一种联合循环发电系统
技术领域
本实用新型属于热发电技术领域,尤其涉及一种联合循环发电系统。
背景技术
超临界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide,SCO2)布雷顿循环在1968年由Angelino G等提出,但限于当时的材料等技术水平无法在工程上实现。随着现有技术的不断进步,超临界二氧化碳循环在工程上的实现成为可能。近年来国内外学者进行了大量超临界二氧化碳循环发电系统的研究。研究结果表明,对于550℃以下的热源温度,蒸汽朗肯循环的效率高于超临界二氧化碳循环;而当热源温度区间位于550℃以上时,超临界二氧化碳循环的效率明显高于朗肯循环和其他布雷顿循环。
但是由于超临界二氧化碳是闭式布雷顿循环,且整个循环处于临界点之上,导致超临界二氧化碳透平的排气温度较高,热源的利用温差不大。另外,为进一步提高超临界二氧化碳的发电效率,增加再热系统是最简单有效的方法之一。但是增加再热系统后,高低压透平的平均排气温度进一步提高,进一步降低了热源的利用温差。研究表明,当超临界二氧化碳透平进气温度为700℃时,透平排气温度高达500℃,热源的最低利用温度也须达到500℃以上。当增加再热系统后,热源的平均最低利用温差提高了近80℃。因此,当超临界二氧化碳循环应用于余热利用领域时,会大幅增加余热损失;当应用于储热发电领域时,会增加储热系统成本。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种联合循环发电系统,以解决现有超临界二氧化碳循环余热损失高和储热系统成本高的问题。
为解决上述问题,本实用新型实施例的技术方案为:
本实用新型的一种联合循环发电系统,包括超临界二氧化碳循环发电系统、朗肯循环发电系统和换热系统;
所述换热系统包括沿热源流动方向设置的超临界二氧化碳循环换热区和朗肯循环换热区;
所述超临界二氧化碳循环发电系统包括第一换热部,所述第一换热部设置在超临界二氧化碳循环换热区;
所述朗肯循环发电系统包括第二换热部,所述第二换热部设置在朗肯循环换热区。
超临界二氧化碳循环发电系统通过第一换热部在超临界二氧化碳循环换热区内获取热源热量;朗肯循环发电系统通过第二换热部在朗肯循环换热区内获取热源热量。
在本实用新型的一实施例中,所述超临界二氧化碳循环发电系统沿超临界二氧化碳流通方向包括依次连通的所述第一换热部、超临界二氧化碳发电透平、回热器、冷却器和压缩机。
在本实用新型的一实施例中,所述回热器包括相互连通的高温回热器和低温回热器。
在本实用新型的一实施例中,所述压缩机包括相互连通的主压缩机和再压缩机。
在本实用新型的一实施例中,所述超临界二氧化碳循环发电系统包括沿热源流动方向设置的第一主换热部和第一再换热部;所述超临界二氧化碳发电透平包括高压发电透平和低压发电透平;
沿超临界二氧化碳流动方向,所述第一主换热部、所述高压发电透平、所述第一再换热部和所述低压发电透平依次连通。
在本实用新型的一实施例中,所述朗肯循环发电系统沿蒸汽流动方向包括依次连通的所述第二换热部、蒸汽发电透平、凝汽器和给水泵;
其中,所述给水泵的输出端与第二换热部的输入端连通。
在本实用新型的一实施例中,所述朗肯循环发电系统还包括蒸汽回热器,所述蒸汽回热器设置于所述给水泵与第二换热部之间。
在本实用新型的一实施例中,所述换热系统内朗肯循环换热区热源入口温度为450℃~650℃。
在本实用新型的一实施例中,所述超临界二氧化碳发电透平、所述主压缩机、所述再压缩机和所述朗肯循环发电系统的蒸汽发电透平采用同轴布置。
本实用新型实施例由于采用以上技术方案,使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果:
1、本实用新型实施例通过将换热系统划分为高温的超临界二氧化碳循环换热区和低温的朗肯循环换热区,并分别对应这两个换热区设置超临界二氧化碳循环发电系统和朗肯循环发电系统。通过超临界二氧化碳循环和朗肯循环耦合后,超临界二氧化碳和蒸汽分别利用了热源温度临界值的高温区和低温区,两个循环发电系统均运行于最佳的温度区间。相比于单独蒸汽循环的发电效率更高,相比于单独超临界二氧化碳循环,增加了热源利用温度差,降低了余热利用领域的余热损失和储热发电领域的储热系统成本。
2、超临界二氧化碳再压缩循环可以增加多级再热进一步提高发电效率,但同时也会导致超临界二氧化碳循环的利用温度进一步上移,导致多级再热系统难以实现。本实用新型通过耦合朗肯循环发电系统后,多级再热后端的余热可通过朗肯循环完全利用,在确保不增加余热利用领域的余热损失和储热发电领域的储热系统成本的同时进一步提高发电效率。
3、本实用新型设置第一主换热部和第一再换热部,并将超临界二氧化碳发电透平设置为高压发电透平和低压发电透平,可以进一步提高联合循环的发电效率。
