本發(fā)明涉及一種利用電站余熱進行發(fā)電的裝置，具體來說是一種碳捕集和超臨界CO₂布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，屬于發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

新能源課題已經(jīng)研究了長達半個多世紀之久，但是人們至今仍然沒有找到能夠完全取代化石燃料的能源，所以實現(xiàn)化石燃料能源的充分利用仍然具有很大的研究價值。

按照溫度水平的不同,余熱資源可以分為三種:高溫余熱(500℃以上)、中溫余熱(200—500℃之間)和低溫余熱(200℃以下)。相對于煤、石油、天然氣等高品位能源而言,200℃以下的低品位余熱利用難度大。但由于低溫余熱量很大,且基本沒有被有效利用,因此低品位工業(yè)余熱的利用將對節(jié)能減排起到重要作用。

效率最高的低溫?zé)崮芑厥辗椒ㄊ侵苯永?，但是用戶相對于產(chǎn)熱的工業(yè)區(qū)較為分散，布置低溫?zé)峋W(wǎng)的投資太大；如果將低溫?zé)崮茏兂呻娔?，就可以解決能量的遠距離輸送問題。

燃煤電站鍋爐煙氣從引風(fēng)機出來后，其溫度一般為110℃—130℃,而脫硫的溫度則要求80℃—90℃,這之間的溫差顯然屬于低溫余熱，如果能將這部分能量利用起來，對于提高電站的熱效率具有很大的意義。

目前，世界上不少國家都在研究燃煤機組的CO₂捕集技術(shù)，而且在發(fā)達國家，這種技術(shù)已經(jīng)逐漸推廣，走向成熟。碳捕集設(shè)備再生出的CO₂是一種余熱資源，也應(yīng)該加以利用。

對于低溫發(fā)電技術(shù)，學(xué)者們的研究也不少，有機朗肯循環(huán)(ORC)是目前利用低溫余熱進行發(fā)電的熱點技術(shù)。公開號為CN203822398U、CN203347863U、CNl02691555A、CN202420251U、CN203271836U的中國專利給出了一系列利用低溫?zé)嵩窗l(fā)電的方法和裝置，但現(xiàn)有的余熱發(fā)電方法大多數(shù)是以烷烴類物質(zhì) 作為工質(zhì)，而烷烴類物質(zhì)對臭氧的破壞力遠大于CO₂，容易加重溫室效應(yīng)，而且烷烴類物質(zhì)臨界溫度較高，很難在低溫余熱條件下達到超臨界狀態(tài)。另外，由于烷烴類物質(zhì)具有易燃易爆的性質(zhì)，將其作為推動工質(zhì)時需要對蒸發(fā)部分采取防爆保護措施。

綜上所述，現(xiàn)有的利用低溫?zé)嵩催M行發(fā)電的方法均不理想，不利于電站余熱的回收利用，還需進一步進行研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供一種碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，以實現(xiàn)電站余熱的安全、高效回收，提高化石燃料能源的利用率。

