本實用新型屬于超臨界二氧化碳高效火力發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種煤基二氧化碳和有機工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

發(fā)電機組效率的高低對國民經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境保護都有著重要影響，我國能源儲備的構(gòu)成特點決定了火力發(fā)電機組仍然是未來幾十年內(nèi)我國電力行業(yè)的主力軍，因此，提高火力發(fā)電機組的效率在我國顯得尤為重要。

提高超臨界機組的蒸汽參數(shù)可以有效的提高火力發(fā)電系統(tǒng)的效率。將主蒸汽參數(shù)提高至700℃，可將蒸汽朗肯循環(huán)機組的發(fā)電效率提高至50％左右。但是，目前700℃高溫合金材料開發(fā)難度大，成本高，材料問題成為了700℃發(fā)電技術(shù)的最大瓶頸。為了避開材料方面的技術(shù)瓶頸，各國學(xué)者紛紛將目光轉(zhuǎn)移到新型動力循環(huán)系統(tǒng)，以期實現(xiàn)發(fā)電效率的提升。經(jīng)過各國學(xué)者大量的前期研究和論證，目前普遍認(rèn)為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)是極具潛力的新概念先進動力系統(tǒng)。這主要是由于超臨界二氧化碳具有能量密度大、傳熱效率高等特點，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)高效發(fā)電系統(tǒng)可以在620℃溫度范圍內(nèi)達到常規(guī)蒸汽朗肯循環(huán)700℃的效率，避開了新型的高溫合金的制約，且設(shè)備尺寸小于同參數(shù)的蒸汽機組，經(jīng)濟性非常好。

但是，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)高效發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型的先進發(fā)電系統(tǒng)，仍然有一些問題有待解決。尤其是對于用于火力發(fā)電的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，其二氧化碳鍋爐與蒸汽鍋爐有顯著差別，二氧化碳鍋爐煙氣余熱梯級利用是目前亟待解決的問題。

由于二氧化碳和水物性的不同，二氧化碳布雷頓循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)的發(fā)電原理也有明顯差異，在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)中，二氧化碳鍋爐入口工質(zhì)的溫度比同參數(shù)蒸汽鍋爐高出100-200℃，這意味著當(dāng)600℃等級的超臨界二氧化碳鍋爐仍采用傳統(tǒng)超臨界蒸汽鍋爐的結(jié)構(gòu)形式時，省煤器內(nèi)工質(zhì)溫度會達到500-550℃，省煤器處的煙氣溫度則會高達600℃以上，而省煤器后的空氣預(yù)熱器比較合理的煙氣入口溫度應(yīng)為400℃，這就導(dǎo)致了600℃-400℃的這部分煙氣余熱無法利用，鍋爐熱效率低，嚴(yán)重影響了機組的發(fā)電效率。此外，過高的煙氣溫度會造成空預(yù)器的損壞以及脫硝設(shè)備無法正常工作。因此，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界二氧化碳鍋爐煙氣熱量梯級利用的聯(lián)合循環(huán)，降低鍋爐排煙溫度，提高鍋爐及系統(tǒng)效率十分有必要。

然而經(jīng)調(diào)研可知，目前國內(nèi)外公開成果和專利中關(guān)于以超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)為基礎(chǔ)的聯(lián)合循環(huán)火力發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)容很少，更鮮有專利涉及通過聯(lián)合循環(huán)的方式解決超臨界二氧化碳鍋爐煙氣熱量梯級利用的問題，同時現(xiàn)有技術(shù)不能保證二氧化碳鍋爐中空氣預(yù)熱器的安全運行，不能有效的利用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中透平乏氣的余熱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種煤基二氧化碳和有機工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)電，同時能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中鍋爐煙氣熱量的梯級利用，保證空氣預(yù)熱器安全運行，同時能夠有效的利用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中透平乏氣的余熱。

為達到上述目的，本實用新型所述的煤基二氧化碳和有機工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括余熱換熱器、低溫省煤器、超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)；

