一种空气-二氧化碳联合循环发电系统和方法与流程

一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统和方法
技术领域
1.本发明属于发电设备技术领域，具体涉及一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统和方法。


背景技术：

2.空气作为一种循环工质在发电厂中应用较少，但是考虑到空气在空气透平做功之后可以继续排入锅炉炉膛里参与燃料的燃烧的特性，另外，相比于传统发电厂中作为循环工质的水或水蒸气需要建造大型冷却塔、循环水泵以及循环水管道等设施，空气透平可以不建造这些设施具有较大的优势。目前针对空气作为发电厂循环工质的研究还较少，但是在发电厂以外的其它领域采用空气作为循环工质进行发电的研究已有初步涉及。如授权日为2021年07月13日，授权公告号为cn213684392的中国专利中，公开了一种利用车在行驶过程中产生的强风进行发电，并将电能储存到蓄电模块中进行储存，为5g微基站提供电力。该装置利用车在行驶过程中产生的强风来进行发电，由于车在行驶过程中产生的强风受车自身引擎功率所限，所以只能是利用空气发电的微型化应用。利用空气透平进行发电的大规模发电厂级应用还较少。在火电厂中采用空气二次再热
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超临界二氧化碳回热的联合循环发电以提高循环热效率并且高压空气透平的排气多次进入到锅炉炉膛里进行多次再热的发明在本发明里还是首次提出。
3.综上所述，对于在火力发电厂中采用空气二次再热
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超临界二氧化碳回热的联合循环的发电系统和方法来进行发电的尝试，目前尚无一种普适性和方便可靠的发电方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种效率高的、投资节省的、并且可以应用于我国缺水地区的一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统和方法。
5.本发明是采用如下技术方案来实现的：
6.一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统，包括空气二次再热循环发电系统和超临界二氧化碳回热循环发电系统；
7.所述的空气二次再热循环发电系统包括：布置在锅炉炉膛中温度最高处的空气预热器，和高压空气透平同轴连接的低压压气机、高压压气机和第一发电机，以及用于带走低压压气机中被压缩过后的空气所携带热量的压气机级间冷却器，另外，还包括和高压压气机相连的按照空气流向依次布置的高压空气预热器、高压空气透平、中压空气再热器、中压空气透平、低压空气再热器、低压空气透平以及与各设备相互连接的管道；高压空气预热器、中压空气再热器和低压空气再热器布置在锅炉炉膛中；低压空气透平的出口位于锅炉炉膛中；
8.所述的超临界二氧化碳回热循环发电系统包括：布置在锅炉炉膛温度最低处的超临界二氧化碳预热器，以及在超临界二氧化碳预热器出口处按照超临界二氧化碳流向依次布置的超临界二氧化碳透平、回热器、超临界二氧化碳冷凝器、超临界二氧化碳压缩机、压
气机级间冷却器以及与各设备相互连接的管道，其中压气机级间冷却器吸热侧为超临界二氧化碳在流动，放热侧为低压压气机出口空气在流动；第二发电机和超临界二氧化碳透平同轴连接。
9.本发明进一步的改进在于，所述的高压空气预热器、中压空气再热器和低压空气再热器为管侧能够分别承受高压压气机出口空气压力、高压空气透平排气压力和中压空气透平排气压力的管式空气预热器或再热器。
10.本发明进一步的改进在于，所述的超临界二氧化碳预热器为管侧能够承受超临界二氧化碳压缩机出口超临界二氧化碳压力的管式超临界二氧化碳预热器。
11.本发明进一步的改进在于，回热器中冷热流体流向布置为逆流方式。
12.本发明进一步的改进在于，压气机级间冷却器中冷热流体流向布置为逆流方式。
