集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统及运行方法

1.本发明属于发电技术领域，具体涉及一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统及运行方法。


背景技术：

2.超临界二氧化碳是一种极具潜力的新型循环工质。二氧化碳临界点接近环境温度且密度高，可实现较高的功率密度和紧凑的涡轮及换热器设备。超临界二氧化碳动力循环基于布雷顿循环原理实现能量转换，相比于常规蒸汽动力循环，能量转换效率更高，在燃煤发电领域有极大的应用潜力。
3.随着我国电力系统加快转型，对燃煤发电行业提出了更高效及更灵活的迫切技术需求，以便更好地为新能源消纳提供调峰服务。燃煤发电机组的灵活性要求之一即是指机组在稳态工况方面能够大幅度变负荷运行并实现超低负荷运行，在变工况瞬态过程中能够快速升降负荷。以超临界二氧化碳为工质的燃煤发电系统可以提高机组效率，但灵活性方面仍受到锅炉最小稳燃负荷、锅炉-透平能流耦合限制等，运行灵活性有待提高。


技术实现要素：

4.为进一步提高超临界二氧化碳燃煤发电机组灵活性，拓宽变负荷区间，并提高变负荷速率，本发明提出一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统及运行方法。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统，包括再热再压缩发电系统、储热系统及放热系统；
7.所述再热再压缩发电系统具体包括锅炉1、高压透平2、低压透平3、再压缩机4、主压缩机6、冷却器5、低温回热器7和高温回热器8；主压缩机6出口与低温回热器7冷侧、高温回热器8冷侧依次连接，高温回热器8冷侧出口与锅炉1相连，锅炉1出口工质与高压透平2入口相连，高压透平2出口工质与锅炉1相连，锅炉1出口再热工质与低压透平3入口相连，低压透平3出口依次与高温回热器8热侧和低温回热器7热侧相连，低温回热器7热侧出口分别与再压缩机4入口和冷却器5入口相连，再压缩机4出口和低温回热器7冷侧出口与高温回热器8冷侧入口相连，冷却器5出口与主压缩机6入口相连；高温回热器8冷侧入口还存在分流管路还与锅炉1尾部入口相连；高温换热器13，储热冷罐12、储热热罐11和辅助透平10既构成储热系统同时也构成放热系统；当构成储热系统时，高温换热器13热侧入口连接高压透平2入口，高温换热器13热侧出口连接辅助透平10入口，高温换热器13冷侧入口和出口分别连接储热冷罐12和储热热罐11；
8.当构成放热系统时，高温换热器13冷侧入口连接高温回热器8冷侧入口的分流管路，高温换热器13冷侧出口连接辅助透平10入口，高温换热器13热侧入口和出口分别连接储热热罐11和储热冷罐12；
9.锅炉1与高压透平2入口的连接管路上设置一号阀门141，高温换热器13与高压透
平2入口的连接管路上设置二号阀门142，高温换热器13与高温回热器8冷侧入口分流的连接管路上设置三号阀门143。
10.还包括辅助回热器9；储热时，辅助回热器9热侧的进、出口分别与辅助透平10出口、低温回热器7热侧入口相连，辅助回热器9冷侧的进、出口分别与高温回热器8冷侧入口的分流管路、锅炉1尾部入口相连；放热时的连接关系与储热时相同。
11.所述主压缩机6入口温度为32-42℃。
12.所述主压缩机6入口压力为7.5-9.0mpa。
13.所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统的运行方法，包括常规运行模式、储热运行模式及放热运行模式：
