界各国都十分重视研究新型的发电循环形式，以提高发电循环效率。在众多的新型发电方式中，以超临界二氧化碳为工质的布雷顿循环被认为是最有发展潜力的动力循环方式。在超临界二氧化碳布雷顿循环中，二氧化碳工质在进入主压缩机之前需要使用预冷器将其预冷到临界点附近。二氧化碳的临界参数较高使得进入预冷器的工质温度较高，相当大的热能(大约50％的输入能量)因此被耗散，影响了二氧化碳布雷顿循环的循环效率。另一方面，锅炉尾部的烟气通常通过空气预热器加热空气。空气预热器的进口空气温度由大气环境决定，通常在20～30℃；而排烟温度受换热器低温腐蚀温度以及下游工艺温度的限制通常不能过低，在120～140℃。这使得空气预热器冷端必然出现较大的冷热流体换热温压，造成了一定的不可逆损失，限制了锅炉热效率的提高。综上所述，采用超临界二氧化碳布雷顿循环的传统火力发电热力系统尚存在散热器热能耗散大和空气预热器尾部不可逆损失大的缺点，仍有较大的效率提升空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，以解决上述技术问题。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，包括锅炉、过热器、高温二氧化碳加热器、中温二氧化碳加热器、低温二氧化碳加热器、烟气空气加热器、透平、高温回热器、低温回热器、高温空气加热器、低温空气加热器、风机、预冷器、主压缩机和再压缩机；其中，

锅炉中设有过热器，过热器通过管道连接透平；透平的排气管道连接高温回热器低压侧入口；

高温回热器低压侧出口分成两路，一路连接低温回热器低压侧入口，另一路连接高温空气加热器热侧入口；高温空气加热器热侧出口连接低温回热器低压侧出口，然后分为两路，一路连接再压缩机入口，另一路连接低温空气加热器热侧入口，低温空气加热器热侧出口连接预冷器入口，预冷器出口连接主压缩机入口，主压缩机出口分成两路，一路连接低温回热器高压侧入口，另一路连接低温二氧化碳加热器入口；低温二氧化碳加热器出口和再压缩机出口连接低温回热器高压侧出口，混合后又分为两路，一路连接高温回热器高压侧入口，另一路连接中温二氧化碳加热器入口，中温二氧化碳加热器出口连接高温回热器高压侧出口，混合后连接高温二氧化碳加热器入口；

风机入口与大气连通，风机出口连接低温空气加热器空气侧入口，低温空气加热器空气侧出口分为两路，一路连接高温空气加热器空气侧入口，另一路连接烟气空气加热器入口；高温空气加热器空气侧出口和烟气空气加热器出口分为一次风和二次风。

本实用新型进一步的改进在于，通过控制流经高温空气加热器的二氧化碳流量，使得高温空气加热器中二氧化碳的热容流率与空气的热容流率相同，而低温回热器的夹点问题通过调节再压缩机的流量来解决。

本实用新型进一步的改进在于，通过控制流入低温二氧化碳加热器的二氧化碳流量，使得低温二氧化碳加热器中二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同。

本实用新型进一步的改进在于，通过控制流入中温二氧化碳加热器的二氧化碳流量，使得中温二氧化碳加热器中二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同。

本实用新型进一步的改进在于，流入预冷器的二氧化碳通过冷却至达到所需的主压缩机入口温度。

本实用新型进一步的改进在于，还包括第二预冷器和预压缩机，高温空气加热器热侧出口连接低温回热器低压侧出口，然后依次连接第二预冷器和预压缩机，预压缩机出口分为两路，一路连接再压缩机入口，另一路连接低温空气加热器热侧入口。

本实用新型至少具有如下有益的技术效果：

1、在预冷器前添加了一个低温空气加热器，利用预冷器之前的二氧化碳加热空气，以回收部分耗散在预冷器中热能，可解决传统超临界二氧化碳布雷顿循环中存在预冷器处热能耗散大的问题。

