一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，涉及一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统。

背景技术

电能被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域，在我们的生活中起到重大的作用。利用各种其它能源进行发电是电能产生的主要途径。

例如，人们设计了压缩空气储能调压及膨胀机做功系统，并申请了中国专利，其申请号为：201710769719.5；其公布号为：CN107401499A；该系统包括依次连接储能系统、调压系统和做功系统，以及位于储能系统和做功系统上的调温系统，储能系统包括电动机、与电动机连接的若干台串联的空气压缩机，以及与最后一个空气压缩机连接的压缩空气储罐，调压系统包括可调式压力匹配器与自动控制装置，可调式压力匹配器与压缩空气储罐连接并通过自动控制装置调压，做功系统包括与可调式压力匹配器连接的若干台串联的空气膨胀机，以及与空气膨胀机连接的发电机，温调系统设置在可调式压力匹配器、空气膨胀机的入口处，通过温调系统及可调式压力匹配器形成高温中压气流实现空气膨胀机对外做功。该系统通过若干台串联的空气压缩机将空气压缩后储存在压缩空气储罐中，在需要时释放至若干台串联的空气膨胀机处做功，并带动发电机发电。

在该系统的工作过程中，空气需要经过多台串联的空气压缩机进行多次压缩，但是，随着空气的压缩，压缩空气的温度会升高，而温度升高后的空气对进一步的压缩会产生更大的阻力，需要更大的机械能来进一步压缩空气，整套系统能耗损失较大，发电效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统，解决了现有发电系统发电效率较低的问题。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统，包括锅炉发电装置以及依次通过管路串联的压缩机一、压缩机二和膨胀机，所述锅炉发电装置包括锅炉、与锅炉连接的用于排出尾气的烟道以及具有待加热段的汽水管网，其特征在于，所述压缩机一和压缩机二之间还串联有一冷却器，所述待加热段连接至所述冷却器且待加热段内的介质能吸收所述压缩机一排出的压缩空气的热量，所述烟道处还设置有换热器，所述膨胀机和压缩机二之间的管路连接至所述换热器内并能与烟道中的尾气进行热交换。

锅炉发电装置是目前电厂较为常用的发电系统，其通过在锅炉燃烧燃料产生热量以进行发电，燃料燃烧后的尾气通过烟道排出，并依次经过脱销、空预、电除尘、脱硫等处理以后自烟囱中排出至空气中；汽水管网是能使水流在管网中循环流动并不断经历加热和冷却过程的管路系统，用以配合锅炉等结构使用，其中的待加热段内流动的为温度相对较低的介质，需要通过低压加热器加热后循环使用。

本空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统在使用时，由压缩机一将空气进行初次压缩，压缩后的空气压力和温度升高，从压缩机一内送出的压缩空气经过管路进入冷却器中，由汽水管网中的待加热段中的介质与压缩空气进行热交换，吸收压缩空气的热量，使得压缩空气降温后再次进入压缩机二进行压缩，压缩完成后的压缩空气在进入膨胀机中做功之前，先经过烟道中的换热器，吸收烟道中高温尾气的热量，使得压缩空气最终达到高温高压的状态后进入膨胀机中做功。

在此工作过程中，选取锅炉发电装置的待加热段吸收压缩空气的热量，使压缩空气的温度降低，不仅降低了下一步压缩机二压缩空气时阻力和能耗，且同时减少了汽水管网中的加热能耗，进一步降低了能耗，提高了发电效率。而锅炉发电装置中，自烟道中排出的尾气温度很高，通过换热器的设置可将锅炉尾气的热量重新利用，采用热传递的方式提高被压缩后的空气温度，使其达到甚至超过进入膨胀机做功的标准，充分利用了尾气的热量，减少了尾气处理的能量损失，也提高了膨胀机的做功效率，进而提高了发电效率。即在本系统中，通过将膨胀机做功系统和锅炉发电装置进行耦合的方式，将其中多余的热量转移至另一系统中，减少了能量损失，提高了发电效率。

在上述的一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统中，所述锅炉发电装置还包括与锅炉相连通的进风风道，所述膨胀机的出气口通过排气管连通至所述进风风道。锅炉在燃烧过程中需要通过进风风道向锅炉内送风以保证燃烧过程中具有充足的氧气，而将膨胀机中做功后具有一定温度的空气经过进风风道送入到锅炉中，可使排气的热量又变成锅炉的有效输入热，减少了热能损失，提高了整体的发电效率。

在上述的一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统中，所述排气管相对于进风风道倾斜设置，且排气管的进风方向和进风风道的进风方向的夹角为锐角。将排气管倾斜设置，可减少两个进风管道之间的风力的动能损失，保证能量的利用率。

在上述的一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统中，所述膨胀机和压缩机二之间的管路上还连接有能对管路中的压缩空气进行加热的外部热源加热器。可以根据需要灵活地耦合氢气、天然气、多源固废等燃烧所产生的热量用于加热空气，提高膨胀机的做功和发电效率。

