一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统的制作方法

1.本实用新型属于天然气发电技术领域，具体涉及一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统。


背景技术：

2.能源是人类社会发展、文明进步的重要物质基础，是关系国家经济命脉和国防安全的重要战略物资，而电力是最方便利用的一种能源形式。随着全球人口的增长以及人类社会的发展，人类对于电力的需求越来越高。天然气作为一种清洁、高效的能源，其利用对大气污染防治、节能减排具有重要意义。与燃煤发电相比，天然气发电的能源转化效率高，综合厂用电率低，节能环保价值较高，几乎不排放二氧化硫及烟尘。同时，作为调峰调频性能优良的电源，天然气发电是可再生能源发电的最佳补充，是电力行业实现低碳转型的可行技术路线。
3.燃烧天然气与高纯度氧气的纯氧燃烧循环被认为是解决基于化石燃料发电厂碳排放问题最有前景的技术之一。与常规燃煤电厂的蒸汽朗肯循环相比，纯氧燃烧循环以高纯度的氧气代替空气与天然气燃料进行燃烧反应，燃烧后的产物主要为co2和h2o，通过冷凝将h2o去除后，co2很容易被分离、捕集和存储。其中，以sco2(超临界co2)为循环工质的天然气纯氧燃烧动力循环近年来被认为是最具发展潜力的、有望突破现有蒸汽朗肯循环技术发展瓶颈的新型纯氧燃烧循环系统。
4.一般的纯氧燃烧循环，燃料燃烧后产生的烟气从回热器出来后，由于温度仍然较高，所以仍处于气态，因此为了提高其压力，一般需要先用压缩机来提高其压力，因而耗功较高。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统，能够利用液化天然气再气化的冷能，使系统中再循环气体液化，省去了再循环压缩机，节省耗功，有利于提升发电效率，运用该系统可使系统发电效率显著提高。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
7.一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统，包括燃烧室、气体透平、回热系统、循环泵、不凝气体分离罐、液化天然气泵、第一冷凝器、气液分离罐、第二冷凝器、氧气压缩机和co2‑
o2混合器，所述液化天然气泵的输出端与所述第一冷凝器的低温侧入口连接，所述第一冷凝器的高温侧出口与所述第二冷凝器的低温侧入口连接，所述第二冷凝器的高温侧出口与所述燃烧室的入口连接，所述燃烧室的出口与所述气体透平的入口连接，所述气体透平的出口连接所述回热系统的高温侧入口，所述回热系统的低温侧出口连接所述第二冷凝器的高温侧入口，所述第二冷凝器的低温侧出口连接所述气液分离罐的气液入口，所述气液分离罐的气体出口连接所述第一冷凝器的高温侧入口，所述第一冷凝器
的低温侧出口连接所述不凝气体分离罐的入口，所述不凝气体分离罐的液体出口连接所述循环泵的输入端，所述循环泵的输出端分别连接所述回热系统的低温侧入口和所述co2‑
o2混合器的入口，所述氧气压缩机的输出端连接所述co2‑
o2混合器的入口，所述co2‑
o2混合器的出口连接所述回热系统的低温侧入口，所述回热系统高温侧出口连接所述燃烧室的入口。
8.进一步地，还包括第一制冷器、天然气膨胀机和第二制冷器，所述第二冷凝器的高温侧出口连接所述第一制冷器的高温侧入口，所述第一制冷器的低温侧出口连接所述天然气膨胀机的入口，所述天然气膨胀机的出口连接所述第二制冷器的入口。
9.进一步地，还包括天然气燃料压缩机，所述第一制冷器的低温侧出口连接所述天然气燃料压缩机的输入端，所述天然气燃料压缩机的输出端连接所述燃烧室的入口。
