超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统及调温方法

技术领域

本发明涉及发电设备领域，特别涉及一种超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统及调温方法。

背景技术

如今火力发电技术的发展基本接近瓶颈，传统燃煤发电系统的效率提高存在很大的难度。采用水为循环工质，蒸汽朗肯循环效率的提高已接近极限，为提高总效率，减小热损失，只能不断提高循环的参数，但这受到材料的限制。若盲目地追求高温高压，将很难找到能够承受更高蒸汽参数的合适材料且投资成本亦将大幅度提高。由于这些情况的出现，作为一种新型工质应用于动力系统的超临界二氧化碳得到了广泛关注。二氧化碳比水更容易实现超临界状态，高温氧化性弱于水蒸气，且由于超临界二氧化碳所具有的特殊物理性质，以其作为工质的布雷顿循环具有很多优势，相较于蒸汽朗肯循环，在相同的透平入口温度下，S-CO2布雷顿循环的循环效率可提升3％-5％，由于系统使用的透平和压缩机尺寸小，且采用高效紧凑的印刷电路板式换热器，发电系统变得更加紧凑，占地面积也更小。另外，由于超临界二氧化碳能量密度比水大，按照现有钢材耐高温水平，超临界二氧化碳锅炉系统可实现更高的效率。

一次再热分流再压缩是超临界二氧化碳燃煤发电系统中研究最为活跃的系统布置之一，其具有系统简单、布置紧凑和效率高等优点。然而与传统水蒸汽循环发电系统相比，超临界二氧化碳燃煤发电系统中锅炉入口工质温度由200℃～300℃显著提高至约500℃。由于不存在相变过程，致使传统的喷水减温调节技术难以适用。此外，系统采用布雷顿循环后，循环特性使得超临界二氧化碳锅炉内工质的流量大，是水蒸气朗肯循环的8倍左右。为保证超临界二氧化碳锅炉的安全稳定运行，其应确保在不同负荷下保持额定气温和一定的气温调节能力，否则将会导致系统效率降低锅炉安全问题。传统电站的蒸汽锅炉主要通过“煤水比”和喷水减温系统调节过热汽温。但超临界二氧化碳锅炉整个系统中各处工质均处于超临界状态，二氧化碳仍属气态，采取喷入锅炉入口附近区域的二氧化碳的做法由于没有气化潜热，冷却效果不佳。工质侧带来的变化使得传统技术方案对超临界二氧化碳燃煤锅炉的气温调节失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统及调温方法，有效的克服了现有技术的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统，包括：

超临界二氧化碳锅炉系统，包括磨煤机、炉膛和与炉膛上端相连的烟道，上述烟道内自前向后间隔布置有受热面结构，上述炉膛上的燃烧器连接磨煤机的出粉口；

动力循环发电系统，包括高温回热器、低温回热器、预冷器、主压缩机、再压缩机、高压透平、低压透平和发电机，上述预冷器的进口及出口、主压缩机的进口及出口、再压缩机的进口及出口、高压透平的进口及出口、低压透平的进口及出口、高温回热器的壳程入口及壳程出口、低温回热器的壳程入口及出口首尾顺次连接；上述高压透平及低压透平共同与上述发电机传动连接；上述主压缩机的出口、低温回热器的管程入口及出口、高温回热器的管程入口及出口、炉膛顺次连接，上述低温回热器的壳程出口连接上述再压缩机的进口；

烟气再循环系统，包括引风机和再循环风机，上述烟道的尾部、引风机、再循环风机和炉膛的底部顺次连接。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，上述受热面结构包括屏式过热器、高温过热器、高温再热器、低温再热器、低温过热器和分流省煤器，上述高温过热器和分流省煤器分别布置在上述烟道连接炉膛的位置以及靠近上述烟道尾端的位置。

进一步，上述烟道的尾端设有空气预热器，上述空气预热器的出口、引风机、再循环风机和炉膛的底部顺次连接，经上述再循环风机分流引入上述炉膛中的烟气流量占上述烟道尾部烟气总流量的5-40％。

