一种燃煤磁流体超临界co2联合循环发电系统及方法
阅读说明：本技术 一种燃煤磁流体超临界co2联合循环发电系统及方法 (Coal-fired magnetic fluid supercritical CO2Combined cycle power generation system and method ) 是由 张旭伟 李红智 顾正萌 杨玉 乔永强 张天宇 白文刚 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统及方法,该系统包括燃煤磁流体发电机、空气预热系统、余热锅炉和超临界CO2循环发电系统；本发明燃煤磁流体发电机无需旋转设备,结构简单,实现了热能到电能的直接转化；本发明通过在燃煤磁流体发电机排气侧耦合超临界CO2动力循环,可以大幅提高系统发电效率及运行灵活,增加系统紧凑程度,降低电站初投资及发电成本；同时,系统结构简单,设备较少,可以降低系统控制运行难度；本发明利用超临界CO2动力循环冷端余热预热冷的富氧空气,可以减少系统冷源损失,提高能量利用效率。本发明实现能量梯级分质利用。(A coal-fired magnetofluid supercritical CO2 combined cycle power generation system and a method thereof are provided, wherein the system comprises a coal-fired magnetofluid power generator, an air preheating system, a waste heat boiler and a supercritical CO2 cycle power generation system; the coal-fired magnetohydrodynamic generator does not need rotating equipment, has a simple structure, and realizes the direct conversion from heat energy to electric energy; according to the invention, by coupling the supercritical CO2 power cycle on the exhaust side of the coal-fired magnetohydrodynamic generator, the power generation efficiency and the operation flexibility of the system can be greatly improved, the system compactness is increased, and the initial investment and the power generation cost of a power station are reduced; meanwhile, the system has a simple structure and less equipment, and can reduce the difficulty of system control and operation; the invention utilizes the waste heat of the supercritical CO2 power cycle cold end to preheat the cold oxygen-enriched air, thereby reducing the cold source loss of the system and improving the energy utilization efficiency. The invention realizes the energy gradient quality-based utilization.)
技术领域
本发明涉及燃煤发电
技术领域
，特别涉及一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统及方法。背景技术
燃煤磁流体发电技术是将煤粉与富氧空气在燃烧器中燃烧产生的高温高速离子化的烟气(等离子体)通过磁场直接把热能转化成电能的技术，这种磁流体发电机没有旋转部件，结构简单，启动迅速，是一种很有前景的发电方式。一般磁流体发电的进气温度为3000K,排气温度为2000K,其热效率能高达20％。由于其排气温度很高，一般以排气为热源耦合蒸汽动力循环，进一步对排气热量进行利用，提高磁流体-蒸汽联合循环电站整体发电效率。而超临界CO2布雷顿循环作为一种新型动力循环，具有热效率高、结构紧凑、运行灵活、成本低等优势，可以替代常规蒸汽动力循环，与磁流体发电机排气热源耦合，从而大幅提高其发电效率。调研发现，目前尚缺乏燃煤磁流体发电方式与超临界CO2动力循环发电方式的耦合研究，这些问题有待去解决。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统及方法，通过采用高效超临界CO2动力循环利用燃煤磁流体发电机排气热量，大幅提高系统整体发电效率；同时，通过超临界CO2动力循环冷端对富氧空气进行预热，可以减少系统冷源损失，提高系统能量利用效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统，包括燃煤磁流体发电机、空气预热系统和超临界CO2循环发电系统，其中，
所述燃煤磁流体发电机包括依次相连通的燃烧室1、喷嘴2、磁流体发电通道3和扩压器4，还包括布置在磁流体发电通道3两侧的磁铁5和与磁流体发电通道3电极相连的逆变转换器6，所述燃烧室1中掺混种子；所述扩压器4尾部设置余热锅炉；
所述空气预热系统包括依次相连通的低温空气预热器7、空压机8、中温空气预热器9和高温空气预热器10；所述高温空气预热器10出口连通燃煤磁流体发电机的燃烧室1进口；
