CN218844400U - 一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，涉及高温高压的混合介质发电领域，系统包括能量释放系统，能量释放系统的混合工质出口连接有混合透平发电机组，混合透平发电机组的介质出口连接于逐级换热系统的高温气体进口，逐级换热系统具有低温排水口、低温进水口和高温气体出口，高温气体出口连接于蒸汽透平发电机组；本实用新型能够通过混合工质发电、混合工质发电单元尾气的热能来促使蒸气发电，增加单位原料发电量，以提高能源利用效率；同时利用换热降温分离混合工质，得到纯净度较高的CO2，实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件，以便后续工序的直接储存利用。

Description

一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统

技术领域

本实用新型涉及高温高压的混合介质发电领域，尤其是一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统。

背景技术

随着“双碳”目标的提出与践行，清洁低碳、安全高效成为我国现代能源体系的新要求。我国能源禀赋多煤少气贫油，以煤为主的能源结构短期内不会改变，故探索煤的清洁高效利用方法是我国能源技术革命的重要主题。

传统燃煤发电的热力系统为朗肯循环系统，主要是将煤炭的化学能通过燃烧释放出来，释放的热能将水加热为高温高压的水蒸汽，水蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功，推动蒸汽轮机旋转带动发电机生产电能。其能源转化利用的过程中，煤的能源利用率低，且不可避免的产生大量的SOx、NOx、固体颗粒物、重金属污染物，对环境造成巨大污染；同时，排放的CO2是引起地球温室效应的重要原因之一。

“超临界水煮煤”是一种新型的以水为媒介将煤气化制氢耦合发电技术，是煤炭清洁利用的一种颠覆性技术。它利用超临界水(压力高于22.1MPa、温度高于374.3℃)独特的高溶解性、高扩散性等物理化学性质，促进煤气化反应，生成氢气(H2)和二氧化碳(CO2)，而N、S等元素被固定在反应产生的不溶于水的无机盐中，最终以固体残渣的方式沉淀排出；过程中生成的氢气(H2)分离后可作为生产原料，富余的氢气(H2)燃烧后产生的水蒸气与系统产生的二氧化碳(CO2)共同组成的高温高压混合工质通过发电岛将热能利用，形成的较为纯净的二氧化碳(CO2)可直接输送、储存、使用，从而实现煤炭的清洁利用。

目前，对于利用富余的氢气(H2)燃烧后产生的水蒸气与系统产生的二氧化碳(CO2)共同组成的高温高压(例如25MPa等级、600℃等级)混合工质进行发电仍存在能量利用率低、单位原料发电量低，二氧化碳和水蒸气难以分离，难以实现二氧化碳捕捉等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，通过混合工质发电、混合工质发电单元尾气的热能通过逐级换热系统回收利用来促使蒸气发电，增加单位原料发电量，以提高能源利用效率；同时通过换热将混合工质中的水蒸气冷凝成水，从而将水蒸气与二氧化碳分离，得到纯净度较高的二氧化碳，实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件。

本实用新型采用的技术方案如下：一种高温高压的混合介质双发电循环系统，包括能够产生高温高压的水蒸气和二氧化碳的能量释放系统，所述能量释放系统的混合工质出口连接有混合透平发电机组，所述混合透平发电机组的介质出口连接于逐级换热系统的高温气体进口以使得混合工质中的水蒸气冷凝形成低温液态水，所述逐级换热系统具有用于排除逐级换热系统内低温液态水的低温出水口，所述逐级换热系统还具有用于进入低温液态水的低温进水口和与低温进水口连通的高温气体出口，所述高温气体出口连接于蒸汽透平发电机组。

进一步地，所述低温出水口和低温进水口均连接于水处理系统实现水循环，所述蒸汽透平发电机组的蒸气介质出口通过凝汽器与水处理系统连接。

进一步地，所述逐级换热系统包括若干个相互串联的换热器组，所述高温气体进口和高温气体出口设置在第一个换热器组上，所述低温出水口和低温进水口设置在最后一个换热器组上。

