一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统及方法与流程

本发明涉及高温高压的混合介质发电领域，尤其是一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统及方法。

背景技术：

1、清洁低碳、安全高效成为我国现代能源体系的新要求。我国能源禀赋多煤少气贫油，以煤为主的能源结构短期内不会改变，故探索煤的清洁高效利用方法是我国能源技术革命的重要主题。

2、传统燃煤发电的热力系统为朗肯循环系统，主要是将煤炭的化学能通过燃烧释放出来，释放的热能将水加热为高温高压的水蒸汽，水蒸汽进入蒸汽轮机膨胀做功，推动蒸汽轮机旋转带动发电机生产电能。其能源转化利用的过程中，煤的能源利用率低，且不可避免的产生大量的sox、nox、固体颗粒物、重金属污染物，对环境造成巨大污染；同时，排放的co2是引起地球温室效应的重要原因之一。

3、“超临界水煮煤”是一种新型的以水为媒介将煤气化制氢耦合发电技术，是煤炭清洁利用的一种颠覆性技术。它利用超临界水(压力高于22.1mpa、温度高于374.3℃)独特的高溶解性、高扩散性等物理化学性质，促进煤气化反应，生成氢气(h2)和二氧化碳(co2)，而n、s等元素被固定在反应产生的不溶于水的无机盐中，最终以固体残渣的方式沉淀排出；过程中生成的氢气(h2)分离后可作为生产原料，富余的氢气(h2)燃烧后产生的水蒸汽与系统产生的二氧化碳(co2)共同组成的高温高压混合工质通过发电岛将热能利用，形成的较为纯净的二氧化碳(co2)可直接输送、储存、使用，从而实现煤炭的清洁利用。

4、目前，对于利用富余的氢气(h2)燃烧后产生的水蒸汽与系统产生的二氧化碳(co2)共同组成的高温高压(例如25mpa等级、600℃等级)混合工质进行发电仍存在能量利用率低、单位原料发电量低，二氧化碳和水蒸汽难以分离，难以实现二氧化碳捕捉等问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，通过混合工质发电、混合工质发电单元尾气的热能通过逐级换热系统回收利用来促使蒸汽发电，增加单位原料发电量，以提高能源利用效率；同时通过换热将混合工质中的水蒸汽冷凝成水，从而将水蒸汽与二氧化碳分离，得到纯净度较高的二氧化碳，实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件。

2、针对上述存在的问题，提出一种高温高压的混合介质双循环发电方法，利用双循环耦合、分段冷却膨胀、水蒸汽凝结以提纯二氧化碳，并将以上过程有机结合，以解决能量利用率低、单位原料发电量低，二氧化碳和水蒸汽难以分离，难以实现二氧化碳捕捉等现有热力发电系统和方法存在的问题。

3、本发明采用的技术方案如下：一种高温高压的混合介质双发电循环系统，包括能够产生高温高压的水蒸汽和二氧化碳的能量释放系统，所述能量释放系统的混合工质出口连接有混合透平发电机组，所述混合透平发电机组的介质出口连接于逐级换热系统的高温气体进口以使得混合工质中的水蒸汽冷凝形成低温液态水，所述逐级换热系统具有用于排除逐级换热系统内低温液态水的低温出水口，所述逐级换热系统还具有用于进入低温液态水的低温进水口和与低温进水口连通的高温气体出口，所述高温气体出口连接于蒸汽透平发电机组。

4、进一步地，所述低温出水口和低温进水口均连接于水处理系统实现水循环，所述蒸汽透平发电机组的蒸汽介质出口通过凝汽器与水处理系统连接。

5、进一步地，所述逐级换热系统包括若干个相互串联的换热器组，所述高温气体进口和高温气体出口设置在第一个换热器组上，所述低温出水口和低温进水口设置在最后一个换热器组上。

6、进一步地，所述逐级换热系统还具有二氧化碳出口，所述二氧化碳出口设置在最后一个换热器组上。

7、进一步地，所述混合透平发电机组与蒸汽透平发电机组共轴。

8、进一步地，所述能量释放系统包括水煤反应器和燃烧器，所述水煤反应器的燃气出口与燃烧器的燃气进口连接，所述混合工质出口设置在燃烧器上。

9、进一步地，所述高温气体出口经过燃烧器换热后与蒸汽透平发电机组连接或/和所述混合透平发电机组的介质出口通过燃烧器换热后与逐级换热系统连接。

10、进一步地，所述高温气体出口与低温进水口之间设置有旁路，所述旁路连接于水煤反应器的加液口。

11、进一步地，所述旁路通过燃烧器换热后与水煤反应器连接。

12、一种高温高压的混合介质双循环发电方法，运用所述的双发电循环系统，包括以下步骤：

13、s1：利用能量释放系统产生的高温高压混合工质驱动混合透平发电机组发电工作；

14、s2：控制混合透平发电机组的工况，使得混合发电机内无冷凝水产生；

15、s3：混合透平发电机组的介质出口流出的混合工质经过逐级换热系统回收能量；

16、s31：混合工质在逐级换热系统(3)内释放能量析出水蒸汽，汇集二氧化碳；

17、s32：逐级换热系统回收的能量用于产生蒸汽；

18、s4：逐级换热系统产生的蒸汽用于驱动蒸汽透平发电机组发电工作。

19、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

20、1、本发明能够增加单位原料发电量，提高热电转化效率，在高温高压混合工质推动混合透平发电机组的基础上，利用逐级换热系统将混合工质经过混合透平发电机组利用后的预热制得水蒸汽，通过水蒸汽推动蒸汽透平发电机组，实现增加单位原料的发电量，提高热电转化效率；

