一种超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法

摘要

本发明公开了一种超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法，采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，耦合抽气供热系统，同时为用户提供热、电两种能源；通过热端‑回热‑供热过程的耦合优化，本发明可大幅度提高超临界二氧化碳动力系统的能量利用率。本发明系统针对抽气进行合理能级匹配，将供热抽气与回热系统进行耦合，减小系统中的换热不可逆损失，可以通过调整回热系统二氧化碳分流比例，满足不同的供热负荷需求，提高机组的运行灵活性；也可以使系统在满足供热温度的同时，提高进入锅炉的工质温度，降低热端换热温差，减少不可逆损失，提高机组发电效率。

权利要求

1.一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：包括锅炉(1)，锅炉(1)工质出口与透平(2)工质入口相连，透平(2)排气口与1号回热器(31)、2号回热器(32)、3号回热器(33)和4号回热器(34)热侧依次相连，4号回热器(34)热侧出口与1号预冷器(71)工质热侧入口相连，1号预冷器(71)工质出口与主压缩机(4)入口相连，主压缩机(4)出口依次与4号回热器(34)、3号回热器(33)、2号回热器(32)和1号回热器(31)冷侧依次相连，1号回热器(31)冷侧出口与锅炉(1)入口相连；

透平(2)工质抽气口与5号回热器(35)、热网加热器(8)、2号预冷器(72)工质热侧依次相连，2号预冷器(72)工质热侧出口与供热压缩机(6)入口相连，供热压缩机(6)出口连接在

3号回热器(33)冷侧入口、4号回热器(34)冷侧出口间，3号回热器(33)冷侧出口与5号回热器(35)冷侧入口相连，5号回热器(35)冷侧出口与锅炉(1)入口相连；

热网加热器(8)冷却水进出口与热网相连，1号预冷器(71)、2号预冷器(72)冷却水进出口与冷却水系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：4号回热器(34)热侧出口还与再压缩机(5)工质入口相连，再压缩机(5)工质出口与1号回热器(31)冷侧入口相连。

3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：透平(2)排气口压力为7.7MPa‑8.5MPa。

4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：透平(2)抽气口压力为10MPa‑15.0MPa。

5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：1号预冷器(71)、2号预冷器(72)工质出口温度为33℃‑38℃。

6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：供热压缩机(6)出口温度与4号回热器(34)冷侧出口温度偏差小于5℃。

7.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统，其特征在于：2号预冷器(72)工质热侧入口温度为45℃‑75℃。

8.权利要求1至7任一项所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统的运行方法，其特征在于：超临界二氧化碳在主压缩机(4)中升压后，依次在4号回热器(34)、3号回热器(33)、2号回热器(32)、1号回热器(31)、锅炉(1)吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平(2)做功，透平(2)排气又依次在1号回热器(31)、2号回热器(32)、3号回热器(33)、4号回热器(34)放热后分成两股，一股经再压缩机(5)升压后汇入1号回热器(31)冷侧入口，另一股在1号预冷器(71)中冷却后进入主压缩机(4)，完成闭合循环；

高温高压二氧化碳进入透平(2)做功后，部分从透平(2)抽气口抽出，依次在5号回热器(35)、热网回热器(8)、2号预冷器(72)放热后，经供热压缩机(6)升压后汇入3号回热器(33)冷工质入口；

3号回热器(33)冷侧出口分流部分工质经5号回热器(35)加热后汇入1号回热器(31)冷侧工质出口，通过调整此部分抽气比例，调整进入热网加热器(8)的超临界二氧化碳工质温度，满足不同供热负荷需求，提高机组运行灵活性。

说明书

一种超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法

技术领域

[0001] 本发明属于热电联产领域，具体涉及一种超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法。

背景技术

[0002] 我国经济的稳定增长离不开强大能源系统的支撑。我国化石能源结构不平衡，煤炭是我国一次能源消费的主体，短时间内燃煤发电仍是我国主要发电方式。火电机组作为
我国煤炭的消费大户，每年的煤炭消费量约占全国煤炭消费总量的50％。

[0003] 我国火电技术进步从提高初参数、蒸汽再热等方式向全工况运行、余热深度利用等方向转变。同时，北方地区开展集中供热，减少小型供热锅炉污染物的排放，改善冬季北
方雾霾多发的环境问题。因此，火电机组进行热电联产对我国节能减排工作具有重要意义。

[0004] 超临界二氧化碳动力循环具有能量密度大、系统结构紧凑、循环效率高、可基于现有的材料实现、系统部件尺寸较小、结构紧凑，等诸多优点。因此，超临界二氧化碳动力循环
有望取代蒸汽动力循环。

