CN107288834B - 一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统 - Google Patents

一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统。包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1和阀门等组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；此外，还包括由低温蓄热水罐LTA和第二水泵P2等组成的低温蓄热水罐支路。本发明实现了利用不同的放热模式进行热电转换；使得有机朗肯循环的全年工作时间增长，系统发电量增高，回收期缩短；有效地避免膨胀机在严重偏离设计工况的条件下运行，保证系统高效运行。

Description

一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统。
背景技术
螺杆膨胀机可以处理液态、气液两相态以及气态工质，而且与透平膨胀机相比，其具有良好的变工况性能。在太阳能热发电系统（Solar electricity generation system，SEGS）中，采用蒸汽螺杆膨胀机，构建水蒸汽-有机工质复叠朗肯循环系统（steam-organicRankinecycle，SORC）可以避免过热装置，在相对较低的温度和压力下系统也能够保证较高的效率。比如，当热源温度在250℃时，系统发电效率在15%左右。此外，当采用水作为蓄热工质时，系统还可以采用直膨式技术（direct steam generation，DSG），使得太阳能热发电系统具有灵活的操作性以及优良的热力学性能。但是，基于水蓄热的直膨式太阳能复叠朗肯循环发电系统（DSG-SORC），仍然面临一些挑战：
1）对于单级蓄热系统，在放热过程中，蓄热罐中水的温降受到限制，可利用的温降较低。这是因为蓄热罐中的水汽化蒸发，温度逐步降低，导致螺杆膨胀机的进口压力也随之下降。而当螺杆膨胀机的运行压比低于设计值时，其效率会显著降低。比如，针对一个设计背压为0.55MPa的水蒸气螺杆膨胀机，当蓄热罐水温由250℃降至220℃时，其运行压比会由7.2降至4.2。考虑到螺杆膨胀机的内置比体积，进一步降低蓄热罐水温会导致水蒸气螺杆膨胀机严重偏离设计工况，性能急剧恶化。
2）蓄热罐水温的降低不仅对蒸汽朗肯循环也对有机朗肯循环产生不利影响。在放热过程中，不仅水蒸气螺杆膨胀机处于变工况运行，底部的有机朗肯循环也很难维持稳定运行。随着水蒸气螺杆膨胀机进口温度和压力的降低，通过螺杆膨胀机的水工质流量也在降低。中间换热器中传递给有机工质的热量将不足以驱动有机朗肯循环有效运行。尤其当有机朗肯循环采用的是透平膨胀机时，透平膨胀机比螺杆膨胀机更易受到运行工况波动的影响，这将导致系统放热过程中的不可逆损失增大。
3）大容积的高温高压蓄热罐不利于提高系统的经济性。比如，对于一个装机容量1MWe、蓄热时长6小时，设计压力4.0 MPa,设计温度250oC、设计容积400m2的DSG-SORC系统，蓄热罐的成本大约为255万人民币，这与抛物面集热器阵列的成本是相当的。蓄热罐较高的成本与单级蓄热水罐较小的温降是密切相关的。相同蓄热能力下，较小的温降使得蓄热罐容积增大，影响DSG-SORC统的经济效益。
到目前为止，有关传统直膨式太阳能槽式发电系统的蓄热研究已较为广泛。为改善系统效率，两级和三级蓄热结构也已被提出。然而，在这种多级蓄热结构中，系统的工作介质（水）和蓄热介质（混凝土、相变材料、水、空气等）通常彼此分开、位于独立的单元之中，这导致系统的结构和传热换热过程比较复杂。
发明内容
为了实现在不明显增大成本的条件下，提高系统的蓄热能力，降低太阳能热发电系统的不可逆损失，本发明提出一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统。
一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1、第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6和第七阀门V7组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；所述第一换热器HX1中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第二换热器HX2中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第一换热器HX1中的有机工质一侧串联在有机朗肯循环回路的有机工质泵P3的出口和有机工质膨胀机T之间；