13.本发明进一步的改进在于，还包括用于输送燃料给的锅炉炉膛的给料机，给料机中的燃料，根据当地燃料特点或者燃料价格因素综合考虑，选用生物质、城市垃圾、天然气和轻质柴油替代燃料。
14.本发明进一步的改进在于，高压空气透平、中压空气透平和低压空气透平能够根据实际膨胀过程增加或减少，当减少低压空气透平时，能够把中压空气透平的排气经过适当扩压排入锅炉炉膛中，当减少中压空气透平和低压空气透平时，能够把高压空气透平的排气经过适当扩压排入锅炉炉膛中，当在低压空气透平之后再增加空气透平时，能够按照高压空气透平、中压空气透平和低压空气透平的布置方式依次布置。
15.一种空气
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二氧化碳联合循环发电方法，该方法基于所述的一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统，包括空气二次再热循环发电方法和超临界二氧化碳回热循环发电方法，所述的空气二次再热循环发电方法包括：
16.空气通过低压压气机进口管道进入低压压气机进行压缩；
17.在低压压气机中被压缩了的空气通过低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道进入压气机级间冷却器，在压气机级间冷却器中温度较高的压缩空气被超临界二氧化碳冷却，冷却过后的空气通过压气机级间冷却器出口至高压压气机进口管道进入高压压气机继续被压缩；
18.在高压压气机中继续被压缩了的空气，从高压压气机中排出，通过高压压气机出口管道进入高压空气预热器，空气通过布置在锅炉炉膛温度最高处的高压空气预热器吸热后升温；
19.当高压空气预热器出口空气温度达到高压空气透平进口的设定温度时，高压空气透平进气管道中的空气进入高压空气透平中膨胀做功，并且通过空气透平带动第一发电机的轴连接的第一发电机发电；
20.在高压空气透平中膨胀做功后的空气通过高压空气透平排气管道进入布置在锅炉炉膛中温度最高处的中压空气再热器再一次吸热；
21.在中压空气再热器中再一次吸热后的空气，通过中压空气透平进气管道进入中压空气透平中再一次膨胀做功，并且通过中压空气透平带动第三发电机的轴连接的第三发电机发电；
22.在中压空气透平中膨胀做功后的空气，通过中压空气透平排气管道进入低压空气再热器中进行二次再热，二次再热过后的空气通过低压空气透平进气管道进入低压空气透
平；
23.在低压空气再热器中进行了二次再热的空气，通过低压空气透平进气管道进入低压空气透平膨胀做功，并且通过低压空气透平带动第四发电机的轴连接的第四发电机发电；
24.在低压空气透平中膨胀做功后的空气通过低压空气透平排气管道进入锅炉炉膛中，继续参与由给料机通过锅炉燃料入口管道送入锅炉炉膛中的燃料的燃烧；
25.所述的超临界二氧化碳回热循环发电方法包括：
26.在压气机级间冷却器吸热侧吸收热量之后的超临界二氧化碳通过回热器吸热侧进口管道进入回热器继续吸热；
27.在回热器中吸热后的超临界二氧化碳通过回热器吸热侧出口管道进入布置在锅炉炉膛温度最低处的超临界二氧化碳预热器中继续吸热；
28.当超临界二氧化碳预热器出口超临界二氧化碳温度达到超临界二氧化碳透平进口的设定温度时，超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳透平中膨胀做功，并且通过超临界二氧化碳透平带动第二发电机的轴连接的第二发电机发电；
29.在超临界二氧化碳透平中膨胀做功后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳透平排气管道进入回热器进行放热；
30.在回热器中放热后的超临界二氧化碳，通过超临界二氧化碳冷凝器进口管道进入超临界二氧化碳冷凝器进行冷凝；
31.在超临界二氧化碳冷凝器中冷凝后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳冷凝器出口管道进入超临界二氧化碳压缩机中压缩升压；
