一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统及运行方法
阅读说明：本技术 一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统及运行方法 (Power system for industrial steam supercritical carbon dioxide and operation method ) 是由 刘明 杨凯旋 孙瑞强 刘继平 邢秦安 严俊杰 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统及运行方法,本发明采用超临界二氧化碳循环为动力循环,耦合蒸汽发生系统,同时为用户提供蒸汽、电两种能源；通过热端-回热-蒸汽发生过程的耦合优化,本发明可大幅度提高超临界二氧化碳动力系统的能量利用率；本发明系统将蒸汽发生过程分为两个阶段：先通过中温回热器出口热侧工质抽气初次加热给水,然后利用分流的低温烟气二次加热工业蒸汽,合理利用系统低温余热,还可以通过调整二氧化碳抽气和烟气分流比例,调节供蒸汽的温度,满足不同工业抽汽负荷需求,提高机组运行灵活性。(The invention discloses a supercritical carbon dioxide power system for industrial steam and an operation method thereof, wherein supercritical carbon dioxide circulation is adopted as power circulation and coupled with a steam generation system, and two energy sources of steam and electricity are provided for users at the same time; through the coupling optimization of the hot end-regenerative-steam generation process, the energy utilization rate of the supercritical carbon dioxide power system can be greatly improved; the system of the invention divides the steam generation process into two stages: the hot side working medium at the outlet of the medium-temperature heat regenerator is firstly used for pumping air and primarily heating water supply, then the split low-temperature flue gas is used for secondarily heating industrial steam, the low-temperature waste heat of the system is reasonably utilized, the temperature of the steam supply can be adjusted by adjusting the proportion of carbon dioxide pumping air and flue gas splitting, the requirements of different industrial steam pumping loads are met, and the operation flexibility of the unit is improved.)
技术领域
本发明属于热电联产技术领域，具体涉及一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统及运行方法。
背景技术
我国经济的稳定增长离不开强大能源系统的支撑。实现热电联产，同时满足社会的电、热负荷需求是未来发电系统发展的主要方向之一。同时，热电联产是节能减排、提高电站能量利用效率的最有效手段之一。近年来，我国的能源朝着多元化发展，但是火电基数大，技术成熟，短时间内燃煤发电仍是我国主要发电方式。火电机组的煤炭消费量约占全国煤炭消费总量的50％。
