CN109296511B - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统。包括塔式聚光集热系统、超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统、储热系统和蒸汽朗肯循环发电系统；超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统作为顶层循环，蒸汽朗肯循环发电系统作为底层循环；储热系统位于底层循环；白天工作时，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统在稳定的工况下运行，透平气轮机的尾气余热用于加热蒸汽驱动底层的蒸汽朗肯循环发电系统；熔融盐经熔融盐吸热器加热升温后存储在储热系统的熔融盐热罐中；夜晚或阴天时，利用熔融盐热罐中的熔融盐在熔融盐蒸汽发生器产生蒸汽驱动底层汽轮机发电，冷却后的熔融盐回流至熔融盐冷罐中，此时顶部的布雷顿循环处于停机状态。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳布雷顿-蒸汽朗肯复叠循环塔式太阳能热发电系统。
背景技术
与光伏发电相比，太阳能热发电是一种可以与廉价的储热系统相匹配的发电技术，可以稳定、持续的输出电力，是一种可灵活调节的电源。为保持电网稳定性，灵活性调节装机需保持在一定比例，太阳能热发电引起了广泛的关注。为了提高系统的综合效率，下一代光热发电系统有向更高的集热温度发展趋势。塔式太阳能热发电采用点聚焦的聚光方式，拥有更高的聚光倍数，更容易达到较高集热温度。随着温度的升高当超过700℃，水蒸气与金属材料之间的化学反应明显加剧，因此传统的蒸汽朗肯循环无法再满足上述条件。超临界二氧化碳布雷顿循环具有运行温度高，循环效率高，结构紧凑等优势。同时二氧化碳是一种惰性气体，对系统的设备腐蚀小。但是基于超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能光热发电系统，仍然面临一些技术问题和挑战：
1）在相同装机容量的循环系统中，超临界二氧化碳布雷顿循环的工质流量是传统蒸汽朗肯循环的数倍。使得超临界系统管路压力损失急剧增加，严重地降低了系统的循环效率，同时需要匹配体积更大的换热器。
2）采用单级超临界二氧化碳布雷顿循环的系统无法实现整个200~700℃宽运行温度区间都保持一种最佳的工作状态。超临界二氧化碳布雷顿循环只有在更高运行温度区间才能表现出更明显的优势，在低温区间其性能可能较传统蒸汽动力循环没有明显的优势。此外超临界二氧化碳布雷顿循环的气轮机的排气温度较高，气轮机尾气经过回热器回热后，直接通过冷却器冷却，造成大量的热量损失，降低系统热效率。
3）由于熔融盐在600℃以上具有不稳定性，传统熔融盐无法满足更高温的储热要求。目前还没有更高温储热成熟储能蓄热方案，同时也限制了超临界二氧化碳在塔式太阳能热发电站中的应用。
发明内容
为了将布雷顿和蒸汽朗肯两种循环优点的结合，实现超临界二氧化碳布雷顿循环作为顶层循环，传统蒸汽朗肯循环作为底层循环，本发明提供一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统。
一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统包括塔式聚光集热系统2，所述塔式聚光集热系统2包括塔式定日镜和吸热塔；
还包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统1、储热系统3和蒸汽朗肯循环发电系统4；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统1包括压气机11、透平气轮机12、第一发电机13、超临界二氧化碳蒸汽发生器14、回热器15、冷却器16、超临界二氧化碳工质泵17和超临界二氧化碳吸热器；布雷顿循环发电系统1中的工质为超临界二氧化碳工质；
所述储热系统3包括熔融盐冷罐31、熔融盐热罐32、第二熔融盐泵34、第一熔融盐泵35、熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧和熔融盐吸热器；储热系统3具有储能和调峰作用；
所述超临界二氧化碳吸热器和熔融盐吸热器构成双工质并联吸热器，且位于吸热塔的吸热端；
