双循环火力发电系统

1.本发明属于火力发电技术领域，涉及一种双循环火力发电系统。


背景技术：

2.为进一步提高火力发电蒸汽朗肯循环效率，世界各国都在相继开展更高参数的超超临界火力发电机组技术研究，期望将透平进口温度提高到700℃，发电循环效率达到50％水平。但蒸汽腐蚀问题严重，需要成本高昂的镍基合金高温蒸汽管道，成为目前限制这一技术的主要瓶颈之一。我国提出蒸汽轮机高位布置的方法，有效缩短了高温蒸汽管道的布置距离，减少了耗材，降低了成本，为下一代火力发电行业的发展奠定了基础。
3.另一方面，超临界二氧化碳(sco2)布雷顿循环在中高温热源系统中具有更好的特性，近年来受到普遍的关注。相比于现有的蒸汽朗肯循环系统，sco2布雷顿循环应用于火力发电系统，具有如下优势：首先，sco2布雷顿循环在中高温条件下循环效率更高；透平设备和换热器的体积小，重量轻，占地面积减小，更加便于高位布置方式；此外，二氧化碳对金属腐蚀性较弱，材料成本也明显降低。但以sco2为吸热介质的燃煤锅炉与传统蒸汽锅炉差异较大，同时面临着介质流量大(是同等量级蒸汽流量的8倍)，尾部烟气余热多(500℃以下烟气无法被二氧化碳吸收)等问题，有待进一步深入研究。


技术实现要素：

4.针对以上问题，本发明提出一种双循环火力发电系统，将sco2布雷顿循环与蒸汽朗肯循环耦合，以水和sco2两种介质为动力循环工质的双循环火力发电系统，与现有火力发电系统单一的蒸汽循环系统的结构相比，本发明系统能够充分合理地利用锅炉烟气热量，提高能量利用效率和系统发电效率，同时减少高温管材的使用，减弱介质对材料的高温腐蚀，降低系统成本。
5.本发明所述双循环火力发电系统，包括锅炉，以所述锅炉内的高温烟气为热源、以sco2为循环工质的sco2布雷顿循环发电系统和以所述锅炉内的低温烟气为热源、以蒸汽为循环工质的蒸汽朗肯循环发电系统，所述锅炉的外部设有热交换器，所述热交换器用于把sco2吸收的多余能量换给蒸汽，sco2与所述高温烟气换热，经所述热交换器后、依次经过第一做功装置、第一冷却装置、第一增压装置完成sco2布雷顿循环，蒸汽与所述低温烟气换热，经第二做功装置，与所述热交换器中sco2换热后、依次经过第三做功装置、第四做功装置、第二冷却装置、第二增压装置完成蒸汽朗肯循环；
6.所述第一做功装置、所述第二做功装置、所述第三做功装置均采用高位布置的方式与所述锅炉耦合布置，或所述第一做功装置、所述第二做功装置、所述第三做功装置均采用高位布置的方式单独布置于所述锅炉的外周。
7.所述锅炉可为π形锅炉或塔式锅炉，包括炉膛，主烟道和尾部余热烟道，主烟道位于锅炉的高温区域，尾部余热烟道位于锅炉的低温区域。
8.所述炉膛用于煤等化石燃料燃烧，其顶端与主烟道进口连通；
9.所述烟道可为水平烟道(π形锅炉)或竖直烟道(塔式锅炉)，用于高温烟气流动和受热面布置，主烟道出口与尾部余热烟道进口连通；
10.所述尾部余热烟道可布置低温受热面及余热利用设备等，出口与外界烟囱连通。
11.本发明所述sco2布雷顿循环发电系统，是以sco2为换热和做功介质的闭式循环系统。主要部件包括：sco2低温过热器，sco2高温过热器，热交换器，sco2涡轮透平，co2高温回热器，co2低温回热器，冷却器，主压缩机，再压缩机、第一三通阀、第二三通阀等，所述sco2高温过热器、所述sco2低温过热器分别位于所述锅炉的高温区域。
12.所述sco2低温过热器和sco2高温过热器相连，布置于锅炉主烟道，sco2由sco2低温过热器入口流入，由sco2高温过热器出口流出；所述sco2低温过热器的进口流入sco2，所述sco2低温过热器的出口与所述sco2高温过热器的进口连通；所述co2高温回热器的热侧进口连通所述sco2涡轮透平的出口，所述co2高温回热器的冷侧出口连通所述co2低温回热器的热侧进口，所述co2高温回热器的冷侧进口连通所述co2低温回热器的冷侧出口，所述co2高温回热器的冷侧出口连通所述sco2低温过热器的冷侧进口，所述co2低温回热器的冷侧入口与所述压缩机的出口连通；所述第一三通阀分别与所述主压缩机的入口、所述低温回热器的热侧出口、所述冷却器的热侧入口连通，所述第二三通阀分别与所述再压缩机的出口、所述低温回热器的冷侧出口、所述高温回热器的冷侧入口连通。