进一步，上述空气预热器的出口通过一次风机连接上述磨煤机的进风口。

进一步，还包括换热器，上述换热器的壳程入口及出口分别连接上述炉膛，上述低温回热器的出口、换热器管程入口及出口、分流省煤器的进口顺次连接，经上述低温回热器的出口分流进入上述换热器的管程入口的流体工质流量占上述低温回热器的出口处流体工质总流量的0-25％。

进一步，上述混合器的出口连接上述高温过热器的进口以及高温再热器的进口，经上述预冷器的出口分流进入上述混合器的流体工质流量占上述预冷器的出口处流体工质总流量的0-15％。

还提供一种超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统的调温方法，包括如下方式：

S1、在锅炉内的主蒸气和再热气的温度均高于额定气温或者均低于额定气温时，调节由上述磨煤机、一次风机组成的送粉通道的进煤粉量，直至主蒸气和再热气均达到额定气温区域；

或S2、在锅炉内的主蒸气与额定气温的偏差为0～+10℃范围且再热气与额定气温的偏差为-10～0℃范围时，采用烟气再循环方式，开启与上述引风机相连的再循环风机，经上述再循环风机分流引入上述炉膛中的烟气流量占上述烟道尾部烟气总流量的5％～15％；

或S3、在锅炉内的主蒸气与额定气温的偏差为10～+20℃范围且再热气与额定气温的偏差为-10～0℃范围时，开启与上述引风机相连的再循环风机，增加烟气再循环；同时开启上述低温回热器出口与上述分流省煤器相连的通道，并开启换热器与炉膛内部相连的通道，使得上述炉膛内的高温流体工质与经上述低温回热器来的流体工质通过上述换热器进行热量交换，低温回热器来的工质经换热器升温后引到位于烟道尾部的分流省煤器；

或S4、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为20～+30℃范围且再热气与额定气温的偏差为-10～0℃范围时，先开启与上述引风机相连的再循环风机，增加烟气再循环；同时开启上述低温回热器与上述分流省煤器相连的通道，并开启换热器与炉膛内部相连的通道，使得上述炉膛内的高温流体工质与经上述低温回热器来的流体工质通过上述换热器进行热量交换，并开启上述预冷器出口与上述高温过热器之间的通道，从上述预冷器来的低温流体工质通过上述混合器与高温流体工质直接混合。

或S5、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为-10～0℃范围且再热气与额定气温的偏差为0～+10℃范围时，开启与上述引风机出口相连的再循环风机，在已有烟气再循环的基础上减少烟气再循环的量，经上述再循环风机分流引入上述炉膛中的烟气流量占上述烟道尾部烟气总流量的5％～15％；

或S6、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为-10～0℃范围且再热气与额定气温的偏差为10～+20℃范围时，开启与上述引风机出口相连的再循环风机，减少烟气再循环；同时开启上述低温回热器出口与上述分流省煤器相连的通道，并开启换热器与炉膛内部相连的通道，使得上述炉膛内的高温流体工质与经上述低温回热器来的流体工质通过上述换热器进行热量交换；

或S7、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为-10～0℃范围且再热气与额定气温的偏差为20～+30℃范围时，先开启与上述引风机出口相连的再循环风机，减少烟气再循环；同时开启上述预冷器出口与上述高温过热器之间的通道，从上述预冷器来的低温流体工质通过混合器与高温流体工质直接混合；

或S8、若气温偏差不在S1-S7上述的范围内，则先采用S1中的方式调节给煤量，将主气或再热气中偏差较小的气温调节至0～±10℃以内，然后再利用第S2-S7的调节方法进行调节。

本发明的有益效果是：

1)针对超临界二氧化碳锅炉调温手段缺乏的问题，设计了多种调温手段，可以针对不同的气温偏差情况进行精细调节。

2)提出了应用于超临界二氧化碳燃煤锅炉的组合式气温调节方法，针对在不同气温偏差范围下的情形进行单一或多种组合的气温调控，由于气温难以通过单一的调节达到目的，因此多种方法相互配合进行组合调节可以更好地保障超临界二氧化碳锅炉的高效安全运行。