所述蒸汽朗肯循环发电系统4包括蒸汽轮机41、第二发电机42、蒸汽冷凝器43、给水泵44和熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统1作为顶层循环，所述蒸汽朗肯循环发电系统4作为底层循环；所述储热系统3位于底层循环；
超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统1中，透平气轮机12的进口温度为550～750℃、进口压力为20～35MPa，透平气轮机12的出口的排气温度为400～600℃、排气压力为5～15MPa；蒸汽朗肯循环发电系统4中，蒸汽轮机41的主汽温度为350～550℃、主汽压力8～13MPa，再热蒸汽温度为350～550℃、再热蒸汽压力为1～3MPa，给水温度150～300℃；熔融盐热罐32的工作温度为290～550℃；
白天工作时，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统1在稳定的工况下运行，同时透平气轮机12的尾气余热用于加热蒸汽驱动底层的蒸汽朗肯循环发电系统4；熔融盐经熔融盐吸热器加热升温后存储在储热系统3的熔融盐热罐32中；
夜晚或阴天时，利用熔融盐热罐32中的熔融盐在熔融盐蒸汽发生器45产生蒸汽驱动底层汽轮机发电，冷却后的熔融盐回流存储在熔融盐冷罐31中，此时顶部的布雷顿循环处于停机状态。
进一步限定的技术方案如下：
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统1的透平气轮机12的输出轴分别与第一发电机13和压气机11的驱动轴相连；透平气轮机12的出口通过依次串的超临界二氧化碳工质泵（17）、超临界二氧化碳蒸汽发生器14的二氧化碳侧、回热器15的高温侧和冷却器16连通着压气机11的进口，压气机11的出口通过串联的回热器15的低温侧和超临界二氧化碳吸热器连通着透平气轮机12的进口；
所述蒸汽朗肯循环发电系统4的蒸汽轮机41的输出轴与第二发电机42的驱动轴相连，蒸汽轮机41的出口依次串联着蒸汽冷凝器43、给水泵44、第一阀门46、熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧进口；熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧出口和超临界二氧化碳蒸汽发生器14的水蒸气工质侧出口相并联，再与蒸汽轮机41的入口串联；熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧出口上串联着第四阀门49，超临界二氧化碳蒸汽发生器14的水蒸气工质侧进口上串联着第二阀门47；超临界二氧化碳蒸汽发生器14的水蒸气工质侧出口串联着第三阀门48；
所述储热系统3的熔融盐冷罐31的进口连通着熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧出口，熔融盐冷罐31的出口管路上串联着第一熔融盐泵35与第一熔融盐阀36和熔融盐吸热器的进口端；熔融盐热罐32的进口连通着熔融盐吸热器的出口端，熔融盐热罐32的出口管路上串联着第二熔融盐泵34、第二熔融盐阀33、熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧进口。
所述超临界二氧化碳吸热器和熔融盐吸热器均为吸热管吸热器，并联构成双工质并联吸热器。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环为简单基本布雷顿循环或回热布雷顿循环或再热布雷顿循环或中间冷却再热回热布雷顿循环。
所述蒸汽冷凝器43为水冷冷凝器或风冷冷凝器。
所述蒸汽轮机41为多缸汽轮机。
所述塔式定日镜为跟踪式塔式定日镜，包括高反射率镜面、镜面支撑支架、伺服控制系统和跟踪传动机构组成。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1. 超临界二氧化碳布雷顿-蒸汽朗肯复叠循环和双罐熔盐蓄热的塔式太阳能热发电技术方案，目前尚未见报道。与传统的基于水蒸气朗肯循环的双罐熔盐蓄热的塔式太阳能热发电技术相比，本发明的技术方案利用超临界二氧化碳布雷顿作为顶部循环，克服了水蒸气朗肯循环的温度限制，在有太阳辐照时（如大于300W/m2）有效地提高了太阳能的光电转换效率。与传统的基于超临界二氧化碳布雷顿循环的塔式太阳能热发电技术相比，本发明的技术方案利用水蒸汽朗肯作为超临界二氧化碳布雷顿循环的底部循环，将两类热力循环进行有效地结合起来，实现优势互补。利用了布雷顿循环高温工况高效率和蒸汽朗肯循环中低温特点，同时减少透平气轮机尾气排放的热量损失，弥补显著地提高系统的发电效率。