10.进一步地，还包括旁路泵和旁路压缩机，所述回热系统包括第一回热器第二回热器和第三回热器，所述气体透平的出口连接所述第一回热器的高温侧入口，所述第一回热器的低温侧出口连接所述第二回热器的高温侧入口，所述第二回热器的低温侧出口连接所述旁路压缩机的输入端和所述第三回热器的高温侧入口，所述旁路压缩机的输出端连接所述第二回热器的高温侧入口，所述第三回热器的低温侧出口分别连接所述第二冷凝器的高温侧入口和所述旁路泵的输入端；
11.所述循环泵的输出端和所述旁路泵的输出端均与所述第三回热器的低温侧入口和所述co2‑
o2混合器的入口连接，所述co2‑
o2混合器的出口连接所述第三回热器的低温侧入口，所述第三回热器的高温侧出口连接所述第二回热器的低温侧入口，所述第二回热器的高温侧出口连接所述第一回热器的低温侧入口，所述第一回热器高温侧出口连接所述燃烧室的入口。
12.进一步地，所述第二回热器的高温侧出口还连接所述气体透平。
13.进一步地，还包括co2处理单元，所述不凝气体分离罐的液体出口还连接所述co2处理单元。
14.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
15.1.利用lng(液化天然气)再汽化的冷能，使循环中的co2液化，省去了co2再循环压缩机，节省耗功。
16.2.冷电联产。将通过第一制冷器后的压缩天然气通过膨胀机做功发电，同时将压缩天然气减压至民用天然气压力，通过第二制冷器升温至民用液化天然气温度，提供给居民用户。此流程既合理利用了lng再气化的冷能，又可利用膨胀机对外做功发电，实现冷电联产。
17.3.在第二回热器处利用旁路压缩机实现绝热压缩，提高第二回热器热侧入口流体焓值，使第二回热器冷热两侧热容不平衡得到改善，提高换热效率。
18.4.通过使用该系统，使发电效率显著提高，可达到66％。
19.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方
式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本实用新型一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统的原理图。
22.图中：1
‑
燃烧室；2
‑
气体透平；3
‑
第一发电机；
ⅰ‑
回热系统；4
‑
第一回热器；5
‑
第二回热器；6
‑
旁路压缩机；7
‑
第三回热器；8
‑
co2‑
o2混合器；9
‑
氧气压缩机；10
‑
第二分流器；11
‑
旁路泵；12
‑
循环泵；13
‑
co2处理单元；14
‑
第一分流器；15
‑
不凝气体分离罐；16
‑
液化天然气泵；17
‑
第一冷凝器；18
‑
气水分离罐；19
‑
第二冷凝器；20
‑
第一制冷器；21
‑
第三分流器；22
‑
第二发电机；23
‑
天然气膨胀机；24
‑
第二制冷器；25
‑
天然气燃料压缩机；a
‑
冷水工质；b
‑
热空气。
具体实施方式
23.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.作为本实用新型的某一具体实施方式，如图1所示，一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统，包括燃烧室1、气体透平2、回热系统ⅰ、循环泵12、不凝气体分离罐15、液化天然气泵16、第一冷凝器17、气液分离罐18、第二冷凝器19、氧气压缩机9和co2‑
o2混合器8，液化天然气泵16的输出端与第一冷凝器17的低温侧入口连接，第一冷凝器17的高温侧出口与第二冷凝器19的低温侧入口连接，第二冷凝器19的高温侧出口与燃烧室1的入口连接，燃烧室1的出口与气体透平2的入口连接，气体透平2的出口连接回热系统ⅰ的高温侧入口，回热系统ⅰ的低温侧出口连接第二冷凝器19的高温侧入口，第二冷凝器19的低温侧出口连接气液分离罐18的气液入口，气液分离罐18的气体出口连接第一冷凝器17的高温侧入口，第一冷凝器17的低温侧出口连接不凝气体分离罐15的入口，不凝气体分离罐15的气体出口端将不凝气体(氮气、氧气等)排出，不凝气体分离罐15的液体出口连接循环泵12的输入端，优选的，还包括co2处理单元13，不凝气体分离罐15的液体出口还连接co2处理单元13，具体的，在不凝气体分离罐15的液体出口与循环泵12的输入端和co2处理单元13之间设置有第一分流器14，利用第一分流器14实现不凝气体分离罐15的液体出口流出的co2液体的分流。循环泵12的输出端分别连接回热系统ⅰ的低温侧入口和co2‑
