CN112832907B - 一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统及方法，该系统包括依次连通的透平、高温回热器、中温回热器、气液分离器、液体泵、低温回热器、预冷器、主压缩机、低温熔盐加热器、高温熔盐加热器。该系统中采用了H2O与C2O的混合物作为工质，工质在高温部位处于超临界混合状态，而在低温部位部分H2O会与CO2分离，CO2采用压缩机进行压缩升压，H2O采用水泵增压。该系统热效率比传统蒸汽循环效率高，同时，熔盐放热区间比经典超临界CO2布雷顿循环放热区间大，熔盐需求量小。同时避免了气体压缩过程中带液，液体压缩过程中汽化的现象。提高了设备安全稳定性。

Description

一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统及方法
技术领域
本发明涉及发电系统技术领域，特别涉及一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统及方法。
背景技术
太阳能热发电需要更为高效的热力循环进行热电转换，目前在众多热力循环当中，超临界布雷顿循环是一种最有优势的循环形式。新型超临界工质二氧化碳、氦气和氧化二氮等具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性。
但这类循环在应用于太阳能热发电时也存在一个明显的技术难点。经典的超临界CO2循环进入加热器的工质温度非常高大约400℃，而传统的H2O蒸汽朗肯循环进入加热器的工质温度只有200多℃，太阳能热发电一般都配有储热系统，进入加热器的温度高意味着熔盐的放热温度区间缩小，那么要储存相同能量的热量时需要更大的熔盐储存量，同时熔盐泵的功耗也增加，而这部分成本在太阳能光热发电中所占比例比较高，因此，希望寻找一种可以兼顾热效率和储热工质温度的合适循环类型已经参数设置，但经典的超临界CO2布雷顿循环很难做到。
这个问题可以通过混合工质来解决。当向CO2中掺入其他工质，例如H2O后，其混合物物性介于两者之间，热力循环的特性也兼具两者的特点。通过合理的布局设计既可以保证熔盐的合理温度区间，又可以保证高热效率。
但CO2混合物也会遇到一些问题。例如向CO2中掺入H2O后可以很好的调整混合物物性，但是由于两种物质物性本身相差较大，混合物比较容易出现分离现象，尤其是在系统中出现节流或者突变的部位，例如过滤器、阀门、储罐进出口等部位。并且，若要保持超临界混合态，两种物质的配比要求比较精确，且对系统参数设置有很大限制，否则会影响混合状态以及物性。这样对于混合物循环的实际应用限制较大。
若有一个系统可以实现部分部位是混合物状态，部分部位是两种单相工质状态，并且保证压缩机和泵等重要设备正常运行，不出现汽蚀、液击等现象，则可以大大提高系统的应用范围。本发明正式为解决这一问题而提出的。
发明内容
为了克服超临界布雷顿循环应用于太阳能光热发电时与熔盐系统温度不匹配的问题，提出了一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统及方法，采用了技术难度相对较低，可行性较高的方法，提高系统热效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统，包括透平1，所述透平1的介质出口与高温回热器2的热侧入口相连接，高温回热器2的热侧出口与中温回热器3的热侧入口相连接，中温回热器3的热侧出口与气液分离器4的入口相连接，气液分离器4的底部排液口与液体泵5的入口相连接，气液分离器4的顶部排气口与低温回热器6的热侧入口相连接，低温回热器6的热侧出口与预冷器7的热侧入口相连接，预冷器7的热侧出口与主压缩机8的入口相连接，主压缩机8的出口与低温回热器6的冷侧入口相连接，低温回热器6的冷侧出口与液体泵5的出口汇合后与中温回热器3的冷侧入口相连接；
所述中温回热器3的冷侧出口分为两路，一路与低温熔盐加热器9的冷侧入口相连接，另一路与高温回热器2的冷侧入口相连接，高温回热器2的冷侧出口与低温熔盐加热器9的冷侧出口汇合后与高温熔盐加热器10的冷侧入口相连接，高温熔盐加热器10的冷侧出口与透平1的介质入口相连接。
所述气液分离器4中的压力在7.2MPa到7.6MPa之间，温度在130℃到170℃之间。在此温度和压力下，保证CO2处于超临界态并且密度更接近气体，而水处于液体。
所述气液分离器4的罐体直径与入口管道管径之比大于10，罐体有效容积高度与罐体直径之比大于1。在此尺寸比例下流通面积突扩明显，更有利于气液分离。
一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统的运行方法，包括以下步骤；
处于混合状态的超临界混合工质在透平1中做功，做功后的工质仍然处于超临界混合状态，混合物依次进入高温回热器2、中温回热器3的热侧放热，降低温度后CO2和H2O在气液分离器4中分离，H2O变为液体由气液分离器4底部排出，之后进入液体泵5被增压，而CO2保持气态从气液分离器4顶部排出，依次进入低温回热器6、预冷器7热侧继续放热，然后进入主压缩机8被增压，被增压后的CO2进入低温回热器6冷侧吸收热量，然后与液体泵5出口的高压H2O汇合后进入中温回热器3的冷侧吸热，此后CO2与H2O再次变为超临界混合状态，超临界混合物在中温回热器3的冷侧出口分为两路，一路进入低温熔盐加热器9冷侧吸热，另一路进入高温回热器2冷侧吸热，高温回热器2冷侧出口的工质与低温熔盐加热器9冷侧出口工质汇合后进入高温熔盐加热器10继续被加热到高温，之后再次进入透平1中做功，完成整个循环。
