CN110630457A - 一种光热低温发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光热低温发电系统及其控制方法，包括光热循环系统和第一有机工质循环系统；第一有机工质循环系统外还设置第二工质循环系统，第二工质循环系统包括第二高压仓、压缩机、汽液分离装置，高压仓至汽轮机之间的第四管路上设置有与第二高压仓连通的第二工质进口，高压仓出口与第二工质进口之间的第四管路上设置单向阀；冷凝器与工质泵之间位于第六管路上设置气液分离器。本发明是利用低温有机工质做温度衬托基质，采用混合工质能够有效的解决工质在输送过程中比热容低，难以保持临界温度、工作不稳定的问题。混合系统由原来低温中压变为低温高压或低温超高压系统，单台机组发电功率有显著增加，有利于减少加热系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光热发电技术领域，具体地说是涉及一种光热低温发电系统及其控制方法。
背景技术
光热发电是利用太阳能取得热能，再借助低温环保有机工质等制冷剂吸收热能后获得升温、汽化转变成机械动力做功输出电能。但太阳能光热低温发电普遍存在有机工质受热膨胀压力不理想的状况，存在的问题是：1.设计采用单质有机工质气体，由于在低温条件下工作，压力受到一定限制，单位体积分子颗粒大数量少膨胀率低，汽轮机发电功率低；2.为了获得较大功率，只能采用单机功率较小机组，形成小机组群进行发电，造成厂房面积及设备投入量增大，热损增大用热量增大维修管理量增大等缺点；3.调整基础输入温度设计点，虽然可以提高基础压力，但无形的增加了热源总量、温度等级及有机工质的应用范围。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种光热低温发电采用混合气体输入方式，其在一定温度条件下能够产生超高压强推动机械做功，采用混合方式还能够有效的解决工质在输送过程中难以保持临界温度、工作不稳定的问题，同时混合后系统能由原来低温中压变为低温高压或低温超高压系统，在不改变总热量输入的情况下，提高了压力，单台机组发电功率有显著增加。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种光热低温发电系统，包括光热循环系统和第一有机工质循环系统；所述光热循环系统包括由管式集热场和内置第一有机工质的热交换器及泵依次连接构成的循环回路，热交换器使第一有机工质获得升温、汽化输入到第一有机工质循环系统进行发电；所述第一有机工质循环系统包括由高压仓、汽轮机、冷凝器和工质泵依次连接构成的有机工质循环回路。所述第一有机工质循环系统外还设置第二工质循环系统，所述第二工质循环系统包括第二高压仓、压缩机、汽液分离装置，所述压缩机通过第七管路向第二高压仓输送第二工质，所述高压仓至汽轮机之间的第四管路上设置有与所述第二高压仓连通的第二工质进口，第二工质进口外设置流量调节阀，所述第二高压仓通过第五管路与流量调节阀连接，所述高压仓包括高压仓出口，高压仓出口与第二工质进口之间的第四管路上设置单向阀；所述冷凝器与工质泵之间位于第六管路上设置气液分离器，所述气液分离器包括混合气工质进口、第一有机工质出口和第二工质出口，所述混合气工质进口与第六管路连接，所述第一有机工质出口与工质泵相连，所述第二工质出口与所述压缩机通过第八管路相连，将第二工质压缩至储气罐连入工质循环回路。
上述方案中，所述第一有机工质为R134a，所述第二工质为CO2或N2。
上述方案中，所述管式集热场通过第一管路与储热罐连通，所述储热罐再通过第二通路与所述热交换器连通。
上述方案中，所述第四管路上的第二工质进口的位置开设在靠近高压仓出口的一端。
上述方案中，所述第二高压仓和压缩机之间设置有储气罐，所述第二高压仓和储气罐之间设置有二级压缩机。
上述方案中，所述储热罐还开设有二次加热管路分别连通过高压仓和第二高压仓再连接至泵回收到管式集热场，所述二次加热管路的前端设置分配阀用于分配二次加热管和热交换器所对应的加热管路。
上述方案中，所述管式集热场外还设置辅助热源管路，所述辅助热源管路的一端与所述管式集热场连通，另一端与泵连通，所述辅助热源采用工业低温余热或地热井的供热方式。
上述方案中，所述热交换器与管式集热场之间的管路上还设置有低温储热罐，所述低温储热罐靠近热交换器的一端。
本发明还提供了一种光热低温发电系统的控制方法，包括光热储热模式和第一有机工质循环模式，包括如下步骤：
