CN111396154A - 一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力*** - Google Patents

一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力*** Download PDF

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Abstract

本发明一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，将传统燃煤发电循环与超临界二氧化碳发电循环耦合利用，通过改变二氧化碳压缩机出力，实现机组负荷的快速调节；当外界负荷要求发生变化时，***通过改变附加超临界二氧化碳循环内超临界二氧化碳工质的流量，进而改变二氧化碳压缩机的功耗，使得机组负荷快速变化，燃煤机组通过改变给煤量，实现对机组负荷变化的跟踪，有效利用燃煤发电机组循环的内部蓄能，提升了燃煤机组的快速变负荷能力，具有广阔的商业化前景。

Description

一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***
技术领域
本发明涉及涉及燃煤发电机组，特别是涉及一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***。
背景技术
在化石能源日渐枯竭和气候变化形势严峻的背景下，世界各国正大力发展利用可再生能源的新一代发电***，逐步用非化石能源替代化石能源发电。可再生能源发电负荷具有很强的波动性和不确定性，难以通过自身调节***进行稳定的负荷调节，为了保证电网供电安全，需要借助其他电源来协调配合。
燃煤火电机组是能保证电力稳定输出的重要基础，燃煤火电机组的负荷调节能力对能否实现可再生能源的并网起着决定性作用，现有燃煤发电机组热力***如图1所示。以超临界二氧化碳作为工质的循环***作为一类先进动力循环，超临界二氧化碳发电***结构图如图2所示，超临界二氧化碳因其粘性小、密度大、传热效率高等优势，其能量转换效率高，***损耗小，被认为是当今最具应用潜力的能量传输和转换工质之一。
燃煤机组因其容量大、相关技术完备等优点,已广泛地参与到电网运行灵活性调节中，保证电网供电安全稳定。但现有的燃煤机组均是以改变汽轮机侧的储热来实现频率的快速调节，这就导致调节过程中加热器出口温度严重不足，锅炉效率大幅度降低，经济损失增大。
发明内容
本发明针对现有技术锅炉效率大幅度降低，经济损失大的问题，构思了一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，依据超临界二氧化碳热力循环的特性以及其与蒸汽朗肯循环耦合，通过改变二氧化碳压缩机出力，实现机组负荷的跟踪，保证了燃煤机组负荷调节快速性，利用二氧化碳热力循环的发电量，弥补了燃煤机组在负荷调节过程中的能量损失，使得燃煤发电机组的在保持较高效率的同时，快速负荷响应能力得到提升，提高能源利用效率。
本发明采用的技术方案是：一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，它包括：汽轮机高压缸1、汽轮机中压缸2、汽轮机低压缸3、第一蒸汽-二氧化碳加热器4、第二蒸汽-二氧化碳加热器5、第三蒸汽-二氧化碳加热器6、第一高压给水加热器7、第二高压给水加热器8、第三高压给水加热器9、给水泵10、除氧器11、第一低压给水加热器12、第二低压给水加热器13、第三低压给水加热器14、第四低压给水加热器15、凝结水泵16、凝汽器17、第一疏水-二氧化碳换热器18、第二疏水-二氧化碳换热器19、第三疏水-二氧化碳换热器20、二氧化碳-空气预热器21、二氧化碳透平22、二氧化碳压缩机23、空气预热器24、省煤器25、第一发电机26、第二发电机27、锅炉28、炉内换热器29，其特征是，在所述的汽轮机中压缸2与第三高压给水加热器9的第一抽汽管道间串联第一蒸汽-二氧化碳加热器4，在所述的汽轮机中压缸2与除氧器11的第二抽汽管道间串联第二蒸汽-二氧化碳加热器5，在所述的汽轮机低压缸3与第一低压给水加热器12的第一抽汽管道间串联第三蒸汽-二氧化碳加热器6，在所述的第二高压给水加热器8与第三高压给水加热器9之间串联第一疏水-二氧化碳换热器18，在所述的除氧器11与第一低压给水加热器12之间串联第二疏水-二氧化碳换热器19，在所述的第二低压给水加热器13与第三低压给水加热器14之间串联第三疏水-二氧化碳换热器20，所述的二氧化碳-空气预热器21与空气预热器24连通。
