CN112524821B - 一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统，包括依次连接的镜场系统、熔盐系统、二氧化碳热电转换系统和冷却系统，二氧化碳热电转换系统包括中间换热器、与中间换热器连接的透平组件、与透平组件连接的回热器组件，回热器组件与中间换热器连接，回热器组件还与带间冷主压缩机和再压缩机连接，再压缩机与透平组件连接，形成布雷顿循环结构。本发明提供的用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统，在利用太阳能光热发电时，能够提高系统整体效率、降低初始投资比重和发电成本以及提高市场竞争力，具有高效率、系统简单、调节性能好的优点，具有广阔的应用前景和市场价值。

Description

一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统
技术领域
本发明属于热力发电技术领域，具体说是涉及一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统。
背景技术
太阳能光热发电是利用大规模镜场收集太阳能，将太阳能转换为热能传递给做功工质，再利用热力循环技术将热能转换为电能的一种技术。太阳能光热发电是全球未来新型清洁能源的重要发展方向。超临界二氧化碳热力循环技术是基于布雷顿循环原理，将超临界二氧化碳工质的物性变化特点与热力循环典型过程进行调控匹配形成的新型热力循环技术。整个热力循环位于二氧化碳工质的临界点之上，超临界二氧化碳工质整个热力循环区域内无汽液相变；压缩机工作在临界点附近的高密度区，大幅降低做功功耗；发电透平具有高背压、低压比特点，工质密度大，设备体积小。该项技术在中高热源温度区间（400~700℃）相比当前蒸汽朗肯循环技术具有高效率、系统简单、调节性能好等优点，是未来可以大规模替代当前蒸汽朗肯循环的新型发电技术，具有广阔的应用前景和市场价值。
以太阳能光热发电为应用对象，采用超临界二氧化碳热力循环系统替代当前的蒸汽轮机系统，有助于进一步提高系统整体效率、降低初始投资比重和发电成本、提高市场竞争力。因此，本发明基于这一背景需求，提出了一种用于光热发电的新型超临界二氧化碳循环发电方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统，解决了在利用太阳能光热发电时，如何进一步提高系统整体效率、降低初始投资比重和发电成本以及提高市场竞争力的技术问题，具有高效率、系统简单、调节性能好的优点，具有广阔的应用前景和市场价值。
一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统，包括依次连接的镜场系统、熔盐系统、二氧化碳热电转换系统和冷却系统，所述二氧化碳热电转换系统包括中间换热器、与所述中间换热器连接的透平组件、与所述透平组件连接的回热器组件，所述回热器组件与所述中间换热器连接，所述回热器组件还与带间冷主压缩机和再压缩机连接，所述再压缩机与所述透平组件连接，形成布雷顿循环结构。
所述透平组件包括连接在一起的发电透平和驱动透平，所述发电透平与发电机连接；
所述回热器组件包括连接在一起的高温回热器和低温回热器，所述低温回热器与所述带间冷主压缩机连接，所述带间冷主压缩机和所述再压缩机直接连接，所述再压缩机与所述驱动透平连接。
沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述驱动透平/所述发电透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述冷却器、所述带间冷主压缩机依次连接，且所述带间冷主压缩机、所述低温回热器、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构一（a）；
以及，沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述驱动透平/所述发电透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述再压缩机依次连接，且所述再压缩机、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构一（b）。
沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述发电透平、所述驱动透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述冷却器、所述带间冷主压缩机依次连接，且所述带间冷主压缩机、所述低温回热器、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构二（a）；
以及，沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述发电透平、所述驱动透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述再压缩机依次连接，且所述再压缩机、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构二（b）。
沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述驱动透平、所述发电透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述冷却器、所述带间冷主压缩机依次连接，且所述带间冷主压缩机、所述低温回热器、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构三（a）；
以及，沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述驱动透平、所述发电透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述再压缩机依次连接，且所述再压缩机、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构三（b）。
所述主压缩机采用单缸两段离心式，且包括第I段和第II段，所述第I段和所述第II段之间设置冷却器，所述第I段和所述第II段的入口温度一致。
该设计一方面降低压缩功耗，另一方面提高了中间换热器前后温差，提高储能利用率。
所述主压缩机的入口压力高于二氧化碳工质临界点压力7.31MPa，其入口温度低于二氧化碳同等压力下的拟临界点温度，所述再压缩机的入口温度高于同等压力下的拟临界点温度；所述主压缩机的流量在系统总流量的占比为40%-60%之间。
所述主压缩机、所述再压缩机和所述驱动透平三个设备，均采用多轴连接；
所述主压缩机与所述驱动透平为相同转速，且两根轴采用膜片连轴器连接，所述再压缩机连接有变速箱；
所述发电透平和所述发电机上的两个轴承连接有变速箱。
本发明中的二氧化碳循环发电方案提具有三种透平驱动方式，分别是分流驱动方案、高压串联驱动方案和低压串联驱动方案。分流驱动方案是驱动透平与发电透平并联布置，高压串联驱动方案和低压串联驱动方案是驱动透平与发电透平串联。对于高压驱动，驱动透平位于发电透平上游；对于低压驱动，驱动透平位于发电透平下游；
分流驱动方案的驱动透平压差与发电透平基本相同；低压串联驱动方案的驱动透平前后压差是发电透平的30%左右；高压串联驱动方案的驱动透平压差占比略低于发电透平。
本发明达成以下显著效果：
本发明提出一种用于光热发电的新型超临界二氧化碳循环发电方案，可以替代当前正在使用的蒸汽轮机系统，有助于进一步提高系统整体效率、降低初始投资比重和发电成本、提高市场竞争力，推动太阳能光热技术的大规模应用。
附图说明
图1是本发明太阳能蓄热系统结构示意图。
图2为本发明实施例中碳循环发电的系统结构整体示意图。
图3为本发明实施例中分流驱动方案的流程图。
图4为本发明实施例中低压串联驱动方案的流程图。
图5为本发明实施例中高压串联驱动方案的流程图。
其中，附图标记为：1、带间冷主压缩机；2再压缩机；3、驱动透平；4、发电透平；5、发电机；6、冷却器；7、高温回热器；8、低温回热器；9、中间换热器；10、段间冷却器；11、镜场系统；12、吸热塔；13、低温熔盐罐；14、熔盐泵；15、高温熔盐罐。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
如图1所示的一种太阳能蓄热系统，所述系统包括镜场系统11、高温蓄热器15、低温蓄热器13和换热器9，所述镜场系统11包括出液管路和回液管路，出液管路和回液管路之间连接换热器9，所述高温蓄热器15设置在出液管路上，所述低温蓄热器13设置在回液管路上。
作为优选，所述高温蓄热器、低温蓄热器中的蓄热介质是熔盐，所述出液管路和回液管路中的液体也是熔盐。
本发明提供一种新的太阳能蓄热系统，能够将太阳能蓄热热能进行分类别利用，提高了太阳能的利用效率。
作为优选，所述高温蓄热器中设置换热管，所述换热管连接供热客户。
本发明提供一种新的太阳能蓄热供热系统，能够将太阳能高温蓄热热能进行供热，对热能分类使用，提高了太阳能的利用效率。
一种超临界二氧化碳循环的太阳能光热发电技术方案，该系统主要包括镜场系统11、熔盐系统、二氧化碳热电转换系统和冷却系统等，其系统构成见图2。
其中镜场系统11是将太阳的光热汇聚后用于加热吸热器中的熔盐工质；熔盐系统包括低温熔盐罐13、高温熔盐罐15和熔盐泵14，具有传热和储热两个作用，一方面在吸热器内吸收热量变成高温熔盐后，通过中间换热器9将热量传递给二氧化碳热电转换系统；另一方面，将未被利用的高温熔盐储存在高温熔盐罐15中，起到热量储存的作用。冷却系统将整个系统的废热通过冷却塔等设备将热量传递给环境，为整个系统提供最终热阱。
本发明的描述重点为超临界二氧化碳热电转换系统，该系统主要包括带间冷主压缩机1、再压缩机2、驱动透平3、发电透平4、发电机5、冷却器6、高温回热器7、低温回热器8、中间换热器9、段间冷却器10等。
带间冷主压缩机1采用单缸两段离心式，两段共轴、同转速、高速直连，之间设置段间冷却器10；二氧化碳工质经主压缩机第一段压缩做功后，压力与温度均会上升，经过段间冷却器10之后，使进入第二段压缩机的二氧化碳温度下降。
段间冷却器10的设置有两方面作用，一方面，在压力基本不变的条件下降低二氧化碳压缩温度，会提高二氧化碳工质密度，有助于进一步减少压缩功耗，降低驱动透平3的设计功率，另一方面，会降低压缩机出口温度，进而会降低中间换热器9的入口温度。在热源出口温度维持在设计值不变的条件下，相当于增加了中间换热器9进出口温差。对于熔盐储能式太阳能光热发电技术，增加中间换热器9进出口温差，会降低熔盐储量，降低储能相关成本。
