本发明属于超临界二氧化碳布雷顿循环高效循环发电领域，具体涉及一种具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统和方法。
背景技术：
能源的日益匮乏是制约当今社会发展的一大因素，提高能源的利用率受到了人们的重视。与传统水工质朗肯循环相比，超临界二氧化碳布雷顿循环在500~700℃时具有循环热效率高，能量密度大，系统简单紧凑，安全性好，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施等优势，可以在提升系统热功转换效率的同时降低投入成本。
对于正常运行的超临界二氧化碳锅炉而言，保持锅炉出口超临界二氧化碳工质温度达到额定值可以获得较高的经济效益。若超临界二氧化碳工质温度过高会使锅炉受热面和透平机的金属材料超温和蠕变速度加快，高温受热面和管道以及汽轮机叶片的使用寿命显著降低；若超临界二氧化碳工质温度过低会导致机组出力降低，从而影响机组整体的循环效率。而且随着动力循环压力、温度的提高，机组运行存在过大的偏差还会大大增加锅炉受热面管子的高温腐蚀速率。因此，对超临界二氧化碳锅炉工质进行及时、有效地温度调节，对于机组的安全、稳定运行有着重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统和方法，在保证调温工质维持在所要求的温度水平的同时，还将多余的能量进行余热回收，从而实现高效、安全地对超临界二氧化碳锅炉进行工质温度调节。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，包括超临界二氧化碳锅炉、透平、回热器、主冷却器、压缩机、调温工质冷却器，所述压缩机至少包含主压缩机，超临界二氧化碳锅炉包括工质调温点、锅炉受热面、空气预热器和燃烧器。透平入口与超临界二氧化碳锅炉出口相连，透平出口与回热器低压侧入口相连，回热器低压侧出口与主冷却器放热侧入口相连，主冷却器放热侧出口与主压缩机入口相连；超临界二氧化碳通过主压缩机进行压力提升；主压缩机出口分流为两路，一路与回热器高压侧入口相连，回热器高压侧出口与超临界二氧化碳锅炉入口相连，另一路与调温工质冷却器放热侧入口相连，调温工质冷却器放热侧出口与工质调温点相连；部分或全部锅炉燃烧所需空气经调温工质冷却器加热后，与其余锅炉燃烧所需空气混合，随后进入空气预热器进行加热并送入燃烧器参与燃烧过程。
优选地，超临界二氧化碳循环可采用1个压缩机（仅包含主压缩机）和多个压缩机的循环方案。
优选地，回热器可为一级或多级。
优选地，工质调温点数量可为1个或多个，均由调温工质冷却器放热侧出口引出。
优选地，在超临界二氧化碳锅炉中可以设置再热受热面。
本发明还提供了相应的具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节方法。
超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质进入透平做功，做功后的二氧化碳工质进入回热器低压侧放热，之后大部分或全部进入主冷却器放热侧继续降温，随后进入主压缩机；在主压缩机中的二氧化碳工质经增压后分流为两路，一路进入回热器高压侧经加热后进入超临界二氧化碳锅炉继续加热，另一路进入调温工质冷却器放热侧进行冷却降温，再依次流经调温工质引入管路和工质调温点，与超临界二氧化碳锅炉中的高温工质直接混合，以达到对锅炉受热面进行温度调节的目的；调温工质经调温工质冷却器冷却后温度下降幅度不低于其冷却前温度值与环境温度差值的25%；部分或全部锅炉燃烧所需空气进入调温工质冷却器吸热侧升温，与其余锅炉燃烧所需空气混合后经空气预热器继续加热。
本发明所述的具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统和方法，有效地解决了超临界二氧化碳锅炉工质温度的调节问题。将闭式系统内的部分二氧化碳工质降温后与高温二氧化碳工质直接接触换热，实现了对超临界二氧化碳锅炉工质温度快速、灵活的调节，避免了锅炉受热面的超温，不仅明显增加了系统运行的安全性，而且还大大延长了系统内高温受热面和管道以及汽轮机叶片的使用寿命。
本发明通过在主压缩机的出口引出调温工质旁路，并通过调温工质冷却器进行冷却，能够确保调温工质的温度保持在合理水平，这样在调温过程中所需的流量也较小，避免了在调温过程中对锅炉主管路的工质流量产生较大影响。
在本发明中，由于调温工质在总工质循环量中占比很小，同时调温工质经过调温工质冷却器换热后的温度变化很小，因此调温工质冷却器本体体积很小，故其成本和占地都很小。