o2混合器8的入口，具体的，循环泵12的输出端与回热系统ⅰ的低温侧入口和co2‑
o2混合器8的入口之间设置有第二分流器10，利用第二分流器10实现循环泵12的输出端输出的co2的分流。氧气压缩机9的输出端连接co2‑
o2混合器8的入口，co2‑
o2混合器8的出口连接回热系统ⅰ的低温侧入口，回热系统ⅰ高温侧出口连接燃烧室1的入口。
25.优选的，还包括旁路泵11和旁路压缩机6，回热系统ⅰ包括第一回热器4、第二回热器5和第三回热器7，气体透平2的出口连接第一回热器4的高温侧入口，第一回热器4的低温侧出口连接第二回热器5的高温侧入口，第二回热器5的低温侧出口连接旁路压缩机6的输入端和第三回热器7的高温侧入口，旁路压缩机6的输出端连接第二回热器5的高温侧入口，
第三回热器7的低温侧出口分别连接第二冷凝器19的高温侧入口和旁路泵11的输入端；循环泵12的输出端和旁路泵11的输出端均与第三回热器7的低温侧入口和co2‑
o2混合器8的入口连接，co2‑
o2混合器8的出口连接第三回热器7的低温侧入口，第三回热器7的高温侧出口连接第二回热器5的低温侧入口，第二回热器5的高温侧出口连接第一回热器4的低温侧入口，第一回热器4高温侧出口连接燃烧室1的入口。
26.优选的，第二回热器5的高温侧出口还连接气体透平2。
27.同样的，在旁路泵11的输出端与第三回热器7的低温侧入口和co2‑
o2混合器8的入口之间设置有第二分流器10，利用第二分流器10实现旁路泵11的输出端输出的co2的分流。
28.如图1所示，热空气b流入第二回热器5高温侧进口，第二回热器5低温侧出口流出热空气b进入第三回热器7的高温侧进口，第三回热器7低温侧出口流出热空气b。
29.如图1所示，作为更加优选的实施例，还包括第一制冷器20、天然气膨胀机23和第二制冷器24，第二冷凝器19的高温侧出口连接第一制冷器20的高温侧入口，第一制冷器20的低温侧出口连接天然气膨胀机23的入口，天然气膨胀机23的出口连接第二制冷器24的入口。优选的，还包括天然气燃料压缩机25，第一制冷器20的低温侧出口连接天然气燃料压缩机25的输入端，天然气燃料压缩机25的输出端连接燃烧室1的入口。具体的，第一制冷器20的低温侧出口与天然气膨胀机23的入口和天然气燃料压缩机25的输入端之间设置有第三分流器21，通过第三分流器21实现天然气的分流。也就是说，第一制冷器20低温侧出口工质进入第三分流器21，第三分流器21出口处将工质分为两股，一股流向天然气燃料压缩机25进口，压缩后由天然气燃料压缩机25出口流向燃烧室1进口，为燃烧室1提供燃料；另一股流向天然气膨胀机23进口，天然气膨胀机23连接第二发电机22。天然气膨胀机23出口工质流向第二制冷器24低温侧进口，第二制冷器24低温侧出口处液化天然气提供给民用天然气站。
30.冷水工质a流入第一制冷器20高温侧进口，第一制冷器20低温侧出口流出冷水工质a。冷水工质a流入第二制冷器24高温侧进口，第二制冷器24高温侧出口流出冷水工质a。
31.下面结合某一具体实施例，对本实用新型工作原理做进一步的解释说明。
32.作为本实用新型的某一具体实施方式，如图1所示，一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统，温度为700～800℃、压力为30～40mpa的co2‑