21、2、本发明产生的二氧化碳纯度高，混合工质通过逐级换热系统后其温度降低，使混合工质中的水蒸汽凝结，最终剩余高纯度的二氧化碳，达到获取高纯度的二氧化碳的目的，实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件；

22、3、本发明使用的混合透平发电机组无腐蚀风险，由于后续的逐级换热系统可以充分利用余热，调节混合透平发电机组的参数，使得混合工质在混合透平发电机组内保持过热态，水蒸汽无凝结现象，从而避免液体水结合二氧化碳对混合透平发电机组产生酸蚀，保证混合透平发电机组的使用寿命和降低其材料成本；

23、4、整个系统由混合工质循环和水蒸汽循环耦合组成，系统的产出为电能和二氧化碳，对水来说是封闭循环，最大限度节约了水资源。

技术特征：

1.一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，包括能够产生高温高压的水蒸汽和二氧化碳的能量释放系统(1)，所述能量释放系统(1)的混合工质出口(13)连接有混合透平发电机组(2)，其特征在于：所述混合透平发电机组(2)的介质出口(21)连接于逐级换热系统(3)的高温气体进口(33)以使得混合工质中的水蒸汽冷凝形成低温液态水，所述逐级换热系统(3)具有用于排除逐级换热系统(3)内低温液态水的低温出水口(36)，所述逐级换热系统(3)还具有用于进入低温液态水的低温进水口(37)和与低温进水口(37)连通的高温气体出口(35)，所述高温气体出口(35)连接于蒸汽透平发电机组(4)。

2.根据权利要求1所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述低温出水口(36)和低温进水口(37)均连接于水处理系统(6)实现水循环，所述蒸汽透平发电机组(4)的蒸汽介质出口(21)通过凝汽器(5)与水处理系统(6)连接。

3.根据权利要求1所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述逐级换热系统(3)包括若干个相互串联的换热器组，所述高温气体进口(33)和高温气体出口(35)设置在第一个换热器组上，所述低温出水口(36)和低温进水口(37)设置在最后一个换热器组上。

4.根据权利要求3所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述逐级换热系统(3)还具有二氧化碳出口(34)，所述二氧化碳出口(34)设置在最后一个换热器组上。

5.根据权利要求1所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述混合透平发电机组(2)与蒸汽透平发电机组(4)共轴。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述能量释放系统(1)包括水煤反应器(11)和燃烧器(12)，所述水煤反应器(11)的燃气出口与燃烧器(12)的燃气进口连接，所述混合工质出口(13)设置在燃烧器(12)上。

7.根据权利要求6所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述高温气体出口(35)经过燃烧器(12)换热后与蒸汽透平发电机组(4)连接或/和所述混合透平发电机组(2)的介质出口(21)通过燃烧器(12)换热后与逐级换热系统(3)连接。

8.根据权利要求6所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述高温气体出口(35)与低温进水口(37)之间设置有旁路(9)，所述旁路(9)连接于水煤反应器(11)的加液口。

9.根据权利要求8所述的适用于高温高压混合工质的双循环发电系统，其特征在于：所述旁路(9)通过燃烧器(12)换热后与水煤反应器(11)连接。

10.一种高温高压的混合介质双循环发电方法，运用权利要求1－9任意一项所述的双发电循环系统，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种适用于高温高压混合工质的双循环发电系统及方法，涉及高温高压的混合介质发电领域，系统包括能量释放系统，能量释放系统的混合工质出口连接有混合透平发电机组，混合透平发电机组的介质出口连接于逐级换热系统的高温气体进口，逐级换热系统具有低温排水口、低温进水口和高温气体出口，高温气体出口连接于蒸汽透平发电机组；本发明能够通过混合工质发电、混合工质发电单元尾气的热能来促使蒸汽发电，增加单位原料发电量，以提高能源利用效率；同时利用换热降温分离混合工质，得到纯净度较高的CO2，实现二氧化碳的捕捉，为二氧化碳储存和利用创造良好的条件，以便后续工序的直接储存利用。

技术研发人员：雷晓龙,张小波,朱莹,孙奇,侯明军,李志明,田朝阳,岳书培,黄正敏
受保护的技术使用者：东方电气集团东方汽轮机有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12