在上述的一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统中，所述发电系统还包括通过管路串联在所述压缩机二和膨胀机之间的压缩机三，所述压缩机二和压缩机三之间还串联有一冷却器，所述汽水管网的待加热段连接至所述冷却器中并能吸收所述压缩机二排出的压缩空气的热量。进入膨胀机中的压缩空气的压力要求较高，可通过多级压缩的方式来使压缩空气达到要求，同时，多级压缩机之间可均设置冷却器，由汽水管网中的低温介质吸收压缩空气的热量，为多级空气压缩进一步降低阻力和能耗，进一步提高发电效率。

在上述的一种空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统中，所述换热器包括均设置于所述烟道处的换热器一和换热器二，所述管路依次穿过所述换热器一和换热器二后连接至所述膨胀机的入口，所述换热器一相对于换热器二更靠近所述烟道的出口端。通过烟道中不同位置的不同温度尾气，设置多个换热器来对压缩空气进行加热，热量利用率高。

与现有技术相比，本空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统通过将膨胀做功发电装置和锅炉发电装置进行耦合的方式，将其中多余的热量转移至另一系统中重新利用，减少了不必要的能量损失和能耗，提高了发电效率。

附图说明

图1是本空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统的结构示意图。

图中，1、压缩机一；2、压缩机二；3、压缩机三；4、膨胀机；5、锅炉；6、烟道；7、汽水管网；71、待加热段；8、冷却器；9、换热器；10、进风风道；11、排气管；12、外部热源加热器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统包括锅炉5发电装置以及膨胀做功发电装置。其中，锅炉5发电装置包括锅炉5、与锅炉5连接的用于排出尾气的烟道6、与锅炉5连接的用于进风的进风风道10以及具有待加热段71的汽水管网7。膨胀做功发电装置包括通过管路依次串联的压缩机一1、压缩机二2、压缩机三3和膨胀机4，膨胀机4与发电机连接。

压缩机一1和压缩机二2之间以及压缩机二2和压缩机三3之间分别串联有一冷却器8，汽水管网7的待加热段71分别连接至两个冷却器8中且能由待加热段71内的介质吸收压缩机一1和压缩机二2排出的压缩空气的热量用以加热待加热段71内的介质。

烟道6内还设置有换热器9，压缩机三3和膨胀机4之间的管路连接至到换热器9中并能与烟道6中的尾气进行热交换以提升管路中压缩空气的温度。在本实施例中，换热器9包括均设置于烟道6内的换热器一和换热器二，管路依次穿过换热器一和换热器二后再连接至膨胀机4的入口，换热器一相对于换热器二更靠近烟道6的出口端，换热器一和换热器二之间还串联有能对管路中的压缩空气进行加热的外部热源加热器12。

膨胀机4的出气口通过排气管11连通至锅炉5的进风风道10，使膨胀机4内排出的空气沿着进风风道10被送入到锅炉5中以对排气的热量进行重新利用。为了使膨胀机4的排气与进风更顺畅，可使排气管11相对于进风风道10倾斜设置，且排气管11的进风方向和进风风道10的进风方向的夹角为锐角。该锐角的具体角度可为15°～60°。

上述的锅炉5发电装置是目前电厂较为常用的发电系统，其通过在锅炉5燃烧燃料产生热量以进行发电，燃料燃烧后的尾气通过烟道6排出，并依次经过脱销、空预、电除尘、脱硫等处理以后自烟囱中排出至空气中；汽水管网7是能使水流在管网中循环流动并不断经历加热和冷却过程的管路系统，用以配合锅炉5等结构使用，其中的待加热段71内流动的为温度相对较低的介质，需要通过低压加热器加热后循环使用，所以，可选取经过低压加热器之前的管路作为待加热段71。

本空气-蒸汽双介质耦合循环高效发电系统在使用时，由压缩机一1将空气进行初次压缩，压缩后的空气压力和温度升高，从压缩机一1内送出的压缩空气经过管路进入冷却器8中，由汽水管网7中的待加热段71中的介质与压缩空气进行热交换，吸收压缩空气的热量，使得压缩空气降温后再次进入压缩机二2进行压缩，二次压缩后的压缩空气同样经过下一级冷却器8的冷却后送入到压缩机三3中进行第三次压缩，根据实际情况，压缩机的数量可相应地增加或者减少。压缩完成后的压缩空气在进入膨胀机4中做功之前，先经过烟道6中的换热器一和换热器二，吸收烟道6中高温尾气的热量，使得压缩空气最终达到高温高压的状态，如果换热效果不理想，可采用氢气、天然气、多源固废等燃料燃烧产生的热量经外部热源加热器12对管路中的压缩空气进行额外的加热，加热完成后的压缩空气进入到膨胀机4中做功并带动发电机发电。做功完成后，膨胀机4中空气自排气管11排出后进入到进风风道10中，随着进风风道10内的风力向锅炉5内送入，为锅炉5内的燃料燃烧提供氧气和热量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。