CN114017942B - 一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统及其工作方法 - Google Patents

一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统及其工作方法，太阳能聚光集热单元的介质输出端连接发电单元换热器的介质入口，发电单元换热器的介质出口与太阳能聚光集热单元的介质输入端连接；发电单元换热器的二氧化碳出口与二氧化碳透平的入口相连，二氧化碳透平的出口第一制冷单元换热器的热端入口相连，第一制冷单元换热器的热端出口与第一供热单元换热器的热端入口相连，第一供热单元换热器的热端出口与冷却器的入口相连，冷却器的出口与发电单元换热器的二氧化碳入口相连；第一制冷单元换热器的冷端与吸收式制冷单元的热源端连接；第一供热单元换热器的冷端连接有供热站的热源端。大大提高系统的综合能源利用效率。

Description

一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统及其工作方法
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳发电领域，涉及一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统及其工作方法。
背景技术
目前较常用的动力循环包括以水为工质的朗肯循环和以空气为工质的布雷顿循环。常规燃煤电厂主要是以水为工质的朗肯循环，目前最大的百万千瓦燃煤电站的蒸汽初参数已达到31MPa，620℃。燃气轮机主要是以空气为工质的布雷顿循环，目前先进航空发动机透平进口燃气温度已超过1700℃，先进重型燃气轮机透平进口温度已达1600℃。进一步提高工质初参数收到材料的限制，存在一定困难。
为了突破传统动力系统的瓶颈，一些新概念先进动力系统受到学术界和工业界越来越多的关注，以超临界二氧化碳为代表的超临界工质具有能量密度大，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。
但目前超临界二氧化碳做功发电后，仅仅单纯的冷却后重新循环做功，造成了能源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统及其工作方法，大大提高系统的综合能源利用效率，实现分布式供能与节能减排。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，包括太阳能聚光集热单元、超临界二氧化碳发电单元和吸收式制冷单元；
超临界二氧化碳发电单元包括发电单元换热器、二氧化碳透平、第一制冷单元换热器、第一供热单元换热器和冷却器；太阳能聚光集热单元的介质输出端连接发电单元换热器的介质入口，发电单元换热器的介质出口与太阳能聚光集热单元的介质输入端连接；发电单元换热器的二氧化碳出口与二氧化碳透平的入口相连，二氧化碳透平的出口第一制冷单元换热器的热端入口相连，第一制冷单元换热器的热端出口与第一供热单元换热器的热端入口相连，第一供热单元换热器的热端出口与冷却器的入口相连，冷却器的出口与发电单元换热器的二氧化碳入口相连；
第一制冷单元换热器的冷端与吸收式制冷单元的热源端连接；
第一供热单元换热器的冷端连接有供热站的热源端。
优选的，吸收式制冷单元包括发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、节流阀和循环泵；
发生器的浓溶液出口和吸收器浓溶液入口连接，发生器的稀溶液入口和吸收器的稀溶液出口连接，发生器的制冷剂出口和冷凝器的制冷剂入口连接，冷凝器的制冷剂出口和蒸发器的制冷剂入口连接，蒸发器的制冷剂出口和吸收器的制冷剂入口连接；第一制冷单元换热器的冷端出口与发生器的热端入口连接，第一制冷单元换热器的冷端入口与发生器的热端出口连接，吸收器的中介水出口与冷凝器的中介水入口相连。
进一步，冷凝器的中介水出口与连接有余热回收换热器的中介水入口，余热回收换热器的中介水出口与吸收器的中介水入口相连，冷却器的出口与余热回收换热器的二氧化碳入口相连，余热回收换热器的二氧化碳出口与发电单元换热器的二氧化碳入口相连。
进一步，发生器的稀溶液入口和吸收器的稀溶液出口之间设置有循环泵；冷凝器的制冷剂出口和蒸发器的制冷剂入口之间设置有节流阀。
优选的，发电单元换热器的介质出口与太阳能聚光集热单元的介质输入端之间连接有第二制冷单元换热器的热端和第二供热单元换热器的热端；
第二制冷单元换热器的冷端出口与发生器的热端入口连接，第二制冷单元换热器的冷端入口与发生器的热端出口连接；第二供热单元换热器冷端连接有供热站的热源端。