(1)在光热储热模式下，管式集热场将太阳能热量聚集，水吸热被加热至预定温度成为热水后,进入储热罐储存完成光热储热完成光热储热。储存的热水经分配阀分流进入热交换器其内部的管束进行热交换，通过热交换使第一有机工质受热获得升温、汽化输入高压仓，所述升温的温度为56～85℃，压强为1.5～2.9MPa，热交换后的水回收至管式集热场再次进行光热储热；
(2)第一有机工质循环模式下，分配阀分配二次加热管路给高压仓中的第一有机工质进行补偿加热，高压仓内的第一有机工质向第四管路输送；第二工质循环模式下，分配阀分配二次加热管路给第二高压仓中的第二工质进行补偿加热，所述升温的温度为30～70℃，压强为7～10MPa，储气罐内的第二工质由二级压缩机进入第二高压仓，从第五管路经流量调节阀进入第四管路与第一有机工质混合，形成混合有机工质向发电系统输送，进入汽轮机进行膨胀做功，并对输变电网输出电能；
(3)混合有机工质膨胀做功释放能量后的混合有机工质由冷凝器冷却，经过气液分离器后，分离出的第一有机工质由工质泵回收至热交换器循环，第二工质通过压缩机、储气罐和二级压缩机后被加压至超临界压力，再次进入第二高压仓循环。
上述方案中，所述步骤(1)中第一有机工质的温度为70℃，压强为2.1MPa；所述步骤(2)中第二工质的温度为30℃，压强为7.1MPa。
本发明方案提出的一种光热低温发电系统及其控制方法与现有技术相比，其有益效果是：
1、本发明系统采用混合气体输入，是利用低温有机工质R134a做温度衬托基质，再加入特殊工质CO2或N2，在低温条件下能够产生超高压强推动机械做功；采用混合工质能够有效的解决CO2或N2工质在输送过程中比热容低，难以保持临界温度、工作不稳定的问题。
2、本系统属于低温中压发电系统，原有机工质参数设计定压为2.1MPa,温度设定为70℃，混合后系统即由原来低温中压变为低温高压或低温超高压系统，即在不改变总热量输入的情况下，提高了压力，单台机组发电功率有显著增加，由原来3-5MW提高到25MW，输出功率提高至原来的5倍以上。
3、系统设置多处蓄热装置，可以根据需要调整有机工质的环境温度，发电系统稳定，且热量消耗更少，有利于减少加热系统的成本。
附图说明
图1是本发明一种光热低温发电系统的结构示意图；
图2是本发明一种光热低温发电系统的控制方法的原理图。
图中：1.管式集热场，2.第一管路，3.储热罐，4.第二管路，5.切换阀，6.热交换器，7.二次加热管路，8.高压仓，9.第二高压仓，10.高压仓出口，11.第二工质进口，12.流量调节阀，13.第四管路，14.第五管路，15.压缩机，16.汽轮机，17.发电机，18.输电网，19.升压站，20.第八管路，21.冷凝器，22.第六管路，23.第二工质出口，24.混合有机工质进口，25.气液分离器，26.第一有机工质出口，27.储气罐，28.第七管路，29.工质泵，30.二级压缩机，31.低温储热罐，32.水泵，33.辅助热源，34.单向阀。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的描述：
参考图1，本发明一种光热低温发电系统，包括光热循环系统和第一有机工质循环系统；光热循环系统包括由管式集热场1和内置第一有机工质的热交换器6及其内部的管束连接构成的循环回路，管式集热场1通过第一管路2与储热罐3连通，储热罐3再通过第二通路4与热交换器6连通，热交换器6使第一有机工质获得升温、汽化输入第一有机工质循环系统；第一有机工质循环系统包括由高压仓8、汽轮机16、冷凝器21和工质泵29依次连接构成的工质循环回路。第一有机工质为R134a。
第一有机工质循环系统外还设置第二工质循环系统，第二工质循环系统包括第二高压仓9和压缩机15，压缩机15通过第七管路28向第二高压仓9输送第二工质，第二高压仓9和压缩机15之间设置有储气罐27。第二高压仓9和储气罐27之间设置有二级压缩机30。高压仓8至汽轮机16之间的第四管路13上设置有与第二高压仓9相连通的第二工质进口11，第四管路13上的第二工质进口11的位置开设在靠近高压仓出口10的一端。第二工质进口11外设置流量调节阀12，第二高压仓9通过第五管路14与流量调节阀12连接，高压仓8包括高压仓出口10，高压仓出口10与第二工质进口11之间的第四管路13上设置单向阀34。第二工质为CO2或N2。
冷凝器21与工质泵29之间位于第六管路22上设置气液分离器25，气液分离器25包括混合气工质进口24、第一有机工质出口26和第二工质出口23，混合气工质进口24与第六管路22连接，第一有机工质出口26与工质泵29相连，第二工质出口23与压缩机15通过第八管路20相连，将第二工质压缩至储气罐27连入工质循环回路，第一有机工质为R134a，第二工质为CO2或N2。