本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案解決的：

一種碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)成中包括碳捕集系和超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，所述碳捕集系統(tǒng)包括再生分離器、主壓縮機和封存裝置，所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)入口接再生分離器的排汽口，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)出口接主壓縮機的進汽口，所述主壓縮機的排汽口接封存裝置。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括汽輪發(fā)電機、啟動電機、通過主汽閥門與再生分離器的排汽口相接的進汽母管、與主壓縮機的進汽口相接的排汽母管和并接于進汽母管與排汽母管之間的多個做功子系統(tǒng)，每個做功子系統(tǒng)包括進汽閥門、排汽閥門、CO₂蒸發(fā)與過熱裝置以及與啟動電機和汽輪發(fā)電機同軸連接的三臺壓縮機和兩臺膨脹機，再生分離器排入進汽母管中的CO₂氣體經(jīng)進汽閥門進入第一壓縮機，由第一壓縮機加壓到超臨界狀態(tài)后進入第一膨脹機膨脹做功，第一膨脹機的排汽依次經(jīng)第二壓縮機和第三壓縮機加壓到超臨界壓力，再由鍋爐尾部煙道中的CO₂蒸發(fā)與過熱裝置加熱到超臨界狀態(tài)后，進入第二膨脹機做功，第二膨脹機的排汽經(jīng)排汽閥門進入排汽母管，再由排汽母管進入碳捕集系的主壓縮機。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述做功子系統(tǒng)還包括兩個冷凝系統(tǒng)和兩個回?zé)峒訜崞鳎谝换責(zé)峒訜崞鹘佑诘谝慌蛎洐C與第二 壓縮機之間，第一冷凝系統(tǒng)對第二壓縮機的排汽進行冷卻，第二回?zé)峒訜崞骱偷诙淠到y(tǒng)接于第二膨脹機與排汽閥門之間。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有啟停旁路系統(tǒng)，所述啟停旁路系統(tǒng)包括第三冷凝系統(tǒng)和三個旁路閥門，第三冷凝系統(tǒng)的進汽口通過第一旁路閥門與再生分離器的排汽口連接，第三冷凝系統(tǒng)的排汽口通過第二旁路閥門與進汽母管連接，第三旁路閥門接于進汽母管與主壓縮機的進汽口之間。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述碳捕集系統(tǒng)的主壓縮機與封存裝置之間設(shè)有過冷提純裝置、過冷器和兩個不提純旁路閥，所述過冷提純裝置的進汽口通過第一不提純旁路閥接主壓縮機的排汽口，過冷提純裝置的排汽口接封存裝置；所述過冷器的進汽口通過第二不提純旁路閥接主壓縮機的排汽口，過冷器的排汽口接封存裝置。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述第一回?zé)峒訜崞骱偷诙責(zé)峒訜崞骶鶠榈蜏爻崞瑩Q熱器，所述CO₂蒸發(fā)與過熱裝置為陶瓷或玻璃加熱器。

上述碳捕集與超臨界CO2布雷頓循環(huán)耦合的發(fā)電系統(tǒng)，所述第一膨脹機和第二膨脹機均選用螺桿膨脹機。

本發(fā)明將超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)與碳捕集系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，將燃煤電站鍋爐煙氣和碳捕集系統(tǒng)再生分離器出來的CO₂作為余熱資源進行低溫發(fā)電，實現(xiàn)了電站余熱的安全、高效回收，提高了化石燃料能源的利用率，從而達到了節(jié)能減排的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是做功子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各標號表示為：1、封存裝置，2、過冷器，3、第一冷凝系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷凝器、循環(huán)水泵、閥門管道等)，4、第一壓縮機，5、第二膨脹機，6、汽輪發(fā)電機，7、CO₂蒸發(fā)與過熱裝置，8、第一回?zé)峒訜崞?用于加熱低溫低壓給水)，9、第二回?zé)峒訜崞?用于加熱低溫低壓給水)，10、第三壓縮機，11、第二壓縮機，12、第一膨脹機，13、排汽母管，14、進汽母管,15、啟動電機， 16、進汽閥門，17、排汽閥門，18、過冷提純裝置，19、第二冷凝系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷凝器、循環(huán)水泵、閥門管道等)，20、第二不提純旁路閥，21、主壓縮機，22、第一不提純旁路閥，23、再生分離器，24、第一旁路閥門，25、第二旁路閥門，26、主汽閥門，27、第三冷凝系統(tǒng)(包括冷卻塔、冷凝器、循環(huán)水泵、閥門管道等)，28、第三旁路閥門，U1、第一做功子系統(tǒng)，U2、第二做功子系統(tǒng)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的目的在于充分利用電站鍋爐引風(fēng)機與脫硫設(shè)備之間的煙氣熱能，以及碳捕集設(shè)備再生出的CO₂的熱能。該系統(tǒng)將含有碳捕集系統(tǒng)的電站與超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)耦合起來進行電力生產(chǎn)。系統(tǒng)包括碳捕集系統(tǒng)和超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其中，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括汽輪發(fā)電機6、啟動電機15、排汽母管13、主汽閥門26、進汽母管14、啟停旁路系統(tǒng)和并接于進汽母管與排汽母管之間的多個做功子系統(tǒng)，啟停旁路系統(tǒng)包括第一旁路閥門24、第二旁路閥門25、第三冷凝系統(tǒng)27和第三旁路閥門28，做功子系統(tǒng)包括第一冷凝系統(tǒng)3、第一壓縮機4、第二膨脹機5、CO₂蒸發(fā)與過熱裝置7、第一回?zé)峒訜崞?、第二回?zé)峒訜崞?、第三壓縮機10、第二壓縮機11、第一膨脹機12、進汽閥門16、排汽閥門17、第二冷凝系統(tǒng)19，碳捕集系統(tǒng)包括第二不提純旁路閥20、主壓縮機21、第一不提純旁路閥22、再生分離器23和過冷提純裝置18。