优选的，冷却器的出口与水分离器的入口相连，水分离器的二氧化碳出口与二氧化碳增压装置的入口相连，二氧化碳增压装置的出口与发电单元换热器的二氧化碳入口连接。
优选的，二氧化碳透平的出口连接有回热器的热端入口，回热器的热端出口与第一制冷单元换热器的热端入口相连，冷却器的出口与回热器的冷端入口相连，回热器的冷端出口与发电单元换热器的二氧化碳入口相连。
优选的，太阳能聚光集热单元包括太阳能聚光镜场、吸热器和传热工质泵，太阳能聚光镜场的热源输出端与吸热器连接，吸热器的介质出口连接发电单元换热器的介质入口，发电单元换热器的介质出口连接传热工质泵输入端，传热工质泵输出端连接吸热器的介质入口。
一种基于上述任意一项所述太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统的工作方法，包括以下过程：
太阳能聚光集热单元输出的加热介质通过发电单元换热器后回到太阳能聚光集热单元中；发电单元换热器中的超临界二氧化碳工质被加热工质加热，然后进入二氧化碳透平做功发电后，依次进入第一制冷单元换热器和第一供热单元换热器，然后经过冷却器冷却后进入，回到发电单元换热器中；
第一制冷单元换热器作为吸收式制冷单元的驱动热源；第一供热单元换热器作为供热站的驱动热源。
优选的，利用第一制冷单元换热器作为驱动热源在发生器中加热从吸收器输送来的氨水稀溶液，并使氨水中的大部分低沸点制冷剂氨蒸发出来；制冷剂氨蒸气进入冷凝器中，又被冷却水冷凝成制冷剂氨液进入蒸发器中，吸收被冷却系统中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂氨蒸气，蒸发器对外制冷；在发生器中经发生过程剩余的浓氨溶液进入吸收器中，与从蒸发器出来的低压制冷剂氨蒸气相混合，并吸收低压制冷剂氨蒸气并恢复到原来的浓度；在吸收器中恢复了浓度的氨溶液送入发生器中继续循环。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过太阳能聚光集热单元对发电单元换热器中的超临界二氧化碳加热，超临界二氧化碳在透平中做功发电后依次进入第一制冷单元换热器和第一供热单元换热器，然后经过冷却器冷却后进入，回到发电单元换热器中，第一制冷单元换热器作为吸收式制冷单元的驱动热源，第一供热单元换热器作为供热站的驱动热源，形成冷热电联产的方式，大大提高系统的综合能源利用效率，实现分布式供能与节能减排。
进一步，冷凝器出口中介水进入余热回收换热器中，余热被用于预热超临界二氧化碳工质，提高能量利用效率。
进一步，发电单元回热器出口工质通过第二制冷单元换热器的热端和第二供热单元换热器分别作为吸收式制冷单元和供热站的驱动热源，实现热能梯级利用，提高能源利用效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
其中：1-太阳能聚光镜场；2-吸热器；3-传热工质泵；4-发电单元换热器；5-二氧化碳透平；6-回热器；7-第一制冷单元换热器；8-第一供热单元换热器；9-冷却器；10-水分离器；11-余热回收换热器；12-二氧化碳增压装置；13-第二制冷单元换热器；14-发生器；15-冷凝器；16-蒸发器；17-吸收器；18-节流阀；19-循环泵；20-第二供热单元换热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，为本发明所述的太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，该系统包括：太阳能聚光集热单元、超临界二氧化碳发电单元、吸收式制冷单元、供热单元。
太阳能聚光集热单元用于接收汇聚的太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为高温热能，该高温热能作为热源输送给超临界二氧化碳发电单元。太阳能聚光集热单元包括：太阳能聚光镜场1、吸热器2和传热工质泵3。
其中太阳能聚光镜场1接收并汇聚太阳能辐射能量，并将该太阳能辐射能量传递给吸热器2，加热吸热器2中的传热工质产生高温传热工质，将太阳辐射能量转化为热能，然后将产生的高温传热工质输给超临界二氧化碳发电单元。传热工质泵3用于将吸收式热泵单元中的传热工质泵出给吸热器2，实现传热工质的循环利用。
超临界二氧化碳发电单元用于将太阳能聚光集热单元的高温热能加热工质超临界二氧化碳，通过透平与发电机组将接收的热能转化为电能并输出。超临界二氧化碳发电单元包括：发电单元换热器4、二氧化碳透平5、回热器6、第一制冷单元换热器7、第一供热单元换热器8、冷却器9、水分离器10、余热回收换热器11、二氧化碳增压装置12。