还包括由低温蓄热水罐LTA、第二水泵P2、第五阀门V5和节流阀TV组成的低温蓄热水罐支路；低温蓄热水罐LTA的出口连通着第二水泵P2的进口，第二水泵P2的出口和第一水泵P1的出口并联，低温蓄热水罐LTA的进口通过串联的节流阀TV和第五阀门V5连通着第一换热器HX1的水工质出口；
使抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA构成以水为工质的循环回路；系统首先利用高温蓄热水罐HTA中的水汽化蒸发，驱动蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环进行热功转换，该过程低温蓄热水罐支路不参与工作；其次，高温蓄热水罐HTA中的水经第一换热器HX1流入低温蓄热水罐LTA中，热量用于驱动有机朗肯循环工作，该过程低温蓄热水罐LTA和高温蓄热水罐HTA联合工作；
所述高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA的温差为100～200℃。
进一步限定的技术方案如下：
所述有机朗肯循环的工质为R123、R141b、R245fa、R365mfc、丁烷、戊烷、环己烷、异丁烯、HFO-1336mzz(Z)和苯中的一种。
所述水蒸气螺杆膨胀机E为单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机中的一种。
所述有机工质膨胀机T为单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、透平膨胀机中的一种。
所述高温蓄热水罐HTA的工作温度为150℃～250℃。
所述低温蓄热水罐LTA的工作温度为30℃～150℃。
在已有的技术方案中，发明专利申请‘具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统’(申请号: CN201611107905.4)， 公开一种具有高温蓄热水罐和低温蓄热水罐的直膨式太阳能复叠朗肯循环热电联供系统。目的之一在于提高系统发电和供热的独立性和灵活性。在实际生活中，人们的用电和用热需求不一定是同步进行的。在发明CN201611107905.4中，由于具有两级蓄热水罐，系统可以利用螺杆膨胀机单独发电，也可以利用低温级蓄热水罐单独供热或驱动有机朗肯循环发电，或发电供热同时进行。供能模式可以依据用户需求灵活调整。另外，发明CN201611107905.4中的集热器阵列与高温级蓄热水罐和低温级蓄热水罐有机结合，可将获得太阳热能直接用于发电，也可将热能储存于高温级蓄热水罐中，还能将热能储存于低温级蓄热水罐中，实现梯级集热。在低的太阳辐照条件下，可将集热器阵列输送到低温级蓄热水罐中，达到高效利用低强度太阳辐照的目的。
与发明专利申请CN201611107905.4相比，本发明在结构和工作原理上有着显著创新性，体现在以下方面：
（1） 本发明的系统处于第一种放热模式时，高温蓄热水罐HTA中水的质量是近似不变，是变温过程；系统处于第二种放热模式时，高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA温度近似不变，是变质量过程。这种变温过程和变质量过程有机结合的放热模式，与复叠式水蒸气-有机朗肯循环形成了完美匹配。该技术方案尚未见类似报道，具有明显的方法创新。
（2） 发明专利申请CN201611107905.4中，当系统需要利用储存的热量进行发电时，不论是高温级蓄热水罐驱动顶部水蒸气朗肯循环发电，还是低温级蓄热水罐驱动底部有机朗肯循环发电，水罐的温度都会逐渐降低。水蒸气朗肯循环或有机朗肯循环发电时刻处于变工况运行状态。这不利于保证系统发电的稳定性。而本发明中，当系统处于第二种放热模式时，高温蓄热水罐HTA、低温蓄热水罐LTA与第一换热器HX1、节流阀TV联合工作，具有明显的结构创新。同时，当系统处于第二种放热模式时，由于高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA温度恒定，第一换热器HX1的进出口水温恒定，因此底部有机朗肯循环发电能够处于稳定的发电状态。而且第二种放热模式在不改变高温蓄热水罐HTA罐体结构和容量的条件下，可以极大提高系统的蓄热能力，使系统更具经济性。比如，当系统额定发电功率为1MW，高温蓄热水罐HTA的工作温度为250℃，体积为275m3时，增加一个相同体积的低温蓄热水罐LTA可以使得系统的蓄热容量增大至少6倍以上，而额外增加的集热场和低温蓄热水罐LTA的投资回收期仅为1-3年。