32.在超临界二氧化碳压缩机中压缩升压后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳压缩机出口管道进入压气机级间冷却器吸热侧重新吸热，继续完成下一个超临界二氧化碳回热发电循环。
33.本发明至少具有如下有益的技术效果：
34.本发明提供了一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统和方法，在最近兴起的超临界二氧化碳循环发电系统基础上叠加空气二次再热循环发电系统，实现锅炉内燃料燃烧能量的梯级利用，提高了火电厂循环发电的经济性。另外，无论是空气二次再热循环发电系统还是超临界二氧化碳回热循环发电系统采用的循环工质均不是水和水蒸气，这样就对我国广大的缺水地区增加了一种高效清洁的发电方式的选择。
附图说明
35.图1是本发明的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.设备类：
38.1、第一发电机，2、低压压气机，3、高压压气机，4、高压空气透平，5、压气机级间冷却器，6、中压空气透平，7、低压空气透平，8、高压空气预热器，9、中压空气再热器，10、低压空气再热器，11、给料机，12、锅炉炉膛，13、第二发电机，14、超临界二氧化碳透平，15、回热器，16、超临界二氧化碳压缩机，17、超临界二氧化碳冷凝器，18、超临界二氧化碳预热器，19、第三发电机，20、第四发电机。
39.管道类：
40.l1、低压压气机进口管道，l2、低压压气机出口至压气机级间冷却器进口管道，l3、压气机级间冷却器出口至高压压气机进口管道，l4、高压压气机出口管道，l5、高压空气透平进气管道，l6、高压空气透平排气管道，l7、中压空气透平进气管道，l8、中压空气透平排气管道，l9、低压空气透平进气管道，l10、低压空气透平排气管道。
41.p1、超临界二氧化碳透平进口管道，p2、超临界二氧化碳透平排气管道，p3、超临界二氧化碳冷凝器进口管道，p4、超临界二氧化碳冷凝器出口管道，p5、超临界二氧化碳压缩机出口管道，p6、回热器吸热侧进口管道，p7、回热器吸热侧出口管道。
42.燃料类：
43.f1、锅炉燃料入口管道。
44.传动轴类：
45.s1、高压空气透平带动第一发电机的轴，s2、超临界二氧化碳透平带动第二发电机的轴，s3、中压空气透平带动第三发电机的轴，s4、低压空气透平带动第四发电机的轴。
具体实施方式
46.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
47.如图1所示，本发明提供了一种空气
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二氧化碳联合循环发电系统，包括空气二次再热循环发电系统和超临界二氧化碳回热循环发电系统。
48.所述的空气二次再热循环发电系统包括：布置在锅炉炉膛12中温度最高处的空气预热器8，和高压空气透平4同轴连接的低压压气机2、高压压气机3、第一发电机1、以及为了带走低压压气机2中被压缩过后的空气所携带热量的压气机级间冷却器5。另外，还有和高压压气机3相连的按照空气流向依次布置的高压空气预热器8、高压空气透平4、中压空气再热器9、中压空气透平6、低压空气再热器10、低压空气透平7以及与各设备相互连接的管道。
49.所述的超临界二氧化碳回热循环发电系统包括：布置在锅炉炉膛12温度最低处的超临界二氧化碳预热器18，以及在超临界二氧化碳预热器18出口处按照超临界二氧化碳流向依次布置的超临界二氧化碳透平14、回热器15、超临界二氧化碳冷凝器17、超临界二氧化碳压缩机16、压气机级间冷却器5以及与各设备相互连接的管道。其中压气机级间冷却器5吸热侧为超临界二氧化碳在流动，放热侧为低压压气机2出口空气在流动。最后，第二发电机13和超临界二氧化碳透平14同轴连接。
50.本发明提供了一种空气
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二氧化碳联合循环发电方法，包括空气二次再热循环发电方法和超临界二氧化碳回热循环发电方法。
