[发明专利]适应不同地理环境气候和负荷的超临界-跨临界二氧化碳燃煤发电系统

说明书

本发明公开一种适应不同地理环境气候和负荷的超临界‑跨临界二氧化碳燃煤发电系统，包括锅炉子系统、循环子系统和制冷子系统，所述制冷子系统采用LiBr吸收式制冷装置和/或热电制冷装置。本发明可根据环境温度选择制冷系统，耦合吸收式制冷和热电制冷的优点，解决不同气候环境下四季变化引发的环境温度变化，并导致工质增压方式的改变问题；提高锅炉低温烟气余热和循环冷却器低温CO₂余热利用率，实现提高锅炉和循环效率，降低系统损耗的目标；提出应对地理位置气候不同引发的系统安全高效运行的三种不同运行系统；提出两种不同的锅炉布局结构，分别应对系统负荷的不同引起的效率经济性问题。

技术领域

本发明涉及燃煤发电技术领域，具体为一种适应不同地理环境气候和负荷的超临界-跨临界二氧化碳燃煤发电系统。

背景技术

我国是煤炭消耗大国，其中燃煤发电量的占比一直保持绝对的优势地位。目前，燃煤发电广泛采用蒸汽朗肯循环，但由于受水的物性、相变损和材料等限制等问题，使得发电效率遇到瓶颈。相反，由于超临界二氧化碳(SCO₂)循环效率高、系统结构紧凑、节水和环境友好等优势，SCO₂燃煤发电成为突破传统发电效率瓶颈的有效方法之一。

二氧化碳(CO₂)临界点为7.38MPa，30.98℃，在实际操作中容易达到。由于CO₂物性在临界点附近变化剧烈，密度大，粘性小，压缩因子较小，可以降低压缩机耗功，提高循环效率。但是由于近临界点CO₂比热很大，如果要使用水冷却，则需要消耗大量冷却水才能使冷热物流匹配良好。

实际电厂冷却配置需要考虑众多因素，如当地气候、位置特征等。由于全球环境问题、气候变换和人口增长导致人均用水量紧缺的问题，电厂用水量则成为要解决的重要问题。特别像中国西北部煤炭资源丰富，但水资源却严重缺乏。因此，针对节水问题，SCO₂循环燃煤电厂则可以采用空气冷却方式，极大地节约了水资源。实际空冷又受四季变化、昼夜变换等环境因素影响很大，通常很难将温度冷却至期望值。特别是夏天，室外温度高达35-40℃，冷却器采用空冷方式可能只能将CO₂温度降至50℃左右。其次部分地区，昼夜温差也较大，这也严重影响阻碍了系统效率的提高。通常，南方地区一年中高温天气较长，北方中低温天气时间长，西北地区还有昼夜温差大的特点。所以针对地理位置上的差异，尚需有效的解决办法。

CO₂进冷却器时的温度比较高，大部分情况都能达到100℃以上，如果将这部分热量利用水或者空气冷却，不仅容易造成低温污染，还会带来巨大的损，降低能源转换和利用效率。此外，锅炉排烟温度120-130℃，这部分烟气余热损失是阻碍锅炉效率提高的主要因素。因此，如何合理高效利用这两部分热量是提高发电系统的主要方法之一。

对于热力循环，冷源温度对循环效率的影响不可忽略。以卡诺循环为例，热源一定的条件下，冷源温度越低，循环效率越大。同时，同一地理位置，冷源温度一直随着四季变换而变换，夏季温度高，冬季温度低，春秋温和。夏季环境温度高，通常都是超临界二氧化碳循环。冬季温度低时，冷却器足以将工质冷却至亚临界状态，所以，冬季怎样将环境中的冷量有效利用，对CO₂循环具有很大的效率提高空间。同时，对怎样同时应对季节变换引起不同工况系统稳定高效运行调节策略也提出了挑战。

与常规蒸汽朗肯循环不同，由于SCO₂在高温时的比热小，所以在相同的负荷下，CO₂在锅炉中不存在相变过程。虽然可以降低损，但与蒸汽锅炉不同，二氧化碳锅炉炉膛内工质与管壁也是超临界流体与壁面间的对流换热过程，这使得管内工质与壁面间传热系数过小，极易导致造成传热恶化现象，影响锅炉的安全运行。因此，还需要提出合理的办法来改善各部件管道的表面结构来适应二氧化碳与管壁间的换热。