一种超临界二氧化碳源储一体发电系统及运行方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳源储一体发电系统及运行方法。

背景技术

超临界二氧化碳循环是极有潜力的可用于燃煤发电的新型动力循环，有望取代传统的蒸汽朗肯循环。二氧化碳临界参数低，容易实现超临界状态，且二氧化碳物性在临界点附近变化剧烈，当接近临界点时，密度急剧增大，压缩性减小，压缩机耗功减小，故系统循环效率较高。

对于燃煤发电机组，除了要不断提高能源利用效率外，还需要增强机组灵活性，为大规模新能源消纳提供调峰服务。机组灵活性通常表现在变负荷区间、变负荷速率、启停时间等。然而，超临界二氧化碳燃煤发电机组，也受到锅炉最小稳燃负荷、机-炉强耦合限制，灵活性不足。

发明内容

为拓宽燃煤发电机组运行负荷区间，增加系统灵活性以会更好的服务于电网调峰调频，本发明提出一种超临界二氧化碳源储一体发电系统及运行方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界二氧化碳源储一体发电系统，包括再压缩再热发电系统、热泵储热系统和释热系统；

所述再压缩再热发电系统包括气冷壁和过热器2、再热器3、省煤器4、高压透平16、低压透平17、高温回热器24、低温回热器23、再压缩机19、主压缩机20和冷却器22；所述主压缩机20出口与低温回热器23冷侧入口相连，低温回热器23冷侧出口与高温回热器24冷侧入口相连，高温回热器24冷侧出口与气冷壁和过热器2入口相连，气冷壁和过热器2工质出口与高压透平16相连，高压透平16工质出口与再热器3入口相连，再热器3工质出口与低压透平17入口相连，低压透平17出口依次与高温回热器24热侧和低温回热器23热侧相连，低温回热器23热侧出口分别与再压缩机19入口和冷却器22入口相连，再压缩机19出口与低温回热器23冷侧出口相连，冷却器22出口与主压缩机20入口相连；高温回热器24冷侧入口还与省煤器4入口相连，省煤器4出口与气冷壁和过热器2入口相连；

所述热泵储热系统包括烟气换热器6、1号熔盐换热器10、热泵透平8、热泵压缩机14、低温熔盐罐11和高温熔盐罐13；所述低温熔盐罐11出口连接1号熔盐换热器10冷侧入口连接，1号熔盐换热器10冷侧出口与高温熔盐罐13入口连接；1号低温回热器10热侧与热泵透平8、烟气换热器6、热泵压缩机14依次连接；

所述释热系统包括2号熔盐换热器12，所述2号熔盐换热器12热侧入口与高温熔盐罐13出口相连，2号熔盐换热器12热侧出口与低温熔盐罐11入口相连；2号熔盐换热器12冷侧入口与低温回热器23冷侧出口相连，2号熔盐换热器12冷侧出口与高压透平16入口相连。

所述系统还包括锅炉1，所述锅炉1内布置有气冷壁和过热器2、再热器3、省煤器4和烟气换热器6；锅炉1内还设置旁路烟道挡板5，将烟道分为主路烟道和旁路烟道7，主路烟道内布置省煤器4，旁路烟道7内布置烟气换热器6。

所述系统还包括与高压透平16和低压透平17共轴连接的发电机18，与主压缩机19和再压缩机20共轴连接的电动机21，与热泵透平8连接的热泵发电机9，以及与热泵压缩机14连接的热泵电动机15。

所述低温熔盐罐11与1号熔盐换热器10的连接管路上设置一号阀门251，高温熔盐罐13与2号熔盐换热器12的连接管路上设置三号阀门253，2号熔盐换热器12与低温回热器23冷侧出口的连接管路上设置二号阀门252。

