CN111486067A - 基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于sCO2布雷顿循环的地热‑太阳能发电系统，包括sCO2布雷顿循环、CO2羽流地热系统以及作为辅助热源的塔式太阳能系统。sCO2布雷顿循环包括：透平、高温回热器、低温回热器、冷却器、主压缩机、再压缩机。CO2羽流地热系统包括：注入井、生产井、分离器。塔式太阳能系统包括太阳能塔、定日镜场、吸收器、高温熔盐罐、低温熔盐罐、换热器、熔盐泵等。本发明提供的发电系统通过sCO2再压缩布雷顿循环、CO2羽流地热系统、塔式太阳能系统的耦合，实现了CO2封存系统与地热开采系统的结合，同时提高了中低温地热资源的利用率以及循环的热效率，降低了地热开采的成本。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的地热-太阳能联合发电系统。
背景技术
随着全球气候变暖，对于CO2的减排与利用变得越来越重要。目前关于碳捕获与封存技术(CCS)方面的研究不断推进，但是该技术存在成本高、泄露风险大、地质或海洋封存等方法可能会对环境造成一定影响等问题。如果可以在封存技术的基础上，再对捕获后的CO2进行利用，对于节能减排将具有深远的意义。
而采用地热发电，虽属于清洁能源发电，但仍存在效率低的缺陷。提高低温热源循环效率的方式主要有两种，一是引入高品位能源；二是配置高效率的动力循环。
将太阳能系统与地热系统耦合，两个系统可以进行互补。对于地热系统，太阳能系统将有利于原系统的功率输出并且在一定程度上提高系统热效率；对于太阳能系统，地热能是一个稳定的能量输出，这将能够克服因为太阳能系统因辐射强度不稳定带来的发电输出不稳定。
将两种不同的热源耦合还需要合适的动力循环相适应。目前大多数电厂中，蒸汽朗肯循环由于其技术成熟、安全可靠等优势在发电中仍占有重要优势。即便如此，在目前的应用中，传统的蒸汽朗肯循环也存在一些问题。如其吸热过程为非等温吸热，平均吸热温度较低，可用能损失大；回热过程采用抽汽回热时，冷热侧流体温差大，传热不可逆损失大等；这些均会影响朗肯循环的效率。而采用sCO2布雷顿循环进行发电，由于其压缩功低、可以很好的适用于高温热源、系统紧凑简单，在效率、成本与应用等方面具有潜在的优势。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，该系统解决了现有技术中平均吸热温度较低、可用能损失大，且回热过程采用抽汽回热时冷热侧流体温差大、传热不可逆损失大并导致效率低的问题。
技术方案：本发明的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，包括塔式太阳能系统、sCO2布雷顿循环回路以及CO2羽流地热系统。
所述塔式太阳能系统包括设有若干定日镜的定日镜场、能够吸收所述定日镜场反射的太阳光线并产生热能的太阳能塔、收集太阳能塔产生的热能的吸收器、以及与吸收器形成一回路的换热器。
所述换热器为熔盐/sCO2换热器。所述吸收器和换热器组成的回路中还设有高温熔盐罐和低温熔盐罐，具体为：所述吸收器输出端连接换热器输入端以及高温熔盐罐、换热器输出端连接低温熔盐罐以及吸收器的输入端。
所述换热器输出端与低温熔盐罐之间设有两熔盐泵。所述吸收器出口连接熔盐/sCO2换热器入口以及高温熔盐罐、熔盐/sCO2换热器出口经两熔盐泵后连接低温熔盐罐以及吸热器入口。
所述sCO2布雷顿循环回路包括其输入端与换热器连接的透平、高温回热器、低温回热器及主压缩机，其中，所述透平的输出端与高温回热器的低压侧输入端连接、所述高温回热器输出端与低温回热器输入端连接，且所述低温回热器输出端连接有主压缩机。
所述低温回热器的输出端的另一路连接有再压缩机，所述再压缩机输出端与低温回热器高压侧输出端一起连接至高温回热器高压侧输入端。
sCO2布雷顿循环使用两个压缩机、两个回热器。通过再压缩机分流压缩，平衡循环高压侧、低压侧流体的流量，以平衡两侧的热容量。可以很好的避免因回热器两侧sCO2热容量大小差距过大引起的夹点问题，从而提高了循环的热效率。
所述主压缩机和再压缩机均与透平同轴，透平发电同时驱动压缩机。
所述低温回热器与主压缩机之间还设有第一冷却器。
所述主压缩机与注入井之间还设有第二冷却器。经第二冷却器冷却后的sCO2与补充的电厂收集的CO2混合后进入注入井。
所述第一冷却器和第二冷却器均采用水冷方式进行冷却。
所述CO2羽流地热系统包括注入井、生产井和分离器，所述注入井与主压缩机连接并用于注入sCO2布雷顿循环回路输出的及电厂收集的CO2，所述生产井通过分离器与低温回热器的高压侧输入端连接，生产井出口产出的盐水-sCO2混合物经分离器分离后进入所述sCO2布雷顿循环回路中进行发电。
经注入井注入的sCO2，一部分被永久封存，一部分被生产井捕获，并进入所述sCO2布雷顿循环进行发电。封存部分CO2后，需要补充CO2。
所述CO2羽流地热系统中，由于CO2羽流的影响，所述生产井深度小于注入井深度。
