CN112983582A - 一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统及工艺，属于新能源和卡琳娜循环发电技术领域。该系统包括氨基热化学能储能系统和卡琳娜循环系统，分离器的出口分别与第六换热器和第七换热器的热端进口连接，第七换热器、第八换热器与给水泵之间依次连接，构成回路；第六换热器、节流阀、第五换热器与凝结泵之间依次连接，构成回路；分离器的进口通过第四换热器与第六换热器连接；透平机的进口和第七换热器的冷端出口分别与氨基热化学能储能系统相互连接，出口通过第四换热器与第五换热器的热端进口连接，节流阀的出口管路与第四管路相互连接。该系统通过耦合两种循环系统，达到了无副产物，提高余热利用效率的作用。
Description
技术领域
本发明属于新能源和卡琳娜循环发电技术领域，具体涉及一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统及工艺。
背景技术
太阳能作为规模最大的可再生能源能够减少人类对化石能源的依赖以及碳排放，储能被认为是解决新能源发电不稳定的最主要工具，可以实现削峰填谷。太阳能热化学储能（TCES）不仅可以通过化学键的断裂重组实现能量的存储和释放，并且具有化学热泵的作用可将相对低品位的太阳能转化为更高品位的热能。因此太阳能TCES系统有着能与HTE、先进的高效发电循环（例如卡琳娜循环）相耦合的可行性与提高效率的潜力。其中基于氨的热化学能储能系统（氨基TCES）凭借其无副反应，反应物、生成物可在常温下自动进行气液分离并储存的优点被认为最具前景的系统之一。
在世界范围内，尤其在发达国家中，联合循环作为一种高效、经济和低环境污染的动力转换方式，越来越为人们所重视。典型的循环模式是燃气轮机加底部蒸汽动力循环。联合循环的改进和完善将集中体现在如下三个方面：（1）顶部燃气轮机循环的改进和完善；（2）底部蒸汽动力循环的改进和完善；（3）底部循环和顶部循环二者的合理安排与匹配。卡琳娜循环是针对上述(2)、(3)方面而提出的一种与顶部燃气轮机循环有较好匹配性能的底部蒸汽动力循环模式。在余热发电中，以水为工质的朗肯循环系统是其基本形式，由于水的等温蒸发特性，使循环的平均吸热温度偏低，温差增大，不可逆损失增加。而以氨水混合物为工质的卡琳娜循环，由于其变温蒸发的特点，可以使得气化过程与热源的放热过程更好的匹配，降低换热过程中的不可热损失，提高余热利用效率。
由于相同冷凝温度下氨水蒸汽的凝结压力远高于水蒸汽的凝结压力，卡琳娜循环的排汽将在大于大气压力的状态下工作，因此避免了传统水蒸汽循环中由于真空引起的许多麻烦。卡琳娜循环可以通过调节混合溶液的浓度来适应环境温度的变化，以充分利用冬季低温环境,获得更多出力,而无工质结冰的顾虑。同样，卡琳娜循环在负荷变动时可以通过改变溶液浓度来保持效率平稳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统及工艺。
为达到上述目的，提出以下技术方案：
一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统，其特征在于，所述的系统包括氨基热化学能储能系统和卡琳娜循环系统；所述的卡琳娜循环系统包括分离器、透平机、第四换热器、第五换热器、凝结泵、第六换热器、节流阀、第七换热器、第八换热器和给水泵；分离器的出口分别与第六换热器和第七换热器的热端进口通过管道连接，第七换热器、第八换热器与给水泵之间依次连接，构成回路；第六换热器、节流阀、第五换热器与凝结泵之间依次连接，构成回路；分离器的进口通过第四换热器与第六换热器连接；透平机的进口和第七换热器的冷端出口分别与氨基热化学能储能系统相互连接，透平机出口通过第四换热器与第五换热器的热端进口连接，第四换热器（10）和第五换热器通过第四管路连接，所述节流阀的出口管路与第四管路相互连接。
进一步地，所述的氨基热化学能储能系统包括定日镜场、吸热反应器、第一换热器、常温压力储罐、第二换热器、绝热反应器和第三换热器；定日镜场用于反射太阳光给吸热反应器，所述吸热反应器、第一换热器与常温压力储罐分别通过第一输液管和第一输气管依次连接构成循环回路；常温压力储罐、第二换热器、绝热反应器和第三换热器通过第二输气管依次连接，常温压力储罐、第二换热器与第三换热器通过第二输液管依次连接，所述第三换热器分别与透平机的进口和第七换热器的冷端出口管道连接。