2. 二氧化碳和熔盐双工质并联吸热的技术方案，目前尚未见报道。与单一的超临界二氧化碳吸热方案相比，本发明的技术方案可以在大范围太阳辐照条件下（如大于300W/m2）如保证二氧化碳的进出口温度，压力以及流量等工作参数稳定，从而保证顶部超临界二氧化碳布雷顿循环发电稳定。当太阳辐照强度变化时，可调整熔盐的流量，辐照强度越强，则熔盐流量越大，熔盐从吸热器吸收的热量越多。与此同时，熔盐的工作温度（如出口温度）可保持不变。
3. 本发明的技术方案的工作模式具有创新性。当在有太阳辐照时（如大于300W/m2），超临界二氧化碳布雷顿循环和水蒸汽朗肯循环协同工作，提高系统的热功转换效率。当夜间或者无太阳辐照时，利用双罐熔盐系统储存的能量驱动底部水蒸汽朗肯循环工作。这种独特的工作模式在保证系统技术可靠性的同时有效地提高了太阳能利用效率，缩短投资回收周期。
4.本发明的技术方案采用熔融盐作为底层蒸汽朗肯循环发电系统储能介质，有效的解决了常规布雷顿循环的储热材料选型困难的问题。同时吸热器部分管路采用熔融盐作为传热工质可以有效的减小超临界二氧化碳的流量，使管路中压力损失显著减小，提高超临界二氧化碳系统的循环效率，减小系统换热器设备的体积和成本。
附图说明
图1为本发明一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统的示意图。
图2为本发明超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的示意图。
图3为本发明储热系统的示意图。
图4为本发明蒸汽朗肯循环的示意图。
上图中序号：布雷顿循环发电系统1，塔式聚光集热系统2，储热系统3，蒸汽朗肯循环发电系统4，压气机11，透平机气轮机12，第一发电机13，超临界二氧化碳蒸汽发生器14，回热器15、冷却器16、熔融盐冷罐31，熔融盐热罐32，第二熔融盐阀33，第二熔融盐泵34、第一熔融盐泵35，第一熔融盐阀36，蒸汽轮机41，第二发电机42，蒸汽冷凝器43，给水泵44，熔融盐蒸汽发生器45，第一阀门46，第二阀门47，第三阀门48，第四阀门49。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的特点及功能，下面结合图，通过实施例对本发明做进一步详细地描述。
具体实施例1：
参见图1，一种超临界二氧化碳布雷顿-蒸汽朗肯复叠循环塔式太阳能热发电系统包括塔式聚光集热系统2、布雷顿循环发电系统1、储热系统3和蒸汽朗肯循环发电系统4。
塔式聚光集热系统2包括塔式定日镜和吸热塔。塔式定日镜为跟踪式塔式定日镜，包括高反射率镜面、镜面支撑支架、伺服控制系统和跟踪传动机构。
参见图2，布雷顿循环发电系统1包括压气机11、透平气轮机12、第一发电机13、超临界二氧化碳蒸汽发生器14、回热器15、冷却器16和超临界二氧化碳吸热器；布雷顿循环发电系统1中的工质为超临界二氧化碳工质。
透平气轮机12的输出轴分别与第一发电机13和压气机11的驱动轴相连；透平气轮机12的出口通过依次串的超临界二氧化碳工质泵17、超临界二氧化碳蒸汽发生器14的二氧化碳侧、回热器15的高温侧和冷却器16连通着压气机11的进口，压气机11的出口通过串联的回热器15的低温侧和超临界二氧化碳吸热器连通着透平气轮机12的进口。
超临界二氧化碳布雷顿循环为简单基本布雷顿循环。
参见图4，蒸汽朗肯循环发电系统4包括蒸汽轮机41、第二发电机42、蒸汽冷凝器43、给水泵44和熔融盐蒸汽发生器45；蒸汽轮机41为多缸汽轮机，蒸汽冷凝器43为水冷冷凝器。
蒸汽轮机41的输出轴与第二发电机42的驱动轴相连，蒸汽轮机41的出口依次串联着蒸汽冷凝器43、给水泵44、第一阀门46、熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧进口；熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧出口和超临界二氧化碳蒸汽发生器14的水蒸气工质侧出口相并联，再与蒸汽轮机41的入口串联；熔融盐蒸汽发生器45的蒸汽侧出口上串联着第四阀门49，超临界二氧化碳蒸汽发生器14的水蒸气工质侧进口上串联着第二阀门47；超临界二氧化碳蒸汽发生器14的水蒸气工质侧出口串联着第三阀门48。
