本發(fā)明屬于超臨界二氧化碳高效火力發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種中間預(yù)熱的煤基超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

發(fā)電機(jī)組效率的高低對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都有著重要影響，我國能源儲(chǔ)備的構(gòu)成特點(diǎn)決定了燃煤發(fā)電機(jī)組仍然是未來幾十年內(nèi)我國電力行業(yè)的主力軍，因此，提高燃煤發(fā)電機(jī)組的效率在我國顯得尤為重要。目前國際上公認(rèn)的提高燃煤發(fā)電機(jī)組效率的兩條主流技術(shù)路線是700℃發(fā)電技術(shù)和超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)。700℃發(fā)電技術(shù)是指將傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組的主蒸汽參數(shù)提高至700℃，可將機(jī)組的發(fā)電效率提高至50％左右。700℃發(fā)電技術(shù)是最為直接的一種提高機(jī)組發(fā)電效率的方法，但是，目前700℃高溫合金材料開發(fā)難度大，成本高，材料問題成為了700℃發(fā)電技術(shù)的最大瓶頸。為了避開材料方面的技術(shù)瓶頸，各國學(xué)者紛紛將目光轉(zhuǎn)移到新型動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的提升。經(jīng)過各國學(xué)者大量的前期研究和論證，目前普遍認(rèn)為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)是極具潛力的新概念先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)。這主要是由于超臨界二氧化碳具有能量密度大、傳熱效率高等特點(diǎn)，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)高效發(fā)電系統(tǒng)可以在620℃溫度范圍內(nèi)達(dá)到常規(guī)蒸汽朗肯循環(huán)700℃的效率，不需要再開發(fā)新型的高溫合金，且設(shè)備尺寸小于同參數(shù)的蒸汽機(jī)組，經(jīng)濟(jì)性非常好。

但是，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)高效發(fā)電系統(tǒng)作為一種新型的先進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)，仍然有一些問題有待解決。例如，常規(guī)的含分流再壓縮的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鍋爐直接結(jié)合并不合適。由于二氧化碳和水物性的不同，二氧化碳布雷頓循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)的發(fā)電原理也有明顯差異，在煤基超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中，二氧化碳鍋爐入口工質(zhì)的溫度比同參數(shù)蒸汽鍋爐高出100-200℃，這意味著當(dāng)600℃等級(jí)的超臨界二氧化碳鍋爐仍采用傳統(tǒng)超臨界蒸汽鍋爐的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，沿?zé)煔夥较虻淖詈笠患?jí)對(duì)流受熱面內(nèi)工質(zhì)溫度會(huì)達(dá)到500-550℃，該對(duì)流受熱面處的煙氣溫度則會(huì)高達(dá)600℃以上，而該受熱面后的空氣預(yù)熱器比較合理的煙氣入口溫度應(yīng)為400℃，這就導(dǎo)致了600℃-400℃的這部分煙氣余熱無法利用，鍋爐熱效率低，嚴(yán)重影響了機(jī)組的發(fā)電效率，此外，過高的煙氣溫度會(huì)造成空預(yù)器的損壞以及脫硝設(shè)備無法正常工作。因此，提出一種燃煤鍋爐和二氧化碳布雷頓循環(huán)優(yōu)化結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)顯得十分有必要。

然而經(jīng)調(diào)研可知，目前國內(nèi)外公開成果和專利中介紹超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應(yīng)用在燃煤發(fā)電領(lǐng)域的內(nèi)容很少，更鮮有專利涉及解決上述燃煤鍋爐和超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)匹配問題的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決燃煤鍋爐和超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)匹配的問題，提供了一種中間預(yù)熱的煤基超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了燃煤鍋爐和超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的優(yōu)化結(jié)合，充分利用了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙道的煙氣余熱，提高了鍋爐的熱效率和系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)保證了鍋爐尾部空氣預(yù)熱器和脫硝設(shè)備的安全運(yùn)行。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種中間預(yù)熱的煤基超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括主壓縮機(jī)、低壓透平、發(fā)電機(jī)、預(yù)冷器、低溫回?zé)崞鳌⒏邷鼗責(zé)崞?、高壓透平、再壓縮機(jī)、混合器和作為熱源的鍋爐，鍋爐包括加熱系統(tǒng)、再熱系統(tǒng)、中間預(yù)熱器和空氣預(yù)熱器；

低壓透平與主壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)相連；

低壓透平的乏氣依次流經(jīng)高溫回?zé)崞骱偷蜏鼗責(zé)崞鳠醾?cè)，低溫回?zé)崞鞒隹诘墓べ|(zhì)分流成并聯(lián)的兩路，即主壓縮回路和再壓縮回路；主壓縮回路的工質(zhì)經(jīng)預(yù)冷器、主壓縮機(jī)后進(jìn)入低溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)通道，加熱后進(jìn)入混合器，再壓縮回路的工質(zhì)經(jīng)過再壓縮機(jī)升壓后進(jìn)入混合器；在混合器內(nèi)混合后的工質(zhì)進(jìn)入中間預(yù)熱器與煙氣換熱后流入高溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)通道，加熱后作為新工質(zhì)進(jìn)入鍋爐；

