燃料烟气多温区利用发电系统

1.本实用新型涉及发电系统领域，特别涉及一种针对高温燃料烟气进行多温区分级利用的发电系统。


背景技术：

2.在工业生产中，通过锅炉燃烧燃料实现热工转换是常见且最广泛利用的发电方式。目前最广泛利用的锅炉发电系统，通过在炉膛的尾部布置大量的省煤器、空气预热器，可充分发挥循环热效率。然而由于蒸汽在650℃以上的高温下对钢材的腐蚀特性十分严重，目前的超超临界水蒸气发电机组热端温度通常不超过650℃。直接利用锅炉炉膛出口高达900℃～1100℃的烟气，将产生300℃以上的换热温差，带来巨大的热力学损失。因此，如何进一步提高对燃料烟气热力学能利用的效率，是本领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种效率更高的利用燃料烟气作为热源的燃料烟气多温区利用发电系统。
4.该燃料烟气多温区利用发电系统包括了两个及两个以上的介质循环回路。两个以上的介质循环回路可以包括，以高温烟气换热器出口的烟气为热源的布雷顿循环系统，以中温烟气换热器出口的烟气为热源的第一朗肯循环系统、及以低温烟气换热器出口的烟气为热源的第二朗肯循环系统，布雷顿循环系统、第一朗肯循环系统及第二朗肯循环系统中的循环介质各不相同；两个介质循环回路包括上述的布雷顿循环系统和第一朗肯循环系统，如，在一些情况下，低温烟气不用来发电，而是应用在其它场景，如利用低温烟气的热量烧水。各介质循环回路由烟气换热器、做功装置、冷却器、增压装置依次接通形成。工质在烟气换热器中与烟气换热，由低温介质升温为高温介质并继续送入做功装置中膨胀做功，而烟气放热后进入下一利用阶段。膨胀完成的介质进入冷却器中冷却至能够实现增压的状态，并送入增压装置中完成增压，返回烟气换热器完成循环。
5.其中，增压装置针对气体或超临界流体的布雷顿循环而言为压缩机，是能够实现气体增压的设备；针对朗肯循环介质而言为增压泵，是能够实现液体增压的设备。
6.其中，较优地，由于做功装置出口温度通常较高，为了合理降低冷源损失，各循环系统还包括回热器，回热器的热侧入口与做功装置的介质出口连通，回热器的热侧出口与冷却器的热侧入口连通，回热器的冷侧入口与增压装置的介质出口连通，回热器的冷侧出口与烟气换热器连通。
7.根据该技术方案，加入回热器，做功装置出口的气态循环介质进入回热器与冷却压缩后的气态或超临界态介质在回热器中进行换热，从而气态或超临界态循环介质在回热器中被提前冷却后再通入冷却器进行冷却，而经增压装置加压后的气态或超临界态循环介质在进入烟气换热器之前在回热器中被提前加热，从而能够对于做功装置后的循环介质的余热进行利用，降低烟气换热器与冷却器所需要提供的能量，从而提高朗肯循环系统的作
业效率。
8.其中，较优地，做功装置包括第一透平、第二透平和第三透平。第一透平做功后的介质送入烟气换热器中实现一次再热并继续送入第二透平做功；同理，第二透平做功后的介质完成二次再热并送入第三透平做功。
9.根据该技术方案，通过将做功装置设置为多级透平并进行多级再热的形式，将充分发挥各循环过程的做功能力，从而增加循环系统整体的作业效率。
10.其中，较优地，对于超临界介质的布雷顿循环还包括第一三通阀、第二三通阀和再压缩机，第一三通阀分别与再压缩机出口、低温回热器的冷侧出口、高温回热器的冷侧入口连通，第二三通阀分别与再压缩机入口、低温回热器的热侧出口、冷却器的热侧入口连通。
11.根据该技术方案，进一步地将回热器设置为高温回热器和低温回热器，通过将低温回热器流出的循环介质进行分流，在降低超临界布雷顿循环系统的冷源损失损失的同时，可实现解决低温回热器换热端差过大的问题，进一步提高循环系统的作业效率。具体来说，高温回热器的热侧进口与对应的做功装置的出口连通，高温回热器的热侧出口与低温回热器的热侧进口连通，高温回热器的冷侧进口与再压缩机的出口连通，高温回热器的冷侧出口与高温烟气换热器的冷侧进口连通；低温回热器的冷侧进口与对应的增压装置的出口连通。冷侧是指回热器中吸收热量的一侧，即较低温度的一侧；热侧是指回热器中释放热量的一侧，即较高温度的一侧。