进一步地，第七换热器与第八换热器之间通过第三管路连接，凝结泵与第六换热器之间的连接管路上设有支路，所述支路与第三管路连接。
一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统的工艺，包括如下步骤：液氨由常温压力储罐的底部出口流出，沿着第一输液管经过第一换热器吸热升温后进入吸热反应器发生氨分解反应，生成的产物气体沿着第一输气管经过第一换热器换热后，由常温压力储罐底部流入储存，构成一个循环回路；反应气由常温压力储罐顶部出口流出，沿着第二输气管经过第二换热器后进入绝热反应器发生氨合成反应，合成氨先进入第三换热器与来自第七换热器的氨水溶液换热，再沿着第二输液管进入第二换热器换热后，最后从常温压力储罐顶部进口流入储罐储存，构成一个循环回路；高浓度的氨水溶液经过给水泵加压和第七换热器升温后，进入第三换热器加热并过热后，产生过热氨水蒸汽，进入透平机做功，透平机排出的乏气经过第四换热器冷却，然后与来自节流阀的贫氨溶液汇合成基本溶液后进入第五换热器中凝结，从第五换热器出来的饱和液体经凝结泵加压后，一部分经过第六换热器和第四换热器加热升温后进入分离器，在分离器中分离出富氨蒸汽和贫氨溶液，贫氨溶液经第六换热器和节流阀降压与来自第四换热器的溶液汇合，富氨蒸汽经第七换热器冷却后与另一部分来自凝结泵的基本溶液混合成高浓度的氨水溶液，再进入第八换热器凝结为饱和液体，最后进入给水泵，完成一个循环过程。
进一步地，；分离器温度范围为45℃-90℃；氨水溶液的浓度范围为50-80%；贫氨溶液的浓度范围为22-40%；
本发明的有益效果在于：
1）本发明将太阳能氨基热化学能储能系统和卡林纳循环系统耦合，使该系统不仅可以通过化学键的断裂重组实现能量的存储和释放，并且具有化学热泵的作用，可将相对低品位的太阳能转化为更高品位的热能，本系统全程无副反应，反应物、生成物可在常温下自动进行气液分离并储存的优点，同时可以通过调节混合液浓度来适应环境变化。
2）本发明以氨水混合物为工质，由于其变温蒸发的特点，可以使得气化过程与热源的放热过程更好地匹配，降低换热过程中的不可热损失，提高余热利用效率。
3）本发明的一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统及工艺相比传统卡琳娜循环系统，透平进口压力、温度的提高和透平背压的降低可以比较显著地提高循环效率，使能量得到了梯度利用，净功率提高。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图；
图中：1-定日镜场；2-吸热反应器；3-第一换热器；4-常温压力储罐；5-第二换热器；6-绝热换热器；7-第三换热器；8-分离器；9-透平机；10-第四换热器；11-第五换热器；12-凝结泵；13-第六换热器；14-节流阀；15-第七换热器；16-第八换热器；17-给水泵；18-第一输液管；19-第一输气管；20-第二输气管；21-第二输液管；22-第三管路；23-第四管路。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明进行进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统，包括定日镜场1、吸热反应器2、第一换热器3、常温压力储罐4、第二换热器5、绝热反应器6、第三换热器7、分离器8、透平机9、第四换热器10、第五换热器11、凝结泵12、第六换热器13、节流阀14、第七换热器15、第八换热器16和给水泵17；定日镜场1用于反射太阳光给吸热反应器2，吸热反应器2、第一换热器3和常温压力储罐4分别通过第一输液管18和第一输气管19依次连接，形成循环回路；常温压力储罐4、第二换热器5、绝热反应器6和第三换热器7通过第二输气管20依次连接，第三换热器7、第二换热器5和常温压力储罐4通过第二输液管21依次连接， 