附图说明

图1为本发明的超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统的结构示意图；

图2为图1中采用低温回热器工质与高温工质通过换热器减温的示意图；

图3为图1中预冷器低温流体工质与锅炉中高温过热器、再热器入口流体工质混合减温的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、炉膛；2、屏式过热器；3、高温过热器；4、高温再热器；5、低温再热器；6、低温过热器；7、分流省煤器；8、空气预热器；9、引风机；10、再循环风机；11、原煤仓；12、给煤机；13、磨煤机；14、风箱；15、高温回热器；16、低温回热器；17、预冷器；18、主压缩机；19、再压缩机；20、高压透平；21、低压透平；22、换热器；23、发电机；24、烟道；25、混合器；26、一次风机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例的超临界二氧化碳动力循环燃煤锅炉发电系统包括：

超临界二氧化碳锅炉系统，包括磨煤机13、炉膛1和与炉膛1上端相连的烟道24，上述烟道24内自前向后间隔布置有受热面结构，上述炉膛1上的燃烧器连接磨煤机13的出粉口；

动力循环发电系统，包括高温回热器15、低温回热器16、预冷器17、主压缩机18、再压缩机19、高压透平20、低压透平21和发电机23，上述预冷器17的进口及出口、主压缩机18的进口及出口、再压缩机19的进口及出口、高压透平20的进口及出口、低压透平21的进口及出口、高温回热器15的壳程入口及壳程出口、低温回热器16的壳程入口及出口首尾顺次连接；上述高压透平20及低压透平21共同与上述发电机23传动连接(高压透平20及低压透平21与发电机23的主轴三者同轴连接)；上述主压缩机18的出口、低温回热器16的管程入口及出口、高温回热器15的管程入口及出口、炉膛1顺次连接；上述预冷器17的出口和炉膛1顶部分别连接混合器25的进口，上述混合器25的出口连接上述高温过热器3的进口，上述低温回热器16的壳程出口连接上述再压缩机19的进口；

烟气再循环系统，包括引风机9和再循环风机10，上述烟道24的尾部、引风机9、再循环风机10和炉膛1的底部顺次连接；

其中，上述烟道24的尾端设有空气预热器8，上述空气预热器8的出口、引风机9、再循环风机10和炉膛1的底部顺次连接；上述空气预热器8的出口通过一次风机26连接上述磨煤机13的进风口；同时，系还配置有换热器22，上述换热器22的壳程入口及出口分别连接上述炉膛1，上述低温回热器16的出口、换热器22管程入口及出口、分流省煤器7的进口顺次连接。在上述各个管线上均可以配置流量阀或截止阀来控制管线中流体的是否流动及流量，也就是控制某段管路的开启。

本实施例中，上述受热面结构包括屏式过热器2、高温过热器3、高温再热器4、低温再热器5、低温过热器6和分流省煤器7，上述高温过热器3和分流省煤器7分别布置在上述烟道24连接炉膛1的位置以及靠近上述烟道24尾端的位置，其中，屏式过热器2、高温过热器3、高温再热器4、低温再热器5和分流省煤器7按照烟气的流动方向顺次间隔布置于烟道24中，并且，低温过热器6并排设置于低温再热器5附近。

本实施例的系统在使用过程中气温调节方法包括以下几种方式：

方式S1、在锅炉内的主蒸气和再热气的温度均高于额定气温或者均低于额定气温时，采用调节给煤量与CO

在上述S1方式中，磨煤机13的进煤口连接有给煤机12，给煤机12的进料口连接原煤仓11，在磨煤机13与燃烧器连接的通道上设有风箱14。

方式S2、在锅炉内的主蒸气与额定气温的偏差为0～+10℃范围且再热气与额定气温的偏差为-10～0℃范围时，采用烟气再循环方式，具体为：开启与上述引风机9相连的再循环风机10，由于再循环烟气量的增加，锅炉尾部较低温度烟气流入炉膛1后，温度水平将会降低，炉膛1辐射吸热量减少，而烟道24内的过热器(低温过热器6及高温过热器3)以吸收辐射热为主，且再热器(高温再热器4和低温再热器5)属于对流受热面，再循环烟气增加后，烟速提高，对流传热量增加，从而使得再热器升温、过热器降温，将再热气和主蒸气与额定温度的偏差减小，其中，经上述再循环风机10分流引入上述炉膛1中的烟气流量占上述烟道24尾部烟气总流量的5％～15％。