新工質(zhì)在鍋爐內(nèi)加熱系統(tǒng)加熱至主工質(zhì)設(shè)計(jì)溫度后進(jìn)入高壓透平做功，隨后進(jìn)入鍋爐的再熱系統(tǒng)，經(jīng)過再熱系統(tǒng)的加熱形成再熱氣，再熱氣進(jìn)入低壓透平做功，做工后變?yōu)榈蛪和钙椒?，至此工質(zhì)在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)形成了閉式循環(huán)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，鍋爐沿?zé)煔饬鞒桃来卧O(shè)有主工質(zhì)輻射受熱面、再熱工質(zhì)輻射受熱面、高溫過熱器、高溫再熱器、低溫再熱器、低溫過熱器、中間預(yù)熱器(7-7)和空氣預(yù)熱器；

主工質(zhì)輻射受熱面、低溫過熱器和高溫過熱器構(gòu)成加熱系統(tǒng)；

再熱工質(zhì)輻射受熱面、低溫再熱器和高溫再熱器構(gòu)成再熱系統(tǒng)。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，沿?zé)煔饬鞒?，中間預(yù)熱器布置在鍋爐尾部煙道的低溫再熱器、低溫過熱器后、空氣預(yù)熱器前。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，沿工質(zhì)流程中間預(yù)熱器位于混合器后、高溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)入口前。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，高壓透平和再壓縮機(jī)同軸布置。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，低壓透平、主壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)同軸布置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明在傳統(tǒng)的分流再壓縮的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)上，采用了中間預(yù)熱技術(shù)，特別的將中間預(yù)熱器沿鍋爐煙氣流程布置在鍋爐尾部煙道的低溫再熱器、低溫過熱器后、空氣預(yù)熱器前，沿工質(zhì)流程則布置于系統(tǒng)的混合器后、高溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)入口前。通過中間預(yù)熱技術(shù)，將在混合器匯合后的中溫高壓二氧化碳(200℃等級(jí))引入中間預(yù)熱器，和鍋爐尾部煙氣換熱后再進(jìn)入高溫回?zé)崞骼鋫?cè)，有效地解決了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙氣600℃-400℃區(qū)域熱量無法利用的難題，提高了超臨界二氧化碳鍋爐的熱效率和整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)還保證了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙道內(nèi)空氣預(yù)熱器和脫硝設(shè)備的安全運(yùn)行。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中的中間預(yù)熱器沿鍋爐煙氣流程布置在鍋爐尾部煙道的低溫再熱器、低溫過熱器后、空氣預(yù)熱器前，沿工質(zhì)流程則布置于系統(tǒng)的混合器后、高溫回?zé)崞鞯睦鋫?cè)入口前。通過這種布置方式，將在混合器匯合后的中溫高壓二氧化碳(200℃等級(jí))引入中間預(yù)熱器，和鍋爐尾部煙氣換熱后再進(jìn)入高溫回?zé)崞骼鋫?cè)，有效地解決了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙氣600℃-400℃區(qū)域熱量無法利用的難題，提高了超臨界二氧化碳鍋爐的熱效率和整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)還保證了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙道內(nèi)空氣預(yù)熱器和脫硝設(shè)備的安全運(yùn)行。

進(jìn)一步的，本發(fā)明采用高壓透平和再壓縮機(jī)同軸布置，低壓透平、主壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)同軸布置的方案。該方案充分考慮了分流再壓縮布雷頓循環(huán)中再壓縮機(jī)耗功大的特點(diǎn)，合理的將鍋爐的再熱技術(shù)和兩臺(tái)壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高壓透平帶動(dòng)再壓縮機(jī)工作，低壓透平帶動(dòng)主壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)工作的功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中以π型鍋爐為例，但不限于π型鍋爐。

其中，1為主壓縮機(jī)；2為低壓透平；3為發(fā)電機(jī)；4為預(yù)冷器；5為低溫回?zé)崞鳎?為高溫回?zé)崞鳎?為鍋爐；7-1為主工質(zhì)輻射受熱面；7-2為再熱工質(zhì)輻射受熱面；7-3為高溫過熱器；7-4為高溫再熱器；7-5為低溫再熱器；7-6為低溫過熱器；7-7為中間預(yù)熱器；7-8為空氣預(yù)熱器；8為高壓透平；9為再壓縮機(jī)；10為混合器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

本發(fā)明以π型鍋爐為例進(jìn)行說明，但不局限于π型鍋爐。

參見圖1，該發(fā)明為閉式間接加熱的含分流再壓縮的中間預(yù)熱型煤基超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括主壓縮機(jī)1、低壓透平2、發(fā)電機(jī)3、預(yù)冷器4、低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞?、鍋爐7、高壓透平8、再壓縮機(jī)9和混合器10。