13.所述热交换器布置于锅炉外部顶端，用于sco2和蒸汽热交换。其热侧流体为sco2，热侧进口与sco2高温过热器出口连通，热侧出口与sco2涡轮透平入口连通；所述热交换器的冷侧进口连通所述蒸汽透平高压缸的出口连通，所述热交换器的冷侧出口与所述蒸汽透平中压缸的入口连通。
14.所述sco2涡轮透平采用高位布置方式，其高度与所述sco2高温过热器的受热面相当，且靠近所述高温过热器设置；所述sco2涡轮透平与所述锅炉耦合布置或单独布置于所述锅炉的外周。sco2涡轮透平的出口与co2高温回热器的热侧入口连通。
15.考虑到循环效率优化提高，在透平膨胀后还可回到主烟道再热，增加一次或两次再热透平等设备和布置方式；
16.所述co2高温回热器的热侧与co2低温回热器的热侧连接，co2高温回热器的冷侧与co2低温回热器的冷侧连接，可选用管壳式换热器，板翅式换热器，印刷电路板式换热器(pche)等形式。考虑到换热效率和设备体积成本等，作为优选，应选用pche；
17.所述冷却器进口、再压缩机进口与co2低温回热器热侧出口构成三通，co2在低温回热器热侧出口分流，部分流股流向冷却器入口，另一部分流向再压缩机入口。冷却器可采用水或空气介质冷却，可选用管壳式换热器，板翅式换热器，pche等形式。作为优选，应选用pche；
18.所述主压缩机与冷却器连通，co2被冷却至临界点附近参数后，进入主压缩机，完成增压，增压后流向co2低温回热器冷侧入口；
19.所述再压缩机出口、co2低温回热器冷侧出口和co2高温回热器冷侧入口构成三通，分流流股在co2高温回热器冷侧入口前完成汇合，共同进入co2高温回热器升温。
20.本发明所述蒸汽朗肯循环发电系统，是以水蒸汽为换热和做功介质的循环系统。主要部件包括：水冷壁，蒸汽透平高压缸，蒸汽过热器，热交换器，蒸汽透平中压缸，蒸汽透平低压缸，凝汽器，水泵等，所述蒸汽过热器设于所述锅炉的低温区域。
21.所述水冷壁与水泵出口和蒸汽过热器出口连通，包覆在炉膛外围，内部流动水工质；
22.所述蒸汽过热器布置于锅炉烟道尾部，其出口与热交换器冷侧进口连通；
23.所述热交换器与上述sco2布雷顿循环系统中为同一设备，冷侧流体为低压过热蒸汽，冷侧出口与蒸汽透平进口相连；
24.所述蒸汽透平高压缸和中压缸，即汽轮机组高压缸和中压缸，同样采用高位布置方式，它们的高度与所述蒸汽过热器的受热面相当，且靠近所述蒸汽过热器设置；所述蒸汽透平与所述锅炉耦合布置或单独布置于所述锅炉的外周。所述蒸汽透平低压缸，即汽轮机组低压缸，可布置于地面。
25.所述凝汽器，水泵与传统火力发电系统相同，分别用于冷凝和给水增压。
26.与现有火力发电循环系统相比，本发明至少具有以下优点：
27.1.本发明采用sco2涡轮透平、蒸汽透平高压缸和蒸汽透平低压缸高位布置方式，使得热交换器与sco2涡轮透平、蒸汽透平高压缸和蒸汽透平低压缸之间的距离缩短，有效缩短了高温过热工质到透平机组的管道距离，大大减少了高温高压管材的使用，有效控制了系统成本。
28.2.本发明选用sco2吸收中高温区域的烟气能量，由于co2对金属材料的高温腐蚀较弱，能够达到较高的温度(超过700℃)，从而使中高温区发电循环效率得到提高。
29.3.本发明选用水工质吸收中低温烟气能量，能够将水达到过热蒸汽状态，并将sco2吸收的高于额定初参数的能量通过热交换器进一步传递给低压过热蒸汽，能够配套蒸汽朗肯循环发电，实现中低温烟气的有效利用。
30.4.相比于直接用烟气换热，热交换器的形式能够大大减少烟气中的颗粒物和酸性成分对高温蒸汽过热器管道外壁的腐蚀和磨损；此外，传统蒸汽过热器两侧换热介质压力差别较大，而使用热交换器，两侧介质压力差异较小，有利于降低管道热应力。
31.5.布雷顿循环需要的co2温度一般为600-650℃，蒸汽朗肯循环需要的蒸汽温度一般为580-620℃。由于腐蚀性较弱，使用co2吸收高温烟气热量可以达到700℃以上。通过设置热交换器，把co2多余的热传给水，使两者的温度匹配高效发电循环系统，提高蒸汽机组中低压缸的做功量和做功效率。