2、通过布置低温二氧化碳加热器和中温二氧化碳加热器，使二氧化碳和烟气的温度相匹配，实现了低温烟气和低温回热器、中温烟气和高温回热器之间的能级匹配，从而提高了效率。同时低温二氧化碳加热器和中温二氧化碳加热器的分流还降低了低温回热器和高温回热器高压侧的工质流量，可缓解回热器的夹点问题。

3、通过控制二氧化碳流量使得空气的热容流率和二氧化碳的热容流率、烟气的热容流率和二氧化碳的热容流率相等，克服了冷热流体热容流率不同的缺陷，从而避免了夹点问题，降低了能量损失。

4、取消了锅炉尾部的传统空气预热器，空气通过低温空气加热器预热，并通过高温空气加热器和烟气空气加热器加热到所需要的温度，即使用低温二氧化碳加热器来利用低温烟气的热量，通过控制流入低温二氧化碳加热器的工质流量，使得烟气热容流率与二氧化碳热容流率相同，避免了夹点问题。通过引入合适温度的二氧化碳，可在不发生低温腐蚀或发生轻微腐蚀的情况下使排烟温度进一步降低，提高锅炉效率，消除了使用传统空气预热器的种种缺陷。同时在低温二氧化碳加热器中的二氧化碳流量不足以将烟气充分冷却时，可在烟气空气加热器中引入合适的空气量以充分利用低温烟气的热量。

附图说明

图1是本实用新型一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统的结构示意图。

图2是本实用新型一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统另一实施例的结构示意图。

附图标记说明：

1-锅炉；2-过热器；3-高温二氧化碳加热器；4-中温二氧化碳加热器；5-低温二氧化碳加热器；6-烟气空气加热器；7-一次风；8-二次风；9-透平；10-高温回热器；11-低温回热器；12-高温空气加热器；13-低温空气加热器；14-风机；15-预冷器；16-主压缩机；17-再压缩机；18-第二预冷器；19-预压缩机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

参考图1，本实用新型提供的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，包括锅炉1、过热器2、高温二氧化碳加热器3、中温二氧化碳加热器4、低温二氧化碳加热器5、烟气空气加热器6、透平9、高温回热器10、低温回热器11、高温空气加热器12、低温空气加热器13、风机14、预冷器15、主压缩机16和再压缩机17。

锅炉1中设有过热器2，过热器2通过管道连接透平9；透平9的排气管道连接高温回热器10低压侧入口；高温回热器10低压侧出口分成两路，一路连接低温回热器11低压侧入口，另一路连接高温空气加热器12热侧入口；高温空气加热器12热侧出口连接低温回热器11低压侧出口，然后分为两路，一路连接再压缩机17入口，另一路连接低温空气加热器13热侧入口，低温空气加热器13热侧出口连接预冷器15入口，预冷器15出口连接主压缩机16入口，主压缩机16出口分成两路，一路连接低温回热器11高压侧入口，另一路连接低温二氧化碳加热器5入口；低温二氧化碳加热器5出口和再压缩机17出口连接低温回热器11高压侧出口，混合后又分为两路，一路连接高温回热器10高压侧入口，另一路连接中温二氧化碳加热器4入口，中温二氧化碳加热器4出口连接高温回热器10高压侧出口，混合后连接高温二氧化碳加热器3入口。

风机14入口与大气连通，风机14出口连接低温空气加热器13空气侧入口，低温空气加热器13空气侧出口分为两路，一路连接高温空气加热器12空气侧入口，另一路连接烟气空气加热器6入口；高温空气加热器12空气侧出口和烟气空气加热器6出口分为一次风7和二次风8。

取消锅炉1尾部的传统空气预热器，空气通过低温空气加热器13预热，并通过高温空气加热器12和烟气空气加热器6加热到燃料燃烧所需要的温度，视燃料种类的不同一般需将空气加热到320～350℃。