附图说明
图1为本发明的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1、第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6和第七阀门V7组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；所述第一换热器HX1中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第二换热器HX2中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；第一换热器HX1中的有机工质一侧串联在有机朗肯循环回路的有机工质泵P3的出口和有机工质膨胀机T之间。
还包括由低温蓄热水罐LTA、第二水泵P2、第五阀门V5和节流阀TV组成的低温蓄热水罐支路；低温蓄热水罐LTA的出口连通着第二水泵P2的进口，第二水泵P2的出口和第一水泵P1的出口并联，低温蓄热水罐LTA的进口通过串联的节流阀TV和第五阀门V5连通着第一换热器HX1的水工质出口。
水蒸气螺杆膨胀机E为单螺杆膨胀机，有机工质膨胀机T为单螺杆膨胀机，有机朗肯循环的工质为R123。
高温蓄热水罐HTA的工作温度为150℃～250℃，低温蓄热水罐LTA的工作温度为30℃～150℃。
系统主要工作模式如下：
（1）在阴天或晚上时，系统利用高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA实现发电，依次进行两种放热模式。首先，在第一种放热模式下，利用高温蓄热水罐HTA的热量驱动复叠式水蒸气-有机工质循环发电。此时第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第七阀门V7打开，其余阀门关闭。第一水泵P1和有机工质泵P3运行，第二水泵P2关闭。高温蓄热水罐HTA的饱和水蒸气进入水蒸汽螺杆膨胀机E，膨胀做功，水蒸汽螺杆膨胀机E出口尾气进入第一换热器HX1，实现冷凝，并将热量传递给有机工质，经过第一换热器HX1冷凝后的液态水，进入第一水泵P1，加压，重新进入高温蓄热水罐HTA。有机工质从第一换热器HX1获得热量，产生高压气体，进入有机工质膨胀机T，膨胀做功，有机工质膨胀机T出口工质进入第二换热器HX2，实现冷凝，冷凝后的液态有机工质进入第一换热器HX1，重新吸热蒸发。在该模式中，低温蓄热水罐LTA不参与工作。而高温蓄热水罐HTA由于水的蒸发吸热作用，温度和压力逐渐降低。为了防止水蒸汽螺杆膨胀机E和有机工质膨胀机T严重偏离设计工况，保证高效的热功转换，高温蓄热水罐HTA的温降是受限制的，一般为20-30℃左右。其次，在第一种放热模式完成后，进入第二种放热模式。高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA联合工作，底部有机工质循环发电。第二阀门V2和第五阀门V5打开，其余阀门关闭。有机工质泵P3运行，其余水泵关闭。液态水从高温蓄热水罐HTA流入第二换热器HX2 并将热量传递给有机工质，冷却后高压水经过节流阀TV进入低温蓄热水罐LTA。有机工质从第一换热器HX1获得热量，产生高压气体，进入有机工质膨胀机T，膨胀做功，有机工质膨胀机T出口工质进入第二换热器HX2，实现冷凝，冷凝后的液态有机工质进入第一换热器HX1，重新吸热蒸发。在第二种放热模式中，高温蓄热水罐HTA中的水容量不断减少，低温蓄热水罐LTA的水容量不断升高。由于高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA的温度相对稳定，因此有机工质膨胀机T处于恒定的运行工况中。高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA的温差可达100℃以上，远高于第一种放热模式中释放的热量。
