一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统.pdf

一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，采用两级注氢燃烧混合式加热器取代电厂锅炉系统，以纯氢为燃料，纯氧为助燃剂，从给水预热系统来的高压给水喷入第一级注氢燃烧混合式加热器，吸收氢氧燃烧释放的热量并与燃烧产物混合形成高温高压的蒸汽，然后送入汽轮机高压缸膨胀做功后，返回至第二级注氢燃烧混合式加热器，通过氢氧燃烧和混合加热，得到高温再热蒸汽，进而将再热蒸汽送入汽轮机中、低压缸继续膨胀做功，低压缸排汽送入凝汽器凝结成水再返回至给水预热系统，本发明使蒸汽系统得到简化，节省了高温金属材料，并能使蒸汽初温提高到700℃以上，极大的提高了蒸汽动力循环的发电效率。

权利要求书
1.  一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，包括汽轮机高压缸(1)，汽轮机高压缸(1)、汽轮机中压缸(2)和汽轮机低压缸(3)依次串联共轴布置并与发电机(4)连接，其特征在于：汽轮机高压缸(1)出口与第二级注氢燃烧混合式加热器(18)蒸汽入口连接，第二级注氢燃烧混合式加热器(18)蒸汽出口与汽轮机中压缸(2)蒸汽入口连接，汽轮机中压缸(2)蒸汽出口与汽轮机低压缸(3)蒸汽入口连接，汽轮机低压缸(3)蒸汽出口与凝汽器(5)蒸汽入口连接，凝汽器(5)热井与凝结水泵(6)入口相连，凝结水泵(6)出口与8#低压加热器(7)凝结水入口相连，8#低压加热器(7)加热蒸汽入口与汽轮机低压缸(3)最后一级抽汽口连接，8#低压加热器(7)凝结水出口与7#低压加热器(8)凝结水入口连接，7#低压加热器(8)加热蒸汽入口与汽轮机低压缸(3)倒数第二级抽汽口连接，7#低压加热器(8)凝结水出口与6#低压加热器(9)凝结水入口连接，6#低压加热器(9)加热蒸汽入口与汽轮机低压缸(3)第一级抽汽口连接，6#低压加热器(9)凝结水出口与5#低压加热器(10)凝结水入口连接，5#低压加热器(10)加热蒸汽入口与汽轮机中压缸(2)最末级抽汽口连接，5#低压加热器(10)凝结水出口与除氧器(11)凝结水入口连接，除氧器(11)加热蒸汽入口与汽轮机中压缸(2)第二级抽汽口连接，除氧器(11)出口与给水泵(12)入口连接，给水泵(12)出口与3#高压加热器(13)给水入口连接，3#高压加热器(13)加热蒸汽入口与汽轮机中压缸(2)第一级抽汽口连接，3#高压加热器(13)给水出口与2#高压加热器(14)给水入口连接，2#高压加热器(14)加热蒸汽入口与汽轮机高压缸(1)第二级抽汽口连接，2#高压加热器(14)给水出口与1#高压加热器(15)给水入口连接，1#高压加热器(15)加热蒸汽入口与汽轮机 高压缸(1)第一级抽汽口连接，1#高压加热器(15)给水出口与第一级注氢燃烧混合式加热器(16)给水入口连接，第一级注氢燃烧混合式加热器(16)出口与汽水分离器(17)蒸汽入口连接，汽水分离器(17)疏水出口与除氧器(11)的疏水入口连接，汽水分离器(17)蒸汽出口与汽轮机高压缸(1)蒸汽入口连接，汽水分离器(17)蒸汽出口设蒸汽旁路与凝汽器(5)的蒸汽入口连接，第一级注氢燃烧混合式加热器(16)、第二级注氢燃烧混合式加热器(18)氢气入口与氢气系统(19)连接，第一级注氢燃烧混合式加热器(16)、第二级注氢燃烧混合式加热器(18)氧气入口与氧气系统(20)连接，1#高压加热器(15)疏水出口与2#高压加热器(14)疏水入口相连，2#高压加热器(14)疏水出口与3#高压加热器(13)疏水入口相连，3#高压加热器(13)疏水出口与除氧器(11)疏水入口相连，从汽轮机来的抽汽加热给水后形成的疏水经过逐级自流汇集至除氧器(11)；5#低压加热器(10)疏水出口与6#低压加热器(9)疏水入口相连，6#低压加热器(9)疏水出口与7#低压加热器(8)疏水入口相连，7#低压加热器(8)疏水出口与8#低压加热器(7)疏水入口相连，8#低压加热器(7)疏水出口与凝汽器(5)疏水入口相连，从汽轮机来的抽汽加热凝结水后形成的疏水经过逐级自流汇集至凝汽器(5)。

