CN115013096A - 一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统及方法 - Google Patents

一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统及方法，系统包括火力发电系统、换热系统、聚光集热系统、熔盐储热系统和超临界二氧化碳发电系统，换热系统包括并联设置的第一蒸汽‑熔盐换热器、第二蒸汽‑熔盐换热器、蒸汽发生器；熔盐储热系统包括并联设置的高温、中温、低温熔盐储罐；超临界二氧化碳系统包括依次连接的二氧化碳透平、熔盐‑二氧化碳换热器、高温回热器、预冷器和压缩机；通过将火力发电系统、太阳能聚光集热系统、熔盐储热系统和超临界二氧化碳系统耦合连接，通过合理的运行调控，大幅增加对太阳能资源和电网负荷的适应性，实现整个系统在各种工况下的按需求输出。

Description

一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统及方法
技术领域
本发明属于火力发电技术领域，具体涉及一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统及方法。
背景技术
太阳能是一种储量及其丰富的可再生能源，据估计每年到达地球表面的太阳辐射相当于130万亿吨标煤，是目前可开发量最大的可再生能源。充分利用太阳能转化为电力，减少化石能源燃烧产生二氧化碳是一条减碳的有效途径。与此同时太阳能具有间歇性、周期性和不可预测性的特点，大规模的太阳能发电将对电网的稳定性和安全性将形成威胁。为解决此问题，一方面可以为太阳能发电增加储能装置，利用储能系统削峰填谷，平滑太阳能发电的波动性，但此方法需要配置大规模的储能，存在储能成本较高、储能系统年利用小时较低的问题。另一方面也可以利用现有火电机组的调峰能力，将两者结合实现多能互补促进太阳能消纳，但此方法需要现有火电的灵活性较高，未来随着太阳能发电装机的快速增加，需要火电机组不断增加其调峰负荷范围，但目前我国火电机组的调峰负荷范围普遍不高，未来难以实现深度调峰，无法满足系能源大量并网带来的调峰需求。在此基础上，如何灵活配置多种能源发电的耦合系统，实现系统在各种工况下均能稳定出力是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，实现多能互补利用，并具有良好的环境适应性和出力稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，包括火力发电系统、换热系统、聚光集热系统、熔盐储热系统和超临界二氧化碳发电系统；
其中，火力发电系统包括依次连接的锅炉、汽轮机组和回热系统，汽轮机做功带动第一发电机发电；
换热系统包括并联设置的第一蒸汽-熔盐换热器、第二蒸汽-熔盐换热器以及蒸汽发生器；
熔盐储热系统包括并联设置的高温熔盐储罐、中温熔盐储罐、低温熔盐储罐，每台熔盐储罐上设置若干熔盐泵；
超临界二氧化碳系统包括依次连接的二氧化碳透平、熔盐-二氧化碳换热器、高温回热器、预冷器和主压缩机，超临界二氧化碳透平做功带动第二发电机发电；
锅炉的出口分别与蒸汽-熔盐换热系统的第一蒸汽-熔盐换热器和第二蒸汽-熔盐换热器的蒸汽入口相连，蒸汽-熔盐换热系统的第一蒸汽-熔盐换热器和第二蒸汽-熔盐换热器的蒸汽出口分别与回热系统的蒸汽入口相连；
熔盐储热系统的低温熔盐储罐出口分别与聚光集热系统、蒸汽-熔盐换热系统中的第一蒸汽-熔盐换热器和第二蒸汽-熔盐换热器的熔盐入口相连，聚光集热系统和第一蒸汽-熔盐换热器的熔盐出口与高温熔盐储罐的入口相连；第二蒸汽-熔盐换热器的熔盐出口与中温熔盐储罐的入口相连；中温熔盐储罐出口分别与聚光集热系统和蒸汽-熔盐换热系统中的蒸汽发生器的熔盐入口相连；聚光集热系统的熔盐出口与高温熔盐储罐的入口相连；蒸汽发生器的熔盐出口与低温熔盐储罐的熔盐入口相连；高温熔盐储罐出口与熔盐-二氧化碳换热器的熔盐入口相连；熔盐-二氧化碳换热器的熔盐出口与中温熔盐储罐的熔盐入口相连。