14.所述常规运行模式，关闭二号阀门142和三号阀门143，打开一号阀门141，锅炉1出口的高温高压二氧化碳工质先进入高压透平2做功，高压透平2出口工质经锅炉1再热后，再进入低压透平3做功，低压透平3出口工质依次经高温回热器8和低温回热器7放热后分为两部分：一部分经再压缩机4压缩升压；另一部分经冷却器5冷却后进入主压缩机6压缩升压，主压缩机6出口工质进入低温回热器7加热，低温回热器7冷侧出口工质与再压缩机4出口工质汇合后再次分流：一部分经高温回热器8加热后进入锅炉1；另一部分工质直接进入锅炉1尾部吸收中低温烟气热量，两股流体在锅炉内汇合；
15.所述储热运行模式，在常规运行模式基础上，再打开二号阀门142；分流出部分高压透平2进口工质于高温换热器13内加热来自储热冷罐12的储热材料，储热材料被加热到高温状态后存储于储热热罐11；通过分流减少高压透平2和低压透平3的工质流量，快速降低机组负荷；
16.所述放热运行模式，在常规运行模式基础上，打开三号阀门143；增加系统流量以及高温回热器8冷侧入口的分流管路的流量，释放储热热罐11中存储的高温储热材料，于高温换热器13中加热来自高温回热器8冷侧入口分流管路的二氧化碳工质，高温换热器13出口被加热的工质进入辅助透平10做功发电，快速提升机组负荷。
17.储热运行模式下，为降低高温换热器13出口工质压力，高温换热器13出口的二氧化碳工质进入辅助透平10膨胀做功，辅助透平10出口工质于辅助回热器9内加热来自高温回热器8冷侧入口的分流工质后，汇入低温回热器7热侧入口。
18.放热运行模式下，辅助透平10出口工质于辅助回热器9内放热，加热来自高温回热器8冷侧入口的分流工质，最后汇入低温回热器7热侧入口。
19.和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
20.1)本发明通过抽气减少透平流量，实现快速降负荷；以及通过辅助透平做功，实现快速升负荷，提高了机组的变负荷速率。
21.2)本发明集成储热系统，可通过抽气储热降低燃煤发电机组最小运行负荷，以及通过释热提高机组输出功率，拓宽机组运行负荷区间，增强灵活性。
22.3)本发明的储热和放热循环相近，设备通用，可大大简化集成系统结构。
附图说明
23.图1为本发明的集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统示意图，实线为储热循环，虚线为放热循环。
24.图2(a)为超临界二氧化碳燃煤发电系统常规运行模式示意图；
25.图2(b)储热模式示意图；
26.图2(c)放热模式示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
28.如图1所示，本发明一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统，包括再热再压缩发电系统，储热系统及放热系统：
29.所述再热再压缩发电系统，具体包括锅炉1、高压透平2、低压透平3、再压缩机4、主压缩机6、冷却器5、低温回热器7和高温回热器8；主压缩机6出口与低温回热器7冷侧、高温回热器8冷侧依次连接，高温回热器8冷侧出口与锅炉1相连，锅炉1出口工质与高压透平2入口相连，高压透平2出口工质与锅炉1相连，锅炉1出口再热工质与低压透平3入口相连，低压透平3出口依次与高温回热器8热侧和低温回热器7热侧相连，低温回热器7热侧出口分别与再压缩机4入口和冷却器5入口相连，再压缩机4出口和低温回热器7冷侧出口与高温回热器8冷侧入口相连，冷却器5出口与主压缩机6入口相连；高温回热器8冷侧入口还存在分流管路还与锅炉1尾部入口相连。