进一步地，所述逐级换热系统还具有二氧化碳出口，所述二氧化碳出口设置在最后一个换热器组上。

进一步地，所述混合透平发电机组与蒸汽透平发电机组共轴。

进一步地，所述能量释放系统包括水煤反应器和燃烧器，所述水煤反应器的燃气出口与燃烧器的燃气进口连接，所述混合工质出口设置在燃烧器上。

进一步地，所述高温气体出口经过燃烧器换热后与蒸汽透平发电机组连接或/和所述混合透平发电机组的介质出口通过燃烧器换热后与逐级换热系统连接。

进一步地，所述高温气体出口与低温进水口之间设置有旁路，所述旁路连接于水煤反应器的加液口。

进一步地，所述旁路通过燃烧器换热后与水煤反应器连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型能够增加单位原料发电量，提高热电转化效率，在高温高压混合工质推动混合透平发电机组的基础上，利用逐级换热系统将混合工质经过混合透平发电机组利用后的预热制得水蒸气，通过水蒸气推动蒸汽透平发电机组，实现增加单位原料的发电量，提高热电转化效率；

2、本实用新型产生的二氧化碳纯度高，混合工质通过逐级换热系统后其温度降低，使混合工质中的水蒸气凝结，最终剩余高纯度的二氧化碳，达到获取高纯度的二氧化碳的目的，实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件；

3、本实用新型使用的混合透平发电机组无腐蚀风险，由于后续的逐级换热系统可以充分利用余热，调节混合透平发电机组的参数，使得混合工质在混合透平发电机组内保持过热态，水蒸气无凝结现象，从而避免液体水结合二氧化碳对混合透平发电机组产生酸蚀，保证混合透平发电机组的使用寿命和降低其材料成本；

4、整个系统由混合工质循环和水蒸气循环耦合组成，系统的产出为电能和二氧化碳，对水来说是封闭循环，最大限度节约了水资源。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本实用新型实施例1公开的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2公开的结构是示意图；

图3为本实用新型实施例3公开的结构示意图；

图4为本实用新型实施例4公开的结构示意图；

图5为本实用新型实施例5在实施例1的基础上公开的结构示意图；

图6为本实用新型实施例5在实施例2的基础上公开的结构示意图；

图中标记：1-能量释放系统；11-水煤反应器；12-燃烧器；13-混合工质出口；2-混合透平发电机组；21-介质出口；3-逐级换热系统；31-高温换热器组；32-低温换热器组；33-高温气体进口；34-二氧化碳出口；35-高温气体出口；36-低温出水口；37-低温进水口；4-蒸汽透平发电机；5-凝汽器；6-水处理系统；61-排水口；7-高压泵；8-中压泵；9-旁路。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

如图1所示，一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，包括能够产生高温高压的水蒸气和二氧化碳的能量释放系统1，能量释放系统1释放能量，为整个双发电循环系统提供能量，水蒸气和二氧化碳形成混合工质，所述能量释放系统1的混合工质出口13连接有混合透平发电机组2，高温高压的混合工质从混合工质出口13处流出进入混合透平发电机组2，驱动混合透平发电机组2做发电工作，实现对能量释放系统1释放的能量第一次发电利用。

在本实施例中，所述混合透平发电机组2的介质出口21连接于逐级换热系统3的高温气体进口33以使得混合工质中的水蒸气冷凝形成低温液态水，所述逐级换热系统3具有用于排除逐级换热系统3内低温液态水的低温出水口36，所述逐级换热系统3还具有用于进入低温液态水的低温进水口37和与低温进水口37连通的高温气体出口35，所述高温气体出口35连接于蒸汽透平发电机组4；具体的，高温高压的混合工质经过混合透平发电机组2利用部分能量后，其混合工质乃具有大量的能量并且从介质出口21流出混合透平发电机组2，再从高温气体进口33流入逐级换热系统3，混合工质流入逐级换热系统3后与流入逐级换热系统3内的液态水进行换热(其中，液态水从低温进水口37进入逐级换热系统3进行换热)，并且使得液态水形成蒸气，蒸气从高温气体出口35流出进入蒸汽透平发电机组4进行混合工质的能量第二发电利用，从而增加单位原料发电量，提高热电转化效率。

进一步地，混合工质在逐级换热系统3进行换热过程中，混合工质的压力和温度逐渐降低，最后使得混合工质内的水蒸气凝结成低温液态水脱离混合工质，进一步地使得混合工质内的水蒸气含量降低，二氧化碳的浓度升高，实现高纯度的二氧化碳的生产，从而实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件。

需要说明一点，在本实施例中，由于高温高压的混合工质的能量再逐级换热系统3中还能被利用，所以在混合介质的能量第一次发电利用(混合工质驱动混合透平发电机组2做发电工作)时候，可以调节混合透平发电机组2的相关参数，使得混合工质在混合透平发电机组2内保持过热状态，即混合透平发电机组2的介质出口21流出的混合工质乃是气体状态，水蒸气无凝结现象，从而避免液体水结合二氧化碳对混合透平发电机组2产生酸蚀，保证混合透平发电机组2的使用寿命和降低其材料成本。