本发明一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***的有益效果体现在：
1、一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，通过设置三级蒸汽-二氧化碳加热器，三级疏水-二氧化碳换热器，将燃煤发电机组的给水回热***与附加超临界二氧化碳循环***充分耦合，使燃煤发电机组循环的内部蓄能得到充分利用，同时，附加超临界二氧化碳循环连接的第二发电机增加了整体***的发电量，利用超临界二氧化碳循环的高循环效率，改善传统燃煤机组不可逆损失问题，提高能源利用效率；
2、一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，附加超临界二氧化碳循环燃煤机组，利用二氧化碳循环***压缩机出力速度快，范围广的特点，通过改变压缩机出力，实现机组负荷的跟踪，在负荷指令变化时，利用附加循环自身蓄能特性，弥补燃料调节***大惯性大迟延的不足，通过调节二氧化碳压缩机出力能够改善机组整体负荷调节能力。
附图说明
图1是现有燃煤发电机组热力***结构示意图；
图2是超临界二氧化碳发电***结构示意图；
图3是一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***结构示意图；
图4是基于附加超临界二氧化碳循环的高效灵活燃煤发电机组热力***预估对比(升负荷)；
图5是基于附加超临界二氧化碳循环的高效灵活燃煤发电机组热力***预估对比(降负荷)；
图中：1.汽轮机高压缸，2.汽轮机中压缸，3.汽轮机低压缸，4.第一蒸汽-二氧化碳加热器，5.第二蒸汽-二氧化碳加热器，6.第三蒸汽-二氧化碳加热器，7.第一高压给水加热器，8.第二高压给水加热器，9.第三高压给水加热器，10.给水泵，11.除氧器，12.第一低压给水加热器，13.第二低压给水加热器，14.第三低压给水加热器，15.第四低压给水加热器，16.凝结水泵，17.凝汽器，18.第一疏水-二氧化碳换热器，19.第二疏水-二氧化碳换热器，20.第三疏水-二氧化碳换热器，21.二氧化碳-空气预热器，22.二氧化碳透平，23.二氧化碳压缩机，24.空气预热器，25.省煤器，26.第一发电机，27.第二发电机，28.锅炉，29.炉内换热器。
具体实施方式
以下结合附图3至附图5和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照附图3所示，在现有燃煤发电机组热力***中耦合超临界二氧化碳布雷顿循环设备，一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，它包括：汽轮机高压缸1、汽轮机中压缸2、汽轮机低压缸3、第一蒸汽-二氧化碳加热器4、第二蒸汽-二氧化碳加热器5、第三蒸汽-二氧化碳加热器6、第一高压给水加热器7、第二高压给水加热器8、第三高压给水加热器9、给水泵10、除氧器11、第一低压给水加热器12、第二低压给水加热器13、第三低压给水加热器14、第四低压给水加热器15、凝结水泵16、凝汽器17、第一疏水-二氧化碳换热器18、第二疏水-二氧化碳换热器19、第三疏水-二氧化碳换热器20、二氧化碳-空气预热器21、二氧化碳透平22、二氧化碳压缩机23、空气预热器24、省煤器25、第一发电机26、第二发电机27、锅炉28、炉内换热器29。
1、设置三级蒸汽-二氧化碳加热器：