第二输气管20和第二输液管21构成循环回路；第三换热器7与透平机9的进口通过管道连接，透平机9的出口通过第四换热器10与第五换热器11连接，第五换热器11的出口通过凝结泵12与第六换热器13连接，第六换热器13的冷端出口通过第四换热器10与分离器8的进口连接，分离器8的出口分成两管路，分别与第六换热器13和第七换热器15的进口连接，第六换热器13的热端出口与节流阀14连接，第四换热器10与第五换热器11之间的第四管路23上设有支路，与节流阀14的出口连接；第七换热器15通过第三管路22与第八换热器16连接，第八换热器16与给水泵17的进口连接，给水泵17的出口又与第七换热器15连接，第七换热器15的出口与第三换热器7连接，构成回路，第六换热器13与凝结泵12连接的管路上设有支路，支路与第三管路22相互连接。
实施例1
太阳直接辐射强度取1kW/m2，经过氨基热化学储能系统在绝热反应器6中产生约550℃反应产物进入第三换热器7换热，浓度约为70%的氨水溶液经过给水泵17加压，在第七换热器15升温，进入第三换热器7加热并过热后，产生510℃、压力为8.3MPa的过热氨水蒸汽，进入透平机9做功，透平机9排出0.059MPa、224℃的乏气，乏气经过第四换热器10冷却，然后被来自节流阀14的35%的贫氨溶液稀释为45%的基本溶液，进入第五换热器11中被温度为16℃的冷却水凝结；从第五换热器11出来的饱和液体经凝结泵12加压，一部分经过第六换热器13和第四换热器10加热升温后，进入分离器8，分离器的温度为58.4℃，在分离器8中分离出97%富氨蒸汽和35%的贫氨溶液；35%的贫氨溶液经第六换热器13和节流阀14降压，将浓度为70%的氨水溶液稀释为45%的基本溶液；97%的富氨蒸汽经第七换热器15冷却后与另一部分来自凝结泵12的基本溶液混合为70%的氨水溶液，再进入第八换热器16被温度为13℃的给水凝结为饱和液体，最后进入给水泵17，完成一个循环过程。
实施例2
太阳直接辐射强度取1kW/m2，经过氨基热化学储能系统在绝热反应器6中产生约520℃反应产物进入第三换热器7换热，浓度约为80%的氨水溶液经过给水泵17加压，第七换热器15升温后，进入第三换热器7加热并过热后，产生温度为415℃，压力为8.3MPa的过热氨水蒸汽，进入透平机9做功，透平机9排出0.059MPa、203℃的乏气，乏气经过第四换热器10冷却，然后被来自节流阀14的40%的贫氨溶液稀释为52%的基本溶液，进入第五换热器11中被温度为16℃冷却水凝结；从第五换热器11出来的饱和液体经凝结泵12加压，一部分经过第六换热器13和第四换热器10加热升温后，进入分离器8，分离器温度为51.2℃，在分离器8中分离出97%富氨蒸汽和40%的贫氨溶液；40%的贫氨溶液经第六换热器13和节流阀14降压，将浓度为80%的氨水溶液稀释为52%的基本溶液；97%的富氨蒸汽经第七换热器15冷却后另一部分来自凝结泵12的基本溶液混合为80%的氨水溶液，再进入第八换热器16被温度为13℃的给水凝结为饱和液体，最后进入给水泵17，完成一个循环过程。
实施例3
太阳直接辐射强度取1kW/m2，经过氨基热化学储能系统在绝热反应器6中产生约575℃反应产物进入第三换热器7换热，浓度约为50%的氨水溶液经过给水泵17加压，第七换热器15升温后，进入第三换热器7加热并过热后，产生温度为527℃、压力为8.3MPa的过热氨水蒸汽，进入透平机9做功，透平机9排出压力为0.059MPa、237℃的乏气，乏气经过第四换热器10冷却，然后被来自节流阀14的22%的贫氨溶液稀释为31%的基本溶液，进入第五换热器11中被温度为16℃冷却水凝结；从第五换热器11出来的饱和液体经凝结泵12加压，一部分经过第六换热器13和第四换热器10加热升温后，进入分离器8，分离器的温度为71℃，在分离器8中分离出97%富氨蒸汽和22%的贫氨溶液；22%的贫氨溶液经第六换热器13和节流阀14降压，将浓度为50%的氨水溶液稀释为31%的基本溶液；97%的富氨蒸汽经第七换热器15冷却后另一部分来自凝结泵12的基本溶液混合为50%的氨水溶液，再进入第八换热器16被温度为13℃的给水凝结为饱和液体，最后进入给水泵17，完成一个循环过程。
Claims (5)
