一种S-CO2和水蒸汽双工质新型发电系统及工作方法与流程

一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统及工作方法
技术领域
1.本发明属于新型发电技术领域，具体涉及一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统及工作方法。


背景技术：

2.随着发电技术的快速发展，为了进一步提高能源利用效率，同时减少环境污染物排放，一些新型循环工质发电技术逐渐成为研究的热点。同时，面向国家实现碳达峰、碳中和的目标，构建以新能源为主体的新型电力系统至关重要，新型发电系统应具备高效、灵活、低碳等特点。近年来，利用超临界二氧化碳(s-co2)作为循环工质的发电技术受到国内外的广泛关注，该发电技术具有高效、清洁、结构紧凑等优点，可与化石能源、核能和太阳能等多种形式的热源相耦合，应用前景十分广阔。
3.目前，燃煤机组发电动力循环多为蒸汽朗肯循环，由锅炉、汽轮机、给水泵和冷凝器等四个关键设备组成，循环工质水在锅炉中定压吸热变成过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机中绝热膨胀做功，汽轮机排汽在冷凝器中定压放热由湿蒸汽变为饱和水，水在给水泵中绝热压缩变为未饱和水，最后进入锅炉，完成循环。
4.co2化学性质稳定，无毒，不易燃易爆，黏度低，可压缩性接近不可压缩流体，且临界参数低(7.38mpa，31℃)，其作为能量传输和动力转换工质，具有功率密度大、传热性能好、廉价易获取等显著优点。与现有蒸汽朗肯循环发电技术相比，超临界二氧化碳(s-co2)发电技术具备以下优势：(1)循环效率较高；(2)系统体积小，结构紧凑；(3)适用热源范围广；(4)对环境友好等。
5.在20世纪50年代，已经有研究学者提出s-co2循环系统，随后大量学者开始对s-co2循环进行理论和实验研究。但截至到目前，s-co2循环发电技术尚不成熟，其系统构建存在一些设计难点，s-co2透平体积较传统蒸汽轮机大幅减小，具有设备紧凑和响应快的优势，但同时对结构应力和密封冷却系统提出了巨大挑战。此外，s-co2循环系统的主要设备部件的制造存在难度，且循环发电系统运行缺乏经验。
6.针对目前s-co2循环发电技术不够成熟的现状，且利用s-co2单一工质循环发电时，系统体积过小、结构过于紧凑而引发结构应力大，进而导致振动偏大，影响机组安全、稳定运行，并结合传统蒸汽轮机朗肯循环发电技术，本发明提出一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统及工作方法，一方面提高循环发电效率，突破现有使用水蒸气单一工质发电的能源利用效率瓶颈；另一方面使用混合双工质，系统体积较使用s-co2单一工质要大一些，不会因系统体积过小、结构过于紧凑而导致振动偏大，提高发电系统安全稳定性，这样既能提高发电循环效率，又能实现机组安全、稳定运行。
8.为了达到上述目的，一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统，包括锅炉，锅炉的s-co2和水蒸汽混合蒸汽出口连接发电透平，发电透平连接发电机，发电透平的混合蒸汽抽汽口连接汽水换热器，汽水换热器连接余热发热透平，余热发热透平连接余热发电机，余热发热透平的排汽出口和发电透平的排汽出口均连接冷却器，冷却器的液体出口连接汽水换热器，冷却器的气体出口连接多级压缩降温装置，汽水换热器的出口连接锅炉，多级压缩降温装置的出口连接锅炉。
9.多级压缩降温装置包括若干串联的压缩降温装置，压缩降温装置包括压缩机和换热器，压缩机设置在换热器的上游，换热器的冷源侧连接冷却器与汽水换热器间的管路。
10.冷却器连接凝结水泵，凝结水泵与汽水换热器间通过凝结水管道连接。
11.汽水换热器连接给水泵，给水泵与锅炉间通过给水管道连接。
12.发电透平与汽水换热器间通过抽汽管道连接。
13.发电透平与冷却器间通过发电透平排汽管道连接。
14.一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统的工作方法，包括以下步骤：
15.锅炉产生s-co2和水蒸汽混合蒸汽，并送入发电透平；
16.发电透平将热能转化为机械能驱动发电机，发电透平将混合蒸汽送入汽水换热器，将混合蒸汽排汽送入冷却器；
17.汽水换热器将冷却后的s-co2送入余热透平；