（2）在白天具有太阳能辐照时如大于300W/m2，系统处于集热和发电同时进行状态。第一阀门V1、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6打开，其余阀门关闭。第一水泵P1、第二水泵P2和有机工质泵P3均运行。高温蓄热水罐HTA的饱和水蒸气进入水蒸汽螺杆膨胀机E，膨胀做功，水蒸汽螺杆膨胀机E出口尾气进入第一换热器HX1，实现冷凝，并将热量传递给有机工质，经过第一换热器HX1冷凝后的液态水，进入第一水泵P1，加压进入抛物面槽式集热器阵列C，然后进入高温蓄热水罐HTA。通过低温蓄热水罐LTA的液态水经第二水泵P2加压，也进入抛物面槽式集热器阵列C。有机工质从第一换热器HX1获得热量，产生高压气体，进入有机工质膨胀机T，膨胀做功，有机工质膨胀机T出口工质进入第二换热器HX2，实现冷凝，冷凝后的液态有机工质进入第一换热器HX1，重新吸热蒸发。根据太阳辐照的强弱，第二水泵P2的流量可以调整。抛物面槽式集热器阵列C出口的水工质可以处于液态、气液两相或饱和气态。在强辐照条件下，抛物面槽式集热器阵列C收集的热量不仅可以用于驱动复叠水蒸气-有机朗肯循环系统发电，还可以储存在高温蓄热水罐HTA中。
当系统处于设计工况时，相关参数如下：
1.系统额定发电功率为1 MW；
2.高温蓄热水罐HTA的温度为250℃，低温蓄热水罐LTA的温度为44℃；
3.水蒸气在第一换热器HX1中的冷凝温度为152℃；
4.有机工质为R123；
5.R123在第一换热器HX1中的蒸发温度为147℃；
6.R123在第二换热器HX2中的冷凝温度为35℃；
7.水蒸气螺杆膨胀机E的效率为75%；
8.透平膨胀机T的效率为80%；
9.第一水泵P1、第二水泵P2和有机工质泵P3效率为65%；
10.高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA容积相同，为275 m3。
根据以上参数，可计算得到顶部水蒸气朗肯循环效率为11.5%，净输出电功率（扣除泵功）为470kW；底部有机朗肯循环效率为15.1%，净输出电功率为530kW；复叠朗肯循环整体热功转换效率为24.7%，净输出电功率为1000 kW。
当系统处于第一种放热模式时，高温蓄热水罐HTA的温度由250℃（对应饱和压力为3.98 MPa）降低为由230℃（对应饱和压力为2.79 MPa），即设计温降为20℃。根据高温蓄热水罐HTA容积和温降，可计算出第一种放热模式下，系统可持续发电1小时，即发电能力为1MWh。
第一换热器HX1中水的进口温度为230℃，出口温度44℃（低温蓄热水罐温度），流量为4.43 kg/s；R123的进口温度为35℃，出口温度为147℃（饱和气态） 流量为15.86kg/s。根据高温蓄热水罐HTA容积、水流量和经过第一换热器HX1后水的温降，可计算出在第二种放热模式下，有机朗肯循环可持续发电15.7小时，发电能力为8.4MWh。第二种放热模式下的发电能力是第一种放热模式下发电能力的8.4倍，这表明第二种放热模式可极大提高系统的热力性能。
在经济性能方面，第二种放热模式下所释放的热量需要通过抛物面槽式集热器阵列C加以收集。与单一拥有第一种放热模式的太阳能热发电系统相比，本发明的系统需要更大的集热面积，以支撑第二种放热模式。以辐照强度750W/m2，日照时长为6.5小时为参考值，为了在白天收集足够的热量以保证第二种放热模式的正常运转，则需要增加集热面积约为16484m2。以每平方米300人民币的集热场价格估算，则需增加投资495万元。以拉萨为例，第二种放热模式下16484m2的集热面积可驱动有机朗肯循环每年产生电量2787323kWh。以1.15元每度电的价格计算，该部分的投资回收期约为1.6年。由此可见，第二种放热模式虽然增加了集热面积，但由于蓄热能力和年发电量提高明显，该部分的投资回收期远低于传统太阳能热发电站的回收期（5年或更长），这利于提高本发明系统的整体经济性能。
实施例2
一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统的结构和工作原理同实施例1。
当系统处于设计工况时，相关参数如下：
1.系统额定发电功率为1 MW；
2.高温蓄热水罐HTA的温度为250℃；低温蓄热水罐LTA的温度为109℃
3.水蒸气在第一换热器HX1中的冷凝温度为161℃；
4.有机工质为苯；
5.苯在第一换热器HX1中的蒸发温度为156℃；
6.苯在第二换热器HX2中的冷凝温度为35℃；
7.水蒸气螺杆膨胀机E的效率为75%；
8.透平膨胀机T的效率为80%；
9.第一水泵P1、第二水泵P2和有机工质泵P3效率为65%；
10.高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA容积相同，为275 m3。