30.所述储热系统具体包括高温换热器13，储热冷罐12、储热热罐11和辅助透平10；高温换热器13热侧入口连接高压透平2入口，高温换热器13热侧出口连接辅助透平10入口，高温换热器13冷侧入口和出口分别连接储热冷罐12和储热热罐11。
31.所述放热系统具体包括高温换热器13，储热冷罐12、储热热罐11和辅助透平10；高温换热器13冷侧入口连接高温回热器8冷侧入口的分流管路，高温换热器13冷侧出口连接辅助透平10入口，高温换热器13热侧入口和出口分别连接储热热罐11和储热冷罐12。
32.系统还包括辅助回热器9；储热时，辅助回热器9热侧的进、出口分别与辅助透平10出口、低温回热器7热侧入口相连，辅助回热器9冷侧的进、出口分别与高温回热器8冷侧入口的分流管路、锅炉1尾部入口相连；放热时的连接关系与储热时相同。
33.所述锅炉1与高压透平2入口的连接管路上设置一号阀门141，高温换热器13与高压透平2入口的连接管路上设置二号阀门142，高温换热器13与高温回热器8入口分流的连接管路上设置三号阀门143。
34.所述主压缩机6入口温度为32-42℃。
35.所述主压缩机6入口压力为7.5-9.0mpa。
36.所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统的运行方法，其特征在于，包括常规运行模式、储热运行模式及放热运行模式：
37.所述常规运行模式，关闭二号阀门142和三号阀门143，打开一号阀门141，锅炉1出口的高温高压二氧化碳工质先进入高压透平2做功，高压透平2出口工质经锅炉1再热后，再进入低压透平3做功，低压透平3出口工质依次经高温回热器8和低温回热器7放热后分为两部分：一部分经再压缩机4压缩升压；另一部分经冷却器5冷却后进入主压缩机6压缩升压，主压缩机6出口工质进入低温回热器7加热，低温回热器7冷侧出口工质与再压缩机4出口工质汇合后再次分流：一部分经高温回热器8加热后进入锅炉1；另一部分工质直接进入锅炉1尾部吸收中低温烟气热量，两股流体在锅炉内汇合，如图2(a)所示；
38.所述储热运行模式，在常规运行模式基础上，再打开二号阀门142；分流出部分高压透平2进口工质于高温换热器13内加热来自储热冷罐12的储热材料，储热材料可选择熔融盐，储热材料被加热到高温状态后存储于储热热罐11；通过分流减少高压透平2和低压透平3的工质流量，快速降低机组负荷；此外，为降低高温换热器13出口工质压力，高温换热器13出口的二氧化碳工质进入辅助透平10膨胀做功，辅助透平10出口工质于辅助回热器9内加热来自高温回热器8冷侧入口的分流工质后，汇入低温回热器7热侧入口，如图2(b)所示。
39.所述放热运行模式，在常规运行模式基础上，打开三号阀门143；增加系统流量以及高温回热器8冷侧入口的分流管路的流量，释放储热热罐11中存储的高温储热材料，于高温换热器13中加热来自高温回热器8冷侧入口分流管路的二氧化碳工质，高温换热器13出口被加热的工质进入辅助透平10做功发电，快速提升机组负荷；辅助透平10出口工质于辅助回热器9内放热，加热来自高温回热器8冷侧入口的分流工质，最后汇入低温回热器7热侧入口，如图2(c)所示。
40.本发明储热时，采用高压透平前的抽气加热储热材料，将抽气高温热量存储的同时降低了高、低压透平做功流量，进而降低机组负荷；放热时，采用存储的高温热量加热来自高温回热器入口侧的分流工质，加热后的工质进入辅助透平做功，进而提升机组负荷。此外，辅助回热器还将辅助透平出口的工质热量回收，用于预热高温回热器入口侧的分流工质，提升系统效率。本发明通过集成储热循环与放热循环，提高燃煤发电机组灵活性，降低机组最小运行负荷，提升变负荷速率。同时，本发明中储热循环与放热循环的设备共用，极大简化了系统结构。