32.6.本发明sco2布雷顿循环发电系统用于吸收高温烟气能量，sco2能够达到超过sco2涡轮透平额定初参数的温度，同时减少高温管材的使用。蒸汽朗肯循环发电系统吸收低温烟气能量，能够产生过热蒸汽做功发电，并进一步通过热交换器吸收sco2高于额定初参数部分的能量，达到蒸汽透平额定的温度参数。sco2布雷顿循环中sco2涡轮透平和蒸汽朗肯循环中蒸汽透平高压缸和中压缸均采用透平高位布置方式，与现有火力发电系统单一的蒸汽循环系统的结构相比，本发明所述系统不仅能够充分合理地利用锅炉烟气热量，提高能力利用效率和系统发电效率，同时减少由于介质高温腐蚀带来的材料和成本问题。而且蒸汽先进入第二做功装置做功后，出来的低压蒸汽再进入热交换器，热交换器作为第三做功装置蒸汽的热源，可以吸收co2多余的能量，提高第三做功装置的效率。与从锅炉出来的蒸汽直接进入热交换器而不通过第二做功装置相比，通过第二做功装置降低进入热交换器中的蒸汽的压力，使得热交换器的承压降低，也降低了热交换器的生产制造难度，工程可行性更佳。另一方面，降低了热交换器的换热面积要求，使得小尺寸的热交换器与第二做功装
置、第三做功装置和第一做功装置适于高位布置在锅炉顶部。
附图说明
33.图1为本发明第一实施方式中双循环火力发电系统原理图。
34.图2为本发明第二实施方式中双循环火力发电系统原理图。
35.其中，1为锅炉，2为水冷壁，3为蒸汽过热器，4为热交换器，5a为蒸汽透平高压缸，5b为蒸汽透平中压缸，5c为蒸汽透平低压缸，6为凝汽器，7为水泵，8为sco2高温过热器，9为sco2低温过热器，10为sco2涡轮透平，11为co2高温回热器，12为co2低温回热器，13为冷却器，14为主压缩机，15为再压缩机，16为钢架支撑结构，第一三通阀17，第二三通阀18，19为低压缸再热器。
具体实施方式
36.结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的实现并不限于下述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内所采用的本发明技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本发明的保护范围。
37.【第一实施方式】
38.请参阅图1所示，本发明第一实施方式提供一种双循环火力发电系统，包括锅炉，以锅炉1内的高温烟气为热源、以sco2为循环工质的sco2布雷顿循环发电系统和以锅炉1内的低温烟气为热源、以蒸汽为循环工质的蒸汽朗肯循环发电系统，锅炉1的外部设有热交换器4，热交换器4用于把sco2吸收的多余能量换给蒸汽，sco2与高温烟气换热，经热交换器4后、做功、冷却、增压完成sco2布雷顿循环，蒸汽与低温烟气换热后做功，再经热交换器4与sco2换热后做功、冷却、增压完成蒸汽朗肯循环。
39.具体地，sco2布雷顿循环发电系统为再压缩布雷顿循环系统，包括sco2低温过热器9，sco2高温过热器8，热交换器4，sco2涡轮透平10，co2高温回热器11，co2低温回热器12，冷却器13，主压缩机14、再压缩机15、第一三通阀17及第二三通阀18，sco2高温过热器8、sco2低温过热器9分别位于锅炉1的高温区域，并沿着主烟道的水平方向布置，再压缩布雷顿循环系统中的各部件之间的连接关系为本领域的常规做法，在此不再赘述；蒸汽朗肯循环发电系统包括依次连接成环的：水冷壁2，蒸汽过热器3，蒸汽透平高压缸5a，热交换器4，蒸汽透平中压缸5b，蒸汽透平低压缸5c，凝汽器6及水泵7，蒸汽过热器3设于锅炉1的低温区域；热交换器4的热侧进口连通锅炉1的高温烟气出口，热交换器4的热侧出口和sco2涡轮透平10的入口连通；热交换器4的冷侧进口连通蒸汽透平高压缸5a的出口，热交换器4的冷侧出口与蒸汽透平中压缸5b的入口连通。