本发明的有益效果：
本发明中采用了H2O与C2O的混合物作为工质，工质在高温部位处于超临界混合状态，而在低温部位部分H2O会与CO2分离，CO2采用压缩机进行压缩升压，H2O采用水泵增压。该系统热效率比传统蒸汽循环效率高，同时，熔盐放热区间比经典超临界CO2布雷顿循环放热区间大，熔盐需求量小。同时避免了气体压缩过程中带液，液体压缩过程中汽化的现象。提高了设备安全稳定性。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图。
其中，透平1、高温回热器2、中温回热器3、气液分离器4、液体泵5、低温回热器6、预冷器7、主压缩机8、低温熔盐加热器9、高温熔盐加热器10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统，包括依次连通的透平1、高温回热器2、中温回热器3、气液分离器4、液体泵5、低温回热器6、预冷器7、主压缩机8、低温熔盐加热器9、高温熔盐加热器10。
所述透平1的出口与高温回热器2的热侧入口相连接，高温回热器2的热侧出口与中温回热器3的热侧入口相连接，中温回热器3的热侧出口与气液分离器4的入口相连接，气液分离器4的底部排液口与液体泵5的入口相连接，气液分离器4的顶部排气口与低温回热器6的热侧入口相连接，低温回热器6的热侧出口与预冷器7的热侧入口相连接，预冷器7的热侧出口与主压缩机8的入口相连接，主压缩机8的出口与低温回热器6的冷侧入口相连接，低温回热器6的冷侧出口与液体泵5的出口汇合后与中温回热器3的冷侧入口相连接，中温回热器3的冷侧出口分为两路，一路与低温熔盐加热器9的冷侧入口相连接，另一路与高温回热器2的冷侧入口相连接，高温回热器2的冷侧出口与低温熔盐加热器9的冷侧出口汇合后与高温熔盐加热器10的冷侧入口相连接，高温熔盐加热器10的冷侧出口与透平1的入口相连接。
本发明系统的具体工作过程为：
处于混合状态的超临界混合工质在透平1中做功，做功后的工质仍然处于超临界混合状态，混合物依次进入高温回热器2、中温回热器3的热侧放热，降低温度后CO2和H2O在气液分离器4中分离，H2O变为液体由气液分离器4底部排出，之后进入液体泵5被增压，而CO2保持气态从气液分离器4顶部排出，依次进入低温回热器6、预冷器7热侧继续放热，然后进入主压缩机8被增压，被增压后的CO2进入低温回热器6冷侧吸收热量，然后与液体泵5出口的高压H2O汇合后进入中温回热器3的冷侧吸热，此后CO2与H2O再次变为超临界混合状态，超临界混合物在中温回热器3的冷侧出口分为两路，一路进入低温熔盐加热器9冷侧吸热，另一路进入高温回热器2冷侧吸热，高温回热器2冷侧出口的工质与低温熔盐加热器9冷侧出口工质汇合后进入高温熔盐加热器10继续被加热到高温，之后再次进入透平1中做功，完成整个循环。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统，其特征在于，包括透平(1)，所述透平(1)的介质出口与高温回热器(2)的热侧入口相连接，高温回热器(2)的热侧出口与中温回热器(3)的热侧入口相连接，中温回热器(3)的热侧出口与气液分离器(4)的入口相连接，气液分离器(4)的底部排液口与液体泵(5)的入口相连接，气液分离器(4)的顶部排气口与低温回热器(6)的热侧入口相连接，低温回热器(6)的热侧出口与预冷器(7)的热侧入口相连接，预冷器(7)的热侧出口与主压缩机(8)的入口相连接，主压缩机(8)的出口与低温回热器(6)的冷侧入口相连接，低温回热器(6)的冷侧出口与液体泵(5)的出口汇合后与中温回热器(3)的冷侧入口相连接；
所述中温回热器(3)的冷侧出口分为两路，一路与低温熔盐加热器(9)的冷侧入口相连接，另一路与高温回热器(2)的冷侧入口相连接，高温回热器(2)的冷侧出口与低温熔盐加热器(9)的冷侧出口汇合后与高温熔盐加热器(10)的冷侧入口相连接，高温熔盐加热器(10)的冷侧出口与透平(1)的介质入口相连接；
所述气液分离器(4)中的压力在7.2MPa到7.6MPa之间，温度在130℃到170℃之间；
所述气液分离器(4)的罐体直径与入口管道管径之比大于10，罐体有效容积高度与罐体直径之比大于1。
2.基于权利要求1所述的一种混合物跨临界循环太阳能光热发电系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤；
处于混合状态的超临界混合工质在透平(1)中做功，做功后的工质仍然处于超临界混合状态，混合物依次进入高温回热器(2)、中温回热器(3)的热侧放热，降低温度后CO2和H2O在气液分离器(4)中分离，H2O变为液体由气液分离器(4)底部排出，之后进入液体泵(5)被增压，而CO2保持气态从气液分离器(4)顶部排出，依次进入低温回热器(6)、预冷器(7)热侧继续放热，然后进入主压缩机(8)被增压，被增压后的CO2进入低温回热器(6)冷侧吸收热量，然后与液体泵(5)出口的高压H2O汇合后进入中温回热器(3)的冷侧吸热，此后CO2与H2O再次变为超临界混合状态，超临界混合物在中温回热器(3)的冷侧出口分为两路，一路进入低温熔盐加热器(9)冷侧吸热，另一路进入高温回热器(2)冷侧吸热，高温回热器(2)冷侧出口的工质与低温熔盐加热器(9)冷侧出口工质汇合后进入高温熔盐加热器(10)继续被加热到高温，之后再次进入透平(1)中做功，完成整个循环。
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