储热罐3还开设有二次加热管路7分别连通至高压仓8和第二高压仓9再由泵32连接至管式集热场1，二次加热管路7的前端设置分配阀5用于分配二次加热管7和热交换器6所对应的加热管路。管式集热场1外还设置辅助热源33，辅助热源33的一端与所述管式集热场1连通，另一端与泵32连通，辅助热源33采用工业低温余热或地热井的供热方式。热交换器6与管式集热场1之间的管路上还设置有低温储热罐32，低温储热罐32靠近热交换器6的一端。
参考图1和图2，本发明的控制过程为：
(1)在光热储热模式下，管式集热场1将太阳能热量聚集，水吸热被加热至预定温度成为热水后,进入储热罐3完成光热储热。热水经分配阀5分流进入热交换器6其内部的管束进行热交换，使第一有机工质R134a受热升温至70℃、汽化后压强为2.1MPa，输入高压仓8，热交换后的水储存在低温储热罐31中，经泵32回收至管式集热场1再次进行光热储热；
(2)第一有机工质循环模式下，因热传输过程中存在热损耗Q1，当高压仓8中第一有机工质的温度小于70℃时，表明第四管路13的压力也将不足2.1MPa，那么分配阀5分配二次加热管路7给高压仓8中的第一有机工质R134a进行补偿加热Q1，然后依次通过单向阀34进入第四管路13输送，通过二次加热，高压仓8内的第一有机工质R134a终保持在范围为温度70℃、压强2.1MPa的临界状态，以确保温度衬托基质恒温，保证受热膨胀压力理想性能。
第二工质循环模式下，因热传输过程中存在热损耗Q2，当第二高压仓9中第二工质的温度小于30℃时，表明第五管路14的压力也将不足7.1MPa，那么分配阀5分配二次加热管路7给第二高压仓9中的第二工质CO2进行补偿加热Q2，然后输入第五管路14，通过二次加热，第二高压仓9的第二工质CO2终保持在范围为温度30℃、压强7.1MPa的临界状态，然后从第五管路14经流量调节阀12进入第四管路13与高温第一有机工质R134a混合，第一有机工质R134a做温度衬托基质(热基)，使第二工质CO2保持超临界温度状态形成混合有机工质并向发电系统输送，进入汽轮机16进行膨胀做功，并由发电机17经升压站19对输电网18输出电能；
(3)混合有机工质膨胀做功释放能量后的混合有机工质由汽轮机16输送至冷凝器21冷却，经过气液分离器25后，分离出的第一有机工质R134a由工质泵29回收至热交换器6循环，第二工质CO2通过压缩机15、储气罐27和二级压缩机30后被加压至临界压力，再次进入第二高压仓9循环。
本发明系统采用混合气体输入，利用低温有机工质R134a做温度衬托基质，再加入特殊工质CO2或N2，在低温条件下能够产生超高压强推动机械做功，混合工质不但能够有效的解决CO2或N2工质在输送过程中比热容低，难以保持临界温度、工作不稳定的问题还能使混合后系统由原来低温中压变为低温高压或低温超高压系统，即在不改变总热量输入的情况下，提高了压力，单台机组发电功率有显著增加，由原来3-5MW提高到25MW，输出功率提高至原来的5倍以上。系统设置反馈控制系统，可以根据需要调整有机工质的环境温度自动控制，确保发电系统稳定，且热量消耗更少，有利于减少加热系统的成本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施案例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施案例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种光热低温发电系统，包括光热循环系统和第一有机工质循环系统；所述光热循环系统包括由管式集热场(1)和内置第一有机工质的热交换器(6)及泵(32)依次连接构成的循环回路，热交换器(6)使第一有机工质获得升温、汽化后输入第一有机工质循环系统；所述第一有机工质循环系统包括由高压仓(8)、汽轮机(16)、冷凝器(21)和工质泵(29)依次连接构成的工质循环回路，其特征在于：所述第一有机工质循环系统外还设置第二工质循环系统，所述第二工质循环系统包括第二高压仓(9)和压缩机(15)，所述压缩机(15)通过第七管路(28)向第二高压仓(9)输送第二工质，所述高压仓(8)至汽轮机(16)之间的第四管路(13)上设置有与所述第二高压仓(9)连通的第二工质进口(11)，第二工质进口(11)外设置流量调节阀(12)，所述第二高压仓(9)通过第五管路(14)与流量调节阀(12)连接，所述高压仓(8)包括高压仓出口(10)，高压仓出口(10)与第二工质进口