超臨界CO₂布雷頓循環(huán)就是以超臨界CO₂為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)，由于CO₂的臨界溫度、壓力都較低，故而在100℃的鍋爐尾部煙道完全可以將其加熱到超臨界狀態(tài)。目前，超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)很少應(yīng)用于火電領(lǐng)域，更沒有將碳捕集系統(tǒng)與超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)耦合的先例。

在鍋爐尾部煙道中，低溫腐蝕是較難解決的問題，為此不得不提高鍋爐的排煙溫度。本發(fā)明使用陶瓷或玻璃材料的換熱器，再加上換熱器管道內(nèi)部壓力的合理控制，可以有效解決低溫腐蝕和換熱的問題；由于CO₂特殊的物性，在膨脹機排汽口處仍然具有較高的溫度，甚至與火電廠最后一級低壓加熱器的溫度相當，因此可以布置回?zé)嵯到y(tǒng)代替一部分低壓加熱器的負荷，這樣便可以減 少最后一級低壓加熱器的抽汽量，進一步增加能量的利用率。

為適應(yīng)有機工質(zhì)螺桿膨脹機只允許小流量通流的特性，減少能量的浪費，本發(fā)明將做功子系統(tǒng)通過進汽母管14與碳捕集系統(tǒng)的再生分離器23連接，通過排汽母管13與碳捕集系統(tǒng)的主壓縮機21連接。在進汽母管14和排汽母管13之間可以多并聯(lián)幾套做功子系統(tǒng)，這樣不僅可以調(diào)節(jié)輸出功率，而且可以使各個子系統(tǒng)均在額定負荷下運行，實現(xiàn)效率的最高化。而且這種布置方式可避免使用大體積壓氣機，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，投資相對較少。

參看圖1和圖2，碳捕集系統(tǒng)的CO₂再生分離器23出口與進汽母管14連接，進汽母管14與各做功子系統(tǒng)的第一壓縮機4通過CO₂管路及進汽閥門16連接，工質(zhì)經(jīng)第一壓縮機4加壓后經(jīng)CO₂管路進入第一膨脹機12，做功后的乏汽通過CO₂管路進入第一回?zé)峒訜崞?，在回?zé)峒訜崞?中，CO₂走殼程，低溫低壓水走管程，換熱之后的CO₂流體經(jīng)CO₂管路進入第二壓縮機11，工質(zhì)由第二壓縮機11進行壓縮后經(jīng)CO₂管路進入第一冷凝系統(tǒng)3進行冷卻，冷卻后的工質(zhì)經(jīng)CO₂管路進入第三壓縮機10，進一步加壓后的CO₂流體為超臨界壓力，然后工質(zhì)經(jīng)CO₂管路進入低溫?zé)煹纼?nèi)的CO₂蒸發(fā)與過熱裝置7，煙道內(nèi)的煙氣與CO₂流體逆向流動，加熱后的工質(zhì)從CO₂蒸發(fā)與過熱裝置出口流出，經(jīng)CO₂管路進入第二膨脹機5，第二膨脹機5排出的乏汽經(jīng)CO₂管路進入第二回?zé)峒訜崞?，乏汽經(jīng)凝結(jié)水泵出來的低溫低壓水做第一步冷卻后從第二回?zé)峒訜崞鞯某隹谂懦?，?jīng)CO₂管路進入第二冷凝系統(tǒng)19，CO₂流體經(jīng)進一步冷卻后經(jīng)CO₂管路及排汽閥門17進入排汽母管13，然后進入壓縮、提純、過冷、封存階段。若要求的CO₂品質(zhì)較低，可以使壓縮后的CO₂不進行提純，走旁路，直接進行過冷、封存。在圖2中，啟動電機15通過變速器與系統(tǒng)主軸連接，設(shè)置啟動電機的目的是為了在啟動時帶動壓縮機對CO₂進行壓縮，也可以在啟動前對主軸盤車。