過熱器位于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中鍋爐的尾部煙道內(nèi)，且低溫省煤器位于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中省煤器與空氣預(yù)熱器之間，低溫省煤器的入口與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中壓縮機的出口相連通，低溫省煤器的出口與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中回?zé)崞骼鋫?cè)的入口相連通，余熱換熱器熱側(cè)的入口及出口分別與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中回?zé)崞鳠醾?cè)的出口及預(yù)冷器的入口相連通，余熱換熱器冷側(cè)的入口及出口分別與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中ORC泵的出口及ORC透平的入口相連通。

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括ORC泵、ORC冷凝器、ORC透平及循環(huán)發(fā)電機，ORC透平的出口與ORC冷凝器的入口相連通，ORC冷凝器的出口與ORC泵的入口相連通，ORC透平的輸出軸與循環(huán)發(fā)電機的驅(qū)動軸相連接。

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括預(yù)冷器、壓縮機、透平、發(fā)電機、回?zé)崞鳌㈠仩t、以及設(shè)于鍋爐內(nèi)的省煤器、水冷壁、過熱器及空氣預(yù)熱器；

預(yù)冷器的出口與壓縮機的入口相連通，回?zé)崞骼鋫?cè)的出口依次經(jīng)省煤器、水冷壁及過熱器與透平的入口相連通，透平的出口與回?zé)崞鳠醾?cè)的入口相連通，壓縮機、透平及發(fā)電機同軸布置，過熱器、省煤器、低溫省煤器及空氣預(yù)熱器沿?zé)煔饬魍ǖ姆较蛞来尾贾?，空氣預(yù)熱器的出口與鍋爐的空氣入口相連通。

鍋爐的尾部煙道內(nèi)還設(shè)SCR脫硝裝置，其中，低溫省煤器、SCR脫硝裝置及空氣預(yù)熱器沿?zé)煔饬魍ǖ姆较蛞来尾贾谩?/p>

鍋爐為π型鍋爐。

本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型所述的煤基二氧化碳和有機工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在具體操作時，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中壓縮機輸出的工質(zhì)進入到低溫省煤器中進行加熱，然后再進入到回?zé)崞髦?，其中低溫省煤器位于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中高溫省煤器與空氣預(yù)熱器之間，實現(xiàn)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中鍋爐煙氣熱量的梯級利用，同時通過低溫省煤器降低進入到空氣預(yù)熱器中煙氣的溫度，保證空氣預(yù)熱器安全運行，并且降低鍋爐排出煙氣的溫度，提高鍋爐的熱效率及系統(tǒng)的發(fā)電效率。同時超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中回?zé)崞鳠醾?cè)輸出的工質(zhì)進入到余熱換熱器中進行換熱，為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)提供熱源，從而有效的利用透平乏氣的余熱，實現(xiàn)超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)合發(fā)電。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為壓縮機、2為回?zé)崞鳌?為鍋爐、31為省煤器、32為水冷壁、33為過熱器、34為低溫省煤器、35為空氣預(yù)熱器、4為透平、5為發(fā)電機、6為余熱換熱器、7為預(yù)冷器、8為ORC透平、9為循環(huán)發(fā)電機、10為ORC冷凝器、11為ORC泵。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本實用新型所述的煤基二氧化碳和有機工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括余熱換熱器6、低溫省煤器34、超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)及有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)；過熱器33位于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中鍋爐3的尾部煙道內(nèi)，且低溫省煤器34位于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中省煤器31與空氣預(yù)熱器35之間，低溫省煤器34的入口與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中壓縮機1的出口相連通，低溫省煤器34的出口與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中回?zé)崞?冷側(cè)的入口相連通，余熱換熱器6熱側(cè)的入口及出口分別與超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中回?zé)崞?熱側(cè)的出口及預(yù)冷器7的入口相連通，余熱換熱器6冷側(cè)的入口及出口分別與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中ORC泵11的出口及ORC透平8的入口相連通。