根据以上参数，可计算得到顶部水蒸气朗肯循环效率为10.8%，净输出电功率（扣除泵功）为410kW；底部有机朗肯循环效率为17.5%，净输出电功率为590kW；复叠朗肯循环整体热功转换效率为26.4%，净输出电功率为1000 kW。
当系统处于第一种放热模式时，与实施例1相同，系统可持续发电1小时，发电能力为1MWh。
当系统处于第二种放热模式时，第一换热器HX1中水的进口温度为230℃，出口温度109℃（低温蓄热水罐温度），流量为6.32 kg/s；苯的进口温度为35℃，出口温度为156℃（饱和气态）流量为5.92kg/s。有机朗肯循环可持续发电11.0小时，发电能力为6.5MWh，第二种放热模式下的发电能力是第一种放热模式下发电能力的6.5倍。
与实施例1相同，以辐照强度750W/m2，日照时长为6.5小时为参考值，为了在白天收集足够的热量以保证第二种放热模式的正常运转，需要增加集热面积约为11392m2，投资额为342万元。在拉萨地区，第二种放热模式下每年产生电量2091388kWh，以1.15元每度电的价格计算，该部分的投资回收期约为1.5年。

Claims (4)

1.一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统，包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1、第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6和第七阀门V7组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；所述第一换热器HX1中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第二换热器HX2中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第一换热器HX1中的有机工质一侧串联在有机朗肯循环回路的有机工质泵P3的出口和有机工质膨胀机T之间；其特征在于：
还包括由低温蓄热水罐LTA、第二水泵P2、第五阀门V5和节流阀TV组成的低温蓄热水罐支路；低温蓄热水罐LTA的出口连通着第二水泵P2的进口，第二水泵P2的出口和第一水泵P1的出口并联，低温蓄热水罐LTA的进口通过串联的节流阀TV和第五阀门V5连通着第一换热器HX1的水工质出口；
使抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA构成以水为工质的循环回路；系统首先利用高温蓄热水罐HTA中的水汽化蒸发，驱动蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环进行热功转换，该过程低温蓄热水罐支路不参与工作；其次，高温蓄热水罐HTA中的水经第一换热器HX1流入低温蓄热水罐LTA中，热量用于驱动有机朗肯循环工作，该过程低温蓄热水罐LTA和高温蓄热水罐HTA联合工作；
所述高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA的温差为100～200℃；
所述有机朗肯循环的工质为R123、R141b、R245fa、R365mfc、丁烷、戊烷、环己烷、异丁烯、HFO-1336mzz(Z)和苯中的一种；
水蒸气螺杆膨胀机E为单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统，其特征在于，有机工质膨胀机T为单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、透平膨胀机中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统，其特征在于，高温蓄热水罐HTA的工作温度为150℃～250℃。
4.根据权利要求1所述的一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统，其特征在于，低温蓄热水罐LTA的工作温度为30℃～150℃。
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基于单螺杆膨胀机的分布式太阳能热电联供系统;吴玉庭等;《中国能源》(第08期);全文 *

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