考慮到CO₂流量較大，系統(tǒng)啟動時對來流CO₂滿負荷壓縮需要的啟動電機容量較大，故而使用逐步啟動的方式。例如可先啟動第一做功子系統(tǒng)U1，再啟動第二做功子系統(tǒng)U2，然后再依次啟動其它做功子系統(tǒng)，這樣可以使用小功率啟動電機完成啟動。在啟動過程中，如果CO₂流量有剩余，可以通過調(diào)節(jié)啟停旁路系統(tǒng)的三個旁路閥門，使剩余的CO₂走旁路系統(tǒng)。

本發(fā)明利用余熱進行發(fā)電的步驟如下：(a)先讓除第一做功子系統(tǒng)U1以外的子系統(tǒng)停運，即關(guān)閉除第一做功子系統(tǒng)U1以外的所有做功子系統(tǒng)的進汽閥門16和排汽閥門17，調(diào)節(jié)啟停旁路系統(tǒng)流量，即調(diào)節(jié)第一旁路閥門24、第二旁路閥門25和第三旁路閥門28(使沒有作功的CO₂直接經(jīng)第三冷凝系統(tǒng)27冷卻后進入主壓縮機21進行壓縮，之后再進入提純過冷裝置，直接封存)，開啟主汽閥門26。(b)開啟啟動電機15，啟動電機15拖動主軸旋轉(zhuǎn)，通過第一壓縮機4先將來流的CO₂氣體加壓到超臨界壓力，然后到第一膨脹機12膨脹作功，排汽經(jīng)第一回?zé)峒訜崞?和低品質(zhì)給水換熱后到第二壓縮機11進行壓縮，之后到第一冷凝系統(tǒng)3中冷卻，再到第三壓縮機10壓縮，然后超臨界壓力下的CO₂到鍋爐尾部煙道加熱到超臨界溫度，再到第二膨脹機5做功，排汽經(jīng)第二回?zé)峒訜崞?加熱低溫低壓給水，(以上過程均在第一做功子系統(tǒng)U1中完成)之后冷CO₂到第二冷凝系統(tǒng)19中進一步冷卻，然后經(jīng)排汽母管13到主壓縮機21壓縮，之后到過冷提純裝置、過冷器，排汽最后進入封存裝置。當啟動電機15無有功功率輸出時，自動啟動第二做功子系統(tǒng)U2，同時對第一做功子系統(tǒng)U1增加負荷，與啟動電機15一起完成第二做功子系統(tǒng)U2的壓縮過程，啟動第二做功子系統(tǒng)U2的方式與第一做功子系統(tǒng)U1一致，當?shù)诙龉ψ酉到y(tǒng)U2啟動完畢后，如果還有后續(xù)做功子系統(tǒng)則可以對后續(xù)做功子系統(tǒng)進行多臺同時啟動以加快啟動速率。此時，可以對已經(jīng)啟動了的子系統(tǒng)增加負荷與啟動電機共同完成啟動，當所有的子系統(tǒng)都啟動而且啟動電機的輸出有功功率為零時，啟動完畢，啟動電機解列，幾個做功子系統(tǒng)共同拖動發(fā)電機的主軸轉(zhuǎn)動，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到3000r/min時，發(fā)電機并列帶負荷，此時可以均勻地分配各做功子系統(tǒng)的負荷。在啟動過程中，每增加一個子系統(tǒng)，已經(jīng)啟動的子系統(tǒng)就要增加一部分負荷，啟停旁路系統(tǒng)就自動減少流量。

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中，可以隨意開啟或關(guān)閉各做功子系統(tǒng)，結(jié)合啟停旁路系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輸出功率，而且當某個做功子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可以在不停機的情況下對其進行檢修。

上述實施例僅僅是本發(fā)明優(yōu)選的幾個實施方式，其描述只是為了解釋本發(fā)明的原理,而并非對本發(fā)明保護范圍的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員在不需要付出創(chuàng)造性勞動的情況下作出的其它實施方式,都應(yīng)落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。