整个系统采用双轴系布置。第一个轴系包括主压缩机、再压缩机2和驱动透平3三个设备，这三个设备按三个轴布置。其中带间冷主压缩机1与驱动透平3的轴设计成相同转速，两根轴采用膜片连轴器连接，可以补偿两设备因制造误差、安装误差、结构变形以及温升变化等引起的轴向、径向和角向偏移；再压缩机2转速设计为高转速，为使再压缩机2与带间冷主压缩机1、驱动透平3连接，使用变速箱连接，以匹配设备间的不同转速。第二个轴系为发电透平4和发电机5，两个轴承采用变速箱连接。发电机5转速为3000rpm。
根据驱动透平3与发电透平4的相对位置关系，设计有三种布置方式。
第一种为分流驱动式，即驱动透平3与发电透平4并列布置，见图3。从中间换热器9出来的高温高压二氧化碳分成两个路，一路进入发电透平4做功，另一路进入驱动透平3做功，两路做功后的工质重新混合汇成一路。
第二种为高压串联驱动式，即驱动透平3与发电透平4在同一路上，驱动透平3位于发电透平4的上游，见图5。从中间换热器9出来的高温高压二氧化碳先进入驱动透平3做功，做功后的工质再进入发电透平4将热能转换成电能。由于驱动透平3相比发电透平4位于高压侧，因此称之高压串联驱动式。
第三种为低压串联驱动式，即驱动透平3与发电透平4在同一路上，驱动透平3位于发电透平4的下游，见图4。从中间换热器9出来的高温高压二氧化碳先进入发电透平4将热能转换成电能，再进入驱动透平3做功。由于驱动透平3相比发电透平4位于低压侧，因此称之低压串联驱动式。
对于这三种方案，分流驱动方案的优点是驱动透平3与发电透平4二者并联，二者耦合程序较小，易于控制；缺点是体积流量相对较小，在低功率规模为保证设备效率需要较高转速。高压驱动与低压驱动二者的优点体积流量相对较大，相比分流驱动可以降低设备转速，缺点是驱动透平3与发电透平4串联，二者会互相影响，对控制方案提出了较高要求。
以低压串联驱动式为例，介绍整个系统的基本流程。在驱动透平3驱动下，带间冷主压缩机1流出的二氧化碳流经低温回热器8的高压侧，被一次加热后与再压缩机2出口的二氧化碳汇合后，流入高温回热器7高压侧进行二次加热，之后再进入熔盐/CO2中间换热器9加热至额定温度，从中间换热器9流出的高温高压二氧化碳流入发电透平4，驱动发电透平4叶轮转动，并带动与之同轴相连的发电机5一起旋转产生电能。
从发电透平4出口流出的二氧化碳工质，直接进入驱动透平3做功。驱动透平3与带间冷主压缩机1和再压缩机2为同轴连接方案，驱动透平3的旋转带动带间冷主压缩机1和再压缩机2一起旋转，为整个回路的运行提供流动动力。
从驱动透平3流出的低压二氧化碳依次流经高温回热器7低压侧和低温回热器8低压侧后，二氧化碳分为两路，一路直接进入再压缩机2，另一路流进冷却器6高压侧进一步冷却后进入带间冷主压缩机1，完成整个闭式布雷顿循环。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，包括依次连接的镜场系统、熔盐系统、二氧化碳热电转换系统和冷却系统，所述二氧化碳热电转换系统包括中间换热器、与所述中间换热器连接的透平组件、与所述透平组件连接的回热器组件，所述回热器组件与所述中间换热器连接，所述回热器组件还与带间冷主压缩机和再压缩机连接，所述再压缩机与所述透平组件连接，形成布雷顿循环结构；所述透平组件包括连接在一起的发电透平和驱动透平，所述发电透平与发电机连接；所述回热器组件包括连接在一起的高温回热器和低温回热器，所述低温回热器与所述带间冷主压缩机连接，所述带间冷主压缩机和所述再压缩机直接连接，所述再压缩机与所述驱动透平连接，沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述发电透平、所述驱动透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述冷却器、所述带间冷主压缩机依次连接，且所述带间冷主压缩机、所述低温回热器、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构二（a）；
以及，沿着二氧化碳流动方向，所述中间换热器、所述发电透平、所述驱动透平、所述高温回热器、所述低温回热器、所述再压缩机依次连接，且所述再压缩机、所述高温回热器、所述中间换热器再依次连接，形成闭环布雷顿循环结构二（b）；
所述带间冷主压缩机、所述再压缩机和所述驱动透平三个设备，均采用多轴连接；
所述带间冷主压缩机与所述驱动透平为相同转速，且两根轴采用膜片连轴器连接，所述再压缩机连接有变速箱；
所述发电透平和所述发电机上的两个轴承连接有变速箱；
所述带间冷主压缩机采用单缸两段离心式，且包括第I段和第II段，所述第I段和所述第II段之间设置段间冷却器，所述第I段和所述第II段的入口温度一致。
2.权利要求1所述的光热发电的超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，
所述带间冷主压缩机的入口压力高于二氧化碳工质临界点压力7.31MPa，其入口温度低于二氧化碳同等压力下的拟临界点温度，所述再压缩机的入口温度高于同等压力下的拟临界点温度；所述带间冷主压缩机的流量在系统总流量的占比为40%-60%之间。
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二氧化碳发电前沿技术发展简述;高峰等;《海军工程大学学报(综合版)》;20151215;第12卷(第04期);第93页右栏及图2 *
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