CN110359972B - 超临界co2为工质的熔盐电蓄热发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种以超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，包括超临界CO2布雷顿循环发电机组、电蓄热换热储罐、电源控制总成、超临界CO2输送管道、超高温熔盐。和传统抽水蓄能电站及电化学储能相比，本技术同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备调节能力强、建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为电蓄热调峰电站开启了一个全新的应用领域。

Description

超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置

技术领域

本发明公开了一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，尤其涉及弃风弃光及谷电加热的以超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，属于超临界二氧化碳布雷顿循环系统及熔盐电蓄热发电技术领域。

背景技术

随着社会发展及人民生活水平的提高，我国用电结构昼夜差距越来越大，移峰填谷的需求愈发强烈以及弃风弃光的现象越发严重；我国经济增速换挡步入发展新常态，产业结构逐步由中低端向中高端转换。产业结构的调整导致第三产业和城乡居民用电量占比持续增加，其用电特性决定了负荷曲线峰谷差率明显高于第二产业，我国用电侧峰谷差率有走高趋势，调节性电源建设需求持续增加。抽水蓄能电站和电化学储能成为移峰填谷的最有效的手段之一。

从实际运行情况看，抽水蓄能电站和电化学储能电站皆面临一系列问题，比如，抽水蓄能电站当前存在三点主要问题：一是当前“源-网-荷”协调发展水平有待提升，抽蓄电站的精准规划和合理布局难度增加；二是抽蓄电站成本疏导存在困难；三是在抽蓄电站开发需求大的地区，站址资源不足。而电化学储能在经济性、安全性上的劣势明显，一定时期内无法取代抽水蓄能。近几年我国电化学储能市场发展迅速，但是由于经济性和安全性的制约，电化学储能仍无法实现大规模推广。综合多家权威机构预测结果，2030年前电化学储能经济性仍低于抽水蓄能，即使是电化学储能中经济性较好的铅炭电池和锂离子电池，其度电成本仍比抽水蓄能高1.5倍和2.5倍。此外，目前电化学储能仍存在较大的安全隐患，电化学储能相关消防风险安全评估和预案措施缺位，电池管理系统技术水平参差不齐，2018年以来已经发生了多起储能电站爆炸起火事故。

总体来看，稳步推进能源领域供给侧改革，是能源和电力实现高质量发展的主线。新能源大规模发展、跨省区配置通道和互济能力建设等都对电网调节能力等提出更高要求。

一是新能源与核电并网运行，导致电力系统调节能力下降，电网平衡能力受到挑战。此外，核电并网运行还会减小常规电源的开机容量，影响常规电源灵活性的释放，进而导致系统整体平衡能力下降。

二是特高压输电通道发展，需要大型灵活性电源提供快速功率备用。

二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。

2019年初，美国西南研究院联合GE研发的10MW超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试；经过测试证明，S-CO2作为工质的发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上。可以预见，超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的商业化将指日可待。

鉴于上述各方面技术原因，市场上需要一种以超临界二氧化碳为工质的熔盐电蓄热调峰电站，该熔盐电蓄热调峰电站必须同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备调节能力强、建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，和传统抽水蓄能电站及电化学储能相比，本技术同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备调节能力强、建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为电蓄热调峰电站开启了一个全新的应用领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，包括超临界CO2布雷顿循环发电机组、电蓄热换热储罐、电源控制总成、超临界CO2输送管道、熔盐，其特征在于，该电蓄热换热储罐包括整体呈圆柱体状的熔盐单储罐、敞口的圆筒状导流容器、弹簧状的换热盘管、电加热器、熔盐电动推送装置，该熔盐单储罐包括罐体和罐盖，该导流容器处于该罐体内，且和罐体的内表面保持一定的间距且形成一个容器状的换热腔，该导流容器底部中心轴向上设置有一导流管，该导流管贯穿导流容器的底部后和该换热腔贯通，该换热盘管设置在该换热腔内，该电加热器上端和该电源控制总成连接，其下端则垂直贯穿该罐盖后伸入该导流容器内，且其加热段和该导流容器整体均处于该熔盐的液位下，该熔盐电动推送装置设置在该电蓄热换热储罐的中轴线上且其底端上的桨叶处于该导流管内，且该桨叶旋转时能产生向上的推送力，使得熔盐从导流容器的敞口处溢流进入该换热腔内，且和该换热盘管产生热交换后再次被该导流管内该桨叶的向上推送力吸入到该导流容器内，形成熔盐在电蓄热换热储罐内的循环流动；该超临界CO2布雷顿循环发电机组通过该超临界CO2输送管道和该电蓄热换热储罐上的换热盘管连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。通常，罐体和导流容器处于同一中轴线上，且两者之间的间距构成一个环状空隙的换热腔，换热盘管刚好处于该换热腔的上部，导流容器的敞口至少低于熔盐液位以下两厘米以上（熔盐的温度接近熔点时）。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：所述的超临界CO2布雷顿循环发电机组包括发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器及超临界CO2输送管道。对于闭环超临界CO2布雷顿循环发电系统，主要包括压缩系统、预冷系统、换热系统、热源、透平和发电机等系统组成。低温低压的气体经压气机升压，再经回热器高温侧预热后进入热源，吸收大量热量后直接进入透平做功，透平带动发电机系统进行发电，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：所述的换热盘管的管表面上设置有导热翅片。