該發(fā)電系統(tǒng)的熱源為7鍋爐，鍋爐7包括加熱系統(tǒng)、再熱系統(tǒng)、中間預(yù)熱器7-7和空氣預(yù)熱器7-8；

鍋爐7沿?zé)煔饬鞒桃来卧O(shè)有主工質(zhì)輻射受熱面7-1、再熱工質(zhì)輻射受熱面7-2、高溫過熱器7-3、高溫再熱器7-4、低溫再熱器7-5、低溫過熱器7-6、中間預(yù)熱器7-7和空氣預(yù)熱器7-8。

其中，主工質(zhì)輻射受熱面7-1、低溫過熱器7-6和高溫過熱器7-3構(gòu)成加熱系統(tǒng)；再熱工質(zhì)輻射受熱面7-2、低溫再熱器7-5和高溫再熱器7-4構(gòu)成再熱系統(tǒng)。

鍋爐7沿主工質(zhì)流程依次布置有主工質(zhì)輻射受熱面7-1、低溫過熱器7-6和高溫過熱器7-3，沿再熱工質(zhì)流程依次布置有再熱工質(zhì)輻射受熱面7-2、低溫再熱器7-5和高溫再熱器7-4。

系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)流程為：低壓透平2的乏氣依次流經(jīng)高溫回?zé)崞?和低溫回?zé)崞?熱側(cè)對(duì)冷側(cè)工質(zhì)進(jìn)行加熱，低溫回?zé)崞?出口的工質(zhì)分流成并聯(lián)的兩路，即主壓縮回路和再壓縮回路，主壓縮回路和再壓縮回路的工質(zhì)在混合器10匯合。主壓縮回路包括預(yù)冷器4、主壓縮機(jī)1和低溫回?zé)崞?的冷側(cè)通道；主壓縮回路的工質(zhì)在預(yù)冷器4內(nèi)向環(huán)境放出廢熱、隨后經(jīng)主壓縮機(jī)1升壓后進(jìn)入低溫回?zé)崞?的冷側(cè)通道，加熱后進(jìn)入混合器10；再壓縮回路只包括再壓縮機(jī)9，再壓縮回路的工質(zhì)則直接經(jīng)過再壓縮機(jī)9升壓后進(jìn)入混合器10。在混合器10內(nèi)混合后的工質(zhì)進(jìn)入中間預(yù)熱器7-7與煙氣換熱后流入高溫回?zé)崞?的冷側(cè)通道，加熱后作為新工質(zhì)進(jìn)入鍋爐7。新工質(zhì)在鍋爐7內(nèi)依次流經(jīng)主工質(zhì)輻射受熱面7-1、低溫過熱器7-6和高溫過熱器7-3，加熱至主工質(zhì)設(shè)計(jì)溫度后進(jìn)入高壓透平8做功，隨后進(jìn)入鍋爐7的再熱系統(tǒng)，經(jīng)過再熱工質(zhì)輻射受熱面7-2、低溫再熱器7-5和高溫再熱器7-4的加熱形成再熱氣，再熱氣進(jìn)入低壓透平2做功，做工后變?yōu)榈蛪和钙?乏氣，至此工質(zhì)在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)形成了閉式循環(huán)。

特別的，在該發(fā)電系統(tǒng)中，中間預(yù)熱器7-7沿鍋爐煙氣流程布置在鍋爐尾部煙道的低溫再熱器7-5、低溫過熱器7-6后、空氣預(yù)熱器7-8前，沿工質(zhì)流程則布置于系統(tǒng)的混合器10后、高溫回?zé)崞?的冷側(cè)入口前。通過這種布置方式，將在混合器10匯合后的中溫高壓二氧化碳200℃等級(jí)引入中間預(yù)熱器7-7，和鍋爐尾部煙氣換熱后再進(jìn)入高溫回?zé)崞?冷側(cè)，有效地解決了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙氣600℃-400℃區(qū)域熱量無法利用的難題，提高了超臨界二氧化碳鍋爐的熱效率和整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)還保證了超臨界二氧化碳鍋爐尾部煙道內(nèi)空氣預(yù)熱器7-8和脫硝設(shè)備的安全運(yùn)行。

此外，本發(fā)明采用高壓透平8和再壓縮機(jī)9同軸布置，低壓透平2、主壓縮機(jī)1和發(fā)電機(jī)3同軸布置的方案；且低壓透平2與發(fā)電機(jī)3相連。該方案充分考慮了分流再壓縮布雷頓循環(huán)中再壓縮機(jī)9耗功大的特點(diǎn)，合理的將鍋爐7的再熱技術(shù)和兩臺(tái)壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高壓透平8帶動(dòng)再壓縮機(jī)9工作，低壓透平2帶動(dòng)主壓縮機(jī)1和發(fā)電機(jī)3工作的功能。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。