火力发电系统的锅炉出口至第一蒸汽-熔盐换热器管道、锅炉出口至第二蒸汽-熔盐换热器的管道、低温熔盐储罐至第一蒸汽-熔盐换热器管道、低温熔盐储罐至第二蒸汽-熔盐换热器管道、低温熔盐管道至聚光集热系统管道、中温熔盐储罐至聚光集热系统管道、中温熔盐储罐至蒸汽发生器管道、高温熔盐储罐至熔盐-二氧化碳换热器管道以及火力发电系统的汽轮机组出口至蒸汽发生器的管道上均设置可调节型阀门。
通过控制第一阀门的开度可以控制由火力发电系统进入第一蒸汽-熔盐换热器的蒸汽流量，实现火力发电系统引出蒸汽与低温熔盐换热产生高温熔盐；通过控制第二阀门的开度可以控制由火力发电系统进入第二蒸汽-熔盐换热器的蒸汽流量，实现火力发电系统引出蒸汽与低温熔盐换热产生中温熔盐；通过控制第三阀门的开度可以控制进入第一蒸汽-熔盐换热器的低温熔盐流量，实现换热器出口高温熔盐温度的控制；通过控制第四阀门的开度可以控制进入第二蒸汽-熔盐换热器的低温熔盐流量，实现换热器出口中温熔盐温度的控制；通过控制第五阀门的开度可以控制进入聚光集热系统的低温熔盐流量，实现聚光集热系统出口高温熔盐温度的控制；通过控制第六阀门的开度可以控制进入聚光集热系统的中温熔盐流量，实现聚光集热系统出口高温熔盐温度的控制；通过控制第七阀门的开度可以控制进入聚光集热系统的中温熔盐流量，实现聚光集热系统出口高温熔盐温度的控制；通过控制第八阀门的开度可以控制进入熔盐-二氧化碳换热器的高温熔盐流量，实现换热器出口中温熔盐和二氧化碳介质温度的控制；通过控制第九阀门的开度可以控制进入蒸汽发生器的中温熔盐流量，实现换热器出口低温熔盐和蒸汽介质温度的控制。
聚光集热系统为塔式、槽式或菲涅尔式；当为塔式时，包括吸热塔和位于塔顶的吸热器；当为槽式时，包括若干并联的槽式集热器；当为菲涅尔式时，包括若干并联的菲涅尔式集热器。
回热系统包括多级高压加热器、除氧器和多级低压加热器。
第一蒸汽-熔盐换热器和第二蒸汽-熔盐换热器为单级或多级串联；蒸汽发生器包括预热器、蒸发器和过热器。
所述高温回热器和预冷器均为单级或多级串联。
主压缩机可为单级压缩机或多级串联压缩机，当为多级串联时，各级之间设置冷却装置。
所述熔盐采用包括硝酸钠和硝酸钾的二元熔盐；所述熔盐管道均设置电伴热。
本发明所述火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统的运行方法，包括以下运行模式：
1)当白天太阳资源条件较好，系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统、换热系统、聚光集热系统以及熔盐储热系统运行，超临界二氧化碳发电系统不运行；
2)当白天太阳能资源条件较好，系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统、聚光集热系统以及熔盐储热系统运行，换热系统和超临界二氧化碳发电系统不运行；
3)当白天太阳资源条件较好，系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统、换热系统、聚光集热系统、熔盐储热系统、超临界二氧化碳发电系统运行；
4)当白天太阳资源条件不佳，系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统、换热系统、聚光集热系统以及熔盐储热系统运行，超临界二氧化碳发电系统不运行；
5)当白天太阳能资源条件不佳，系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统、聚光集热系统、熔盐储热系统运行，换热系统、超临界二氧化碳发电系统不运行；
6)当白天太阳资源条件不佳，系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统、换热系统、聚光集热系统、熔盐储热系统、超临界二氧化碳发电系统运行；
7)当夜间系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统、换热系统以及熔盐储热系统运行，聚光集热系统和超临界二氧化碳发电系统不运行；