18.余热透平将热能转化为机械能驱动余热发电机，余热透平将排汽送入冷却器；
19.冷却器将s-co2和水蒸气定压放热后分离，将冷凝水送入汽水换热器，将s-co2送入多级压缩降温装置；
20.多级压缩降温装置将s-co2升压升温后送入锅炉；
21.汽水换热器的出口水进入锅炉。
22.多级压缩降温装置中的压缩机对s-co2进行升压后送入换热器的热源侧，换热器的冷源侧为冷却器通过凝结水泵送出的冷凝水。
23.与现有技术相比，本发明在目前蒸汽轮机朗肯循环发电系统的基础上进行改造，将锅炉产生的高温高压s-co2和水蒸汽混合蒸汽送入发电透平中，使用s-co2和水蒸汽混合工质发电，提高了循环发电效率，同时引入余热透平，利用通过汽水换热器冷却后的s-co2余热发电，大大提高了能源利用效率；本发明面使用了混合双工质，系统体积较使用s-co2单一工质要大一些，不会因系统体积过小、结构过于紧凑而导致振动偏大，提高发电系统安全稳定性，这样既能提高发电循环效率，又能实现机组安全、稳定运行。
附图说明
24.图1为本发明的系统结构图；
25.其中，1、锅炉，2、发电透平，3、发电机，4、汽水换热器，5、余热发电透平，6、余热发电机，7、冷却器，8、凝结水泵，9、给水泵，10、压缩机，11、换热器，12、多级压缩降温装置，13、抽汽管道，14、凝结水管道，15、给水管道，16、发电透平排汽管道。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步说明。
27.参见图1，一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统，包括锅炉1，锅炉1的s-co2和水蒸汽混合蒸汽出口连接发电透平2，发电透平2和发电机3连接在同一转轴上，发电透平2的混合蒸汽出口连接汽水换热器4，汽水换热器4连接余热发热透平5，余热发电透平5和余热发电机6连接在同一转轴上，余热发热透平5的排汽出口和发电透平2的排汽出口均连接冷却器7，冷却器7的液体出口连接汽水换热器4，冷却器7的气体出口连接多级压缩降温装置12，汽水换热器4的出口通过给水泵9连接锅炉1，多级压缩降温装置12的出口连接锅炉1。
28.多级压缩降温装置12包括若干串联的压缩降温装置，压缩降温装置包括压缩机10和换热器11，压缩机10设置在换热器11的上游，换热器11的冷源侧连接冷却器7与汽水换热器4间的凝结水管道14，实现s-co2升压时不超温，满足管道材料和运行的要求。
29.冷却器7连接凝结水泵8，凝结水泵8与汽水换热器4间通过凝结水管道14连接。汽水换热器4连接给水泵9，给水泵9与锅炉1间通过给水管道15连接。发电透平2与汽水换热器4间通过抽汽管道13连接。发电透平2与冷却器7间通过发电透平排汽管道16连接。
30.一种s-co2和水蒸汽双工质新型发电系统的工作方法，包括以下步骤：
31.锅炉1产生高温高压s-co2和水蒸汽混合蒸汽，并送入发电透平2；
32.混合蒸汽在发电透平2内绝热膨胀，将热能转化为机械能驱动发电机3，实现对外做功发电，发电透平2第n级的部分混合蒸汽通过抽汽管道13将混合蒸汽送入汽水换热器4，将混合蒸汽排汽通过发电透平排汽管道16送入冷却器7；
33.汽水换热器4将冷却后的s-co2送入余热透平5，进行绝热膨胀，热能转化成机械能，通过转轴传递给余热发电机6；
34.余热透平5将热能转化为机械能驱动余热发电机6，余热透平5将排汽送入冷却器7；
35.冷却器7将s-co2和水蒸气定压放热后分离，通过凝结水管道14将冷凝水送入汽水换热器4，冷却器7将s-co2送入多级压缩降温装置12；
36.多级压缩降温装置12中的压缩机10对s-co2进行升压后送入换热器11的热源侧，换热器11的冷源侧为凝结水管道14中的冷凝水，经过多级压缩机10和换热器11先压缩再降温，实现s-co2升压升温后最终进入锅炉1。
37.抽汽管道13来的水蒸汽和凝结水管道14来的水进入汽-水换热器4换热后，全部变为液态水，一起汇入给水泵9，经绝热压缩后进入锅炉1。
38.s-co2和水分别进入锅炉1内定压吸热，产生的高温高压的s-co2和水蒸汽混合蒸汽，完成热力循环；
39.多级压缩降温装置12内的换热器11热源侧为s-co2，冷源侧为凝结水，实现利用凝结水冷却s-co2的目的。
40.s-co2和水蒸汽混合工质循环发电系统主要热力参数如表1所示。
41.表1 s-co2和水蒸汽混合工质循环发电系统主要热力参数
42.43.