在上述的一种超临界二氧化碳为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：该罐盖上还开设有若干连通罐体的接口。通常，该罐盖上开设的若干贯通储罐内的接口可以作为常压出口或熔盐灌装口，或温度传感器的插口，或为熔盐液位计的插入口。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：在该换热腔内底部或导流容器内，或者在该换热腔内底部和导流容器内分别设置有温度探头。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：至少，所述的导流容器的环形侧壁具有隔热功能。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：所述的罐体的内底面上设置有呈辐射状的若干支撑片，所述的导流容器搁置其上。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：所述的熔盐电动推送装置的底端还设置有一导流罩，该导流罩罩在所述的导流管上，且能使熔盐的流向成180°的折流，把熔盐导流向所述的导流容器的底部。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：所述的熔盐为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。由于超临界二氧化碳工质的温度越高，热效率就越高，当超临界二氧化碳工质的温度达到700摄氏度时，热效率就会达到50%以上，现有的硝酸盐熔盐的使用温度上限一般控制在550摄氏度以下，而高纯氯化物熔盐可使用的温度上限接近800摄氏度左右，是一种超高温熔盐。

在上述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于：还有若干封闭的陶瓷滤芯浸泡在所述的熔盐里，该陶瓷滤芯内灌装有活性金属颗粒，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种。通常，若干个陶瓷滤芯均匀挂在罐体的内表面上，这样的设计保证了熔盐内有持续不断的活性金属离子溶解到熔盐液体里，使得熔盐里保持一定量的活性金属离子，可一定程度上缓解外界环境对结构材料在熔盐腐蚀性的影响，可显著降低镍基合金和不锈钢在氯化物熔盐中的腐蚀速率，有效抑制它们的晶界腐蚀，提高了不锈钢在氯化物熔盐中的服役寿命。拓宽了氯化物熔盐中所用合金的选材范围，降低熔盐实际应用中结构材料的制造和加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图仅提供参考和说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1是本发明提供的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置的结构示意图；

图2是本发明提供的一种超临界CO2布雷顿循环发电机组的结构示意图；

图3是本发明提供的一种电蓄热换热储罐的结构示意图；

图4是本发明提供的一种罐体的结构示意图；

图5是本发明提供的图4对应的俯视图；

图6是本发明提供的一种导流容器的结构示意图；

图7是本发明提供的一种换热盘管的结构示意图；

图8是本发明提供的一种熔盐电动推送装置的结构示意图。

图中：超临界CO2布雷顿循环发电机组1、电蓄热换热储罐2、电源控制总成3、超临界CO2输送管道4、熔盐5、温度探头6、陶瓷滤芯7、发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16、熔盐单储罐20、罐体20a、罐盖20b、接口20c、支撑片20d、导流容器21、导流管21a、换热盘管22、导热翅片22a、电加热器23、熔盐电动推送装置24、桨叶24a、导流罩24b、换热腔25。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，包括超临界CO2布雷顿循环发电机组1、电蓄热换热储罐2、电源控制总成3、超临界CO2输送管道4、熔盐5。

该电蓄热换热储罐2包括整体呈圆柱体状的熔盐单储罐20、敞口的圆筒状导流容器21、弹簧状的换热盘管22、电加热器23、熔盐电动推送装置24，该熔盐单储罐20包括罐体20a和罐盖20b，该导流容器21处于该罐体20a内，且和罐体20a的内表面保持一定的间距且形成一个容器状的换热腔25，该导流容器21底部中心轴向上设置有一导流管21a，该导流管21a贯穿导流容器21的底部后和该换热腔25贯通，该换热盘管22设置在该换热腔25内，该电加热器23上端和该电源控制总成3连接，其下端则垂直贯穿该罐盖20b后伸入该导流容器21内，且其加热段和该导流容器21整体均处于该熔盐5的液位下，该熔盐电动推送装置24设置在该电蓄热换热储罐2的中轴线上且其底端上的桨叶24a处于该导流管21a内，且该桨叶24a旋转时能产生向上的推送力，使得熔盐5从导流容器21的敞口处溢流进入该换热腔25内，且和该换热盘管22产生热交换后再次被该导流管21a内该桨叶24a的向上推送力吸入到该导流容器21内，形成熔盐5在电蓄热换热储罐2内的循环流动；该超临界CO2布雷顿循环发电机组1通过该超临界CO2输送管道4和该电蓄热换热储罐2上的换热盘管22连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。