8)当夜间系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统和熔盐储热系统运行，换热系统、聚光集热系统以及超临界二氧化碳发电系统不运行；
9)当夜间系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统、换热系统、熔盐储热系统以及超临界二氧化碳发电系统运行，聚光集热系统不运行。
本发明通过将火力发电系统、太阳能聚光集热系统、熔盐储热系统和超临界二氧化碳系统耦合连接，并通过合理的运行调控，大幅增加了对太阳能资源和电网负荷的适应性，可以实现整个系统在各种工况下的按需求输出。相较于现有技术，有如下4个突出的优点：
1)在用电负荷低谷时段，通过从火力发电机组锅炉出口抽取部分蒸汽通过换热将热量存储，使火力发电机组的向下调峰负荷不受锅炉最低稳燃负荷限制，与现有技术相比，大幅增加了机组的调峰负荷范围，可为新能源消纳让出更多的容量空间。
2)通过设置高、中、低温熔盐储罐，增加了运行的灵活性，在太阳资源变化时，可灵活变换进入聚光集热系统的熔盐温度，保证聚光集热系统出口熔盐温度的稳定。此外针对单独的超临界二氧化碳耦合太阳能热发电系统具有熔盐温度区间无法全部利用的问题，本发明通过设置中温熔盐储罐，将熔盐热量分段利用，高温段用于加热二氧化碳介质，低温段用于加热火力发电的给水介质，充分利用熔盐热量，与现有技术相比实现了能量的高效利用。
3)系统配置了超临界二氧化碳透平，利用火电和太阳能存储的热量做功发电，与现有技术相比，超临界二氧化碳介质发电的效率较高，并且占地面积小，对现有机组具有较好的适用性。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明将聚光集热系统替换为槽式的系统结构示意图；
图3为本发明将聚光集热系统替换为菲涅尔式的系统结构示意图；
图4为本发明将单级压缩机替换为多级压缩机的系统结构图；
附图中：1-火力发电系统；2-蒸汽-熔盐换热系统；3-聚光集热系统；4-熔盐储热系统；5-超临界二氧化碳发电系统；11-锅炉；12-汽轮机组；13-回热系统；14-第一发电机；21-第一蒸汽-熔盐换热器；22-第二蒸汽-熔盐换热器；23-蒸汽发生器；41-高温熔盐储罐；42-中温熔盐储罐；43-低温熔盐储罐；51-二氧化碳透平；52-熔盐-二氧化碳换热器；53-高温回热器；54-预冷器；55-主压缩机；56-第二发电机；57-再压缩机；58-低温回热器；59-冷却装置；61-第一阀门；62-第二阀门；63-第三阀门；64-第四阀门；65-第五阀门；66-第六阀门；67-第七阀门；68-第八阀门；69-第九阀门。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，包括火力发电系统1、蒸汽-熔盐换热系统2、聚光集热系统3、熔盐储热系统4和超临界二氧化碳发电系统5；其中，火力发电系统包括依次连接的锅炉11、汽轮机组12和回热系统13，汽轮机组12做功带动第一发电机14对外发电；蒸汽-熔盐换热系统2包括并联设置的第一蒸汽-熔盐换热器21、第二蒸汽-熔盐换热器22、蒸汽发生器23；熔盐储热系统包括并联设置的高温熔盐储罐41、中温熔盐储罐42、低温熔盐储罐，每台熔盐储罐上设置若干熔盐泵；超临界二氧化碳系统包括依次连接的二氧化碳透平、熔盐-二氧化碳换热器、高温回热器、预冷器和压缩机，超临界二氧化碳透平做功带动第二发电机对外发电。聚光集热系统3可采用塔式、槽式或菲涅尔式。
参考图1，当聚光集热系统为塔式时，包括吸热塔和位于塔顶的吸热器；参考图2，当聚光集热系统为槽式时，包括若干并联的槽式集热器；参考图3，当聚光集热系统为菲涅尔式时，包括若干并联的菲涅尔式集热器；
