[发明专利]一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统

说明书

技术领域

本发明属于电站节能领域，特别涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统

背景技术

超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环是以处于超临界状态的二氧化碳(临界压力7.38MPa，临界温度31.05℃)为工质，采用布雷顿循环原理实现能量转换的一种循环方式。

采用超临界流体作为循环工质，是为了利用流体在超临界点附近的高密度、低黏性等优势，降低压气机耗功、提高循环效率。而且超临界二氧化碳具有无毒、储量丰富、成本低、性能稳定、密度大、临界温度和压力相对低等特点，被认为最佳循环工质之一。当前大规模使用的蒸汽动力循环相比，超临界二氧化碳布雷顿循环高温(一般高于400℃)下的能量转换效率更高，且其系统紧凑，设备体积小(涡轮系统和冷却设备的体积仅相当于蒸汽系统对应设备体积的十分之一)，易于模块化建设，具备良好的潜在经济性；与常规气体布雷顿循环相比，其压缩过程参数位于工质临界点附近的特点使得压缩功耗显著降低，循环效率明显提高。

超临界二氧化碳在二十世纪六十年代被提出作为动力循的工质，然而当时由于技术限制，没有得到普遍应用。近年来，随着技术水平的提高，超临界二氧化碳在核反应堆方面的应用得到了国内外学者及研究机构的广泛关注和研究，其与塔式太阳能吸热器结合也广泛开展，然而对于目前占据最主要发电方式的燃煤锅炉，超临界二氧化碳在其中的应用却发展较为缓慢。

大型火电机组的节能减排是中国的重要能源战略。为适应电力市场的快速发展和节能减排的巨大压力，我们迫切需要寻找新的途径来提高电厂的效率，这已成为各电厂日益重视的课题。

本发明提出了一种一种新型超临界二氧化碳布雷顿循环系统，它是一种新的适用于传统火电机组的循环系统，其核心设计思想在于：使用超临界二氧化碳作为循环工质。在这个循环中，将锅炉炉膛受热面重新布置，从而匹配新设计的超临界二氧化碳循环换热需求；设置高温回热器旁路，从而优化了高温换热器换热特性，减少了换热器冷热端温差；提高了低温烟气利用性能；改善空气预热器吸热量分配，使之与同类系统相比，优化到基本与燃煤蒸汽循环中对应空气预热器的设计换热量相同；采用间冷压缩，提高了系统循环效率，优化了冷却器的换热区间，使之与水冷系统匹配。整个新型超临界二氧化碳布雷顿循环系统不仅保证了超临界二氧化碳循环的系统效率，而且提升了锅炉的运行效率，且该系统结构简单，不需要多次再热，在工程上有较好的应用前景，是一种适合于传统燃煤电站的节能减排新技术。

发明内容

本发明的目的是提出了一种超临界二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于：对锅炉炉膛受热面进行重新设计，在锅炉尾部烟道中依次布置锅炉尾部受热面4和空气预热器3；锅炉炉膛受热面1出口与工质透平5入口相连，工质透平5出口与高温回热器6连接，高温回热器6与中温回热器7相连，中温回热器7与低温回热器8相连，低温回热器8出口分别与高温压气机9和第一凝汽器12相连，高温压气机9出口与中温回热器7和低温回热器8之间通过管路15连接，在高温回热器6和中温回热器7之间通过管路14连接，在高温回热器6和中温回热器7之间的管路14上再连接高温回热器旁路16，高温回热器旁路16经过锅炉尾部受热面4与高温回热器6出口一同汇入到锅炉炉膛受热面1；第一凝汽器12出口与第一间冷压气机10相连，第一间冷压气机10出口与第二凝汽器13相连，第二凝汽器13出口与第二间冷压气机11相连，第二间冷压气机11出口与低温回热器8相连。

所述在高温回热器6和中温回热器7之间设置高温回热器旁路16，其入口温度为320℃，出口温度为470℃，从而有效利用了350℃-500℃的低温烟气热量，提高了系统循环效率。

所述锅炉炉膛受热面与新设计的超临界二氧化碳循环匹配，优化了受热面布置，保证了锅炉的高效运行。

所述两个间冷压气机的间冷压缩，提高了循环系统的循环效率，使冷却器的换热温度维持在30℃-80℃之间，与水冷系统温度匹配良好。

所述锅炉尾部烟道依次布置锅炉尾部受热面4和空气预热器3，使该循环中空气预热器换热烟气范围在100℃-350℃，换热量基本与燃煤蒸汽循环中对应空气预热器的设计换热量相同，从而优化了空预器的传热特性。

本发明的有益效果为：

1.该系统在高温回热器外设置了高温回热器旁路，部分来自于中温回热器的工质直接进入到锅炉尾部烟道中吸收低温烟气热量，最后与高温回热器出口的工质混合，一同汇入到锅炉炉膛受热面中。这一旁路优化了系统结构，改善了锅炉低温烟气的吸收性能，吸收了350℃-500℃之间烟气热量，提高了系统循环效率。