12.其中，从热力学角度而言，循环介质与烟气的换热温差越小，则热力学不可逆损失越小，意味着能量被更加合理地利用了。因此，各循环介质与烟气的最高换热温差不应大于100℃，在50℃及以下的范围较为合适。
13.其中，特别地，对于1300℃以上的烟气，应实现加压燃烧并完成燃气透平做功过程。具体地，高温加压烟气将不再通过烟气换热器与做功介质换热而是直接送入燃气透平膨胀做功。膨胀完成后仍具备一定温度的烟气再送入后端烟气换热器中为后续循环介质供给热源。
14.其中，对于900℃～1100℃范围内的烟气，利用高温氦气吸热，完成高温氦气布雷顿动力循环。现有的高温氦气循环热端最高温度已经能够达到900℃及以上，技术成熟度相对较高。该部分循环介质在烟气换热器中吸热后，仍会剩余500℃左右的无法继续利用的中高温烟气，可继续为后续循环介质供给热源。
15.其中，对于200～550℃范围内的烟气，利用蒸汽吸热，并完成蒸汽朗肯动力循环。此温度范围是目前超临界水蒸气机组能够成熟运用的温度区间。在此温度区间内，蒸汽对材料的腐蚀性相对较弱，能够节省高压缸的材料成本。该部分循环介质在烟气换热器中吸热后，仍会剩余200℃左右的无法继续利用的中低温烟气，可继续为后续循环介质供给热源。
16.其中，较优地，对于900℃～1100℃范围内的烟气，也可利用超临界二氧化碳布雷顿循环代替高温氦气循环完成吸热过程。吸热后的高温超临界二氧化碳先通过中间热交换器与550℃的蒸汽完成换热，温度降至700℃左右时再进入透平膨胀做功；而吸热后达到650℃以上的蒸汽继续完成蒸汽的膨胀做功过程。
17.在本实施方式中，550℃以上的超临界二氧化碳布雷顿循环的热效率显著高于水蒸气朗肯循环。该部分循环介质在烟气换热器中吸热后，仍会剩余400～550℃左右的无法
继续利用的中温烟气，可继续为后续水蒸气循环介质供给热源。
18.本专业人员可以理解的是，超临界二氧化碳的腐蚀性远小于超临界水蒸气。因此根据该技术方案，通过避免炉膛高温受热面同时受烟气侧的冲刷腐蚀和高温下超临界水蒸气侧的腐蚀作用，从而增大高温受热面材料的腐蚀裕度，在降低材料成本的同时，能够更安全地进一步提升水蒸气侧的初参数，使蒸汽循环达到更高的作业效率。
19.其中，对于200℃及以下范围内的烟气，利用有机工质吸热，完成有机朗肯动力循环。作为优选，可采用四氟乙烷(r134a)作为循环介质。
20.至此，烟气的热力学能实现了充分合理地利用，烟气可经处理后直接向环境排放。
附图说明
21.图1是本实用新型第一实施方式提供的燃料烟气多温区利用发电系统结构示意图。
22.图2是本实用新型第二实施方式提供的燃料烟气多温区利用发电系统结构示意图。
23.图3是本实用新型第三实施方式提供的燃料烟气多温区利用发电系统结构示意图。
24.附图标记说明
25.1-锅炉；2-1水冷壁；2-2高温烟气换热器；2-3中温烟气换热器；2-4低温烟气换热器；3-氦气透平；4-氦气压缩机；5-氦气回热器；6-氦气冷却器；7-蒸汽透平；8-水增压泵；9-凝汽器；10-有机工质透平；11-有机工质增压泵；12-有机工质冷却器；13-有机工质回热器；14-中间热交换器；15-超临界二氧化碳透平；16-高温回热器；17-第一三通阀；18-低温回热器；19-再压缩机；20-第二三通阀；21-主压缩机；22-超临界二氧化碳冷却器；23-天然气；24-空气；25-燃气燃烧室；26-燃气轮机；27-第一烟气热交换器；28-第二烟气热交换器；29-第三烟气热交换器。
具体实施方式