参见图3，储热系统3包括熔融盐冷罐31、熔融盐热罐32、第二熔融盐阀33、第二熔融盐泵34、第一熔融盐泵35、第一熔融盐阀36、熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧和熔融盐吸热器；储热系统3具有储能和调峰作用。超临界二氧化碳吸热器和熔融盐吸热器均为吸热管吸热器，并联构成双工质并联吸热器。
储热系统3的熔融盐冷罐31的进口连通着熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧出口，熔融盐冷罐31的出口管路上串联着第一熔融盐泵35与第一熔融盐阀36和熔融盐吸热器的进口端；熔融盐热罐32的进口连通着熔融盐吸热器的出口端，熔融盐热罐32的出口管路上串联着第二熔融盐泵34、第二熔融盐阀33、熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧进口。
布雷顿循环发电系统1中透平气轮机12的进口温度为700℃、进口压力为23.86MPa，透平气轮机12的出口的排气温度为560℃、排气压力为8.96MPa；蒸汽朗肯循环发电系统4中，蒸汽轮机41的主汽温度为540℃、主汽压力13MPa，再热蒸汽温度为540℃、再热蒸汽压力1.8MPa，给水温度222℃。熔融盐冷罐31和熔融盐热罐32的工作温度范围是290～550℃。
具体工作原理如下：
参见图2，在布雷顿循环发电系统1中，超临界二氧化碳经压气机11加压输送到超临界二氧化碳吸热器，二氧化碳在吸热管内吸热升温，以700℃的超临界二氧化碳输出进入透平气轮机12完成膨胀做功，第一发电机13和压气机11。在透平气轮机12中完成膨胀做功的尾气进入超临界二氧化碳蒸汽发生器14产生温度540℃、压力13MPa的过热蒸汽，超临界二氧化碳经冷却降温后经回热器15、冷却器16重新进入压气机11完成一个完整的循环。当夜晚或者阴雨条件下，布雷顿循环发电系统1处于停机状态；
参见图4，在蒸汽朗肯循环发电系统4中，经过超临界二氧化碳蒸汽发生器14产生的过热蒸汽进入蒸汽轮机41中完成膨胀做功，蒸汽轮机41的排气进入蒸汽冷凝器43凝结为水。在白天辐照较好条件下，关闭第一阀门46、第四阀门49，开启第二阀门47、第三阀门48，冷凝水经给水泵44输送至超临界二氧化碳蒸汽发生器14产生蒸汽，完成循环；夜晚或阴雨天气条件下，开启第一阀门46、第四阀门49，关闭第二阀门47、第三阀门48，冷凝水经给水泵44输送至熔融盐蒸汽发生器45产生蒸汽；
参见图3，在储热系统3中，在白天辐照较好条件下，关闭第二熔融盐阀33，开启第一熔融盐阀36和第一熔融盐泵35，熔融盐冷罐31中的290℃的熔融盐经第一熔融盐泵35输送至熔融盐吸热器的熔融盐回路中，熔融盐在吸热管内吸热升温，以550℃的熔融盐从熔融盐吸热器输出，返回到熔融盐热罐32中。夜晚或阴雨天气条件下，关闭第一熔融盐阀36，开启第二熔融盐阀33和第二熔融盐泵34，熔融盐热罐32中的550℃的熔融盐经第二熔融盐泵34输送至熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧，熔融盐在熔融盐蒸汽发生器45的熔融盐侧降温后，返回到熔融盐冷罐31中。
具体实施例2：
系统原理图参见具体实施例1。与具体实施例1相比，不同在于：
布雷顿循环发电系统1中透平气轮机12的进口温度为600℃、进口压力为20MPa，透平气轮机12的出口的排气温度为450℃、排气压力为5 MPa；蒸汽朗肯循环发电系统4中蒸汽轮机41的主汽温度为425℃、主汽压力8.33MPa，再热蒸汽温度为425℃、再热蒸汽压力1.6MPa，给水温度195℃。熔融盐冷罐31和熔融盐热罐32的工作温度范围是290～435℃。
其余功能和特点参见实施例1。
上面结合附图对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，进行改进及微调均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统，包括塔式聚光集热系统（2），所述塔式聚光集热系统（2）包括塔式定日镜和吸热塔；其特征在于：
还包括布雷顿循环发电系统（1）、储热系统（3）和蒸汽朗肯循环发电系统（4）；
所述布雷顿循环发电系统（1）包括压气机（11）、透平气轮机（12）、第一发电机（13）、超临界二氧化碳蒸汽发生器（14）、回热器（15）、冷却器（16）、超临界二氧化碳工质泵（17）和超临界二氧化碳吸热器；布雷顿循环发电系统（1）中的工质为超临界二氧化碳工质；
所述储热系统（3）包括熔融盐冷罐（31）、熔融盐热罐（32）、第二熔融盐泵（34）、第一熔融盐泵（35）、熔融盐蒸汽发生器（45）的熔融盐侧和熔融盐吸热器；储热系统（3）具有储能和调峰作用；