在预冷器15前添加一个低温空气加热器13，以回收部分耗散在预冷器15中的热能，低温空气加热器13冷端温差取10～20℃。

控制流经高温空气加热器12的二氧化碳流量，使得高温空气加热器12中二氧化碳的热容流率与空气的热容流率相同，而低温回热器11的夹点问题通过调节再压缩机17的流量来解决。因空气量的变化影响锅炉1燃烧，故此处不采用控制空气量的方式来保证高温空气加热器12中两侧流体的热容流率相等，而是控制流经高温空气加热器12的二氧化碳流量，以使加热器两侧流体的热容流率相等；高温空气加热器12需将空气加热到锅炉1燃烧所需的温度；高温空气加热器12夹点温度取10～20℃，低温回热器11的夹点温度取5～10℃。

控制流入低温二氧化碳加热器5的二氧化碳流量，使得低温二氧化碳加热器5中二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同。流入低温二氧化碳加热器5的二氧化碳温度应尽量保证不发生低温腐蚀，此温度应通过酸露点来选取，但也不宜过高，否则会使循环效率降低，一般此温度在70～80℃，虽然可能会造成轻微腐蚀，但相比于常温的空气温度来说，低温腐蚀的程度要低得多；低温二氧化碳加热器5的夹点温度取15～30℃。

添加一个与低温空气加热器13并联的烟气空气加热器6，以便灵活调整高温空气加热器12中冷热流体的热容流率；同时在低温二氧化碳加热器5中的二氧化碳流量不足以将烟气充分冷却时，可在烟气空气加热器6中引入合适的空气量以充分利用低温烟气的热量；通过烟气挡板调节流过烟气空气加热器6和低温二氧化碳加热器5的烟气流量，当低温二氧化碳加热器5中的二氧化碳流量在使得二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同的同时又能够将烟气充分冷却时，可将烟气空气加热器6完全隔离；烟气空气加热器6的夹点温度取15～30℃。

控制流入中温二氧化碳加热器4的二氧化碳流量，使得中温二氧化碳加热器4中二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同。中温二氧化碳加热器4的夹点温度取15～30℃。

进一步的，流入预冷器15的二氧化碳需冷却至所需的主压缩机16入口温度。因超临界二氧化碳布雷顿循环的良好性能得益于二氧化碳的物理性质，尤其是靠近临界点的物理性质。在临界点附近，二氧化碳的密度很大，并且密度变化非常剧烈，正是这一特性，使得压缩机的功耗大大降低，从而提高了循环效率。故二氧化碳还需经预冷器15冷却至二氧化碳临界温度附近，一般为32℃。

主压缩机16入口压力取7.4～7.9MPa；高温回热器10夹点温度一般取5～10℃；低温回热器11和高温回热器10使用印刷电路板换热器。

本实用新型提供的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，工作时，包括以下步骤：

风机14抽取大气中的空气送入低温空气加热器13，在低温空气加热器13中空气被来自低温回热器11和高温空气加热器12的二氧化碳加热，然后分为两股，一股送入高温空气加热器12继续加热，然后分为一次风7和二次风8参与锅炉1燃烧；另一股送入与低温二氧化碳加热器5并联布置的烟气空气加热器6进行预热，然后分为一次风7和二次风8参与锅炉1燃烧；燃烧产生的烟气依次流经炉膛和尾部烟道，将燃料燃烧释放的热能传递给二氧化碳工质；

高温高压的二氧化碳流体通过连接过热器2和透平9的管道送入透平9膨胀做功，透平9排气进入高温回热器10低压侧加热高压侧的二氧化碳；

从高温回热器10低压侧流出的二氧化碳分成两股，一股流入高温空气加热器12加热来自低温空气加热器13的空气，另一股进入低温回热器11低压侧继续放热以加热低温回热器11高压侧的二氧化碳；从低温回热器11低压侧流出的二氧化碳与从高温空气加热器12流出的二氧化碳混合后分成两股，一股流入再压缩机17压缩，另一股流入低温空气加热器13加热风机14送入的空气；低温空气加热器13流出的二氧化碳经预冷器15冷却后送入主压缩机16，经主压缩机16加压后的二氧化碳分成两股，一股流入低温回热器11高压侧被加热，另外一股经低温二氧化碳加热器5加热后与低温回热器11高压侧出口和再压缩机17出口的二氧化碳混合；混合后的工质又分成两股，一股进入高温回热器10高压侧吸热，另一股经中温二氧化碳加热器4加热后与高温回热器10高压侧出口的二氧化碳混合，然后一起送入锅炉1的高温加热器进行加热。