40.本发明实施方式中，sco2涡轮透平10采用高位布置方式，其高度与sco2高温换热器8的受热面相当，且靠近sco2高温换热器8设置；蒸汽透平高压缸5a和蒸汽透平中压缸5b，同样采用高位布置方式，高度与蒸汽过热器3的受热面相当，且靠近蒸汽过热器3设置；具体地，如图1所示，锅炉1悬吊在钢架支撑架16下方，sco2涡轮透平10、蒸汽透平高压缸5a、蒸汽透平中压缸5b及热交换器4布置在锅炉1的顶部；在一些实施方式中，sco2涡轮透平10、蒸汽透平高压缸5a和蒸汽透平中压缸5b也可以单独布置在锅炉1的外周；sco2涡轮透平10、蒸汽透平高压缸5a和蒸汽透平中压缸5b的下方分别通过钢架支撑结构16支撑实现高位布置。
41.本发明实施例中的锅炉1以燃煤电厂常见的π形锅炉为例，锅炉外围布有水冷壁2，顶部主烟道为水平烟道，主烟道中布置有sco2高温过热器8、sco2低温过热器9和蒸汽过热器3，锅炉1顶部布置热交换器4。
42.本发明实施例中的sco2布雷顿循环发电系统，其基本循环流程为：sco2依次经过低温过热器9和高温过热器8，吸收高温烟气的热量，温度达到700℃以上，超过布雷顿循环系统sco2涡轮透平额定进口温度参数；高温高压的sco2进入热交换器4的热侧，将部分热量交换给冷侧的低压过热蒸气，同时自身降至sco2涡轮透平额定初参数范围，约630-650℃；额定初参数的sco2进入sco2涡轮透平10膨胀做功发电，膨胀后的sco2依次进入co2高温回热器11的热侧和co2低温回热器12的热侧，将剩余能量交换给冷侧的高压sco2；co2低温回热器12热侧出口的sco2通过第一三通阀17按一定分流比分流，分别流向冷却器13和再压缩机15；流入冷却器13的流股被冷却至临界点温度附近(32℃左右)，进入主压缩机14，经主压缩机14压缩升压后进入co2低温回热器12的冷侧；流入再压缩机15的流股直接被压缩后，与co2低温回热器12冷侧出口的流股在第二三通阀18处汇合；汇合后进入co2高温回热器11的冷侧，继续回热升温至500℃左右，再次回到sco2低温过热器9吸热，完成一次循环。考虑到循环效率优化提高，在sco2涡轮透平10膨胀后还可回到主烟道再热，增加一次或两次再热透平等更加复杂的布置方式，具体地，在sco2涡轮透平10膨胀后还可回到主烟道并依次通过再热器(图中未示出)再热、再热透平(图中未示出)做功后进入sco2低温过热器9，重复循环。
43.本发明实施例中的蒸汽朗肯循环发电系统，其基本循环流程为：给水经水冷壁2吸收炉膛热量，再进入主烟道尾部的蒸汽过热器3吸热，变成过热蒸汽；过热蒸汽进入蒸汽透平高压缸5a中做功后，进入热交换器4的冷侧，吸收sco2的部分热量，进一步提高自身温度至超超临界机组初温水平，具体地，如600-620℃，进入蒸汽透平中压缸5b再次做功发电；膨胀后经低压缸再热器19加热后，进入蒸汽透平低压缸5c继续做功发电；再次膨胀后的低温低压湿蒸汽进入凝汽器6中，冷凝为饱和液态水；再经水泵7增压后，回到水冷壁2吸热，完成一次循环。考虑到循环效率优化提高，在水泵增压后还可先进入尾部余热烟道的省煤器(图中未示出)中预热，再回到水冷壁2。
44.【第二实施方式】
45.请参阅图2所示，本发明第二实施方式提供一种双循环火力发电系统，其与第一实施方式的区别在于，锅炉1为塔式锅炉，烟道为竖直烟道，sco2高温过热器8、sco2低温过热器9、蒸汽过热器3在竖直烟道内由下至上顺序布置，烟气在锅炉1内向上扩散并随着扩散的高度增加温度降低。sco2涡轮透平10、蒸汽透平高压缸5a和蒸汽透平中压缸5b分别与锅炉1耦合布置布置在锅炉1的顶部，具体地，通过钢支撑结构16(锅炉塔)将锅炉1悬吊起来，sco2涡轮透平10、蒸汽透平高压缸5a和蒸汽透平中压缸5b通过锅炉塔支撑在高位，sco2涡轮透平10、蒸汽透平高压缸5a和蒸汽透平中压缸5b的悬吊高度与锅炉1的顶面高度相当。
46.本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本技术各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。