进一步地说明，由于混合工质的能量会在逐级换热系统3内进行再次利用，所以混合介质在混合透平发电机组2内所处的状态不会造成能量的浪费。

在本实施例中，所述低温出水口36连接于水处理系统6，混合工质经过逐级换热系统3换热后凝结出的低温液态水从低温出水口36进入水处理系统6，水处理系统6对液态水进行除杂、加压等处理；所述低温进水口37连接于水处理系统6，液态水经过水处理系统6处理后从低温进水口37进入逐级换热系统3以获取混合工质中的余热，实现水资源的循环利用，以达到避免资源浪费的目的。

在本实施例中，所述蒸汽透平发电机组4的蒸气介质出口21通过凝汽器5与水处理系统6连接；具体的，从低温进水口37进入的液态水经过逐级换热系统3的换热后，液态水从混合工质中获取大量的能量发生相变形成水蒸气，水蒸气从高温气体出口35流出进入蒸汽透平发电机组4，驱动蒸汽透平发电机组4进行发电工作，实现混合工质的能量第二发电利用；蒸汽透平发电机组4充分利用蒸气的能量，蒸气通过蒸汽透平发电机组4后进入冷凝器冷凝后凝结成液态水再次进入水处理系统6，进一步地实现水资源的循环利用，避免资源的浪费。

在本实施例中，所述凝汽器5与水处理系统6之间设置中压泵8，用于输送凝汽器5内凝结的液体水。

进一步地，由于能量释放系统1会不断的产生水蒸气，水处理系统6内的水会越来越多，所以，所述水处理系统6设置有排水口61，排水口61能够将多余的液态水(系统不需要的液态水的量)排除。

在本实施例中，逐级换热系统3具有两个换热器组，依次分别为高温换热器组31和低温换热器组32，所述高温气体进口33和高温气体出口35设置在第一个换热器组(高温换热器组31)上，所述低温出水口36和低温进水口37设置在最后一个换热器组(低温换热器组32)上；从混合透平发电机组2内出来的混合工质经过高温气体进口33后逐次通过高温换热器组31和低温换热器组32，从低温进水口37进入的液态水逐次通过低温换热器组32和高温换热器组31，实现混合工质与液态水形成对流换热，保证释放能量的混合介质和吸收能量的液态水之间始终存在较合适的温差，匹配能量品质，从而使得每个换热器组都能在混合介质与液态水之间进行换热，最终加热液态水形成水蒸气，水蒸气驱动蒸汽透平发电机组4。

在本实施例中，所述逐级换热系统3还具有二氧化碳出口34，二氧化碳出口34用于连接储气罐或者其他的需要二氧化碳的工序，混合工质在逐级换热系统3内凝结水蒸气后，混合工质中的二氧化碳气体从二氧化碳出口34排除逐级换热系统3；具体的，所述二氧化碳出口34设置在最后一个换热器组上，水蒸气经过若干个换热器组后到达最后一个换热器组，其凝结程度最充分，混合工质的水蒸气含量最低，从而达到尽可能除去混合工质中的水蒸气，尽可能的分离二氧化碳和水蒸气，尽可能提高二氧化碳的纯度的目的，从实际上来说，尾气为水蒸气能够达到摩尔分数小于0.5％的二氧化碳与水蒸气的混合气体。

在本实施例中，所述能量释放系统1包括水煤反应器11和燃烧器12，水煤反应器11能够发生“超临界水煮煤”反应生成H₂、CO₂、CH₄等清洁的可燃气体，所述水煤反应器11的燃气出口与燃烧器12的燃气进口连接，可燃气体经过燃气出口进入燃烧器12，向燃烧器12内供给纯氧，使得可燃气体燃烧产生能量并形成水蒸气和二氧化碳的混合工质，所述混合工质出口13设置在燃烧器12上，混合工质从燃烧器12上的混合工质出口13进入混合透平发电机组2。

在本实施例中，燃烧器12内的大量热量被混合介质带出，但是燃烧器12内乃存在部分热量，将高温气体出口35经过燃烧器12与蒸汽透平发电机组4连接，水蒸气再次经过燃烧器12进一步地获得能量，实现温度、压力的进一步提高，使得蒸气发电机的能够提高发电量，进一步地利用能量释放系统1中的能量，进一步地达到增加单位原料发电量，提高热电转化效率的目的。