o2混合气和温度为40～70℃、压力为30～40mpa的天然气进入燃烧室1，燃烧产生温度为1000℃以上、压力为25mpa以上的高温气体，进入气体透平2做功，推动第一发电机3进行发电。做功后的气体温度降低至700～800℃、压力降低至3～5mpa，依次进入第一回热器4、第二回热器5、第三回热器7高温侧进行换热，在第三回热器7低温侧出口处获得温度为20～40℃、压力为3～5mpa的混合气体。温度为10～20℃、压力为30～40mpa的冷却介质则从第三回热器7低温侧入口进入，通过第三回热器7、第二回热器5、第一回热器4进行换热，在第一回热器4高温侧出口处获得温度为700～800℃、压力为30～40mpa的co2‑
o2混合工质，流入燃烧室1。
33.在第二回热器5处，高温侧工质与低温侧工质由于热容不平衡而造成换热效率不高，不能达到所需目标工况，因此采用旁路压缩机6将从第二回热器5低温侧出口引出的部分工质进行绝热压缩后，重新通入第二回热器5高温侧入口，以保证第二回热器5处换热平衡，提高换热效率。
34.由第三回热器7低温侧出口流出的工质有两股，分别为温度为20～40℃、压力为3
～5mpa的主循环气体和温度为20～40℃、压力为8～9mpa的旁路气体，旁路气体流入旁路泵11进行增压，压力达到30～40mpa，主循环气体流入第二冷凝器19高温侧入口。经第二冷凝器19低温侧工质冷却后，将其中水蒸气冷凝，获得温度为0～5℃、压力为3～4mpa的气液混合物，随后流入气液分离罐18将冷凝水排出，冷却后的气体流入第一冷凝器17高温侧入口进行进一步冷却，使co2液化冷凝，获得温度为
‑
30～
‑
10℃、压力为3～5mpa的气液混合物，经过不凝气体分离罐15将少量氮气、氩气等不凝气体排出，液态co2则流入第一分流器14后分为两股，一股流入co2捕集和存储单元13，进行碳捕集处理，减少碳排放，另一股流入循环泵12进行增压，获得温度为5～20℃、压力为30～40mpa的co2，与旁路泵11增压后获得的温度为40～60℃、压力为30～40mpa的co2混合流入第二分流器10，分为三股流体，其中两股流入第三回热器7低温侧入口，依次经过第二回热器5低温侧入口、第一回热器4低温侧入口进行换热，另一股流入co2‑
o2混合器8，与经氧气压缩机9压缩后的温度为110～120℃、压力为30～40mpa的o2进行混合后流入第三回热器7低温侧入口，依次经过第二回热器5低温侧入口、第一回热器4低温侧入口进行换热，获得温度为700～800℃、压力为30～40mpa的co2‑
o2混合工质，流入燃烧室1。co2经过加压又循环进入燃烧室的目的主要是为了控制纯氧与天然气燃烧时的温度。
35.温度为
‑
160℃、压力为0.1mpa的液化天然气，经由液化天然气泵16增压后获得温度为
‑
150～
‑
160℃、压力为15～20mpa的液化天然气通过第一冷凝器17低温侧入口、第二冷凝器19低温侧入口、第一制冷器20高温侧入口进行换热，获得温度为5～15℃、压力为15～20mpa的天然气，将液化天然气的冷能用于二氧化碳的液化。由第一制冷器20低温侧出口所获得的温度为5～15℃、压力为15～20mpa的天然气分为两股，一股流向燃烧室1中作为燃料，另一股流向天然气膨胀机23做功，推动第二发电机22发电，获得温度为
‑
40～
‑
30℃、压力为7～8mpa的天然气，通过第二制冷器24的冷水换热至温度为10℃、压力为7mpa的天然气。
36.本实用新型一种天然气纯氧燃烧超临界二氧化碳动力循环发电系统能够利用lng(液化天然气)再气化的冷能，使系统中再循环气体液化，省去了再循环压缩机，节省耗功；同时，lng(液化天然气)中多余的冷量可以用于其他制冷用途；另外，本实用新型从回热器中抽取部分冷却到一定温度的烟气，经过压缩机绝热压缩到一定温度后再次进入回热器，使回热器两侧热容不平衡情况得到改善，提高回热器换热效率，进而有利于提升发电效率；运用该系统可使系统发电效率显著提高。
37.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。