在所述的汽轮机中压缸2与第三高压给水加热器9的第一抽汽管道间串联第一蒸汽-二氧化碳加热器4，在所述的汽轮机中压缸2与除氧器11的第二抽汽管道间串联第二蒸汽-二氧化碳加热器5，在所述的汽轮机低压缸3与第一低压给水加热器12的第一抽汽管道间串联第三蒸汽-二氧化碳加热器6，三级蒸汽-二氧化碳加热器相互串联，构成超临界二氧化碳循环的加热***，***一端与二氧化碳压缩机23相连，另一端与二氧化碳透22平相连，利用第三高压给水加热器9，除氧器11，第一低压给水加热器12的抽汽加热三级蒸汽-二氧化碳加热器内部的超临界二氧化碳工质，提升超临界二氧化碳工质的温度，同时避免了高温抽汽对加热器，除氧器11的腐蚀。
2、设置第一疏水-二氧化碳换热器18：
在所述的第二高压给水加热器8与第三高压给水加热器9之间串联第一疏水-二氧化碳换热器18，利用第三高压给水加热器9给水侧出口的给水，给第一疏水-二氧化碳换热器18中的二氧化碳工质降温，相对来说，第一疏水-二氧化碳换热器18内部的高温二氧化碳工质也会给第三高压给水加热器9给水侧出口的给水加热，进一步提升第二高压给水加热器8给水侧入口处的给水温度，第一蒸汽-二氧化碳换热器4的一端与二氧化碳透平22相连，另一端与第二蒸汽-二氧化碳换热器5串联。
3、设置第二疏水-二氧化碳换热器19：
在所述的除氧器11与第一低压给水加热器12之间串联第二疏水-二氧化碳换热器19，利用第一低压给水加热器12给水侧出口的给水，给第二疏水-二氧化碳换热器19中的二氧化碳工质降温，相对来说，第二疏水-二氧化碳换热器19内部的高温二氧化碳工质也会给第一低压给水加热器12给水侧出口的给水加热，进一步提升除氧器11给水侧入口处的给水温度；同时，第二蒸汽-二氧化碳换热器5串联在第一蒸汽-二氧化碳换热器4与第三蒸汽-二氧化碳换热器6之间串联。
4、设置第三疏水-二氧化碳换热器20：
在所述的第二低压给水加热器13与第三低压给水加热器14之间串联第三疏水-二氧化碳换热器20，所述的二氧化碳-空气预热器21与空气预热器24连通，利用第三低压给水加热器14给水侧出口的给水，给第三疏水-二氧化碳换热器20中的二氧化碳工质降温，相对来说，第三疏水-二氧化碳换热器20内部的高温二氧化碳工质也会给第三低压给水加热器14给水侧出口的给水加热，进一步提升第二低压给水加热器13给水侧入口处的给水温度，同时，第三蒸汽-二氧化碳换热器6的一端与二氧化碳压缩机23相连，另一端与第二蒸汽-二氧化碳换热器5串联。
5、设置二氧化碳透平22：
二氧化碳透平22的入口处与第一蒸汽-二氧化碳加热器4工质侧相连，第一蒸汽-二氧化碳加热器4内部超临界二氧化碳工质在二氧化碳透平22处做功，二氧化碳透平22驱动第二发电机27做功发电，二氧化碳透平22的出口处与设置第一疏水-二氧化碳换热器18相连。
6、设置二氧化碳压缩机23：
二氧化碳-空气预热器21与二氧化碳压缩机23低压侧相连，所述的二氧化碳-空气预热器21与空气预热器24连通，二氧化碳压缩机23将超临界二氧化碳工质加压，传入由三级蒸汽-二氧化碳加热器串联构成的二氧化碳循环加热***的工质侧进一步提升焓值。
按照附图3将二氧化碳热力循环与传统锅炉蒸汽朗肯循环相结合，正常运行时，凝结水泵出口处的给水依次通过第四低压给水加热器、第三低压给水加热器、第三疏水-二氧化碳换热器、第二低压给水加热器、第一低压给水加热器、第二疏水-二氧化碳换热器、除氧器、给水泵、第三高压给水加热器、第一疏水-二氧化碳换热器、第二高压给水加热器、第一高压给水加热器，使得锅炉给水充分得到预热，减少燃料的使用；同时，三级蒸汽-二氧化碳加热器与三级疏水-二氧化碳换热器、二氧化碳透平、二氧化碳压缩机，一同构成了附加超临界二氧化碳发电循环，通过改变二氧化碳压缩机出力，实现机组负荷的跟踪，利用附加循环自身蓄能特性，弥补燃料调节***大惯性大迟延的不足，减少负荷调节过程中能量的损失，最终，使得燃煤发电机组的在保持较高效率的同时，快速负荷响应能力得到提升。
以下是本发明分别在升负荷与降负荷两种情况下，***内部工作流程及实际效果。
实施例1，如图4所示，在电网负荷需求量增大时，T3时刻发出升负荷指令：传统燃煤发电机组增加燃煤量。在T3—T1时间段内，燃料燃烧加热水变成水蒸气，水蒸气推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电。由于水蒸气的温度升高，汽轮机做功增加，使得发电机的发电量升高，***负荷提升。