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括ORC泵11、ORC冷凝器10、ORC透平8及循環(huán)發(fā)電機9，ORC透平8的出口與ORC冷凝器10的入口相連通，ORC冷凝器10的出口與ORC泵11的入口相連通，ORC透平8的輸出軸與循環(huán)發(fā)電機9的驅(qū)動軸相連接。

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括預(yù)冷器7、壓縮機1、透平4、發(fā)電機5、回?zé)崞?、鍋爐3、以及設(shè)于鍋爐3內(nèi)的省煤器31、、水冷壁32、過熱器33及空氣預(yù)熱器35；預(yù)冷器7的出口與壓縮機1的入口相連通，回?zé)崞?冷側(cè)的出口依次經(jīng)省煤器31、水冷壁32及過熱器33與透平4的入口相連通，透平4的出口與回?zé)崞?熱側(cè)的入口相連通，壓縮機1、透平4及發(fā)電機5同軸布置，過熱器33、省煤器31、低溫省煤器34及空氣預(yù)熱器35沿?zé)煔饬魍ǖ姆较蛞来尾贾?，空氣預(yù)熱器35的出口與鍋爐3的空氣入口相連通。

鍋爐3的尾部煙道內(nèi)還設(shè)SCR脫硝裝置，其中，低溫省煤器34、SCR脫硝裝置及空氣預(yù)熱器35沿?zé)煔饬魍ǖ姆较蛞来尾贾茫诲仩t3為π型鍋爐。

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工作過程為：透平4輸出的乏氣進入回?zé)崞?的熱側(cè)放熱，并對其冷側(cè)工質(zhì)進行加熱，再在余熱換熱器6內(nèi)將余熱傳遞到有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)中，然后再經(jīng)預(yù)冷器7冷卻后進入到壓縮機1中升壓，壓縮機1輸出的工質(zhì)進入低溫省煤器34到中進行預(yù)熱，預(yù)熱后的工質(zhì)依次進入到回?zé)崞?的冷側(cè)吸熱、鍋爐3尾部煙道內(nèi)的省煤器31、水冷壁32及過熱器33中加熱至設(shè)計溫度，加熱后的高溫高壓工質(zhì)進入透平4做功，并通過發(fā)電機5實現(xiàn)發(fā)電，工質(zhì)在透平4內(nèi)膨脹做功后，變?yōu)榉?，至此工質(zhì)實現(xiàn)了一個完整的閉式循環(huán)。

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工作過程為：經(jīng)ORC泵11升壓后的有機工質(zhì)進入余熱換熱器6的冷側(cè)中加熱至循環(huán)設(shè)計溫度，加熱后的有機工質(zhì)被送入ORC透平8中做功，并通過循環(huán)發(fā)電機9發(fā)電，ORC透平8輸出的乏氣經(jīng)過ORC冷凝器10向環(huán)境排出廢熱后進入ORC泵11中升壓，至此有機工質(zhì)實現(xiàn)了一個完整的有機朗肯循環(huán)。

低溫省煤器34布置于省煤器31與空氣預(yù)熱器35之間，低溫省煤器34有效利用省煤器31至空氣預(yù)熱器35之間中溫?zé)煔獾臒崃?以600℃機組為例，中溫?zé)煔鉃闇囟却蠹s在600℃至400℃的煙氣)，既實現(xiàn)了鍋爐3中煙氣余熱的梯級利用，又保證了空氣預(yù)熱器35煙氣側(cè)入口溫度處于合理的范圍。

此外，在本實用新型中，余熱換熱器6布置在回?zé)崞?熱側(cè)出口與預(yù)冷器7入口之間，充分利用回?zé)崞?未能充分利用的乏氣余熱對有機工質(zhì)進行加熱，實現(xiàn)透平4乏氣余熱的梯級利用，減少預(yù)冷器7向外部環(huán)境的放熱，進一步提高了系統(tǒng)的效率。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。