本实施例中，超临界CO2布雷顿循环发电机组1包括发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16及超临界CO2输送管道4。

本实施例中：

换热盘管22的管表面上设置有导热翅片22a。

该罐盖20b上还开设有若干连通罐体的接口20c。该罐盖上开设的若干贯通储罐内的接口可以作为常压出口或熔盐灌装口，或温度传感器的插口，或为熔盐液位计的插入口。

在该换热腔25内底部或导流容器21内，或者在该换热腔25内底部和导流容器21内分别设置有温度探头6。

导流容器21的环形侧壁具有隔热功能。

罐体20a的内底面上设置有呈辐射状的若干支撑片20d，导流容器21搁置其上。

熔盐电动推送装置24的底端还设置有一导流罩24b，该导流罩24b罩在所述的导流管21a上，且能使熔盐5的流向成180°的折流，把熔盐5导流向所述的导流容器21的底部。

熔盐5为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。

还有若干封闭的陶瓷滤芯7浸泡在熔盐5里，该陶瓷滤芯7内灌装有活性金属颗粒，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了超临界CO2布雷顿循环发电机组、电蓄热换热储罐、电源控制总成、超临界CO2输送管道、熔盐、温度探头、陶瓷滤芯、发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器、熔盐单储罐、罐体、罐盖、接口、支撑片、导流容器、导流管、换热盘管、导热翅片、电加热器、熔盐电动推送装置、桨叶、导流罩、换热腔等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。本技术中以熔盐作为蓄热材料，但并不局限于熔盐一种蓄热材料，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，包括超临界CO2布雷顿循环发电机组（1）、电蓄热换热储罐（2）、电源控制总成（3）、超临界CO2输送管道（4）、熔盐（5），其特征在于，该电蓄热换热储罐（2）包括整体呈圆柱体状的熔盐单储罐（20）、敞口的圆筒状导流容器（21）、弹簧状的换热盘管（22）、电加热器（23）、熔盐电动推送装置（24），该熔盐单储罐（20）包括罐体（20a）和罐盖（20b），该导流容器（21）处于该罐体（20a）内，且和罐体（20a）的内表面保持一定的间距且形成一个容器状的换热腔（25），该导流容器（21）底部中心轴向上设置有一导流管（21a），该导流管（21a）贯穿导流容器（21）的底部后和该换热腔（25）贯通，该换热盘管（22）设置在该换热腔（25）内，该电加热器（23）上端和该电源控制总成（3）连接，其下端则垂直贯穿该罐盖（20b）后伸入该导流容器（21）内，且其加热段和该导流容器（21）整体均处于该熔盐（5）的液位下，该熔盐电动推送装置（24）设置在该电蓄热换热储罐（2）的中轴线上且其底端上的桨叶（24a）处于该导流管（21a）内，且该桨叶（24a）旋转时能产生向上的推送力，使得熔盐（5）从导流容器（21）的敞口处溢流进入该换热腔（25）内，且和该换热盘管（22）产生热交换后再次被该导流管（21a）内该桨叶（24a）的向上推送力吸入到该导流容器（21）内，形成熔盐（5）在电蓄热换热储罐（2）内的循环流动；该超临界CO2布雷顿循环发电机组（1）通过该超临界CO2输送管道（4）和该电蓄热换热储罐（2）上的换热盘管（22）连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统；

所述的熔盐电动推送装置（24）的底端还设置有一导流罩（24b），该导流罩（24b）罩在所述的导流管（21a）上，且能使熔盐（5）的流向成180°的折流，把熔盐（5）导流向所述的导流容器（21）的底部。

2.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，所述的超临界CO2布雷顿循环发电机组（1）包括发电机（10）、透平（11）、二级压缩机（12）、一级压缩机（13）、预冷或冷凝器（14）、低温回热器（15）、高温回热器（16）及超临界CO2输送管道（4）。

3.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，所述的换热盘管（22）的管表面上设置有导热翅片（22a）。

4.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，该罐盖（20b）上还开设有若干连通罐体的接口（20c）。

5.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，在该换热腔（25）内底部或导流容器（21）内，或者在该换热腔（25）内底部和导流容器（21）内分别设置有温度探头（6）。

6.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，至少，所述的导流容器（21）的环形侧壁具有隔热功能。

7.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，所述的罐体（20a）的内底面上设置有呈辐射状的若干支撑片（20d），所述的导流容器（21）搁置其上。

8.根据权利要求1所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，所述的熔盐（5）为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的一种超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，其特征在于，还有若干封闭的陶瓷滤芯（7）浸泡在所述的熔盐（5）里，该陶瓷滤芯（7）内灌装有活性金属颗粒，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种。

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