[發明專利]一種超臨界二氧化碳布雷頓循環系統

在審

• 申請號: 201710048783.4
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106870037A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 徐鋼;徐進良;白子為;薛小軍;張國強;楊勇平
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: F01K25/10
• 分類號: F01K25/10;F01K11/02;F22B31/08;F23L15/00;F23J15/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于電站節能領域，特別涉及一種超臨界二氧化碳布雷頓循環系統

背景技術

超臨界二氧化碳(S-CO₂)布雷頓循環是以處于超臨界狀態的二氧化碳(臨界壓力7.38MPa，臨界溫度31.05℃)為工質，采用布雷頓循環原理實現能量轉換的一種循環方式。

采用超臨界流體作為循環工質，是為了利用流體在超臨界點附近的高密度、低黏性等優勢，降低壓氣機耗功、提高循環效率。而且超臨界二氧化碳具有無毒、儲量豐富、成本低、性能穩定、密度大、臨界溫度和壓力相對低等特點，被認為最佳循環工質之一。當前大規模使用的蒸汽動力循環相比，超臨界二氧化碳布雷頓循環高溫(一般高于400℃)下的能量轉換效率更高，且其系統緊湊，設備體積小(渦輪系統和冷卻設備的體積僅相當于蒸汽系統對應設備體積的十分之一)，易于模塊化建設，具備良好的潛在經濟性；與常規氣體布雷頓循環相比，其壓縮過程參數位于工質臨界點附近的特點使得壓縮功耗顯著降低，循環效率明顯提高。

超臨界二氧化碳在二十世紀六十年代被提出作為動力循的工質，然而當時由于技術限制，沒有得到普遍應用。近年來，隨著技術水平的提高，超臨界二氧化碳在核反應堆方面的應用得到了國內外學者及研究機構的廣泛關注和研究，其與塔式太陽能吸熱器結合也廣泛開展，然而對于目前占據最主要發電方式的燃煤鍋爐，超臨界二氧化碳在其中的應用卻發展較為緩慢。

大型火電機組的節能減排是中國的重要能源戰略。為適應電力市場的快速發展和節能減排的巨大壓力，我們迫切需要尋找新的途徑來提高電廠的效率，這已成為各電廠日益重視的課題。

本發明提出了一種一種新型超臨界二氧化碳布雷頓循環系統，它是一種新的適用于傳統火電機組的循環系統，其核心設計思想在于：使用超臨界二氧化碳作為循環工質。在這個循環中，將鍋爐爐膛受熱面重新布置，從而匹配新設計的超臨界二氧化碳循環換熱需求；設置高溫回熱器旁路，從而優化了高溫換熱器換熱特性，減少了換熱器冷熱端溫差；提高了低溫煙氣利用性能；改善空氣預熱器吸熱量分配，使之與同類系統相比，優化到基本與燃煤蒸汽循環中對應空氣預熱器的設計換熱量相同；采用間冷壓縮，提高了系統循環效率，優化了冷卻器的換熱區間，使之與水冷系統匹配。整個新型超臨界二氧化碳布雷頓循環系統不僅保證了超臨界二氧化碳循環的系統效率，而且提升了鍋爐的運行效率，且該系統結構簡單，不需要多次再熱，在工程上有較好的應用前景，是一種適合于傳統燃煤電站的節能減排新技術。

發明內容

本發明的目的是提出了一種超臨界二氧化碳布雷頓循環系統，其特征在于：對鍋爐爐膛受熱面進行重新設計，在鍋爐尾部煙道中依次布置鍋爐尾部受熱面4和空氣預熱器3；鍋爐爐膛受熱面1出口與工質透平5入口相連，工質透平5出口與高溫回熱器6連接，高溫回熱器6與中溫回熱器7相連，中溫回熱器7與低溫回熱器8相連，低溫回熱器8出口分別與高溫壓氣機9和第一凝汽器12相連，高溫壓氣機9出口與中溫回熱器7和低溫回熱器8之間通過管路15連接，在高溫回熱器6和中溫回熱器7之間通過管路14連接，在高溫回熱器6和中溫回熱器7之間的管路14上再連接高溫回熱器旁路16，高溫回熱器旁路16經過鍋爐尾部受熱面4與高溫回熱器6出口一同匯入到鍋爐爐膛受熱面1；第一凝汽器12出口與第一間冷壓氣機10相連，第一間冷壓氣機10出口與第二凝汽器13相連，第二凝汽器13出口與第二間冷壓氣機11相連，第二間冷壓氣機11出口與低溫回熱器8相連。

所述在高溫回熱器6和中溫回熱器7之間設置高溫回熱器旁路16，其入口溫度為320℃，出口溫度為470℃，從而有效利用了350℃-500℃的低溫煙氣熱量，提高了系統循環效率。

所述鍋爐爐膛受熱面與新設計的超臨界二氧化碳循環匹配，優化了受熱面布置，保證了鍋爐的高效運行。

所述兩個間冷壓氣機的間冷壓縮，提高了循環系統的循環效率，使冷卻器的換熱溫度維持在30℃-80℃之間，與水冷系統溫度匹配良好。

所述鍋爐尾部煙道依次布置鍋爐尾部受熱面4和空氣預熱器3，使該循環中空氣預熱器換熱煙氣范圍在100℃-350℃，換熱量基本與燃煤蒸汽循環中對應空氣預熱器的設計換熱量相同，從而優化了空預器的傳熱特性。

本發明的有益效果為：

1.該系統在高溫回熱器外設置了高溫回熱器旁路，部分來自于中溫回熱器的工質直接進入到鍋爐尾部煙道中吸收低溫煙氣熱量，最后與高溫回熱器出口的工質混合，一同匯入到鍋爐爐膛受熱面中。這一旁路優化了系統結構，改善了鍋爐低溫煙氣的吸收性能，吸收了350℃-500℃之間煙氣熱量，提高了系統循環效率。