所述主压缩机20入口温度为32-42℃。

所述主压缩机20入口压力为7.5-9.0MPa。

所述的一种超临界二氧化碳源储一体发电系统的运行方法，包括常规运行模式，热泵储热运行模式及释热运行模式；

所述常规运行模式，所有阀门和旁路烟道挡板5默认关闭状态，锅炉1中气冷壁和过热器2出口的高温高压二氧化碳工质进入高压透平16做功，高压透平16出口工质经再热器3再热后，再进入低压透平17做功，低压透平17出口工质依次经高温回热器24和低温回热器23放热后分为两部分：一部分经再压缩机19压缩升压；另一部分经冷却器22冷却后进入主压缩机20压缩升压，主压缩机20出口工质进入低温回热器23加热，低温回热器23冷侧出口工质与再压缩机19出口工质汇合，经高温回热器24加热后进入锅炉1；高温回热器24冷侧入口前存在分流，分流出部分工质进入锅炉1的省煤器4吸收中低温烟气热量，然后在气冷壁和过热器2工质入口前汇入主流；

所述热泵储热运行模式，在常规运行模式基础上，打开旁路烟道挡板5，打开一号阀门251；在锅炉1内部形成旁路烟道，分流部分烟气加热热泵透平8出口的低温低压二氧化碳工质，烟气换热器6出口的工质进一步被压缩至更高温度状态，并将热量经由熔盐换热器10存储于高温熔盐罐13；热泵压缩机14由电站多余电力驱动，即采用多余电力将中低温烟气热量转化为高温热量进行存储，降低机组输出功率；

所述释热运行模式，在常规运行模式基础上，关闭一号阀门251，打开二号阀门252和三号阀门253；释放高温熔盐罐13存储的高温熔盐于2号熔盐换热器12中加热来自低温回热器23出口分流的工质，释热后的低温熔盐返回存储于低温熔盐罐11，2号熔盐换热器12中被加热的工质汇入高压透平16入口，进而增加高压透平工质流量以提高机组输出功率。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1)本发明通过采用多余电力驱动热泵储电循环，实现快速降负荷，以及增加高压透平流量，提高升负荷速率。

2)本发明集成热泵储电系统，可通过储热降低燃煤发电机组最小运行负荷，以及通过释热提高机组输出功率，拓宽机组运行负荷区间，增强灵活性。

3)本发明在锅炉尾部布置分流烟道，在机组低负荷运行时，通过主路及旁路烟气混合，提高排烟温度，避免发生低温腐蚀。

附图说明

图1为本发明超临界二氧化碳源储一体发电系统示意图。

图2(a)为超临界二氧化碳源储一体发电系统的常规运行模式示意图。

图2(b)超临界二氧化碳源储一体发电系统的储热模式示意图。

图2(c)超临界二氧化碳源储一体发电系统的放热模式示意图。

具体实施方式

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。

超临界二氧化碳循环是极有潜力的可用于燃煤发电的新型动力循环，有望取代传统的蒸汽朗肯循环，但也受到锅炉最小稳燃负荷等限制，机组灵活性不足。为此，本发明提出一种超临界二氧化碳源储一体发电系统及运行方法。

如图1所示，一种超临界二氧化碳源储一体发电系统，包括再压缩再热发电系统、热泵储热系统和释热系统；再压缩再热发电系统包括气冷壁和过热器2、再热器3、省煤器4、高压透平16、低压透平17、高温回热器24、低温回热器23、再压缩机19、主压缩机20和冷却器22；主压缩机20出口与低温回热器23冷侧入口相连，低温回热器23冷侧出口与高温回热器24冷侧入口相连，高温回热器24冷侧出口与气冷壁和过热器2入口相连，气冷壁和过热器2工质出口与高压透平16相连，高压透平16工质出口与再热器3入口相连，再热器3工质出口与低压透平17入口相连，低压透平17出口依次与高温回热器24热侧和低温回热器23热侧相连，低温回热器23热侧出口分别与再压缩机19入口和冷却器22入口相连，再压缩机19出口与低温回热器23冷侧出口相连，冷却器22出口与主压缩机20入口相连；高温回热器24冷侧入口还与省煤器4入口相连，省煤器4出口与气冷壁和过热器2入口相连；