火力发电系统的锅炉出口分别与蒸汽-熔盐换热系统2的第一蒸汽-熔盐换热器21和第二蒸汽-熔盐换热器22的蒸汽入口相连，蒸汽-熔盐换热系统2的第一蒸汽-熔盐换热器21和第二蒸汽-熔盐换热器22的蒸汽出口分别与火力发电系统1的回热系统13的蒸汽入口相连；熔盐储热系统4中的低温熔盐储罐43出口分别与聚光集热系统3、蒸汽-熔盐换热系统2中的第一蒸汽-熔盐换热器21和第二蒸汽-熔盐换热器22的熔盐入口相连，聚光集热系统3和第一蒸汽-熔盐换热器21的熔盐出口与高温熔盐储罐41的入口相连；第二蒸汽-熔盐换热器22的熔盐出口与中温熔盐储罐42的入口相连；中温熔盐储罐42出口分别与聚光集热系统3和蒸汽-熔盐换热系统2中蒸汽发生器23的熔盐入口相连；聚光集热系统3的熔盐出口与高温熔盐储罐41的入口相连；蒸汽发生器23的熔盐出口与低温熔盐储罐43的熔盐入口相连；高温熔盐储罐41的出口与超临界二氧化碳发电系统5中熔盐-二氧化碳换热器52的熔盐入口相连；熔盐-二氧化碳换热器52的熔盐出口与中温熔盐储罐42的熔盐入口相连。
火力发电系统1的锅炉11出口至第一蒸汽-熔盐换热器21的管道上设置第一阀门61、锅炉出口至第二蒸汽-熔盐换热器22的管道上设置第二阀门62、低温熔盐储罐43至第一蒸汽-熔盐换热器21的管道上设置第三阀门63、低温熔盐储罐43至第二蒸汽-熔盐换热器22的管道上设置第四阀门64、低温熔盐管道至聚光集热系统管道上设置第五阀门65、中温熔盐储罐42至聚光集热系统3的管道上设置第六阀门66、中温熔盐储罐42至蒸汽发生器23的管道上设置第七阀门67、高温熔盐储罐41至熔盐-二氧化碳换热器52的管道上设置第八阀门68、火力发电系统1的汽轮机组12出口至蒸汽发生器23的管道上设置第九阀门69。
当本发明的塔式聚光集热系统整体替换为槽式聚光集热系统时，即为第二种实施例，如图2所示，熔盐储热系统4的低温熔盐储罐43和中温熔盐储罐42出口与槽式聚光集热系统的熔盐入口相连，槽式聚光集热系统的熔盐出口与高温熔盐储罐41的入口相连。其余连接方式均与实施例1相同。
当本发明的塔式聚光集热系统整体替换为菲涅尔式聚光集热系统时，即为第三种实施例，如图3所示，熔盐储热系统4的低温熔盐储罐43和中温熔盐储罐42出口与菲涅尔式聚光集热系统的熔盐入口相连，菲涅尔式聚光集热系统的熔盐出口与高温熔盐储罐41的入口相连。其余连接方式均与实施例1相同。
当本发明的超临界二氧化碳发电系统5为再压缩系统时，即为第四种实施例，如图4所示，超临界二氧化碳系统4包括依次连接的二氧化碳透平51、熔盐-二氧化碳换热器52、高温回热器53以及低温回热器58，回热器出口分别与主压缩机55和再压缩机57的入口相连，进入再压缩机57前首先经过级间冷却装置进行冷却，再压缩机57的出口与低温回热器58的入口相连，出口与主压缩机出口介质混合后进入高温回热器53。其余连接方式均与实施例1相同。
本发明系统可根据天气状况和电网负荷需求进行动态调整运行模式，以适应不同工况下的稳定出力要求。工作过程及原理如下：
1)当白天太阳资源条件较好，系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统1、换热系统2、聚光集热系统3以及熔盐储热系统4运行，超临界二氧化碳发电系统5不运行，具体为：打开第一阀门61，从锅炉11出口引出部分蒸汽进入第一蒸汽-熔盐换热器21，减少进入汽轮机组12的蒸汽量，实现火力发电系统出力的降低；同时打开第三阀门63，使低温熔盐进入第一蒸汽-熔盐换热器21与蒸汽换热，变为高温熔盐返回高温熔盐储罐41，实现将部分蒸汽热量存储于高温熔盐中；同时打开第五阀门65，利用低温熔盐泵将低温熔盐泵入聚光集热系统3，吸收太阳能热量，变为高温熔盐返回高温熔盐储罐41，实现将太阳能转化为热能存储于高温熔盐中。此工况下整个系统的出力较低，由于超临界二氧化碳系统5不运行，火力发电系统又将部分蒸汽转化为热量进行存储，整个系统仅有火电对外发电，通过调节锅炉11出口引出蒸汽的流量，可以调控整个系统的出力，满足系统用电低谷时段负荷波动的要求，未提到的阀门均为关闭状态，下同。
2)当白天太阳能资源条件较好，系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统1、聚光集热系统3以及熔盐储热系统4运行，换热系统2和超临界二氧化碳发电系统5不运行，具体为：打开第五阀门65，利用低温熔盐泵将低温熔盐泵入聚光集热系统3，吸收太阳能热量，变为高温熔盐返回高温熔盐储罐41，实现将太阳能转化为热能存储于高温熔盐中。此工况下整个系统的出力适中，由于超临界二氧化碳系统5不运行，整个系统仅有火电对外发电，通过调节锅炉燃烧蒸发量，可以调控整个系统的出力，满足系统用电平峰时段负荷波动的要求。