1.一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统，其特征在于，所述的系统包括氨基热化学能储能系统和卡琳娜循环系统；所述的卡琳娜循环系统包括分离器（8）、透平机（9）、第四换热器（10）、第五换热器（11）、凝结泵（12）、第六换热器（13）、节流阀（14）、第七换热器（15）、第八换热器（16）和给水泵（17）；分离器（8）的出口分别与第六换热器（13）和第七换热器（15）的热端进口通过管道连接，第七换热器（15）、第八换热器（16）与给水泵（17）之间依次连接，构成回路；第六换热器（13）、节流阀（14）、第五换热器（11）与凝结泵（12）之间依次连接，构成回路；分离器（8）的进口通过第四换热器（10）与第六换热器（13）连接；透平机（9）的进口和第七换热器（15）的冷端出口分别与氨基热化学能储能系统相互连接，透平机（9）出口通过第四换热器（10）与第五换热器（11）的热端进口连接，第四换热器（10）和第五换热器（11）通过第四管路（23）连接，所述节流阀（14）的出口管路与第四管路（23）相互连接。
2.如权利要求1所述的一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统，其特征在于，所述的氨基热化学能储能系统包括定日镜场（1）、吸热反应器（2）、第一换热器（3）、常温压力储罐（4）、第二换热器（5）、绝热反应器（6）和第三换热器（7）；定日镜场（1）用于反射太阳光给吸热反应器（2），所述吸热反应器（2）、第一换热器（3）与常温压力储罐（4）分别通过第一输液管（18）和第一输气管（19）依次连接构成循环回路；常温压力储罐（4）、第二换热器（5）、绝热反应器（6）和第三换热器（7）通过第二输气管（20）依次连接，常温压力储罐（4）、第二换热器（5）与第三换热器（7）通过第二输液管（21）依次连接，所述第三换热器（7）分别与透平机（9）的进口和第七换热器（15）的冷端出口管道连接。
3.如权利要求1所述的一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统，其特征在于，第七换热器（15）与第八换热器（16）之间通过第三管路（22）连接，凝结泵（12）与第六换热器（13）之间的连接管路上设有支路，所述支路与第三管路（22）连接。
4.一种如权利要求1所述的基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统的工艺，其特征在于，包括如下步骤：液氨由常温压力储罐（4）的底部出口流出，沿着第一输液管（18）经过第一换热器（3）吸热升温后进入吸热反应器（2）发生氨分解反应，生成的产物气体沿着第一输气管（19）经过第一换热器（3）换热后，由常温压力储罐（4）底部流入储存，构成一个循环回路；反应气由常温压力储罐（4）顶部出口流出，沿着第二输气管（20）经过第二换热器（5）后进入绝热反应器（6）发生氨合成反应，合成氨先进入第三换热器（7）与来自第七换热器（15）的氨水溶液换热，再沿着第二输液管（21）进入第二换热器（5）换热后，最后从常温压力储罐（4）顶部进口流入储罐储存，构成一个循环回路；高浓度的氨水溶液经过给水泵（17）加压和第七换热器（15）升温后，进入第三换热器（7）加热并过热后，产生过热氨水蒸汽，进入透平机（9）做功，透平机（9）排出的乏气经过第四换热器（10）冷却，然后与来自节流阀（14）的贫氨溶液汇合成基本溶液后进入第五换热器（11）中凝结，从第五换热器（11）出来的饱和液体经凝结泵（12）加压后，一部分经过第六换热器（13）和第四换热器（10）加热升温后进入分离器（8），在分离器（8）中分离出富氨蒸汽和贫氨溶液，贫氨溶液经第六换热器（13）和节流阀（14）降压与来自第四换热器（10）的溶液汇合，富氨蒸汽经第七换热器（15）冷却后与另一部分来自凝结泵（12）的基本溶液混合成高浓度的氨水溶液，再进入第八换热器（16）凝结为饱和液体，最后进入给水泵（17），完成一个循环过程。
5.如权利要求4所述的一种基于太阳能氨基热化学能储能的卡琳娜耦合发电系统的工艺，其特征在于，所述分离器（8）温度范围为45℃-90℃；氨水溶液的浓度范围为50-80%；贫氨溶液的浓度范围为22-40%。
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