附加超临界二氧化碳的燃煤发电***通过减少超临界二氧化碳工质的流量，使二氧化碳压缩机23的耗电量减少，***整体负荷短时间内迅速升高。利用超临界二氧化碳发电循环的惯性，在第二发电机27由于二氧化碳压缩机23出力减少导致发电量骤降前，及时调整锅炉燃料量，增加第一发电机26的发电量，使得***整体负荷提升并维持新的稳态输出。如图4所示，附加超临界二氧化碳的燃煤发电***在T3—T2时间段内由于二氧化碳压缩机23的耗电量减少，整体发电负荷得到迅速提升，与此同时，***利用T3—T1时间段调整燃煤量。
实施例2，如图5所示，在电网负荷需求量减少时，T3时刻发出降负荷指令，传统燃煤机组减少燃煤量。在T3—T1时间段内，燃料燃烧加热水变成水蒸气，水蒸气推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机发电，由于水蒸气的温度下降，汽轮机做功减少，使得发电机的发电量下降，***负荷降低。
附加超临界二氧化碳***通过增加超临界二氧化碳工质的流量，使二氧化碳压缩机23的耗电量升高，***整体负荷短时间内迅速降低，利用超临界二氧化碳发电循环的惯性，在第二发电机由于二氧化碳压缩机23出力增加导致发电量骤升前，及时调整锅炉燃料量，减少第一发电机26的发电量，使得***整体负荷降低并维持新的稳态输出。如图5所示，附加超临界二氧化碳燃煤发电***在T3—T2时间段内，由于二氧化碳压缩机23的耗电量升高，整体发电负荷得到迅速降低。与此同时，***利用T3—T1时间段调整燃煤量。
本发明基于附加超临界二氧化碳循环的高效灵活燃煤发电机组热力***，提升快速负荷响应能力的工作原理为：当外界负荷要求发生变化时，***通过改变附加超临界二氧化碳循环内超临界二氧化碳工质的流量，进而改变二氧化碳压缩机的功耗，从而使得机组负荷快速变化；与此同时，燃煤机组通过改变给煤量，从而实现对机组负荷变化的跟踪。构建耦合蒸汽朗肯循环和超临界二氧化碳循环的新型热力***，在改善传统燃煤机组不可逆损失问题，提高能源利用效率的同时，利用二氧化碳循环***压缩机出力速度快，范围广的特点，通过改变压缩机出力，实现对机组负荷的跟踪。
以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种附加超临界二氧化碳循环的燃煤发电机组热力***，它包括：汽轮机高压缸(1)、汽轮机中压缸(2)、汽轮机低压缸(3)、第一蒸汽-二氧化碳加热器(4)、第二蒸汽-二氧化碳加热器(5)、第三蒸汽-二氧化碳加热器(6)、第一高压给水加热器(7)、第二高压给水加热器(8)、第三高压给水加热器(9)、给水泵(10)、除氧器(11)、第一低压给水加热器(12)、第二低压给水加热器(13)、第三低压给水加热器(14)、第四低压给水加热器(15)、凝结水泵(16)、凝汽器(17)、第一疏水-二氧化碳换热器(18)、第二疏水-二氧化碳换热器(19)、第三疏水-二氧化碳换热器(20)、二氧化碳-空气预热器(21)、二氧化碳透平(22)、二氧化碳压缩机(23)、空气预热器(24)、省煤器(25)、第一发电机(26)、第二发电机(27)、锅炉(28)、炉内换热器(29)，其特征是，在所述的汽轮机中压缸(2)与第三高压给水加热器(9)的第一抽汽管道间串联第一蒸汽-二氧化碳加热器(4)，在所述的汽轮机中压缸(2)与除氧器(11)的第二抽汽管道间串联第二蒸汽-二氧化碳加热器(5)，在所述的汽轮机低压缸(3)与第一低压给水加热器(12)的第一抽汽管道间串联第三蒸汽-二氧化碳加热器(6)，在所述的第二高压给水加热器(8)与第三高压给水加热器(9)之间串联第一疏水-二氧化碳换热器(18)，在所述的除氧器(11)与第一低压给水加热器(12)之间串联第二疏水-二氧化碳换热器(19)，在所述的第二低压给水加热器(13)与第三低压给水加热器(14)之间串联第三疏水-二氧化碳换热器(20)，所述的二氧化碳-空气预热器(21)与空气预热器(24)连通。
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