在本发明中，通过调温工质冷却器在保证获得工质调温所要求温度的同时，还实现了将调温工质多余的能量进行回收，从而实现几乎零热损失的锅炉工质温度调节过程。
在本发明中，通过将调温二氧化碳工质与高温二氧化碳工质直接混合的方式进行调温，调温效果好、灵敏度高、响应快，系统简单、故障率低、投资低。
附图说明
图1为本发明所述具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统示意图。
图2为本实用新型所述具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统第二实施例示意图。
附图标记说明如下：1a-主压缩机；1b-再压缩机；2-低温回热器；3-高温回热器；23-回热器；4a-工质调温点上游受热面；4b-工质调温点下游受热面；4c-空气预热器；5-透平；6-主冷却器；7-送风机；8-调温工质冷却器；s1-调温工质引入管路；s2-外界空气；s3-燃烧器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但不局限于以下的实施例。
实施例1：本实施例系统如图1所示。
一种具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，包括主压缩机1a、回热器23、超临界二氧化碳锅炉、透平5、主冷却器6、调温工质冷却器8、调温工质引入管路s1、外界空气s2、燃烧器s3。
超临界二氧化碳锅炉包括工质调温点、工质调温点上游受热面4a、工质调温点下游受热面4b和空气预热器4c。
透平5出口与回热器23低压侧入口相连，从回热器23低压侧出口的工质全部进入主冷却器6。主冷却器6放热侧出口与主压缩机1a入口相连。主压缩机1a出口分流为两路，一路与回热器23高压侧入口相连，另一路与调温工质冷却器8放热侧入口相连。回热器23高压侧出口与超临界二氧化碳锅炉入口相连。调温工质冷却器8放热侧出口通过调温工质引入管路s1与工质调温点相连。送风机7出口分流为两路，一路与空气预热器4c吸热侧入口相连，另一路与调温工质冷却器8吸热侧入口相连。调温工质冷却器8吸热侧出口与连接送风机7出口分流点和空气预热器4c吸热侧入口的管路相连，两路空气汇合后送入空气预热器4c。空气预热器4c吸热侧出口与燃烧器s3一、二次风入口相连。
超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质进入透平5做功，做功后的二氧化碳工质进入回热器23放热侧放热，之后二氧化碳工质在回热器23低压侧出口进入主冷却器6放热侧降温后进入主压缩机1a。
在主压缩机1a中的二氧化碳工质被增压进入回热器23的吸热侧吸热，之后进入超临界二氧化碳锅炉继续吸热；另一路作为调温工质进入调温工质冷却器8放热侧进一步降温，之后依次流经调温工质引入管路s1和工质调温点，与工质调温点上游受热面4a中的高温二氧化碳工质直接混合，以达到对锅炉受热面进行温度调节的目的。超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质进入透平5做功完成循环。调温工质在调温工质冷却器8中的温度由130℃下降到90℃。
送风机7送入的外界冷空气在送风机7出口分流为两路，其中20%风量的一路进入调温工质冷却器8吸热侧吸热，随后与剩余空气的一路混合后送入空气预热器4c继续加热，经空气预热器加热后产生的热空气送入燃烧器参与燃烧过程。
本实施例所述的具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统和方法，有效地解决了超临界二氧化碳锅炉工质温度的调节问题。将闭式系统内的部分二氧化碳工质降温后与高温二氧化碳工质直接接触换热，通过对进入工质调温点的低温二氧化碳工质保持合理的温度和流量，实现了对超临界二氧化碳锅炉工质温度快速、灵活的调节，避免了锅炉受热面的超温，不仅明显增加了系统运行的安全性，而且还大大延长了系统内高温受热面和管道以及汽轮机叶片的使用寿命。
本实施例通过在主压缩机的出口引出调温工质旁路，并通过调温工质冷却器进行冷却，能够确保调温工质的温度保持在合理水平，这样在调温过程中所需的流量也较小，避免了在调温过程中对锅炉主管路的工质流量产生较大影响。
在本实施中，由于调温工质在总工质循环量中占比很小，同时调温工质经过调温工质冷却器换热后的温度变化很小，因此调温工质冷却器本体体积很小，故其成本和占地都很小。