在本实施例中，所述高温气体出口35与低温进水口37之间设置有旁路9，该旁路9的液体入口处于两个相邻的换热器组之间，所述旁路9连接于水煤反应器11的加液口，将符合水煤反应器11内进行的“超临界水煮煤”反应的参数要求的水引入到水煤反应器11中参加“超临界水煮煤”反应，一方面实现水的循环利用，另一方面保证“超临界水煮煤”反应持续进行，使得能量释放系统1能够持续释放能量。

具体的，运用处于高温气体出口35与低温进水口37之间的水(水的状态参数具体根据水煤反应器11所需水的状态而决定)，具体的是运用经过一次或更多次换热器组换热的水，其水具有较高温度，保证加入到水煤反应器11内的水符合水煤反应器11所需水的状态，具体的包括温度、压力、相态等状态；在此处，进一步地利用能量释放系统1释放的能量，提高能量的利用率。

在本实施例中，所述旁路9上设置有高压泵7，用于输送水进入水煤反应器11中。

在本实施例中，一种高温高压的混合介质双循环发电方法，运用所述的双发电循环系统，包括以下步骤：

S1：利用能量释放系统1产生的高温高压混合工质驱动混合透平发电机组2发电工作；

具体的，水煤反应器11产生可燃气体在燃烧器12内燃烧释放能量，产生具有高温高压的水蒸气和二氧化碳混合气体作为混合工质，混合工质驱动混合透平发电机组2做发电工作，实现能量的第一次发电利用。

S2：控制混合透平发电机组2的工况，使得混合发电机内无冷凝水产生；

具体的，可以调节混合透平发电机组2的相关参数，使得混合工质在混合透平发电机组2内保持过热状态，即混合透平发电机组2的介质出口21流出的混合工质乃是气体状态，水蒸气无凝结现象，从而避免液体水结合二氧化碳对混合透平发电机组2产生酸蚀，保证混合透平发电机组2的使用寿命和降低其材料成本。

需要说明的是，虽然该方式使得混合工质的能量没有完全被利用，但是混合工质在逐级换热系统3中回收能量，并没造成能量的浪费。

S3：混合透平发电机组2的介质出口21流出的混合工质经过逐级换热系统3回收能量；

S31：混合工质在逐级换热系统3内释放能量析出水蒸气，汇集二氧化碳；

S32：逐级换热系统3回收的能量用于产生蒸气；

具体的，混合工质从高温换热器组31向低温换热器组32流动，液体水从低温换热器组32向高温换热器组31流动，实现液体水与混合工质对流换热，进一步地达到充分回收混合工质中余热的目的，液体水从液相转变成气相形成水蒸气，并且降低混合工质的温度，使混合工质中的水蒸气凝结成液体水脱离混合工质，完成二氧化碳与水蒸气的分离，实现二氧化碳的高纯度回收，从而实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件。

S4：逐级换热系统3产生的蒸气用于驱动蒸汽透平发电机组4发电工作；

具体的，液体水与混合工质不断换热后，液体水温度升高形成水蒸气，水蒸气从高温气体出口35流出，经过燃烧器12再次获取能量释放系统1中的能量，以达到足够驱动蒸汽透平发电机组4的水蒸气状态，实现能量的第二次发电利用。

实施例2

如图1所示，在实施例1中，所述高温气体出口35经过燃烧器12与蒸汽透平发电机组4连接，实现从逐级换热系统3出来的水蒸气再次吸收燃烧器12中的能量，实现温度、压力的进一步提高，使得蒸气发电机的能够提高发电量，进一步地利用能量释放系统1中的能量，进一步地达到增加单位原料发电量，提高热电转化效率的目的。

在本实施例中，如图2所示，与实施例1不同的是，所述混合透平发电机组2的介质出口21通过燃烧器12与逐级换热系统3连接，混合工质从混合透平发电机组2出来后进入燃烧器12换热，以再次从燃烧器12内获取能量，使得混合工质的温度再次提高，进一步地使得混合工质在逐级换热系统3内能够释放更多的能量，进入换热系统的液体水能够获取更多的能量，从而从高温气体出口35流出的水蒸气相对于实施例1来说更高，以满足蒸气发电机的能够做出发电工作的需求，达到进一步地利用能量释放系统1中的能量，进一步地达到增加单位原料发电量，提高热电转化效率的目的。