吸热器2的介质出口连接发电单元换热器4的介质入口，发电单元换热器4的二氧化碳出口与二氧化碳透平5的入口相连，二氧化碳透平5的出口与回热器6的热端入口相连，回热器6的热端出口与第一制冷单元换热器7的热端入口相连，第一制冷单元换热器7的热端出口与第一供热单元换热器8的热端入口相连，第一供热单元换热器8的热端出口与冷却器9的入口相连，冷却器9的出口与水分离器10的入口相连，水分离器10的二氧化碳出口与余热回收换热器11的二氧化碳入口相连，余热回收换热器11的二氧化碳出口与二氧化碳增压装置12的入口相连，二氧化碳增压装置12的出口与回热器6的冷端入口相连，回热器6的冷端出口与发电单元换热器4的二氧化碳入口相连。
流程描述：在回热器6中回热后的超临界二氧化碳工质进入发电单元换热器4被由太阳能加热的传热工质加热，然后高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平5做功发电，出口超临界二氧化碳在回热器6中进行余热回收后，依次进入第一制冷单元换热器7和第一供热单元换热器8，作为制冷单元和供热单元的驱动热源，然后超临界二氧化碳工质经过冷却器9冷却后进入水分离器10将水分离，出口的纯二氧化碳在余热回收换热器11中被制冷单元冷凝器15出口中介水余热，然后在二氧化碳增压装置12中被加压，然后在回热器中被加热后继续循环。
吸收式制冷单元，以被太阳能加热的传热工质以及做功后的超临界二氧化碳余热作为驱动热源，利用吸收剂对制冷剂的吸收与解吸过程进行放热和吸热，实现对外制冷，并产生中温热能输送给超临界二氧化碳发电单元作为余热回收换热器的热源。吸收式制冷单元包括：发生器14、冷凝器15、蒸发器16、吸收器17、节流阀18、循环泵19。
发生器14的浓溶液出口和吸收器17浓溶液入口连接，发生器14的稀溶液入口通过循环泵19和吸收器17的稀溶液出口连接，发生器14的制冷剂出口和冷凝器15的制冷剂入口连接，冷凝器15的制冷剂出口通过节流阀18和蒸发器16的制冷剂入口连接，蒸发器16的制冷剂出口和吸收器17的制冷剂入口连接。
第一制冷单元换热器7和第二制冷单元换热器13的冷端出口均与发生器14的热端入口连接，第一制冷单元换热器7和第二制冷单元换热器13的冷端入口均与发生器14的热端出口连接，发生器14通过第二制冷单元换热器13和第一制冷单元换热器7共同加热。第二制冷单元换热器13的热端入口连接发电单元换热器4的介质出口，第二制冷单元换热器13的热端出口连接第二供热单元换热器20的热端入口。
冷凝器15的中介水出口与余热回收换热器11的中介水入口相连，余热回收换热器11的中介水出口与吸收器17的中介水入口相连，吸收器17的中介水出口与冷凝器15的中介水入口相连，蒸发器16对外制冷。
吸收式制冷单元的工作原理为：吸收式制冷单元的工作介质为氨制冷剂和吸收剂冷却水，二者组成工质对，利用驱动热源在发生器14中加热由循环泵19从吸收器17输送来的氨水稀溶液，并使氨水中的大部分低沸点制冷剂氨蒸发出来；制冷剂氨蒸气进入冷凝器15中，又被冷却水冷凝成制冷剂氨液，再经节流阀18降压到蒸发压力；制冷剂氨液经节流进入蒸发器16中，吸收被冷却系统中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂氨蒸气；在发生器14中经发生过程剩余的浓氨溶液经节流阀18降到蒸发压力进入吸收器17中，与从蒸发器16出来的低压制冷剂氨蒸气相混合，并吸收低压制冷剂氨蒸气并恢复到原来的浓度；吸收过程是一个放热过程，故在吸收器17中用冷却水来冷却氨水溶液，在吸收器17中恢复了浓度的氨溶液又经循环泵19升压后送入发生器14中继续循环。
供热单元，以被太阳能加热的传热工质以及做功后的超临界二氧化碳余热作为驱动热源，对供热站供热。包括第二供热单元换热器20和第一供热单元换热器8。第二供热单元换热器20的热端入口连接第二制冷单元换热器13的热端出口，第二供热单元换热器20的热端出口连接传热工质泵3入口。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于，包括太阳能聚光集热单元、超临界二氧化碳发电单元和吸收式制冷单元；
超临界二氧化碳发电单元包括发电单元换热器（4）、二氧化碳透平（5）、第一制冷单元换热器（7）、第一供热单元换热器（8）和冷却器（9）；太阳能聚光集热单元的介质输出端连接发电单元换热器（4）的介质入口，发电单元换热器（4）的介质出口与太阳能聚光集热单元的介质输入端连接；发电单元换热器（4）的二氧化碳出口与二氧化碳透平（5）的入口相连，二氧化碳透平（5）的出口第一制冷单元换热器（7）的热端入口相连，第一制冷单元换热器（7）的热端出口与第一供热单元换热器（8）的热端入口相连，第一供热单元换热器（8）的热端出口与冷却器（9）的入口相连，冷却器（9）的出口与发电单元换热器（4）的二氧化碳入口相连；