(11)之间的第四管路(13)上设置单向阀(34)；所述冷凝器(21)与工质泵(29)之间位于第六管路(22)上设置气液分离器(25)，所述气液分离器(25)包括混合有机工质进口(24)、第一有机工质出口(26)和第二工质出口(23)，所述混合有机工质进口(24)与第六管路(22)连接，所述第一有机工质出口(26)与工质泵(29)相连，所述第二工质出口(23)与所述压缩机(15)通过第八管路(20)相连，将第二工质压缩至储气罐(27)连入工质循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述第一有机工质为R134a，所述第二工质为CO2或N2。
3.根据权利要求1所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述管式集热场(1)通过第一管路(2)与储热罐(3)连通，所述储热罐(3)再通过第二通路(4)与所述热交换器(6)连通。
4.根据权利要求1所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述第四管路(13)上的第二工质进口(11)的位置开设在靠近高压仓出口(10)的一端。
5.根据权利要求1所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述第二高压仓(9)和压缩机(15)之间设置有储气罐(27)，第二高压仓(9)和储气罐(27)之间设置有二级压缩机(30)。
6.根据权利要求1或3所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述储热罐(4)还开设有二次加热管路(7)分别通过高压仓(8)和第二高压仓(9)再连接至泵(32)回收到管式集热场(1)，所述二次加热管路(7)的前端设置切换阀(5)用于切换二次加热管(7)和热交换器(6)所对应的加热管路。
7.根据权利要求1所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述管式集热场(1)外还设置辅助热源(33)，所述辅助热源(33)的一端与所述管式集热场(1)连通，另一端与泵(32)连通，所述辅助热源(33)采用工业低温余热或地热井的供热方式。
8.根据权利要求1所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述热交换器(6)与管式集热场(1)之间的管路上还设置有低温储热罐(31)，所述低温储热罐(31)靠近热交换器(6)的一端。
9.根据权利要求1或2所述的一种光热低温发电系统的控制方法，包括光热储热模式和第一有机工质循环模式，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在光热储热模式下，管式集热场(1)将太阳能热量聚集，水吸热被加热至预定温度成为热水后,进入储热罐(3)储存完成光热储热。热水经切换阀(5)分流进入热交换器(6)及其内部的管束进行热交换，使第一有机工质受热获得升温、汽化，输入高压仓(8)，所述升温的温度为56～85℃，压强为1.5～2.9MPa，热交换后的水回收至管式集热场(1)再次进行光热储热；
(2)第一有机工质循环模式下，切换阀(5)切换二次加热管路(7)给高压仓(8)中的第一有机工质进行补偿加热，高压仓(8)内的第一有机工质向第四管路(13)输送；第二工质循环模式下，切换阀(5)切换二次加热管路(7)给第二高压仓(9)中的第二工质进行补偿加热，所述升温的温度为30～70℃，压强为7～10MPa，储气罐(27)内的第二工质由二级压缩机(30)进入第二高压仓(9)，从第五管路(15)经流量调节阀(12)进入第四管路(13)与第一有机工质混合，形成混合有机工质向发电系统输送，进入汽轮机(16)进行膨胀做功，并对输变电网输出电能；
(3)混合有机工质膨胀做功释放能量后的混合有机工质由冷凝器(21)冷却，经过气液分离器(25)后，分离出的第一有机工质由工质泵(29)回收至热交换器(6)循环，第二工质通过压缩机(15)、储气罐(27)和二级压缩机(30)后被加压至超临界压力，再次进入第二高压仓(9)循环。
10.根据权利要求9所述的一种光热低温发电系统，其特征在于：所述步骤(1)中第一有机工质的温度为70℃，压强为2.1MPa；所述步骤(2)中第二工质的温度为30℃，压强为7.1MPa。
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