所述塔式太阳能系统的传热介质为太阳盐：50-70％NaNO3和30-50％KNO3的混合盐。优选60％NaNO3和40％KNO3的混合盐。
所述sCO2布雷顿循环回路和CO2羽流地热系统中的做功介质均为超临界二氧化碳，且所述主压缩机入口处的sCO2位于CO2临界点(31.1℃，7.38MPa)之上的区域，其温度范围37-50℃，压力范围7.4-9.5MPa。
有益效果：1、本发明采用sCO2布雷顿循环的太阳能-地热耦合发电，可充分发挥两种可再生能源的优势，实现CO2的封存与利用，提高系统热效率，降低系统成本；2、选用sCO2作为高温载热工质，sCO2在深部含盐水层的泄漏可直接变为CO2地质封存，可以产生一定程度的环境效益和经济效益；3、地热-太阳能联合发电，体现能源多级利用的原则，提高了低温热源的利用率；太阳能系统的加入，提高了透平入口温度，提高了循环的热效率；地热系统的加入，弥补了太阳能系统因光照不稳定带来的供热不稳定的缺陷；4、在sCO2布雷顿循环中，其吸热过程可近似认为是等温吸热，平均吸热温度较高，可用能损失较小；回热过程近极限回热，冷热侧流体温差较小，传热不可逆损失较小等，效率较高；5、此外，sCO2布雷顿循环还具有压缩功低、可以很好的适用于高温热源、系统紧凑简单、成本低等优势；6、塔式太阳能系统中的储能部分，可实现电力的移峰填谷，减少了用户的电力成本。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图。
其中，图中工质流动状态：1b-15b表示sCO2布雷顿循环与CO2羽流地热系统中sCO2的流动状态；1c-4c表示冷却器中冷却水的流动状态；1s-4s表示塔式太阳能系统中熔盐的流动状态。
具体实施方式
参见图1，本发明一实施例所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，包括sCO2布雷顿循环、CO2羽流地热系统以及塔式太阳能系统。
塔式太阳能系统包括定日镜场19、太阳能塔18、吸收器17、熔盐/sCO2换热器11、高温熔盐罐21、低温熔盐罐14及两熔盐泵12、16，吸收器17出口连接熔盐/sCO2换热器11入口以及高温熔盐罐21、熔盐/sCO2换热器11出口经熔盐泵12、熔盐泵16后连接低温熔盐罐14以及吸热器17入口。塔式太阳能系统中传热介质为太阳盐(60％NaNO3和40％KNO3的混合盐)。
sCO2布雷顿循环回路通过熔盐/sCO2换热器与所述塔式太阳能系统连接，包括透平1、高温回热器2、低温回热器3、第一冷却器4、主压缩机5、再压缩机6及第二冷却器7，透平1出口连接高温回热器2低压侧入口，高温回热器2出口连接低温回热器3入口。低温回热器输出端分两路：其中一路连接第一冷却器4，第一冷却器4出口连接主压缩机5入口，主压缩机5出口连接第二冷却器7入口，第二冷却器7出口连接CO2羽流地热系统；另一路连接再压缩机6，再压缩机6出口与低温回热器3高压侧出口一起连接至高温回热器2高压侧入口。第一冷却器4、第二冷却器7中的冷却介质为水。主压缩机和再压缩机均与透平同轴，透平发电同时驱动压缩机。
CO2羽流地热系统包括注入井8、生产井9及分离器10，生产井9连接分离器10入口，分离器10出口连接至sCO2布雷顿循环中低温回热器3高压侧入口。其中，生产井深度小于注入井深度。
sCO2布雷顿循环回路和CO2羽流地热系统中的做功介质均为超临界二氧化碳，且主压缩机入口处的sCO2位于CO2临界点(31.1℃，7.38MPa)之上的区域，其温度范围37-50℃，压力范围7.4-9.5MPa。
本发明工作原理如下：
太阳直接辐射被定日镜场19反射后，聚焦于太阳能塔18顶部的吸收器17，低温熔盐在吸收器17处吸收热量后达到给定温度(1s)，然后进入sCO2布雷顿循环回路并与其中的功质换热或进入高温熔盐罐21中被储存。从sCO2/熔盐换热器11离开的熔盐2s经熔盐泵12、16加压至3s，后进入低温熔盐罐14或进入吸收器17继续吸收热量。
sCO2布雷顿循环使用两个压缩机、两个回热器，将sCO2分流。sCO2在sCO2/熔盐换热器11与塔式太阳能系统的熔盐进行热交换(过程15b-1b)，然后经透平1膨胀为低压状态(过程1b-2b)。继续经过高温回热器2(过程2b-3b)、低温回热器3(过程3b-4b)，以回收透平排气的热量，提高循环热效率。经回热器后，sCO2分流：(1)其中一股sCO2在第一冷却器4被冷却(过程4b-5b)，后进入主压缩机5压缩至高压状态(过程5b-6b)，然后经冷却器7(过程6b-7b)冷却至地热系统注入状态，与来自电厂收集且处理后的CO2混合后(过程7b、7b’-8b)，注入CO2羽流地热系统。在CO2羽流地热系统吸收热量且分离盐水后，进入低温回热器3。(2)另一股直接经再压缩机6压缩(过程4b-13’b)。两股sCO2在低温回热器3出口处混合(过程7b、7b’-8b)，混合后进入高温回热器2。