[0005] 目前我国北方地区热电联产机组多采用高背压供热或者汽轮机抽气供热，但是超临界二氧化碳系统中，透平乏汽压力多在10MPa以下，此时工质温度大于60℃时，放热缓慢，
低于60℃时，放热曲线难以匹配，容易产生较大的不可逆损失，供热所需余热多在50℃‑140
℃，此温度区间乏汽利用难度大，所以超临界二氧化碳燃煤发电系统供热区别与传统的高
背压供热机组，合理匹配能级，满足供热温度、负荷要求是超临界二氧化碳动力循环所需要
解决的问题。

发明内容

[0006] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法，该系统采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，同时为
用户提供热、电两种能源。通过热端‑回热‑供热过程的耦合优化，本发明可大幅度提高超临
界二氧化碳动力系统的能量利用率。

[0007] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种超临界二氧化碳热电联产系统，包括锅炉1，锅炉1工质出口与透平2工质入口相连，透平2排气口与1号回热器31、2号回热器32、3号回热器33和4号回热器34热侧依次相
连，4号回热器34出口与1号预冷器71工质入口相连，1号预冷器71工质出口与主压缩机4入
口相连，主压缩机4出口依次与4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32和1号回热器31冷
侧依次相连，1号回热器31冷侧出口与锅炉1入口相连；

[0009] 透平2工质抽气口与5号回热器35、热网加热器8、2号预冷器72工质热侧依次相连，预冷器72工质热侧出口与供热压缩机6入口相连，供热压缩机6出口连接在3号回热器33冷
侧入口、4号回热器34冷侧出口间，3号回热器33冷侧出口与5号回热器35冷侧入口相连，5号
回热器35冷侧出口与锅炉1入口相连；

[0010] 热网加热器8冷却水进出口与热网相连，1号预冷器71、2号预冷器72冷却水进出口与冷却水系统相连。

[0011] 4号回热器34出口还与再压缩机5工质入口相连，再压缩机5工质出口与1号回热器31冷侧入口相连。

[0012] 透平2排气口压力为7.7MPa‑8.5MPa。

[0013] 透平2抽气口压力为10MPa‑15.0MPa。

[0014] 1号预冷器71、2号预冷器72预冷器工质出口温度为33℃‑38℃。

[0015] 供热压缩机6出口温度与4号回热器34出口温度偏差小于5℃。

[0016] 2号预冷器72工质热侧入口温度为45℃‑75℃。

[0017] 所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统的运行方法，超临界二氧化碳在主压缩机4中升压后，依次在4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32、1号回热器31、锅炉1吸热后
成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平2做功，透平2排气又依次在1号回
热器31、2号回热器32、3号回热器33、4号回热器34放热后分成两股，一股经再压缩机5升压
后汇入1号回热器31入口，另一股在预冷器7中冷却后进入主压缩机1，完成闭合循环；

[0018] 高温高压二氧化碳进入透平2做功后，部分从透平2抽气口抽出，依次在5号回热器35、热网回热器8、2号预冷器72放热后，经供热压缩机6升压后汇入3号回热器33冷工质入
口；

[0019] 3号回热器33冷侧出口分流部分工质经5号回热器35加热后汇入1号回热器31冷侧工质出口，通过调整此部分抽气比例，调整进入热网加热器8的超临界二氧化碳工质温度，
满足不同供热负荷需求，提高机组运行灵活性。

[0020] 和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

[0021] (1)本发明采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，耦合抽气供热系统，同时为用户提供热、电两种能源，通过热端‑回热‑供热过程的耦合优化，可大幅度提高超临界
二氧化碳动力系统的能量利用率；

[0022] (2)本发明采用多级回热分流再压缩超临界二氧化碳动力循环，系统循环效率较高；

[0023] (3)本发明可以以通过调整回热系统二氧化碳分流比例，满足不同的供热负荷需求，提高机组的运行灵活性；

[0024] (4)本发明可以使系统在满足供热温度的同时，提高进入锅炉的工质温度，降低热端换热温差，减少不可逆损失，提高机组发电效率。

附图说明

[0025] 图1为二氧化碳不同压力下焓值随温度变化曲线图。

[0026] 图2为本发明超临界二氧化碳热电联产系统示意图。

[0027] 图3为换热过程工质温度‑焓值变化趋势曲线图。

[0028] 图中：1为锅炉、2为透平、31为1号回热器、32为2号回热器、33为3号回热器、34为4号回热器、35为5号回热器、4为主压缩机、5为再压缩机、6为供热压缩机、71为1号预冷器、72
为2号预冷器、8为热网加热器。