51.所述的空气二次再热循环发电方法建立在所述的空气二次再热循环发电系统之上。所述的空气二次再热循环发电方法包括：
52.步骤1：空气通过低压压气机进口管道l1进入低压压气机2进行压缩。转入步骤2；
53.步骤2：在低压压气机2中被压缩了的空气通过低压压气机出口至压气机级间冷却
器进口管道l2进入压气机级间冷却器5。在压气机级间冷却器5中温度较高的压缩空气被超临界二氧化碳冷却，冷却过后的空气通过压气机级间冷却器出口至高压压气机进口管道l3进入高压压气机3继续被压缩。转入步骤3；
54.步骤3：在高压压气机3中继续被压缩了的空气，从高压压气机3中排出，通过高压压气机出口管道l4进入高压空气预热器8。空气通过布置在锅炉炉膛12温度最高处的高压空气预热器8吸热后升温。转入步骤4；
55.步骤4：当高压空气预热器8出口空气温度达到高压空气透平4进口的设定温度时，高压空气透平进气管道l5中的空气进入高压空气透平4中膨胀做功，并且通过空气透平带动第一发电机的轴s1连接的第一发电机1发电。转入步骤5；
56.步骤5：在高压空气透平4中膨胀做功后的空气通过高压空气透平排气管道l6进入布置在锅炉炉膛12中温度最高处的中压空气再热器9再一次吸热。转入步骤6；
57.步骤6：在中压空气再热器9中再一次吸热后的空气，通过中压空气透平进气管道l7进入中压空气透平6中再一次膨胀做功，并且通过中压空气透平带动第三发电机的轴s3连接的第三发电机19发电。转入步骤7；
58.步骤7：在中压空气透平6中膨胀做功后的空气，通过中压空气透平排气管道l8进入低压空气再热器10中进行二次再热。二次再热过后的空气通过低压空气透平进气管道l9进入低压空气透平7。转入步骤8；
59.步骤8：在低压空气再热器10中进行了二次再热的空气，通过低压空气透平进气管道l9进入低压空气透平7膨胀做功，并且通过低压空气透平带动第四发电机的轴s4连接的第四发电机20发电。转入步骤9；
60.步骤9：在低压空气透平7中膨胀做功后的空气通过低压空气透平排气管道l10进入锅炉炉膛12中，继续参与由给料机11通过锅炉燃料入口管道f1送入锅炉炉膛12中的燃料的燃烧。
61.所述的超临界二氧化碳回热循环发电方法建立在所述的超临界二氧化碳回热循环发电系统之上。所述的超临界二氧化碳回热循环发电方法包括：
62.步骤10：在压气机级间冷却器5吸热侧吸收热量之后的超临界二氧化碳通过回热器吸热侧进口管道p6进入回热器15继续吸热。转入步骤11；
63.步骤11：在回热器15中吸热后的超临界二氧化碳通过回热器吸热侧出口管道p7进入布置在锅炉炉膛12温度最低处的超临界二氧化碳预热器18中继续吸热。转入步骤12；
64.步骤12：当超临界二氧化碳预热器18出口超临界二氧化碳温度达到超临界二氧化碳透平14进口的设定温度时，超临界二氧化碳进入超临界二氧化碳透平14中膨胀做功。并且通过超临界二氧化碳透平带动第二发电机的轴s2连接的第二发电机13发电。转入步骤13；
65.步骤13：在超临界二氧化碳透平14中膨胀做功后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳透平排气管道p2进入回热器15进行放热。转入步骤14；
66.步骤14：在回热器15中放热后的超临界二氧化碳，通过超临界二氧化碳冷凝器进口管道p3进入超临界二氧化碳冷凝器17进行冷凝。转入步骤15；
67.步骤15：在超临界二氧化碳冷凝器17中冷凝后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳冷凝器出口管道p4进入超临界二氧化碳压缩机16中压缩升压。转入步骤16；
68.步骤16：在超临界二氧化碳压缩机16中压缩升压后的超临界二氧化碳通过超临界二氧化碳压缩机出口管道p5进入压气机级间冷却器5吸热侧重新吸热，继续完成下一个超临界二氧化碳回热发电循环。
69.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。