所述超临界CO2循环发电系统包括主压缩机11，主压缩机11出口、低温回热器12冷侧进出口、高温回热器13冷侧进口和出口、过热气冷壁14、过热器15、高压透平16、再热气冷壁17、再热器18、低压透平19、高温回热器13热侧进口和出口、低温回热器12热侧进口和出口、低温空气预热器7热侧进口和出口、预冷器20和主压缩机11进口依次向连通；再压缩机21进口和出口分别与低温空气预热器7热侧进口和口和高温回热器13冷侧进口和口相连通；省煤器22进口和出口分别与主压缩机11出口和过热气冷壁14进口相连通。
所述余热锅炉的炉膛自下而上依次布置过热气冷壁14和再热气冷壁17；余热锅炉的水平烟道自左到右依次布置高温空气预热器10、过热器15和再热器18；余热锅炉的尾部竖直烟道自上而下依次布置中温空气预热器9和省煤器22。
所述超临界CO2循环发电系统冷端通过布置低温空气预热器7用于加热冷的富氧空气，可以减少系统冷源损失。
所述余热锅炉的尾部竖直烟道内省煤器22出口烟气温度为90℃，主压缩机11出口分流部分低温工质进入省煤器22，从而完全回收余热锅炉排气余热。
所述空气预热系统中低温空气预热器7、中温空气预热器9和高温空气预热器10的布置，实现了富氧空气的梯级预热，能够将富氧空气加热到1700～800K。
所述种子为碱金属盐，如K2CO3或KCl。
一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统的运行方法，冷的富氧空气先在低温空气预热器7中吸热升温，然后经空压机8升压后，又依次在中温空气预热器9和高温空气预热器10中吸热，成为1700～1800K的高温富氧空气；高温富氧空气与煤粉在燃烧室1中掺混碱金属盐的种子燃烧后，形成高温离子化的排气，通过喷嘴2减压增速后，高速通过强磁场的磁流体发电通道3，将热能转化成电能，电能通过逆变转换器6将直流电转换成交流电送入电网；排气从磁流体发电通道3出来后温度降低，但是温度仍为2000K～2100K，通过扩压器4增压减速后，进入锅炉加热超临界CO2工质；超临界CO2循环发电系统采用一次再热再压缩构型，工质在余热锅炉中充分吸收磁流体发电机排气热量后推动高压透平16和低压透平19做功，实现热能到电能的转化。
本发明的有益效果：
1.本发明通过在燃煤磁流体发电机排气侧耦合超临界CO2动力循环，可以提高系统发电效率及增加运行灵活性，增加系统紧凑程度，降低电站初投资及发电成本。
2.本发明系统结构简单，设备较少，可以降低系统控制运行难度。燃煤磁流体发电机无需旋转设备，结构简单，实现了热能到电能的直接转化。
3.本发明利用超临界CO2动力循环冷端余热预热冷的富氧空气，可以减少系统冷源损失，提高能量利用效率，实现能量梯级分质利用。
附图说明
图1为本发明一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统，包括燃煤磁流体发电机、空气预热系统和超临界CO2循环发电系统，其中，
所述燃煤磁流体发电机包括依次相连通的燃烧室1、喷嘴2、磁流体发电通道3和扩压器4，还包括布置在磁流体发电通道3两侧的磁铁5和与磁流体发电通道3电极相连的逆变转换器6，所述燃烧室1中掺混种子；扩压器4尾部设置余热锅炉；
所述空气预热系统包括依次相连通的低温空气预热器7、空压机8、中温空气预热器9和高温空气预热器10；高温空气预热器10出口连通燃煤磁流体发电机的燃烧室1进口；
所述超临界CO2循环发电系统包括主压缩机11，主压缩机11出口、低温回热器12冷侧进出口、高温回热器13冷侧进口和出口、过热气冷壁14、过热器15、高压透平16、再热气冷壁17、再热器18、低压透平19、高温回热器13热侧进口和出口、低温回热器12热侧进口和出口、低温空气预热器7热侧进口和出口、预冷器20和主压缩机11进口依次向连通；再压缩机21进口和出口分别与低温空气预热器7热侧口和进口和高温回热器13冷侧进口相连通；省煤器22进口和出口分别与主压缩机11出口和过热气冷壁14进口相连通。
作为本发明的优选实施方式，所述余热锅炉的炉膛自下而上依次布置过热气冷壁14和再热气冷壁17；余热锅炉的水平烟道自左到右依次布置高温空气预热器10、过热器15和再热器18；余热锅炉的尾部竖直烟道自上而下依次布置中温空气预热器9和省煤器22。
作为本发明的优选实施方式，所述超临界CO2循环发电系统冷端通过布置低温空气预热器7用于加热冷的富氧空气，可以减少系统冷源损失。
作为本发明的优选实施方式，所述余热锅炉的尾部竖直烟道内省煤器22出口烟气温度为90℃，主压缩机11出口分流部分低温工质进入省煤器22，从而完全回收余热锅炉排气余热。
作为本发明的优选实施方式，所述空气预热系统中低温空气预热器7、中温空气预热器9和高温空气预热器10的布置，实现了富氧空气的梯级预热，能够将富氧空气加热到1700～1800K。
作为本发明的优选实施方式，所述种子为碱金属盐，如K2CO3或KCl。
如图1所示，一种燃煤磁流体超临界CO2联合循环发电系统的运行方法，冷的富氧空气先在低温空气预热器7中吸热升温，然后经空压机8升压后，又依次在中温空气预热器9和高温空气预热器10中吸热，成为1700～1800K的高温富氧空气；高温富氧空气与煤粉在燃烧室1中掺混碱金属盐的种子燃烧后，形成高温离子化的排气，通过喷嘴2减压增速后，以很高的速度通过强磁场的磁流体发电通道3，将热能转化成电能，电能通过逆变转换器6将直流电转换成交流电送入电网；排气从磁流体发电通道3出来后温度降低，但是仍有2000K左右，通过扩压器4增压减速后，进入锅炉加热超临界CO2工质；超临界CO2循环发电系统采用一次再热再压缩构型，工质在余热锅炉中充分吸收磁流体发电机排气热量后推动高低压透平做功，实现热能到电能的转化。
燃煤磁流体发电机基于电磁感应定律，利用离子化的烟气(等离子体)高速通过磁场时，烟气中的带电粒子在洛伦兹力的作用下运动到电极，产生电流。而烟气电导率较低，温度高达8000K才能充分离子化，磁流体发电机才能实现较高的热电转化率。但是煤粉燃烧无法产生这么高的温度，所以在煤粉中掺入碱金属盐等种子材料燃烧，以提高烟气电导率，使烟气在3000K左右就能充分离子化。此外，燃烧时的氧化剂采用富氧空气，并且预热到1700K左右，从而大幅提高烟气温度，进而提高烟气离子化程度。磁流体发电机的高温排气携带的热量通过基于布雷顿循环原理的高效超临界CO2循环发电系统，转化为电能。