对于以锅炉1为热源的其他超临界二氧化碳布雷顿循环系统，如预压缩循环、再热循环等，空气的预热均采用本实用新型的加热方式。

实际应用中可能需要将气体(包括但不限于空气)加热至更高的温度，可添加一个与高温回热器10并联的加热器，同样控制此加热器两侧流体的热容流率相同。

参考图2，本实用新型的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统另一实施例，与上一种实施例的区别在于：该实施例用于部分冷却布雷顿循环，所述部分冷却布雷顿循环系统包括锅炉1、过热器2、高温二氧化碳加热器3、中温二氧化碳加热器4、低温二氧化碳加热器5、烟气空气加热器6、透平9、高温回热器10、低温回热器11、高温空气加热器12、低温空气加热器13、风机14、预冷器15、主压缩机16、再压缩机17、第二预冷器18和预压缩机19。

锅炉1中设有过热器2，过热器2通过管道连接透平9；透平9的排气管道连接高温回热器10低压侧入口；高温回热器10低压侧出口分成两路，一路连接低温回热器11低压侧入口，另一路连接高温空气加热器12热侧入口；高温空气加热器12热侧出口连接低温回热器11低压侧出口，然后依次连接第二预冷器18和预压缩机19，预压缩机19出口分为两路，一路连接再压缩机17入口，另一路连接低温空气加热器13热侧入口，低温空气加热器13热侧出口连接预冷器15入口，预冷器15出口连接主压缩机16入口，主压缩机16出口分成两路，一路连接低温回热器11高压侧入口，另一路连接低温二氧化碳加热器5入口；低温二氧化碳加热器5出口和再压缩机17出口连接低温回热器11高压侧出口，混合后又分为两路，一路连接高温回热器10高压侧入口，另一路连接中温二氧化碳加热器4入口，中温二氧化碳加热器4出口连接高温回热器10高压侧出口，混合后连接高温二氧化碳加热器3入口；

风机14入口与大气连通，风机14出口连接低温空气加热器13空气侧入口，低温空气加热器13空气侧出口分为两路，一路连接高温空气加热器12空气侧入口，另一路连接烟气空气加热器6入口；高温空气加热器12空气侧出口和烟气空气加热器6出口分为一次风7和二次风8。

该实施例的工作过程为：风机14抽取大气中的空气，然后分为两股，一股送入低温空气加热器13，在低温空气加热器13中空气被来自低温回热器11和高温空气加热器12的二氧化碳加热，加热后的空气送入高温空气加热器12继续加热，然后分为一次风7和二次风8参与锅炉1燃烧；另一股送入与低温二氧化碳加热器5并联布置的空气预热器进行预热，然后分为一次风7和二次风8参与锅炉1燃烧；燃烧产生的烟气依次流经炉膛和尾部烟道，将燃料燃烧释放的热能传递给二氧化碳工质；高温高压的二氧化碳流体通过连接过热器2和透平9的管道送入透平9膨胀做功，透平9排气进入高温回热器10低压侧加热高压侧的二氧化碳；从高温回热器10低压侧流出的二氧化碳分成两股，一股流入高温空气加热器12加热来自低温空气加热器13的空气，另一股进入低温回热器11低压侧继续放热以加热低温回热器11高压侧的二氧化碳；从低温回热器11低压侧流出的二氧化碳与从高温空气加热器12流出的二氧化碳混合后经第二预冷器18冷却放热后送入预压缩机19压缩至所需压力后分成两股，一股流入再压缩机17压缩，另一股流入低温空气加热器13加热风机14送入的空气；最后一股流经流量调节阀后与低温空气加热器13流出的二氧化碳混合；低温空气加热器13流出的二氧化碳经预冷器15冷却后送入主压缩机16，经主压缩机16加压后的二氧化碳分成两股，一股流入低温回热器11高压侧被加热，另外一股经低温二氧化碳加热器5加热后与低温回热器11高压侧出口和再压缩机17出口的二氧化碳混合；混合后的工质又分成两股，一股进入高温回热器10高压侧吸热，另一股经中温二氧化碳加热器4加热后与高温回热器10高压侧出口的二氧化碳混合，然后一起送入锅炉1的高温加热器进行加热。