26.结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。本实用新型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实用新型技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本实用新型的保护范围。
27.【第一实施方式】
28.本实用新型提供一种燃料烟气多温区利用发电系统，包括由高温烟气换热器2-2、中温烟气换热器2-3和低温烟气换热器2-4组成的烟气换热器组，以及以各级烟气换热器出口的烟气为热源的热功转换动力循环回路，热功转换动力循环回路包括以高温烟气换热器2-2出口的烟气为热源的布雷顿循环系统，以中温烟气换热器2-3出口的烟气为热源的第一朗肯循环系统及以低温烟气换热器2-4出口的烟气为热源的第二朗肯循环系统，布雷顿循环系统、第一朗肯循环系统及第二朗肯循环系统中的循环介质各不相同。
29.具体来说，燃烧产生的烟气，依次流经高温烟气换热器2-2的热侧、中温烟气换热器2-3的热侧、低温烟气换热器2-4的热侧，烟气可以来源于锅炉1内燃料燃烧，高温烟气换热器2-2位于锅炉1的高温区域，中温烟气换热器2-3位于锅炉1的中温区域，低温烟气换热
器2-4位于锅炉1的低温区域，烟气在流动过程中逐渐降温，高温、中温及低温区域与锅炉1的燃烧区的距离逐渐增大，如图1所示，示出了三个烟气换热器在锅炉1中的布置位置。
30.本实用新型的优选实施方式中，高温烟气换热器2-2中的循环介质与烟气的换热温差小于100℃，中温烟气换热器2-3中的循环介质与烟气的换热温差小于50℃，低温烟气换热器2-4中的循环介质与烟气的换热温差小于30℃。通过不同循环介质的组合使得烟气换热器与烟气的换热温差小，降低不可逆热损失大，提高能量品质。
31.本实用新型的优选实施方式中，燃料烟气流入烟气换热器组的热侧，被加热的循环介质流入烟气换热器组的冷侧，高温烟气换热器2-2的热侧烟气温度为900～1100℃，中温烟气换热器2-3的热侧烟气温度为450～550℃，低温烟气换热器2-4的热侧烟气温度为50～200℃。
32.各热功转换动力循环回路包括烟气换热器、做功装置、冷却器、增压装置依次接通形成介质回路，循环介质在介质回路内部循环流动过程中实现由热向功的能量转换过程。具体地，烟气换热器为高温烟气换热器2-2、中温烟气换热器2-3或低温烟气换热器2-4；做功装置为超临界二氧化碳透平、蒸汽透平、氦气透平等；对于液体工质，增压装置为液体增压泵，如水增压泵；对于气体或超临界工质，增压装置为压缩机。热功转换动力循环回路还包括回热器，回热器的热侧入口与做功装置的介质出口连通，回热器的热侧出口与冷却器的热侧入口连通，回热器的冷侧入口与增压装置的介质出口连通，回热器的冷侧出口与烟气换热器连通，回热器的作用是收集做功装置出口的高温介质能量，减少动力循环冷源损失。
33.具体来说，如图1所示，第一实施方式提供了一种燃料烟气多温区利用发电系统。该发电系统包括：高温氦气布雷顿循环部分，由氦气透平3、氦气回热器5、氦气冷却器6、氦气压缩机4依次接通形成的氦气介质回路；蒸汽朗肯循环部分，由蒸汽透平7、凝汽器9、水增压泵8依次接通形成的蒸汽介质回路；有机朗肯循环部分，由有机工质透平10、有机工质回热器13、有机工质冷却器12、有机工质增压泵11依次接通形成的有机介质回路；锅炉部分，由锅炉1、水冷壁2-1以及后续的排烟通道和管屏组成；氦气透平3、蒸汽透平7即为做功装置，可为多级透平。
34.具体地，燃料在锅炉1内燃烧后产生的高温火焰对炉壁产生的高温辐射热首先被水冷壁2-1内的水工质吸收，随后产生的1000℃左右的高温烟气首先在高温烟气换热器2-2中将热量传递給氦气。氦气由500℃左右吸热至超过900℃，进入氦气透平3膨胀做功，降温降压后的氦气进入氦气回热器5的热侧并将热量传递给冷侧氦气，随后送入氦气冷却器6冷却，进入氦气压缩机4升压，经氦气回热器5升温后重新回到高温烟气换热器2-2中吸热升温，完成高温氦气布雷顿循环。