sCO2布雷顿循环的sCO2通过注入井8注入深部含盐水层。一部分注入的sCO2由生产井9捕获而产出(过程8b-11b)；另一部分被永久封存。产出的sCO2经sCO2-盐水分离器分离盐水后，进入sCO2再压缩布雷顿循环。
由于一天中太阳光辐射强度以及用电量峰谷值的变化，联合发电系统具有不同运行模式。(1)储热模式，塔式太阳能系统正常运行。储热过程中，通过改变熔盐泵的转速来控制熔盐流量。低温熔盐泵送至吸热器17吸收太阳能，被加热至指定温度后，存储至高温熔盐罐21。此模式下，阀门15、20开启，阀门13、22关闭。(2)放热模式，由储热系统为sCO2布雷顿循环回路提供热能。利用熔盐泵，熔盐从高温熔盐罐21进入sCO2/熔盐换热器11与sCO2布雷顿循环换热，随后进入低温熔盐罐14。此模式下，阀门15、20关闭，阀门13、22开启。(3)储热模式与放热模式结合。
当光照强度充足或用电低谷时，熔盐通过sCO2/熔盐换热器11与sCO2布雷顿循环回路换热后，仍有多余热量可存储在高温熔盐罐中。当光照强度不足或用电高峰时，直接由吸热器17提供的热量不足以供sCO2布雷顿循环回路使用，需要利用高温熔盐罐21中存储的部分熔盐提供热量。此模式下，阀门15、20、13、22均开启。
基于超临界二氧化碳布雷顿循环的地热-太阳能联合发电系统中，透平1效率为93％，主压缩机5与再压缩机6的效率为80％，回热器效能小于等于0.95，且回热器最小端差为5K；透平1的入口温度为550℃，入口压力取决于CO2羽流地热系统的CO2产出压力；主压缩机5入口温度为37-50℃，入口压力7.4-9.5MPa，；分流比为0.5-0.9；熔盐使用温度范围为290-565℃；井间距为500-800m；sCO2注入流量为30kg/s，注入温度为30-80℃。
Claims (10)
1.一种基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：包括塔式太阳能系统、sCO2布雷顿循环回路以及CO2羽流地热系统，
-所述塔式太阳能系统包括设有若干定日镜的定日镜场、能够吸收所述定日镜场反射的太阳光线并产生热能的太阳能塔、收集太阳能塔产生的热能的吸收器、以及与吸收器形成一回路的换热器；
-所述sCO2布雷顿循环回路包括其输入端与换热器连接的透平、高温回热器、低温回热器及主压缩机，其中，所述透平的输出端与高温回热器的低压侧输入端连接、所述高温回热器输出端与低温回热器输入端连接，且所述低温回热器输出端连接有主压缩机；
-所述CO2羽流地热系统包括注入井、生产井和分离器，所述注入井与主压缩机连接并用于注入sCO2布雷顿循环回路输出的及电厂收集的CO2，所述生产井通过分离器与低温回热器的高压侧输入端连接，生产井出口产出的盐水-sCO2混合物经分离器分离后进入所述sCO2布雷顿循环回路中进行发电。
2.根据权利要求1所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述低温回热器的输出端的另一路连接有再压缩机，所述再压缩机输出端与低温回热器高压侧输出端一起连接至高温回热器高压侧输入端。
3.根据权利要求1所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述换热器为熔盐/sCO2换热器。
4.根据权利要求1或3所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述吸收器和换热器组成的回路中还设有高温熔盐罐和低温熔盐罐，具体为：所述吸收器输出端连接换热器输入端以及高温熔盐罐、换热器输出端连接低温熔盐罐以及吸收器的输入端。
5.根据权利要求4所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述换热器输出端与低温熔盐罐之间设有两熔盐泵。
6.根据权利要求1所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述低温回热器与主压缩机之间还设有第一冷却器。
7.根据权利要求1或6所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述主压缩机与注入井之间还设有第二冷却器。
8.根据权利要求1所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述塔式太阳能系统的传热介质为太阳盐：50-70％NaNO3和30-50％KNO3的混合盐。
9.根据权利要求1所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述sCO2布雷顿循环回路和CO2羽流地热系统中的做功介质均为超临界二氧化碳，且所述主压缩机入口处的sCO2位于CO2临界点之上的区域，其温度范围37-50℃，压力范围7.4-9.5MPa。
10.根据权利要求1所述的基于sCO2布雷顿循环的地热-太阳能发电系统，其特征在于：所述生产井深度小于注入井深度。
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