部分冷却循环具有透平9排气压力与主压缩机16入口压力无关的优点，同时也具有再压缩循环的优点。

Claims (6)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其特征在于，包括锅炉(1)、过热器(2)、高温二氧化碳加热器(3)、中温二氧化碳加热器(4)、低温二氧化碳加热器(5)、烟气空气加热器(6)、透平(9)、高温回热器(10)、低温回热器(11)、高温空气加热器(12)、低温空气加热器(13)、风机(14)、预冷器(15)、主压缩机(16)和再压缩机(17)；其中，

锅炉(1)中设有过热器(2)，过热器(2)通过管道连接透平(9)；透平(9)的排气管道连接高温回热器(10)低压侧入口；

高温回热器(10)低压侧出口分成两路，一路连接低温回热器(11)低压侧入口，另一路连接高温空气加热器(12)热侧入口；高温空气加热器(12)热侧出口连接低温回热器(11)低压侧出口，然后分为两路，一路连接再压缩机(17)入口，另一路连接低温空气加热器(13)热侧入口，低温空气加热器(13)热侧出口连接预冷器(15)入口，预冷器(15)出口连接主压缩机(16)入口，主压缩机(16)出口分成两路，一路连接低温回热器(11)高压侧入口，另一路连接低温二氧化碳加热器(5)入口；低温二氧化碳加热器(5)出口和再压缩机(17)出口连接低温回热器(11)高压侧出口，混合后又分为两路，一路连接高温回热器(10)高压侧入口，另一路连接中温二氧化碳加热器(4)入口，中温二氧化碳加热器(4)出口连接高温回热器(10)高压侧出口，混合后连接高温二氧化碳加热器(3)入口；

风机(14)入口与大气连通，风机(14)出口连接低温空气加热器(13)空气侧入口，低温空气加热器(13)空气侧出口分为两路，一路连接高温空气加热器(12)空气侧入口，另一路连接烟气空气加热器(6)入口；高温空气加热器(12)空气侧出口和烟气空气加热器(6)出口分为一次风(7)和二次风(8)。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其特征在于，通过控制流经高温空气加热器(12)的二氧化碳流量，使得高温空气加热器(12)中二氧化碳的热容流率与空气的热容流率相同，而低温回热器(11)的夹点问题通过调节再压缩机(17)的流量来解决。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其特征在于，通过控制流入低温二氧化碳加热器(5)的二氧化碳流量，使得低温二氧化碳加热器(5)中二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其特征在于，通过控制流入中温二氧化碳加热器(4)的二氧化碳流量，使得中温二氧化碳加热器(4)中二氧化碳的热容流率与烟气的热容流率相同。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其特征在于，流入预冷器(15)的二氧化碳通过冷却至达到所需的主压缩机(16)入口温度。

6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环火力发电系统，其特征在于，还包括第二预冷器(18)和预压缩机(19)，高温空气加热器(12)热侧出口连接低温回热器(11)低压侧出口，然后依次连接第二预冷器(18)和预压缩机(19)，预压缩机(19)出口分为两路，一路连接再压缩机(17)入口，另一路连接低温空气加热器(13)热侧入口。

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