在本实施中，通过调温工质冷却器在保证获得工质调温所要求温度的同时，还实现了将调温工质多余的能量进行回收，从而实现几乎零热损失的锅炉工质温度调节过程。
在本实施例中，通过将调温二氧化碳工质与高温二氧化碳工质直接混合的方式进行调温，调温效果好、灵敏度高、响应快，系统简单、故障率低、投资低。
实施例2：本实施例系统如图2所示。
一种具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，包括主压缩机1a、再压缩机1b、低温回热器2、高温回热器3、超临界二氧化碳锅炉、透平5、主冷却器6、调温工质冷却器8、调温工质引入管路s1、外界空气s2、燃烧器s3。
超临界二氧化碳锅炉包括工质调温点、工质调温点上游受热面4a、工质调温点下游受热面4b和空气预热器4c。
透平5入口与超临界二氧化碳锅炉出口相连，透平5出口与高温回热器3低压侧入口相连，高温回热器3低压侧出口与低温回热器2低压侧入口相连。低温回热器2低压侧出口分流为两路，一路与主冷却器6放热侧入口相连，另一路与再压缩机1b入口相连。主冷却器6放热侧出口与主压缩机1a入口相连。主压缩机1a出口分流为两路，一路与低温回热器2高压侧入口相连，另一路与调温工质冷却器8放热侧入口相连。低温回热器2高压侧出口工质与再压缩机1b出口工质汇合后与高温回热器3高压侧入口相连，高温回热器3高压侧出口与超临界二氧化碳锅炉入口相连。调温工质冷却器8放热侧出口通过调温工质引入管路s1与工质调温点相连。送风机7出口分流为两路，一路与空气预热器4c吸热侧入口相连，另一路与调温工质冷却器8吸热侧入口相连。调温工质冷却器8吸热侧出口与连接送风机7出口分流点和空气预热器4c吸热侧入口的管路相连，两路空气汇合后送入空气预热器4c。空气预热器4c吸热侧出口与燃烧器s3一、二次风入口相连。
超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质进入透平5做功，做功后的二氧化碳工质依次进入高温回热器3、低温回热器2的放热侧放热，之后二氧化碳工质在低温回热器2低压侧出口分流为两路，一路进入主冷却器6放热侧降温后进入主压缩机1a，另一路进入再压缩机1b进行增压。
在主压缩机1a中的二氧化碳工质被增压后分流为两路，一路进入低温回热器2的吸热侧吸热，之后与进入再压缩机1b增压后的二氧化碳工质汇合，进入高温回热器3高压侧吸热，之后进入超临界二氧化碳锅炉继续吸热；另一路作为调温工质进入调温工质冷却器8放热侧进一步降温，之后依次流经调温工质引入管路s1和工质调温点，与工质调温点上游受热面4a中的高温二氧化碳工质直接混合，以达到对锅炉受热面进行温度调节的目的。超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质进入透平5做功完成循环。调温工质在调温工质冷却器8中的温度由130℃下降到90℃。
送风机7送入的外界冷空气在送风机7出口分流为两路，其中20%风量的一路进入调温工质冷却器8吸热侧吸热，随后与剩余空气的一路混合后送入空气预热器4c继续加热，经空气预热器加热后产生的热空气送入燃烧器参与燃烧过程。
本实施例所述的具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统和方法，有效地解决了超临界二氧化碳锅炉工质温度的调节问题。将闭式系统内的部分二氧化碳工质降温后与高温二氧化碳工质直接接触换热，通过对进入工质调温点的低温二氧化碳工质保持合理的温度和流量，实现了对超临界二氧化碳锅炉工质温度快速、灵活的调节，避免了锅炉受热面的超温，不仅明显增加了系统运行的安全性，而且还大大延长了系统内高温受热面和管道以及汽轮机叶片的使用寿命。
本实施例通过在主压缩机的出口引出调温工质旁路，并通过调温工质冷却器进行冷却，能够确保调温工质的温度保持在合理水平，这样在调温过程中所需的流量也较小，避免了在调温过程中对锅炉主管路的工质流量产生较大影响。
在本实施中，由于调温工质在总工质循环量中占比很小，同时调温工质经过调温工质冷却器换热后的温度变化很小，因此调温工质冷却器本体体积很小，故其成本和占地都很小。
在本实施中，通过调温工质冷却器在保证获得工质调温所要求温度的同时，还实现了将调温工质多余的能量进行回收，从而实现几乎零热损失的锅炉工质温度调节过程。