2.  根据权利要求1所述的一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，其特征在于：所述的第一级注氢燃烧混合式加热器(16)、第二级注氢燃烧混合式加热器(18)氢气入口通过相应调阀与氢气系统(19)连接，第一级注氢燃烧混合式加热器(16)、第二级注氢燃烧混合式加热器(18)氧气入口通过相应调阀与氧气系统(20)连接。

3.  根据权利要求1所述的一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，其特征在于：所述第一级注氢燃烧混合式加热 器(16)、第二级注氢燃烧混合式加热器(18)包括加热器外壳(29)，加热器外壳(29)内部前段为燃烧区(32)，后段为混合区(28)，燃烧区(32)内壁面设有水膜/汽膜孔(25)，燃烧区(32)出口和混合区(28)连通，在燃烧区(32)内发生氢气和氧气的燃烧反应同时有水/蒸汽注入燃烧区(32)参混燃烧，燃烧产物蒸汽从燃烧区(32)出来进入混合区(28)，与其余给水/蒸汽混合换热，形成均质高温蒸汽。

说明书一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统
技术领域
本发明属于蒸汽动力循环发电技术领域，特别涉及一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统。
背景技术
目前火电厂的常规火电机组大多采用基于朗肯循环基本原理的带回热和再热的蒸汽动力循环系统，新蒸汽的初温初压不断提高，超临界机组的新蒸汽压力已经达到26MPa以上，温度达到600℃，发电效率可达45％，而进一步研发的超高参数机组则希望将蒸汽初温提高到700℃以上，实现高达50％的发电效率。然而将蒸汽初温提高到700℃并非易事，高温高压的蒸汽对管道金属材料性能要求极其严苛，庞大的锅炉系统需要耗费大量的高性能高温金属材料，造价昂贵。另外，由于在常规锅炉中蒸汽和高温烟气隔着金属壁面进行换热，中间有很大的热阻，超高温蒸汽对金属壁温冷却效果很差，受热面管道金属温度很高，尤其是烟气侧金属壁温更高，如此恶劣的工作环境致使管道寿命缩短，机组整体可靠性不佳。为了实现进一步提高蒸汽初参数的目标，在改良高温金属材料性能的同时，创新蒸汽换热方式，改善换热器金属部件工作环境也是提高系统稳定性的一个重要出路。
与此同时，IGCC(整体煤气化联合循环)发电因其零污染物排放的优越环保性能成为未来煤电技术发展的另一个重要方向，而适用于IGCC的燃烧前CO2捕集技术在众多CO2捕集技术中具有显著的低能耗优势，是最有可能大规模实施的CO2捕集方法。IGCC技术首先通过气化炉将煤气化成合成气，而合成气的主要成分是CO和H2，燃烧前CO2捕集技术可通过水煤气变换将CO与H2O反应生成H2 和CO2，CO2被分离捕集以后，剩余的合成气燃料中的主要成分就是H2，因此，燃烧前CO2捕集以后将得到大量的H2燃料。我国在天津已经建成并投产了一座IGCC示范电厂，经过调试运行，已经取得了良好的效果，基于IGCC的燃烧前CO2捕集装置也在该厂建成，即将投产。因此，一旦燃烧前CO2捕集技术成熟，在进行CO2捕集之后，将产生大量的氢气资源。氢气作为一种高热量无污染的高品质燃料，必须采用最有效的利用手段才能发挥其价值。
目前还没有报道显示将火力发电厂蒸汽动力循环和IGCC(整体煤气化联合循环)发电联合起来。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，适用于大型火力发电厂，可使蒸汽动力循环的蒸汽初温提高到700℃以上，机组发电效率提高到50％以上，可有效降低金属壁面温度，提升机组的可靠性和稳定性。