技术特征：
1.一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统，其特征在于，包括再热再压缩发电系统、储热系统及放热系统；所述再热再压缩发电系统具体包括锅炉(1)、高压透平(2)、低压透平(3)、再压缩机(4)、主压缩机(6)、冷却器(5)、低温回热器(7)和高温回热器(8)；主压缩机(6)出口与低温回热器(7)冷侧、高温回热器(8)冷侧依次连接，高温回热器(8)冷侧出口与锅炉(1)相连，锅炉(1)出口工质与高压透平(2)入口相连，高压透平(2)出口工质与锅炉(1)相连，锅炉(1)出口再热工质与低压透平(3)入口相连，低压透平(3)出口依次与高温回热器(8)热侧和低温回热器(7)热侧相连，低温回热器(7)热侧出口分别与再压缩机(4)入口和冷却器(5)入口相连，再压缩机(4)出口和低温回热器(7)冷侧出口与高温回热器(8)冷侧入口相连，冷却器(5)出口与主压缩机(6)入口相连；高温回热器(8)冷侧入口还存在分流管路还与锅炉(1)尾部入口相连；高温换热器(13)，储热冷罐(12)、储热热罐(11)和辅助透平(10)既构成储热系统同时也构成放热系统；当构成储热系统时，高温换热器(13)热侧入口连接高压透平(2)入口，高温换热器(13)热侧出口连接辅助透平(10)入口，高温换热器(13)冷侧入口和出口分别连接储热冷罐(12)和储热热罐(11)；当构成放热系统时，高温换热器(13)冷侧入口连接高温回热器(8)冷侧入口的分流管路，高温换热器(13)冷侧出口连接辅助透平(10)入口，高温换热器(13)热侧入口和出口分别连接储热热罐(11)和储热冷罐(12)；锅炉(1)与高压透平(2)入口的连接管路上设置一号阀门(141)，高温换热器(13)与高压透平(2)入口的连接管路上设置二号阀门(142)，高温换热器(13)与高温回热器(8)冷侧入口分流的连接管路上设置三号阀门(143)。2.如权利要求1所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统，其特征还在于，还包括辅助回热器(9)；储热时，辅助回热器(9)热侧的进、出口分别与辅助透平(10)出口、低温回热器(7)热侧入口相连，辅助回热器(9)冷侧的进、出口分别与高温回热器(8)冷侧入口的分流管路、锅炉(1)尾部入口相连；放热时的连接关系与储热时相同。3.如权利要求1所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统，其特征还在于，所述主压缩机(6)入口温度为32-42℃。4.如权利要求1所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统，其特征还在于，所述主压缩机(6)入口压力为7.5-9.0mpa。5.权利要求1-4任一项所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统的运行方法，其特征在于，包括常规运行模式、储热运行模式及放热运行模式：所述常规运行模式，关闭二号阀门142和三号阀门143，打开一号阀门141，锅炉(1)出口的高温高压二氧化碳工质先进入高压透平(2)做功，高压透平(2)出口工质经锅炉(1)再热后，再进入低压透平(3)做功，低压透平(3)出口工质依次经高温回热器(8)和低温回热器(7)放热后分为两部分：一部分经再压缩机(4)压缩升压；另一部分经冷却器(5)冷却后进入主压缩机(6)压缩升压，主压缩机(6)出口工质进入低温回热器(7)加热，低温回热器(7)冷侧出口工质与再压缩机(4)出口工质汇合后再次分流：一部分经高温回热器(8)加热后进入锅炉(1)；另一部分工质直接进入锅炉(1)尾部吸收中低温烟气热量，两股流体在锅炉内汇合；所述储热运行模式，在常规运行模式基础上，再打开二号阀门142；分流出部分高压透
平(2)进口工质于高温换热器(13)内加热来自储热冷罐(12)的储热材料，储热材料被加热到高温状态后存储于储热热罐(11)；通过分流减少高压透平(2)和低压透平(3)的工质流量，快速降低机组负荷；所述放热运行模式，在常规运行模式基础上，打开三号阀门143；增加系统流量以及高温回热器(8)冷侧入口的分流管路的流量，释放储热热罐(11)中存储的高温储热材料，于高温换热器(13)中加热来自高温回热器(8)冷侧入口分流管路的二氧化碳工质，高温换热器(13)出口被加热的工质进入辅助透平(10)做功发电，快速提升机组负荷。6.权利要求5所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统的运行方法，储热运行模式下，为降低高温换热器(13)出口工质压力，高温换热器(13)出口的二氧化碳工质进入辅助透平(10)膨胀做功，辅助透平(10)出口工质于辅助回热器(9)内加热来自高温回热器(8)冷侧入口的分流工质后，汇入低温回热器(7)热侧入口。7.权利要求5所述的一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统的运行方法，放热运行模式下，辅助透平(10)出口工质于辅助回热器(9)内放热，加热来自高温回热器(8)冷侧入口的分流工质，最后汇入低温回热器(7)热侧入口。

技术总结
本发明公开一种集成储热的超临界二氧化碳燃煤发电系统及运行方法，系统包括再热再压缩发电系统、储热系统及放热系统；储热系统与放热系统的设备共用，包括高温换热器、储热热罐、储热冷罐、辅助透平和辅助回热器。储热时，采用高压透平前的抽气加热储热材料，将抽气高温热量存储的同时降低了高、低压透平做功流量，进而降低机组负荷；放热时，采用存储的高温热量加热来自高温回热器入口侧的分流工质，加热后的工质进入辅助透平做功，进而提升机组负荷。此外，辅助回热器还将辅助透平出口的工质热量回收，用于预热高温回热器入口侧的分流工质，提升系统效率。本发明通过集成储热循环与放热循环，提高燃煤发电机组灵活性，降低机组最小运行负荷，提升变负荷速率。提升变负荷速率。提升变负荷速率。


技术研发人员：赵永亮 孙瑞强 刘明 杨明锐 郑则刚 严俊杰
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/25