所述热泵储热部分系统包括烟气换热器6、1号熔盐换热器10、热泵透平8、热泵压缩机14、低温熔盐罐11和高温熔盐罐13；低温熔盐罐11出口连接1号熔盐换热器10冷侧入口连接，1号熔盐换热器10冷侧出口与高温熔盐罐13入口连接；1号低温回热器10热侧与热泵透平8、烟气换热器6、热泵压缩机14依次连接；

所述释热部分系统2号熔盐换热器12，2号熔盐换热器12热侧入口与高温熔盐罐13出口相连，2号熔盐换热器12热侧出口与低温熔盐罐11入口相连；2号熔盐换热器12冷侧入口与低温回热器23冷侧出口相连，2号熔盐换热器12冷侧出口与高压透平16入口相连。

所述系统还包括锅炉1，所述锅炉1内沿烟气流动方向布置有气冷壁和过热器2、再热器3、省煤器4和烟气换热器6；锅炉1内还设置旁路烟道挡板5，将烟道分为主路烟道和旁路烟道7，主路烟道内布置省煤器4，旁路烟道7内布置烟气换热器6。

所述系统还包括与高压透平16和低压透平17共轴连接的发电机18，与主压缩机19和再压缩机20共轴连接的电动机21，与热泵透平8连接的热泵发电机9，以及与热泵压缩机14连接的热泵电动机15。

低温熔盐罐11与1号熔盐换热器10的连接管路上设置一号阀门251，高温熔盐罐13与2号熔盐换热器12的连接管路上设置三号阀门253，2号熔盐换热器12与低温回热器23冷侧出口的连接管路上设置二号阀门252。

主压缩机20入口温度为32-42℃；主压缩机20入口压力为7.5-9.0MPa。

所述的一种超临界二氧化碳源储一体发电系统的运行方法：主要包括常规运行模式，热泵储热运行模式及释热运行模式：

常规运行模式，所有阀门和旁路烟道挡板5默认关闭状态，如图2(a)所示。锅炉1中气冷壁和过热器2出口的高温高压二氧化碳工质进入高压透平16做功，高压透平16出口工质经再热器3再热后，再进入低压透平17做功，低压透平17出口工质依次经高温回热器24和低温回热器23放热后分为两部分：一部分经再压缩机19压缩升压；另一部分经冷却器22冷却后进入主压缩机20压缩升压，主压缩机20出口工质进入低温回热器23加热，低温回热器23冷侧出口工质与再压缩机19出口工质汇合，经高温回热器24加热后进入锅炉1；高温回热器24冷侧入口前存在分流，分流出部分工质进入锅炉1的省煤器4吸收中低温烟气热量，然后在气冷壁和过热器2工质入口前汇入主流；

热泵储热运行模式，阀门和旁路烟道挡板5默认关闭状态，在所述常规运行模式基础上，打开旁路烟道挡板5，打开一号阀门251，如图2(b)所示。在锅炉1内部形成旁路烟道，分流部分烟气加热热泵透平8出口的低温低压二氧化碳工质，烟气换热器6出口的工质进一步被压缩至更高温度状态，并将热量经由熔盐换热器10存储于高温熔盐罐13；热泵压缩机14由电站多余电力驱动，即采用多余电力将中低温烟气热量转化为高温热量进行存储；

释热运行模式，阀门和旁路烟道挡板5默认关闭状态，在所述常规运行模式基础上，关闭一号阀门251，打开二号阀门252和三号阀门253，如图2(c)所示。释放高温熔盐罐13存储的高温熔盐于2号熔盐换热器12中加热来自低温回热器23出口分流的工质，释热后的低温熔盐返回存储于低温熔盐罐11，2号熔盐换热器12中被加热的工质汇入高压透平16入口，进而增加高压透平工质流量以提高机组输出功率。