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，包括汽轮机高压缸1，汽轮机高压缸1、汽轮机中压缸2和汽轮机低压缸3依次串联共轴布置并与发电机4连接，汽轮机高压缸1出口与第二级注氢燃烧混合式加热器18蒸汽入口连接，第二级注氢燃烧混合式加热器18蒸汽出口与汽轮机中压缸2蒸汽入口连接，汽轮机中压缸2蒸汽出口与汽轮机低压缸3蒸汽入口连接，汽轮机低压缸3蒸汽出口与凝汽器5蒸汽入口连接，凝汽器5热井与凝结水泵6入口相连，凝结水泵6出口与8#低压加热器7凝结水入口相连，8#低压加热器7加热蒸汽入口与汽轮机低压缸3最后一级抽汽口连接，8#低压加热器7凝结水出口与7#低压加热器8凝结水入口连接，7#低压加热 器8加热蒸汽入口与汽轮机低压缸3倒数第二级抽汽口连接，7#低压加热器8凝结水出口与6#低压加热器9凝结水入口连接，6#低压加热器9加热蒸汽入口与汽轮机低压缸3第一级抽汽口连接，6#低压加热器9凝结水出口与5#低压加热器10凝结水入口连接，5#低压加热器10加热蒸汽入口与汽轮机中压缸2最末级抽汽口连接，5#低压加热器10凝结水出口与除氧器11凝结水入口连接，除氧器11加热蒸汽入口与汽轮机中压缸2第二级抽汽口连接，除氧器11出口与给水泵12入口连接，给水泵12出口与3#高压加热器13给水入口连接，3#高压加热器13加热蒸汽入口与汽轮机中压缸2第一级抽汽口连接，3#高压加热器13给水出口与2#高压加热器14给水入口连接，2#高压加热器14加热蒸汽入口与汽轮机高压缸1第二级抽汽口连接，2#高压加热器14给水出口与1#高压加热器15给水入口连接，1#高压加热器15加热蒸汽入口与汽轮机高压缸1第一级抽汽口连接，1#高压加热器15给水出口与第一级注氢燃烧混合式加热器16给水入口连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16出口与汽水分离器17蒸汽入口连接，汽水分离器17疏水出口与除氧器11的疏水入口连接，汽水分离器17蒸汽出口与汽轮机高压缸1蒸汽入口连接，汽水分离器17蒸汽出口设蒸汽旁路与凝汽器5的蒸汽入口连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氢气入口与氢气系统19连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氧气入口与氧气系统20连接，1#高压加热器15疏水出口与2#高压加热器14疏水入口相连，2#高压加热器14疏水出口与3#高压加热器13疏水入口相连，3#高压加热器13疏水出口与除氧器11疏水入口相连，从汽轮机来的抽汽加热给水后形成的疏水经过逐级自流汇集至除氧器11；5#低压加热器10疏水出口与6#低压加热器9疏水入口相连，6#低压加热器9疏水出口与7#低压加热器8 疏水入口相连，7#低压加热器8疏水出口与8#低压加热器7疏水入口相连，8#低压加热器7疏水出口与凝汽器5疏水入口相连，从汽轮机来的抽汽加热凝结水后形成的疏水经过逐级自流汇集至凝汽器5。
所述的第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氢气入口通过相应调阀与氢气系统19连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氧气入口通过相应调阀与氧气系统20连接。
所述第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18包括加热器外壳29，加热器外壳29内部前段为燃烧区32，后段为混合区28，燃烧区32内壁面设有水膜/汽膜孔25，燃烧区32出口和混合区28连通，在燃烧区32内发生氢气和氧气的燃烧反应同时有水/蒸汽注入燃烧区32参混燃烧，燃烧产物蒸汽从燃烧区32出来进入混合区28，与其余给水/蒸汽混合换热，形成均质高温蒸汽。
本发明有益的效果为：
1、本发明省去了火力发电厂庞大的锅炉装置，取而代之的是两级注氢燃烧混合式加热器，管路流程大大缩短，可使蒸汽动力系统布局更加紧凑，减少管道金属耗量，减少汽水流程阻力损失。
2、通过注氢燃烧混合加热，可以在不提高换热器金属壁温的条件下使蒸汽动力循环的新蒸汽温度从目前的560～600℃提升至700℃以上，使蒸汽动力循环的效率由40～45％提高到50％以上，大大提高火电厂的发电效率。
3、由于注氢燃烧混合式加热器采用氢氧配比燃烧，生成的产物只有水，燃烧产物直接与给水或蒸汽进行混合加热，这样省去了分隔式换热器的金属壁面热阻，换热速率提高。同时由于可以采用水膜或汽膜孔25冷却，使燃烧器金属避免在高温恶劣环境下工作，金属寿命延长，因此可以节省昂贵的高性能高温金属材料，降低系统造价。