4、本实用新型将蒸汽发电透平、超临界二氧化碳发电透平、主压缩机和再压缩机的转动部分设置为同一转轴,使得两个发电透平处的转动可直接传递至主压缩机和再压缩机,使得两个压缩机无需设置额外的动力源,节约能源;同时,两个发电透平可互相助力,使得发电效率进一步提高。
附图说明
图1为本实用新型的联合循环发电系统的示意图;
图2为本实用新型的联合循环发电系统的一种优选方案的示意图
图3为本实用新型的联合循环发电系统的另一种优选方案的示意图。
附图标记说明:101:超临界二氧化碳发电透平;101a:高压发电透平;101b:低压发电透平;102:回热器;1021:高温回热器;1022:低温回热器;103:冷却器;104:压缩机;1041:主压缩机;1042:再压缩机;105:第一换热部;105a:第一主换热部;105b:第一再换热部;201:蒸汽发电透平;202:凝汽器;203:给水泵;204:蒸汽回热器;205:第二换热部;3:换热系统;301:超临界二氧化碳循环换热区;302:朗肯循环换热区。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种联合循环发电系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本实用新型的优点和特征将更清楚。
实施例一
参看图1,在一个实施例中,一种联合循环发电系统,包括超临界二氧化碳循环发电系统、朗肯循环发电系统和换热系统3。
其中,换热系统3包括沿热源流动方向设置的超临界二氧化碳循环换热区301和朗肯循环换热区302。超临界二氧化碳循环发电系统包括第一换热部105,第一换热部105设于超临界二氧化碳循环换热区301并与换热系统内的热源进行换热。朗肯循环发电系统包括第二换热部205,第二换热部205设于朗肯循环换热区302并与换热系统内的热源进行换热。
本实施例通过将换热系统3划分为高温的超临界二氧化碳循环换热区301和低温的朗肯循环换热区302,并分别对应这两个换热区设置超临界二氧化碳循环发电系统和朗肯循环发电系统。通过超临界二氧化碳循环和朗肯循环耦合,分别利用了热源温度临界值的高温区和低温区,两个循环发电系统均运行于最佳的温度区间。相比于单独蒸汽循环的发电效率更高,相比于单独超临界二氧化碳循环,增加了热源利用温度差,降低了余热利用领域的余热损失和储热发电领域的储热系统成本。
下面对本实施例的联合循环发电系统的具体结构进行进一步说明:
参看图2,在本实施例中,超临界二氧化碳循环发电系统沿超临界二氧化碳流动方向包括依次通过管道连通的第一换热部105、超临界二氧化碳发电透平101、回热器102、冷却器103、压缩机104。。
具体地,回热器102可包括高温回热器1021和低温回热器1022。
高温回热部1021的第一管路和低温回热部1022的第一管路用于对流经的超临界二氧化碳进行热量回收,而后热量可分别传递至高温回热部1021的第二管路和低温回热部1022的第二管路内,来对流经的超临界二氧化碳进行加热。
在本实施例中,压缩机104包括相互连通的主压缩机1041和再压缩机1042。主压缩机1041的输入端与冷却器103的输出端连通,主压缩机1041的输出端与低温回热器1022的第二管路的输入端连通。再压缩机1042的输入端连通于低温回热器1022的第一管路输出端与冷却器103的输入端之间,再压缩机1042的输出端连通于低温回热器1022的第二管路与高温回热器1021的第二管路之间。
设置超临界二氧化碳再压缩循环可以增加多级再热进一步提高发电效率,但同时也会导致超临界二氧化碳循环的利用温度进一步上移,导致多级再热系统难以实现。本实施例通过耦合朗肯循环发电系统后,多级再热后端的余热可通过朗肯循环完全利用,在确保不增加余热利用领域的余热损失和储热发电领域的储热系统成本的同时进一步提高发电效率。
超临界二氧化碳循环发电系统的流程为:高温高压的超临界二氧化碳在超临界二氧化碳发电透平101做功发电后,次高温低压的超临界二氧化碳依次通过高温回热器1021和低温回热器1022回收热量,之后分成两路,第一路经过冷却器103冷却至低温低压超临界二氧化碳,再经过主压缩机1041压缩至低温高压的超临界二氧化碳,然后依次经过低温回热器1022和高温回热器1021加热升温。第二路直接经过再压缩机1042压缩至中温高压的超临界二氧化碳,并在高温回热器1021前与第一路汇合。汇合的两路次高温高压超临界二氧化碳进入高温回热器1021后送入换热系统3的超临界二氧化碳循环换热区301升温至高温高压超临界二氧化碳,并进入透平做功,完成超临界二氧化碳循环。
在本实施例中,朗肯循环发电系统具体为蒸汽朗肯循环发电系统,沿蒸汽流动方向包括依次通过管道连通的第二换热部205、蒸汽发电透平201、凝汽器202和给水泵203。其中,给水泵203的输出端与第二换热部205的输入端连通,从而形成完整循环。
进一步地,朗肯循环发电系统还可包括蒸汽回热器204。蒸汽回热器204的输入端与给水泵203的输出端连通,蒸汽回热器204的输出端与第二换热部205的输入端连通。其中,蒸汽回热器204可接收凝汽器202的热量并对流经的水进行预加热。