方式S3、在锅炉内的主蒸气与额定气温的偏差为10～+20℃范围且再热气与额定气温的偏差为-10～0℃范围时，采用烟气再循环方法+低温回热器调节方法，具体为：开启与上述引风机9相连的再循环风机10，增加烟气再循环；同时开启上述低温回热器16出口与上述分流省煤器7相连的通道，并开启换热器22与炉膛1内部相连的通道，使得上述炉膛1内的高温流体工质与经上述低温回热器16来的流体工质通过上述换热器22进行热量交换，低温回热器16来的工质经换热器22升温后引到位于烟道24尾部的分流省煤器7，其余支路通道保持原状。

方式S4、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为20～+30℃范围且再热气与额定气温的偏差为-10～0℃范围时，采用烟气再循环方法+低温回热器调节方法，具体为：先开启与上述引风机9相连的再循环风机10，增加烟气再循环；同时开启上述低温回热器16与上述分流省煤器7相连的通道，并开启换热器22与炉膛1内部相连的通道，使得上述炉膛1内的高温流体工质与经上述低温回热器16来的流体工质通过上述换热器22进行热量交换，并开启上述预冷器17出口与上述高温过热器3之间的通道，从上述预冷器17来的低温流体工质通过上述混合器25与高温流体工质直接混合。

方式S5、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为-10～0℃范围且再热气与额定气温的偏差为0～+10℃范围时，采用烟气再循环方法，具体为：开启与上述引风机9出口相连的再循环风机10，在已有烟气再循环的基础上减少烟气再循环的量，其中，经上述再循环风机10分流引入上述炉膛1中的烟气流量占上述烟道24尾部烟气总流量的5％～15％；

方式S6、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为-10～0℃范围且再热气与额定气温的偏差为10～+20℃范围时，采用烟气再循环方法+低温回热器调节方法，具体为：开启与上述引风机9出口相连的再循环风机10，减少烟气再循环；同时开启上述低温回热器16出口与上述分流省煤器7相连的通道，并开启换热器22与炉膛1内部相连的通道，使得上述炉膛1内的高温流体工质与经上述低温回热器16来的流体工质通过上述换热器22进行热量交换，其余支路通道保持原状。

方式S7、在锅炉内的主蒸气与额定气温偏差为-10～0℃范围且再热气与额定气温的偏差为20～+30℃范围时，采用烟气再循环方法+预冷器调节方法，具体为：先开启与上述引风机9出口相连的再循环风机10，减少烟气再循环；同时开启上述预冷器17出口与上述高温过热器3之间的通道，从上述预冷器17来的低温流体工质通过混合器25与高温流体工质直接混合；

方式S8、若气温偏差不在S1-S7上述的范围内，则先采用S1中的方式调节给煤量，将主气或再热气中偏差较小的气温调节至0～±10℃以内，然后再利用第S2-S7的调节方法进行调节。

需要补充说明的是：无论选择上述哪种调温方式进行调温，系统中分流的烟气量和流体工质量应根据所限的炉膛1的最高温度、NOx浓度水平以及燃烧效率进行优化调整。

更具体地，以一台300MW，主气出口参数为28MPa，600℃的超临界二氧化碳燃煤锅炉为例，二氧化碳工质从储罐中流出经超临界二氧化碳锅炉内的各受热面加热升温后，出现主气温度高于额定温度，再热气温低于额定温度的情形，此时因再热器布置在过热器之后，首先考虑采用烟气再循环的方法，将烟气再循环通道开启，增加再循环烟气的流量，尾部烟气的流入使得炉膛1的温度降低，由于过热器以吸收辐射热为主，而再热器属于对流受热面，烟气再循环增加之后就可以使得再热器升温、过热器降温，进而将两者与额定温度的偏差减小以满足要求。若此时两者与额定温度的偏差太大导致烟气再循环的调节效果不佳，可采用给煤量与CO

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。