第一制冷单元换热器（7）的冷端与吸收式制冷单元的热源端连接；
第一供热单元换热器（8）的冷端连接有供热站的热源端；
吸收式制冷单元包括发生器（14）、冷凝器（15）、蒸发器（16）、吸收器（17）、节流阀（18）和循环泵（19）；
发生器（14）的浓溶液出口和吸收器（17）浓溶液入口连接，发生器（14）的稀溶液入口和吸收器（17）的稀溶液出口连接，发生器（14）的制冷剂出口和冷凝器（15）的制冷剂入口连接，冷凝器（15）的制冷剂出口和蒸发器（16）的制冷剂入口连接，蒸发器（16）的制冷剂出口和吸收器（17）的制冷剂入口连接；第一制冷单元换热器（7）的冷端出口与发生器（14）的热端入口连接，第一制冷单元换热器（7）的冷端入口与发生器（14）的热端出口连接，吸收器（17）的中介水出口与冷凝器（15）的中介水入口相连；
冷凝器（15）的中介水出口与连接有余热回收换热器（11）的中介水入口，余热回收换热器（11）的中介水出口与吸收器（17）的中介水入口相连，冷却器（9）的出口与余热回收换热器（11）的二氧化碳入口相连，余热回收换热器（11）的二氧化碳出口与发电单元换热器（4）的二氧化碳入口相连；
发电单元换热器（4）的介质出口与太阳能聚光集热单元的介质输入端之间连接有第二制冷单元换热器（13）的热端和第二供热单元换热器（20）的热端；
第二制冷单元换热器（13）的冷端出口与发生器（14）的热端入口连接，第二制冷单元换热器（13）的冷端入口与发生器（14）的热端出口连接；第二供热单元换热器（20）冷端连接有供热站的热源端。
2.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于，发生器（14）的稀溶液入口和吸收器（17）的稀溶液出口之间设置有循环泵（19）；冷凝器（15）的制冷剂出口和蒸发器（16）的制冷剂入口之间设置有节流阀（18）。
3.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于，冷却器（9）的出口与水分离器（10）的入口相连，水分离器（10）的二氧化碳出口与二氧化碳增压装置（12）的入口相连，二氧化碳增压装置（12）的出口与发电单元换热器（4）的二氧化碳入口连接。
4.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于，二氧化碳透平（5）的出口连接有回热器（6）的热端入口，回热器（6）的热端出口与第一制冷单元换热器（7）的热端入口相连，冷却器（9）的出口与回热器（6）的冷端入口相连，回热器（6）的冷端出口与发电单元换热器（4）的二氧化碳入口相连。
5.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统，其特征在于，太阳能聚光集热单元包括太阳能聚光镜场（1）、吸热器（2）和传热工质泵（3），太阳能聚光镜场（1）的热源输出端与吸热器（2）连接，吸热器（2）的介质出口连接发电单元换热器（4）的介质入口，发电单元换热器（4）的介质出口连接传热工质泵（3）输入端，传热工质泵（3）输出端连接吸热器（2）的介质入口。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统的工作方法，其特征在于，包括以下过程：
太阳能聚光集热单元输出的加热介质通过发电单元换热器（4）后回到太阳能聚光集热单元中；发电单元换热器（4）中的超临界二氧化碳工质被加热工质加热，然后进入二氧化碳透平（5）做功发电后，依次进入第一制冷单元换热器（7）和第一供热单元换热器（8），然后经过冷却器（9）冷却后进入，回到发电单元换热器（4）中；
第一制冷单元换热器（7）作为吸收式制冷单元的驱动热源；第一供热单元换热器（8）作为供热站的驱动热源。
7.根据权利要求6所述的太阳能超临界二氧化碳冷热电联产系统的工作方法，其特征在于，利用第一制冷单元换热器（7）作为驱动热源在发生器（14）中加热从吸收器（17）输送来的氨水稀溶液，并使氨水中的大部分低沸点制冷剂氨蒸发出来；制冷剂氨蒸气进入冷凝器（15）中，又被冷却水冷凝成制冷剂氨液进入蒸发器（16）中，吸收被冷却系统中的热量而激化成蒸发压力下的制冷剂氨蒸气，蒸发器（16）对外制冷；在发生器（14）中经发生过程剩余的浓氨溶液进入吸收器（17）中，与从蒸发器（16）出来的低压制冷剂氨蒸气相混合，并吸收低压制冷剂氨蒸气并恢复到原来的浓度；在吸收器（17）中恢复了浓度的氨溶液送入发生器（14）中继续循环。
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