朗肯循环发电系统的流程为:高温高压蒸汽在蒸汽发电透平201做功发电后,形成低温低压的蒸汽,通过凝汽器202冷却后变成低温低压的水,通过给水泵203增压至低温高压水,并依次经过蒸汽回热器204和第二换热部205,在第二换热部205内吸收朗肯循环换热区302的热量升温至高温高压蒸汽,并进入蒸汽发电透平201做功,完成蒸汽朗肯循环。
在本实施例中,热源依次经过超临界二氧化碳循环换热区301和朗肯循环换热区302,逐级利用,换热系统3内朗肯循环换热区302热源入口温度为450℃~650℃,分别利用了超临界二氧化碳循环和朗肯循环的最优温度区间。
本实用新型的基于超临界二氧化碳循环和朗肯循环的联合循环发电系统,超临界二氧化碳发电透平101、主压缩机1041、再压缩机1042和蒸汽发电透平201采用同轴布置,即转动部件为同一转轴。将蒸汽发电透平201、超临界二氧化碳发电透平101、主压缩机1041和再压缩机1042的转动部分设置为同一转轴,使得两个发电透平处的转动可直接传递至主压缩机1041和再压缩机1042,使得两个压缩机无需设置额外的动力源,节约能源;同时,两个发电透平可互相助力,使得发电效率进一步提高。当然,在其他实施例中,超临界二氧化碳发电透平101、主压缩机1041、再压缩机1042和蒸汽发电透平201也可采用分轴布置,在此不作具体限定。
下面以本实施例的基于超临界二氧化碳循环和朗肯循环的联合循环发电系统的具体使用场景进行说明:
高温高压的超临界二氧化碳(700℃,25MPa)在超临界二氧化碳发电透平101做功发电后,次高温低压的超临界二氧化碳(500℃,7.8MPa)依次通过高温回热器1021和低温回热器1022回收热量,参数降至50℃和7.6MPa,之后分成两路,第一路经过冷却器103冷却至低温低压超临界二氧化碳(33℃,7.4MPa),再经过主压缩机1041压缩至低温高压的超临界二氧化碳(45℃,25.5MPa),然后依次经过低温回热器1022和高温回热器1021加热升温(480℃,25.5MPa)。第二路直接经过再压缩机1042压缩至中温高压的超临界二氧化碳(150℃,25.4MPa),并在高温回热器1021前与第一路汇合。汇合的两路次高温高压超临界二氧化碳进入高温回热器1021后送入位于换热系统3的第一换热部105升温至高温高压超临界二氧化碳(700℃,25MPa),并进入超临界二氧化碳发电透平101做功,完成超临界二氧化碳循环。
热源(最高温度为720℃的高温热源)进入换热系统3后首先进入超临界二氧化碳循环换热区301被第一换热部105换热,然后作为中温热源进入朗肯循环换热区302,500℃的中温热源进入朗肯循环换热区302,朗肯循环的蒸汽最高温度为480℃,并将热源温度冷却至150℃以下。此时,联合循环的热源利用温度区间为150℃~720℃,大大降低了余热利用领域的余热损失和储热发电领域的储热系统成本。
假设联合循环发电规模为100MWe,热源利用温度区间为150~720℃,热源温度500℃以上采用超临界二氧化碳循环,500℃以下采用蒸汽朗肯循环。参数700℃和25MPa的超临界二氧化碳再热再压缩循环发电效率为55%,参数480℃的蒸汽朗肯循环发电效率为43%,则可计算出超临界二氧化碳循环发电规模为45MWe,蒸汽朗肯循环发电规模为55MWe,则100MWe联合循环发电效率约为47.6%。传统100MWe蒸汽循环的发电效率仅为43%~45%之间,联合循环的发电效率提高了10.7%~5.8%。
综合,基于超临界二氧化碳循环和蒸汽朗肯循环的联合循环发电系统在提高了发电效率的同时,降低了余热利用领域的余热损失和储热发电领域的储热系统成本,从而大幅降低电站的度电成本。
实施例二
参看图3,本实施例对上述实施例中的第一换热部105和超临界二氧化碳发电透平101进行了进一步扩展,具体如下:
超临界二氧化碳循环发电系统包括沿热源流动方向设置的第一主换热部105a和第一再换热部105b。超临界二氧化碳发电透平101则可包括高压发电透平101a和低压发电透平101b。
沿超临界二氧化碳流动方向,第一主换热部105a、高压发电透平101a、第一再换热部105b和低压发电透平101b依次连通。其中,第一主换热部105a的输入端与高温回热部1021的第二管路连通。低压发电透平101b的输出端与高温回热部1021的第一管路连通。
本实施例通过增加低压发电透平101b和第一再换热部105b,可以进一步提高联合循环的发电效率。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明,但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化,倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内,则仍落入在本实用新型的保护范围之中。