所述超临界二氧化碳吸热器和熔融盐吸热器构成双工质并联吸热器，且位于吸热塔的吸热端；
所述蒸汽朗肯循环发电系统（4）包括蒸汽轮机（41）、第二发电机（42）、蒸汽冷凝器（43）、给水泵（44）和熔融盐蒸汽发生器（45）的蒸汽侧；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统（1）作为顶层循环，所述蒸汽朗肯循环发电系统（4）作为底层循环；所述储热系统（3）位于底层循环；
超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统（1）中，透平气轮机（12）的进口温度为550～750℃、进口压力为20～35MPa，透平气轮机（12）的出口的排气温度为400～600℃、排气压力为5～15MPa；蒸汽朗肯循环发电系统（4）中，蒸汽轮机（41）的主汽温度为350～550℃、主汽压力8～13MPa，再热蒸汽温度为350～550℃、再热蒸汽压力为1～3MPa，给水温度150～300℃；熔融盐热罐（32）的工作温度为290～550℃；
白天工作时，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统（1）在稳定的工况下运行，同时透平气轮机（12）的尾气余热用于加热蒸汽驱动底层的蒸汽朗肯循环发电系统（4）；熔融盐经熔融盐吸热器加热升温后存储在储热系统（3）的熔融盐热罐（32）中；
夜晚或阴天时，利用熔融盐热罐（32）中的熔融盐在熔融盐蒸汽发生器（45）产生蒸汽驱动底层汽轮机发电，冷却后的熔融盐回流存储在熔融盐冷罐（31）中，此时顶部的布雷顿循环处于停机状态；
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统（1）的透平气轮机（12）的输出轴分别与第一发电机（13）和压气机（11）的驱动轴相连；透平气轮机（12）的出口通过依次串的超临界二氧化碳工质泵（17）、超临界二氧化碳蒸汽发生器（14）的二氧化碳侧、回热器（15）的高温侧和冷却器（16）连通着压气机（11）的进口，压气机（11）的出口通过串联的回热器（15）的低温侧和超临界二氧化碳吸热器连通着透平气轮机（12）的进口；
所述蒸汽朗肯循环发电系统（4）的蒸汽轮机（41）的输出轴与第二发电机（42）的驱动轴相连，蒸汽轮机（41）的出口依次串联着蒸汽冷凝器（43）、给水泵（44）、第一阀门（46）、熔融盐蒸汽发生器（45）的蒸汽侧进口；熔融盐蒸汽发生器（45）的蒸汽侧出口和超临界二氧化碳蒸汽发生器（14）的水蒸气工质侧出口相并联，再与蒸汽轮机（41）的入口串联；熔融盐蒸汽发生器（45）的蒸汽侧出口上串联着第四阀门（49），超临界二氧化碳蒸汽发生器（14）的水蒸气工质侧进口上串联着第二阀门（47）；超临界二氧化碳蒸汽发生器（14）的水蒸气工质侧出口串联着第三阀门（48）；
所述储热系统3的熔融盐冷罐（31）的进口连通着熔融盐蒸汽发生器（45）的熔融盐侧出口，熔融盐冷罐（31）的出口管路上串联着第一熔融盐泵（35）与第一熔融盐阀（36）和熔融盐吸热器的进口端；熔融盐热罐（32）的进口连通着熔融盐吸热器的出口端，熔融盐热罐（32）的出口管路上串联着第二熔融盐泵（34）、第二熔融盐阀（33）、熔融盐蒸汽发生器（45）的熔融盐侧进口。
2.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳吸热器和熔融盐吸热器均为吸热管吸热器。
3.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述超临界二氧化碳布雷顿循环为简单基本布雷顿循环或回热布雷顿循环或再热布雷顿循环或中间冷却再热回热布雷顿循环。
4.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述蒸汽冷凝器（43）为水冷冷凝器或风冷冷凝器。
5.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述蒸汽轮机（41）为多缸汽轮机。
6.根据权利要求1所述的一种超临界二氧化碳布雷顿循环塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述塔式定日镜为跟踪式塔式定日镜，包括高反射率镜面、镜面支撑支架、伺服控制系统和跟踪传动机构。
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