4、第二级注氢燃烧混合式加热器18作为蒸汽的再热器，在机组启动阶段，当没有冷再热蒸汽流经再热器时，不注入氢气和氧气燃烧加热。这样就避免了常规锅炉机组在锅炉启动过程中出现的再热器干烧问题，提高可靠性。
5、采用氢、氧燃料，注氢燃烧混合式加热器的启停灵活简单，汽水流程短，热惯性小，所以整体机组启停灵活迅速，变负荷性能好。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为注氢燃烧混合式加热器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细叙述，本实施例为1000MW级的发电机组。
参照图1，一种采用注氢燃烧混合式加热的超高温蒸汽动力循环系统，包括汽轮机高压缸1，汽轮机高压缸1、汽轮机中压缸2和汽轮机低压缸3依次串联共轴布置并与发电机4连接，带动发电机4发电，汽轮机高压缸1出口与第二级注氢燃烧混合式加热器18蒸汽入口连接，第二级注氢燃烧混合式加热器18蒸汽出口与汽轮机中压缸2蒸汽入口连接，汽轮机中压缸2蒸汽出口与汽轮机低压缸3蒸汽入口连接，汽轮机低压缸3蒸汽出口与凝汽器5蒸汽入口连接，凝汽器5热井与凝结水泵6入口相连，凝结水泵6出口与8#低压加热器7凝结水入口相连，8#低压加热器7加热蒸汽入口与汽轮机低压缸3最后一级抽汽口连接，8#低压加热器7凝结水出口与7#低压加热器8凝结水入口连接，7#低压加热器8加热蒸汽入口与汽轮机低压缸3倒数第二级抽汽口连接，7#低压加热器8凝结水出口与6#低压加热器9凝结水入口连接，6#低压加热器9加热蒸汽入口与汽轮机低压缸3第一级抽汽口连接，6#低压加热器9凝结水出口与5#低压加热 器10凝结水入口连接，5#低压加热器10加热蒸汽入口与汽轮机中压缸最末级抽汽口连接，5#低压加热器10凝结水出口与除氧器11凝结水入口连接，除氧器11加热蒸汽入口与汽轮机中压缸2第二级抽汽口连接，除氧器11出口与给水泵12入口连接，给水泵12出口与3#高压加热器13给水入口连接，3#高压加热器13加热蒸汽入口与汽轮机中压缸第一级抽汽口连接，3#高压加热器13给水出口与2#高压加热器14给水入口连接，2#高压加热器14加热蒸汽入口与汽轮机高压缸第二级抽汽口连接，2#高压加热器14给水出口与1#高压加热器15给水入口连接，1#高压加热器15加热蒸汽入口与汽轮机高压缸第一级抽汽口连接，1#高压加热器15给水出口与第一级注氢燃烧混合式加热器16给水入口连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16出口与汽水分离器17蒸汽入口连接，汽水分离器17疏水出口与除氧器11的疏水入口连接，汽水分离器17蒸汽出口与汽轮机高压缸1蒸汽入口连接，汽水分离器17蒸汽出口设蒸汽旁路与凝汽器5的蒸汽入口连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氢气入口与氢气系统19连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氧气入口与氧气系统20连接，分别为第一级注氢燃烧混合式加热器16和第二级注氢燃烧混合式加热器17提供纯氢和纯氧，图1中带箭头的虚线所示为各级加热器疏水流向，1#高压加热器15疏水出口与2#高压加热器14疏水入口相连，2#高压加热器14疏水出口与3#高压加热器13疏水入口相连，3#高压加热器13疏水出口与除氧器11疏水入口相连，从汽轮机来的抽汽加热给水后形成的疏水经过逐级自流汇集至除氧器11；5#低压加热器10疏水出口与6#低压加热器9疏水入口相连，6#低压加热器9疏水出口与7#低压加热器8疏水入口相连，7#低压加热器8疏水出口与8#低压加热器7疏水入口相连，8#低压加热器7疏水出 口与凝汽器5疏水入口相连，从汽轮机来的抽汽加热凝结水后形成的疏水经过逐级自流汇集至凝汽器5。
所述的第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氢气入口通过相应调阀与氢气系统19连接，第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18氧气入口通过相应调阀与氧气系统20连接，进行流量精确控制。