具体实施方式

[0029] 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。

[0030] 工作原理

[0031] 二氧化碳工质在不同压力下焓值与温度变化曲线如图1所示，超临界二氧化碳系统中，透平乏汽压力多在10MPa以下，此时工质温度大于60℃时，放热缓慢，低于60℃时，放
热曲线难以匹配，容易产生较大的不可逆损失，供热所需余热多在50℃‑140℃，此温度区间
乏汽利用难度大，所以超临界二氧化碳燃煤发电系统供热区别与传统的高背压供热机组。
在二氧化碳压力较高时，放热曲线线性较好，容易匹配，所以通过透平抽气获得较高压力工
质供热是相对比较合理且系统简单的方式。超临界二氧化碳系统透平抽气温度较高，所以
抽气供热需要解决抽气热量的梯级利用问题。

[0032] 如图2所示，本发明一种超临界二氧化碳热电联产系统，包括锅炉1，锅炉1工质出口与透平2工质入口相连，透平2排气口与1号回热器31、2号回热器32、3号回热器33和4号回
热器34热侧依次相连，4号回热器34出口与1号预冷器71工质入口相连，1号预冷器71工质出
口与主压缩机4入口相连，主压缩机4出口依次与4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32
和1号回热器31冷侧依次相连，1号回热器31冷侧出口与锅炉1入口相连；透平2工质抽气口
与5号回热器35、热网加热器8、2号预冷器72工质热侧依次相连，预冷器72工质热侧出口与
供热压缩机6入口相连，供热压缩机6出口连接在3号回热器33冷侧入口、4号回热器34冷侧
出口间，3号回热器33冷侧出口与5号回热器35冷侧入口相连，5号回热器35冷侧出口与锅炉
1入口相连；热网加热器8冷却水进出口与热网相连，1号预冷器71、2号预冷器72冷却水进出
口与冷却水系统相连。

[0033] 作为本发明的优选实施方式，4号回热器34出口还与再压缩机5工质入口相连，再压缩机5工质出口与1号回热器31冷侧入口相连，采用分流再压缩的方式，系统循环效率更
高。

[0034] 作为本发明的优选实施方式，透平2排气口压力为7.7MPa‑8.5MPa，这样可以维持透平2有较高的输出功率，又可以保证二氧化碳工质在整个循环中保持超临界状态。

[0035] 作为本发明的优选实施方式，透平2抽气口压力为10MPa‑15.0MPa，这样可以满足热网加热器8所需压力。

[0036] 作为本发明的优选实施方式，1号预冷器71、2号预冷器72预冷器工质出口温度为33℃‑38℃，这样循环的平均放热温度较低，保证系统较高的循环效率。

[0037] 作为本发明的优选实施方式，供热压缩机6出口温度与4号回热器34出口温度偏差小于5℃，这样可以减少两股工质汇集产生的不可逆损失。

[0038] 2号预冷器72工质热侧入口温度为45℃‑75℃，这样可以保证热网加热器8冷端有合理的换热端差。

[0039] 本发明所述的一种超临界二氧化碳热电联产系统的运行方法，超临界二氧化碳在主压缩机4中升压后，依次在4号回热器34、3号回热器33、2号回热器32、1号回热器31、锅炉1
吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平2做功，透平2排气又依次
在1号回热器31、2号回热器32、3号回热器33、4号回热器34放热后分成两股，一股经再压缩
机5升压后汇入1号回热器31入口，另一股在预冷器7中冷却后进入主压缩机1，完成闭合循
环；

[0040] 高温高压二氧化碳进入透平2做功后，部分从透平2抽气口抽出，依次在5号回热器35、热网回热器8、2号预冷器72放热后，经供热压缩机6升压后汇入3号回热器33冷工质入
口；

[0041] 3号回热器33冷侧出口分流部分工质经5号回热器35加热后汇入1号回热器31冷侧工质出口，通过调整此部分抽气比例，调整进入热网加热器8的超临界二氧化碳工质温度，
满足不同供热负荷需求，提高机组运行灵活性。

[0042] 本发明公开了一种超临界二氧化碳热电联产系统及运行方法，采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，耦合抽气供热系统，同时为用户提供热、电两种能源。通过热
端‑回热‑供热过程的耦合优化，本发明可大幅度提高超临界二氧化碳动力系统的能量利用
率。由于超临界二氧化碳在压力较低时放热过程温度变化，在低温段难以进行合理的温度
匹配，所以超临界二氧化碳燃煤发电系统供热与传统的高背压供热机组区别明显，通过透
平抽气获得较高压力工质供热是相对比较合理且系统简单的方式。换热器换热过程工质温
度‑焓值变化趋势曲线如图3所示，本系统针对抽气进行合理能级匹配，将供热抽气与回热
系统进行耦合，减小系统中的换热不可逆损失，可以通过调整回热系统二氧化碳分流比例，
满足不同的供热负荷需求，提高机组的运行灵活性；也可以使系统在满足供热温度的同时，
提高进入锅炉的工质温度，降低热端换热温差，减少不可逆损失，提高机组发电效率。