我国火电技术进步从提高初参数、蒸汽再热等方式向全工况运行、余热深度利用等方向转变，热电联产进入一个快速发展时期。超临界二氧化碳动力循环具有能量密度高、系统结构紧凑、循环效率高等优点，在未来取代水工质朗肯循环成为主要的动力循环形式。所以，基于超临界二氧化碳动力循环实现热电联产具有广阔的发展前景，对我国节能减排工作具有重要意义。
由于超临界二氧化碳系统乏汽温度大于400℃，用于加热工业蒸汽有较大的不可逆损失，进入预冷器工质温度小于100℃，难以满足工业蒸汽热用户的需求，所以需要对系统进行合适的能级匹配，找到合理的热源供工业蒸汽。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统及运行方法，该系统采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，同时为用户提供蒸汽、电两种能源。通过热端-回热-蒸汽发生过程的耦合优化，本发明可大幅度提高超临界二氧化碳动力系统的能量利用率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统，包括锅炉1，锅炉1中超临界二氧化碳高温受热面11工质出口与透平2工质入口相连，透平2排气口与高温回热器3、中温回热器4、低温回热器5热侧依次相连，低温回热器5热侧出口与预冷器6工质入口相连，预冷器6工质出口与主压缩机7入口相连，主压缩机7出口依次与低温回热器5、中温回热器4、高温回热器3冷侧依次相连，高温回热器3冷侧出口与锅炉1中超临界二氧化碳高温受热面11工质入口相连；
中温回热器4热侧出口还与给水加热器9热侧入口相连，给水加热器9热侧出口与低温回热器5热侧出口相连，给水加热器9冷侧入口与供水口相连，给水加热器9冷侧出口与锅炉1的给水受热面13入口相连，给水受热面13出口与供蒸汽接口相连。
低温回热器5热侧出口还与再压缩机8工质入口相连，再压缩机8工质出口与高温回热器3冷侧入口相连。
再压缩机8工质出口温度为180-220℃。
锅炉1中给水受热面13布置于烟气温度低于400℃的区段。
锅炉1中超临界二氧化碳高温受热面11布置于烟气温度高于400℃的区段。
锅炉1中还布置有空气预热器12，空气预热器12布置于烟气温度低于400℃的区段。
透平2排气口压力为7.7MPa-8.5MPa。
预冷器6工质出口温度为33℃-38℃。
给水加热器9出口给水温度为110℃-130℃。
所述的供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统的运行方法，其特征在于：超临界二氧化碳在主压缩机7中升压后，依次在低温回热器5、中温回热器4、高温回热器3和超临界二氧化碳高温受热面11吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平2做功，透平2排气又依次在高温回热器3、中温回热器4、低温回热器5放热后分成两股，一股经再压缩机8升压后汇入高温回热器3入口，另一股在预冷器6中冷却后进入主压缩机7，完成闭合循环；
中温回热器4热侧出口分流部分工质经给水加热器9冷却后汇入低温回热器5热侧出口，通过调整此部分超临界二氧化碳工质抽气比例，调整给水加热器9出口给水的温度，满足不同工业抽汽负荷需求，提高机组运行灵活性；
给水经给水加热器9、锅炉1中给水受热面13加热后产生蒸汽满足工业蒸汽需求，通过调整锅炉1中分流至空气预热器12与给水受热面13中的烟气流量调节供热蒸汽的温度，满足不同工业抽汽负荷需求，提高机组运行灵活性。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
(1)本发明采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，耦合蒸汽发生系统，同时为用户提供蒸汽、电两种能源，通过热端-回热-蒸汽发生过程的耦合优化，可大幅度提高超临界二氧化碳动力系统的能量利用率；
(2)本发明采用多级回热分流再压缩超临界二氧化碳动力循环，系统循环效率较高；
(3)本发明将蒸汽发生过程分为两个阶段：先通过中温回热器出口热侧工质抽气初次加热给水，然后利用分流的低温烟气二次加热工业蒸汽，合理利用系统低温余热，也避免给水加热器出现夹点；
(4)本发明可以通过调整二氧化碳抽气和烟气分流比例，调节供蒸汽的温度，满足不同工业抽汽负荷需求，提高机组运行灵活性。
附图说明
图1为本发明供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统示意图。
图2为二氧化碳和水的焓值-温度变化曲线。
图中：1为锅炉、2为透平、3为高温回热器、4为中温回热器、5为低温回热器、6为预冷器、7为主压缩机、8为再压缩机、9为给水加热器、11为超临界二氧化碳高温受热面、12为空气预热器、13为给水受热面。