在本实施例中，通过将调温二氧化碳工质与高温二氧化碳工质直接混合的方式进行调温，调温效果好、灵敏度高、响应快，系统简单、故障率低、投资低。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，所述系统具有能量回收功能，包括超临界二氧化碳锅炉、透平（5）、回热器、主冷却器（6）、压缩机、调温工质冷却器（8），其特征在于：
压缩机至少包含主压缩机（1a），超临界二氧化碳锅炉包括工质调温点、锅炉受热面、空气预热器（4c）和燃烧器（s3）；
透平入口与超临界二氧化碳锅炉出口相连，透平出口与回热器低压侧入口相连，回热器低压侧出口与主冷却器（6）放热侧入口相连，主冷却器放热侧出口与主压缩机（1a）入口相连；
主压缩机出口分流为两路，一路与回热器高压侧入口相连，回热器高压侧出口与超临界二氧化碳锅炉入口相连，另一路与调温工质冷却器(8)放热侧入口相连，调温工质冷却器放热侧出口经调温工质引入管路与工质调温点相连；
部分或全部锅炉燃烧所需空气经调温工质冷却器(8)加热后，与其余锅炉燃烧所需空气混合，随后进入空气预热器进行加热并送入燃烧器（s3）参与燃烧过程。
2.如权利要求1所述的一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，其特征在于：超临界二氧化碳循环可采用主压缩机和多个压缩机的循环方案。
3.如权利要求1所述的一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，其特征在于：回热器可为一级或多级。
4.如权利要求1所述的一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，其特征在于：压缩机还包括一个再压缩机（1b），回热器（23）包含低温回热器（2）和高温回热器（3）；
透平（5）出口与高温回热器（3）低压侧入口相连，高温回热器（3）低压侧出口与低温回热器（2）低压侧入口相连；
低温回热器（2）低压侧出口分流为两路，一路与主冷却器(6)放热侧入口相连，另一路与再压缩机(1b)入口相连；
主压缩机(1a)出口分流为两路，一路与低温回热器（2）高压侧入口相连，另一路与调温工质冷却器（8）放热侧入口相连；
低温回热器（2）高压侧出口工质与再压缩机（1b）出口工质汇合后与高温回热器（3）高压侧入口相连，高温回热器（3）高压侧出口与超临界二氧化碳锅炉入口相连。
5.如权利要求1所述的一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，其特征在于：工质调温点数量可为1个或多个，均由调温工质冷却器放热侧出口引出。
6.如权利要求1所述的一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统，其特征在于：在超临界二氧化碳锅炉中设置再热受热面。
7.如权利要求1至6之一所述的一种高效的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节方法，其特征在于：超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质进入透平做功，做功后的二氧化碳工质进入回热器低压侧放热，之后大部分或全部进入主冷却器放热侧继续降温，随后进入主压缩机；在主压缩机中的二氧化碳工质经增压后分流为两路，一路进入回热器高压侧经加热后进入超临界二氧化碳锅炉继续加热，另一路进入调温工质冷却器放热侧进行冷却降温，再依次流经调温工质引入管路和工质调温点，与超临界二氧化碳锅炉中的高温工质直接混合，以达到对锅炉受热面进行温度调节的目的；调温工质经调温工质冷却器冷却后温度下降幅度不低于其冷却前温度值与环境温度差值的25%；部分或全部锅炉燃烧所需空气进入调温工质冷却器吸热侧升温，与其余锅炉燃烧所需空气混合后经空气预热器继续加热。
技术总结
本发明公开了一种具有能量回收功能的超临界二氧化碳锅炉工质温度调节系统和方法，包括超临界二氧化碳锅炉、透平、回热器、主冷却器、压缩机和调温工质冷却器。调温工质从主压缩机出口引出，经调温工质冷却器冷却后与锅炉受热面工质直接混合，从而使超临界二氧化碳锅炉出口的二氧化碳工质温度满足工作要求。该调温方法在保证调温工质维持在所要求的温度水平的同时，将多余的能量进行余热回收，从而实现几乎零热损失的锅炉工质温度调节过程。
技术研发人员：闫凯;李月华;杨涛
受保护的技术使用者：上海锅炉厂有限公司
技术研发日：.09.04
技术公布日：.11.15
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