一种高温高压的混合介质双循环发电方法，运用所述的双发电循环系统，包括以下步骤：

步骤S1和S2的具体过程如实施例1所述，在此不再做详细的描述。

S3：混合透平发电机组2的介质出口21流出的混合工质经过燃烧器12再次吸收能量，混合介质温度升高，随后经过逐级换热系统3回收更多的能量；

S31：混合工质在逐级换热系统3内释放能量析出水蒸气，汇集二氧化碳；

S32：逐级换热系统3回收的能量用于产生蒸气；步骤S31和步骤S32具体的过程见实施例1的描述，在此不做过多的描述。

S4：逐级换热系统3产生的蒸气用于驱动蒸汽透平发电机组4发电工作；

具体的，液体水与混合工质不断换热后，液体水温度升高形成水蒸气，由于混合介质进入逐级换热系统3的温度高，水蒸气从高温气体出口35流出并且具有高温，能够足够驱动蒸汽透平发电机组4的水蒸气状态，实现能量的第二次发电利用。

实施例3

如图1，图2所示，实施例1采用水蒸气再次进入燃烧器12，实施例2采用混合工质进入燃烧器12。

在本实施例中，如图3所示，与实施例1和实施例2不同的是，所述高温气体出口35经过燃烧器12与蒸汽透平发电机组4连接，以及所述混合透平发电机组2的介质出口21通过燃烧器12与逐级换热系统3连接，实现混合介质和水蒸气均能够在燃烧器12内再次获取能量，以提高驱动蒸汽透平发电机组4的水蒸气参数状态，实现能量的第二次发电利用。

实施例4

如图1-图3所示，在实施例1中，混合透平发电机组2与蒸汽透平发电机组4可以是不同轴、不同个体的发电机。

如图4所示，在本实施例中，与实施例1或/和实施例2或/和实施例3不同的是，所述混合透平发电机组2与蒸汽透平发电机组4共轴，混合透平发电机组2与蒸汽透平发电机组4共用一个传动轴，所以只需要一个发电机，从而降低设备的造价，节约生产成本。

实施例5

如图1-图4所示，在实施例1中，旁路9均可以直接进入水煤反应器11中，前提是旁路9内流动的水满足水煤反应器11所需水温度、压力和相态。

在本实施例中，如图5-图6所示，与实施例1不同的是，所述旁路9通过燃烧器12再次获得能量后与水煤反应器11的加液口连接；具体的，若旁路9内流动的水不能满足水煤反应器11所需水温度、相态的状态，旁路9经过燃烧器12获取能量，旁路9内的水进一步地被获取能量，其温度升高或/和出现相态变化，达到液体水满足水煤反应器11所需水温度和相态的目的。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，包括能够产生高温高压的水蒸气和二氧化碳的能量释放系统(1)，所述能量释放系统(1)的混合工质出口(13)连接有混合透平发电机组(2)，其特征在于：所述混合透平发电机组(2)的介质出口(21)连接于逐级换热系统(3)的高温气体进口(33)以使得混合工质中的水蒸气冷凝形成低温液态水，所述逐级换热系统(3)具有用于排除逐级换热系统(3)内低温液态水的低温出水口(36)，所述逐级换热系统(3)还具有用于进入低温液态水的低温进水口(37)和与低温进水口(37)连通的高温气体出口(35)，所述高温气体出口(35)连接于蒸汽透平发电机组(4)。

2.根据权利要求1所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述低温出水口(36)和低温进水口(37)均连接于水处理系统(6)实现水循环，所述蒸汽透平发电机组(4)的蒸气介质出口(21)通过凝汽器(5)与水处理系统(6)连接。

3.根据权利要求1所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述逐级换热系统(3)包括若干个相互串联的换热器组，所述高温气体进口(33)和高温气体出口(35)设置在第一个换热器组上，所述低温出水口(36)和低温进水口(37)设置在最后一个换热器组上。

4.根据权利要求3所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述逐级换热系统(3)还具有二氧化碳出口(34)，所述二氧化碳出口(34)设置在最后一个换热器组上。

5.根据权利要求1所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述混合透平发电机组(2)与蒸汽透平发电机组(4)共轴。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述能量释放系统(1)包括水煤反应器(11)和燃烧器(12)，所述水煤反应器(11)的燃气出口与燃烧器(12)的燃气进口连接，所述混合工质出口(13)设置在燃烧器(12)上。

7.根据权利要求6所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述高温气体出口(35)经过燃烧器(12)换热后与蒸汽透平发电机组(4)连接或/和所述混合透平发电机组(2)的介质出口(21)通过燃烧器(12)换热后与逐级换热系统(3)连接。

8.根据权利要求6所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述高温气体出口(35)与低温进水口(37)之间设置有旁路(9)，所述旁路(9)连接于水煤反应器(11)的加液口。

9.根据权利要求8所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述旁路(9)通过燃烧器(12)换热后与水煤反应器(11)连接。

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