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。
工作原理
本发明公开了一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统及运行方法。本发明采用超临界二氧化碳循环为热电联产动力循环，耦合蒸汽发生系统，同时为用户提供蒸汽、电两种能源。通过热端-回热-蒸汽发生过程的耦合优化，本发明可大幅度提高超临界二氧化碳动力系统的能量利用率。由于蒸汽发生过程有相变换热，只采用二氧化碳加热给水加热器会出现夹点问题，二氧化碳和水的焓值-温度变化曲线如图1所示，从图中可以看出：如果水的压力为1MPa，二氧化碳工质压力为8MPa，只采用二氧化碳作为热源加热水工质，换热器会在约179℃产生夹点，换热器换热严重恶化。水工质及二氧化碳压力变化，夹点温度也会变化，如果只采用二氧化碳作为蒸汽发生过程热源，夹点问题难以避免。
为了避免给水加热器出现夹点，本系统将蒸汽发生过程分为两个阶段：先通过中温回热器出口热侧工质抽气初次加热给水，然后利用分流的低温烟气二次加热工业蒸汽，合理利用系统低温余热，还可以通过调整二氧化碳抽气和烟气分流比例，调节供蒸汽的温度，满足不同工业抽汽负荷需求，提高机组运行灵活性。
如图2所示，本发明一种供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统，包括锅炉1，锅炉1中超临界二氧化碳高温受热面11工质出口与透平2工质入口相连，透平2排气口与高温回热器3、中温回热器4、低温回热器5热侧依次相连，低温回热器5热侧出口与预冷器6工质入口相连，预冷器6工质出口与主压缩机7入口相连，主压缩机7出口依次与低温回热器5、中温回热器4、高温回热器3冷侧依次相连，高温回热器3冷侧出口与锅炉1中超临界二氧化碳高温受热面11工质入口相连；中温回热器4热侧出口还与给水加热器9热侧入口相连，给水加热器9热侧出口与低温回热器5热侧出口相连，给水加热器9冷侧入口与供水口相连，给水加热器9冷侧出口与锅炉1的给水受热面13入口相连，给水受热面13出口与供蒸汽接口相连。
作为本发明的优选实施方式，低温回热器5热侧出口还与再压缩机8工质入口相连，再压缩机8工质出口与高温回热器3冷侧入口相连，采用分流再压缩的方式，系统循环效率更高。
作为本发明的优选实施方式，再压缩机8工质出口温度为180-220℃，这样可以保证系统有较高的循环效率。
作为本发明的优选实施方式，锅炉1中给水受热面13布置于烟气温度低于400℃的区段，这样可以合理利用锅炉1的低温余热，又可以满足不用工业蒸汽负荷需求。
作为本发明的优选实施方式，锅炉1中超临界二氧化碳高温受热面11布置于烟气温度高于400℃的区段；这样可以提高循环平均吸热温度，循环效率更高。
作为本发明的优选实施方式，锅炉1中还布置有有空气预热器12，空气预热器12布置于烟气温度低于400℃的区段，这样可以满足空气预热器12的热负荷需求。
作为本发明的优选实施方式，透平2排气口压力为7.7MPa-8.5MPa，这样可以维持透平2有较高的输出功率，又可以保证二氧化碳工质在整个循环中保持超临界状态。
作为本发明的优选实施方式，预冷器6工质出口温度为33℃-38℃，这样循环的平均放热温度较低，保证系统较高的循环效率。
作为本发明的优选实施方式，给水加热器9出口给水温度为110℃-130℃，这样可以避免在给水加热器9中出现换热夹点问题，又可以维持给水受热面13出口烟气温度在一个合理的范围，减少锅炉1排烟热损失。本发明所述的供工业蒸汽超临界二氧化碳动力系统的运行方法，其特征在于：超临界二氧化碳在主压缩机7中升压后，依次在低温回热器5、中温回热器4、高温回热器3和超临界二氧化碳高温受热面11吸热后成为高温高压二氧化碳，然后高温高压二氧化碳进入透平2做功，透平2排气又依次在高温回热器3、中温回热器4、低温回热器5放热后分成两股，一股经再压缩机8升压后汇入高温回热器3入口，另一股在预冷器6中冷却后进入主压缩机7，完成闭合循环；
中温回热器4热侧出口分流部分工质经给水加热器9冷却后汇入低温回热器5热侧出口，通过调整此部分超临界二氧化碳工质抽气比例，调整给水加热器9出口给水的温度，满足不同工业抽汽负荷需求，提高机组运行灵活性；
给水经给水加热器9、锅炉1中给水受热面13加热后产生蒸汽满足工业蒸汽需求，通过调整锅炉1中分流至空气预热器12与给水受热面13中的烟气流量调节供热蒸汽的温度，满足不同工业抽汽负荷需求，提高机组运行灵活性。
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