35.在高温烟气换热器2-2中降温后的500℃左右的烟气再进入中温烟气换热器2-3中将热量传递给水蒸气，水蒸气吸热升温至500℃左右后进入蒸汽透平7膨胀做功，降温降压后的蒸汽进入凝汽器9中降温为饱和液态水，随后进入水增压泵8增压，再进入锅炉1的水冷壁2-1中吸收火焰辐射热量，随后进入中温烟气换热器2-3中升温，完成水蒸气朗肯循环。
36.离开中温烟气换热器2-3的100～200℃的低温烟气随后进入低温烟气换热器2-4中将热量传递给有机工质，有机工质吸热升温后进入有机工质透平10膨胀做功，排气首先进入有机工质回热器13中将热量传递给低温有机工质，随后在有机工质冷凝器12中冷却至
饱和液态，再送入有机工质增压泵11增压，随后经回热升温后返回低温烟气换热器2-4中，完成有机工质朗肯循环。经低温烟气换热器2-4换热后，烟气能量已基本利用完全，由排烟通道排出。
37.需要注意的是，在本实施方式中，并未对各个装置或者设备的结构进行限定，例如该做功装置3、7、以及第二实施方式中的15在一些实施方式中可以为旋转透平，在另一些实施方式中，也可以为具有传动杆的气缸装置。另外，本领域技术人员能够理解的是，回热器5、13在本实施方式中是用于对做功装置3、7、15后的余热进行回收利用的装置，其具体形式可以为板式、管壳式、微通道式等多种形式。同理，在不违背本实用新型的技术方案的前提下，对本实用新型中的装置或设备形式进行简单的替换，均未超出本实用新型的保护范围。
38.在本实施例1中，高温氦气循环的热端吸热温度为900℃以上，与锅炉炉膛出口的1000℃烟气相互匹配，换热温差低于100℃，相比于传统蒸汽锅炉中1000℃烟气于630℃的水蒸气换热所形成的高于350℃的换热温差，能够大大减小高温换热段的不可逆损失，使能量利用更加合理。同时，由于氦气布雷顿循环本身的热力学特性，返回高温烟气换热器2-2的氦气温度仍有500℃，意味着烟气放热至500多摄氏度时已无法继续充分释放热量，因此在后续的中温烟气换热器2-3中继续通过水蒸气吸收热量做功，同理经过中温换热器后无法继续被水蒸气利用的烟气热能在低温烟气换热器2-4中将热量释放给有机工质并完成有机朗肯循环。整体而言，通过多温区分级利用烟气能量的方式，减小了做功介质与烟气的传热温差，大大提升了系统整体的效率。
39.【第二实施方式】
40.其中，较优地，本实用新型给出了另外一种实施方式，如图2所示。在第二实施方式中，高温做功介质将由氦气变更为超临界二氧化碳，进而完成超临界二氧化碳布雷顿循环，氦气布雷顿循环和超临界二氧化碳布雷顿不同，氦气布雷顿循环中未设置再压缩机19分流，只设一个回热器；超临界二氧化碳布雷顿循环中还包括第一三通阀17、第二三通阀20和再压缩机19，所述回热器包括高温回热器16和低温回热器18，所述高温回热器16的热侧进口与对应的所述做功装置的出口连通，所述高温回热器16的热侧出口与所述低温回热器18的热侧进口连通，所述高温回热器16的冷侧进口与所述再压缩机19的出口连通，所述高温回热器16的冷侧出口与所述高温烟气换热器的冷侧进口连通；所述低温回热器18的冷侧进口与对应的所述增压装置的出口连通，所述第一三通阀17分别与所述再压缩机19的出口、所述低温回热器18的冷侧出口、所述高温回热器16的冷侧入口连通，所述第二三通阀20分别与所述再压缩机19的入口、所述低温回热器18的热侧出口、所述冷却器的热侧入口连通。且布雷顿循环系统还包括中间热交换器14，中间热交换器14的热侧进口与高温烟气换热器2-2的热侧出口连通，中间热交换器14的热侧出口和超临界二氧化碳透平15的入口连通，中间热交换器14的冷侧入口和冷侧出口分别连通中温烟气换热器2-3的出口连通，中间热交换器14的冷侧出口蒸汽透平7的入口连通，超临界二氧化碳在经过高温烟气换热器2-2加热后，首先进入中间热交换器14将热量传递给换热介质换热，使得超临界二氧化碳降温至650℃-750℃左右时再进入超临界二氧化碳透平15，并完成超临界二氧化碳布雷顿循环过程；第一朗肯循环系统中的水蒸气经中间热交换器14升温后再进入蒸汽透平7，并完成蒸汽朗肯循环过程。