参照图2，所述第一级注氢燃烧混合式加热器16、第二级注氢燃烧混合式加热器18包括加热器外壳29，加热器外壳29内部前段为燃烧区32，后段为混合区28，燃烧区32设有燃烧室外壳30，燃烧室外壳30前端和给水/蒸汽进口21连通，氢气入口22、氧气入口23分别通过氢气布风嘴34、氧气布风嘴33布置在燃烧区32的入口处，燃烧区32的入口处还布置有点火装置24，燃烧区32内布置有火焰筒31，燃烧区32内壁面设有水膜/汽膜孔25，燃烧区32出口和混合区28连通，混合区28前端设有水/汽喷嘴26，混合区28后端为蒸汽出口27，在燃烧区32内发生氢气和氧气的燃烧反应同时有水/蒸汽注入燃烧区32参混燃烧，燃烧产物蒸汽从燃烧区32出来进入混合区28，与其余给水/蒸汽混合换热，形成均质高温蒸汽，燃烧区32内壁面设有水膜/汽膜冷却孔25保护，使燃烧器金属避免在高温恶劣环境下工作，金属寿命延长，因此可以节省昂贵的高性能高温金属材料，降低系统造价。
本发明的工作原理为：
由8#低压加热器7、7#低压加热器8、6#低压加热器9、5#低压加热器10、除氧器11、给水泵12、3#高压加热器13、2#高压加热器14、1#高压加热器15以及连接管道和引自汽轮机的抽汽管道等组成的给水回热预热系统提供压力约36MPa，温度约300℃的给水，给水从1#高压加热器15出口出来后送入第一级注氢燃烧混合式加热器 16，与此同时，分别由氢气系统19和氧气系统20提供的氢气和氧气，经过精确控制按摩尔流量二比一配比注入第一级注氢燃烧混合式加热器16，氢气和氧气在第一级注氢燃烧混合式加热器16内完全燃烧并与给水混合换热，最后生成高温高压的蒸汽。高温高压的蒸汽从第一级注氢燃烧混合式加热器16出来后送去汽水分离器17。
在机组启动阶段和停机过程中，如果进入汽水分离器17的蒸汽带水，则汽水分离器17将液态水分离并经管路送去除氧器11进行回收。从汽水分离器17顶部出来的蒸汽可以根据需要，比如在机组启停时经旁路直接送去凝汽器5，被凝汽器5冷凝回收。在汽轮机正常运行时，新蒸汽从汽水分离器17出来以后送入汽轮机高压缸1进行膨胀做功。
汽轮机高压缸1排汽作为冷再热蒸汽送入第二级注氢燃烧混合式加热器18，与此同时分别由氢气系统19和氧气系统20提供的纯氢和纯氧按摩尔流量二比一配比注入第二级注氢燃烧混合式加热器18，氢气和氧气在第二级注氢燃烧混合式加热器18内完全燃烧并与冷再热蒸汽混合换热形成热再热蒸汽。
热再热蒸汽从第二级内燃烧混合加热器18出来送去汽轮机中压缸2膨胀做功，汽轮机中压缸2排汽送去汽轮机低压缸3继续膨胀做功。汽轮机高、中、低压缸与发电机4同轴串联并带动发电机发电。汽轮机低压缸3排汽送入凝汽器5并冷却凝结成凝结水。凝结水泵6从凝汽器5热井抽出凝结水送入8#低压加热器7，经过汽轮机第八级抽汽加热温度升高，8#低压加热器7出口凝结水送入7#低压加热器8，经过汽轮机第七级抽汽加热温度继续升高，7#低压加热器8出口凝结水送入6#低压加热器9，经过汽轮机第六级抽汽加热温度继续升高，6#低压加热器9出口凝结水送入5#低压加热器10，经过汽轮机第五级抽汽加热温度继续升高，5#低压加热器10出口凝结水送入除 氧器11，经过汽轮机第四级抽汽加热温度继续升高，同时除去水中溶解的氧气。除氧器11出口给水经过给水泵12升压至36MPa以上送去3#高压加热器13，经过汽轮机第三级抽汽加热温度继续升高，3#高压加热器13出口给水送去2#高压加热器14，经过汽轮机第二级级抽汽加热温度继续升高，2#高压加热器14出口给水送入1#高压加热器15，经过汽轮机第一级抽汽加热温度继续升高，1#高压加热器15出口给水送去第一级注氢燃烧混合式加热器16。
由于氢氧燃烧产物为纯水，由氢氧燃烧产生的蒸汽占总蒸汽量的15％左右，对循环系统起到了补水作用，除去系统的漏汽损失之外，系统内的水量仍会逐渐增多，可以通过调节凝汽器5的水位来维持系统水量的平衡。凝汽器5水位根据具不同工况通过向外排水或补充除盐水来调节。
至此，该系统完成一个完整的蒸汽动力循环过程。而汽轮机高、中、低压缸同轴串联并与发电机4相连，带动发电机4转动发电。该实例中蒸汽动力循环系统稳态运行的主要节点参数由表1列出，在稳态工况下，汽轮机发电量为1058.55MW，蒸汽动力循环的发电效率为62％。