41.具体地，超临界二氧化碳在高温烟气换热器2-2中吸收热量被加热至900℃以上
后，首先进入中间热交换器14的热端，将热量交换给水蒸气，放热至700～800℃后再进入超临界二氧化碳透平15膨胀做功，随后经过高温回热器16、低温回热器18释放热量给冷端介质。随后经过第二三通阀20时分为两股，主流股首先经由超临界二氧化碳冷却器22放热后再进入主压缩机21升压，并进入低温回热器18回热升温；次流股直接进入再压缩机19升压。随后主、次流股在第一三通阀17汇合并进入高温回热器16回热升温，最终返回高温烟气换热器2-2完成超临界二氧化碳布雷顿循环。水蒸气在中间热交换器14的冷端吸收热量后可升温至700～800℃。随后的循环过程与第一实施方式一致，此处不再赘述。
42.在本实施例2中，目前超临界二氧化碳作为循环介质的热端温度受限于材料，较难实现700～800℃以上的高温。传统水蒸气朗肯循环的热端温度受到烟气换热器烟气侧的冲刷与腐蚀作用以及水蒸气侧的腐蚀作用的同时限制，而超临界二氧化碳由于是腐蚀性较小的介质，因此在高温烟气换热段，腐蚀主要产生于烟气侧；在超临界二氧化碳/水蒸汽换热段，腐蚀主要产生于水蒸气侧，这样一来就避免了直接使用水蒸气与高温烟气换热过程所形成的双侧腐蚀，大大加强了高温换热面材料的可靠性，使得水蒸气能够被加热至更高的温度，实现更高的蒸汽朗肯循环效率。
43.【第三实施方式】
44.特别地，图3列举了本实用新型的第三实施方式。与第二实施方式的机结构基本相同，不同之处在于，以天然气燃烧产生的烟气为热源，对于以天然气为燃料的化石能源，其加压燃烧过程可发生在燃烧室25中，产物烟气通常可达1400℃以上。产物烟气可直接用于燃气轮机26膨胀做功。加压的燃料23和空气24在燃烧室25中混合燃烧后，直接送入燃气轮机26中做功。产物烟气温度通常可达670℃左右。高温烟气首先进入一级烟气换热器27与超临界二氧化碳换热，超临界二氧化碳加热至650℃后做功并完成布雷顿循环过程，与第二实施方式中的布雷顿循环过程相同，在此不再赘述。烟气降温至500℃左右，继续进入二级烟气换热器28加热水蒸气，使蒸汽完成朗肯循环过程，与第二实施方式中的蒸汽朗肯循环过程相同，在此不再赘述，剩余的100多摄氏度的低温烟气进入第三级烟气换热器29加热有机工质并使有机工质完成有机朗肯循环，与第二实施方式中的有机朗肯循环过程相同，在此不再赘述，最终被充分利用了热力学能的烟气经处理排放至环境。
45.在本实施例3中，与之形成对比的是目前的燃气蒸汽联合循环(igcc)技术，由于蒸汽朗肯循环在550℃以上的条件下不及超临界二氧化碳布雷顿循环的效率，因此igcc技术对烟气的整体热力学能利用率低于本实施例3。通过对烟气不同温度热力学能的分级利用，使得烟气的能量得以充分发挥，提高了燃料的利用效率，达到了节能减排的目的。
46.本领域技术人员能够理解的是，可以对各个实施方式中的具体技术特征进行适应性地拆分或合并。对具体技术特征的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本实用新型的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围内。
47.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
48.至此，已经结合附图所示的多个实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改
或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。