3)当白天太阳资源条件较好，系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统1、换热系统2、聚光集热系统3、熔盐储热系统4、超临界二氧化碳发电系统5运行，具体为：打开第八阀门68，利用高温熔盐泵将高温熔盐泵入超临界二氧化碳发电系统的熔盐-二氧化碳换热器52与超临界二氧化碳介质换热，产生高温二氧化碳，推动二氧化碳透平51做功发电，换热后的中温熔盐返回中温熔盐储罐42；同时打开第九阀门69，从回热系统13入口引出部分给水进入蒸汽发生器23，利用熔盐热量产生部分蒸汽，替代火力发电系统抽汽，实现火力发电系统在高负荷时燃料量消耗的降低；同时打开第七阀门67，利用中温熔盐泵将中温熔盐泵入蒸汽发生器23与给水换热，变为低温熔盐返回低温熔盐储罐43，实现将部分熔盐热量释放至火力发电系统，同时打开第五阀门65，利用低温熔盐泵将低温熔盐泵入聚光集热系统3，吸收太阳能热量，变为高温熔盐返回高温熔盐储罐41，实现将太阳能转化为热能存储于高温熔盐中。此工况下整个系统的出力较高，由于超临界二氧化碳系统5和火力发电系统均运行，整个系统可通过第一发电机14和第二发电机56对外发电，通过调节锅炉燃烧蒸发量以及进入超临界二氧化碳发电系统5的高温熔盐流量，调控整个系统的出力，满足系统用电高峰时段负荷波动的要求。
4)当白天太阳资源条件不佳，系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统1、换热系统2、聚光集热系统3以及熔盐储热系统4运行，超临界二氧化碳发电系统5不运行，具体为：打开第二阀门62，从锅炉出口引出部分蒸汽进入第二蒸汽-熔盐换热器22，减少进入汽轮机组的蒸汽量，实现火力发电系统出力的降低；同时打开第四阀门64，使低温熔盐进入第二蒸汽-熔盐换热器22与蒸汽换热，变为中温熔盐返回中温熔盐储罐42，实现将部分蒸汽热量存储于中温熔盐中；同时打开第六阀门66，利用中温熔盐泵将中温熔盐泵入聚光集热系统3，吸收太阳能热量，变为中温熔盐返回中温熔盐储罐42，实现将太阳能转化为热能存储于中温熔盐中。此工况下整个系统的出力较低，由于超临界二氧化碳系统5不运行，火力发电系统又将部分蒸汽转化为热量进行存储，整个系统仅有火电对外发电，通过调节锅炉出口引出蒸汽的流量，调控整个系统的出力，满足系统用电低谷时段负荷波动的要求。
5)当白天太阳能资源条件不佳，系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统1、聚光集热系统3、熔盐储热系统4运行，换热系统2、超临界二氧化碳发电系统5不运行，具体为：打开第六阀门，利用中温熔盐泵将中温熔盐泵入聚光集热系统3，吸收太阳能热量，变为中温熔盐返回中温熔盐储罐42，实现将太阳能转化为热能存储于中温熔盐中。此工况下整个系统的出力适中，由于超临界二氧化碳系统5不运行，整个系统仅有火电对外发电，通过调节锅炉燃烧蒸发量，可以调控整个系统的出力，满足系统用电平峰时段负荷波动的要求。
6)当白天太阳资源条件不佳，系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统1、换热系统2、聚光集热系统3、熔盐储热系统4、超临界二氧化碳发电系统5运行，具体为：打开第八阀门68，利用高温熔盐泵将高温熔盐泵入超临界二氧化碳发电系统5的熔盐-二氧化碳换热器52与超临界二氧化碳介质换热，产生高温二氧化碳，推动二氧化碳透平51做功发电，换热后的中温熔盐返回中温熔盐储罐42；同时打开第九阀门69，从回热系统入口引出部分给水进入蒸汽发生器23，利用熔盐热量产生部分蒸汽，替代火力发电系统抽汽，实现火力发电系统在高负荷时燃料量消耗的降低；同时打开第七阀门67，利用中温熔盐泵将中温熔盐泵入蒸汽发生器23与给水换热，变为低温熔盐返回低温熔盐储罐43，实现将部分熔盐热量释放至火力发电系统，同时打开第五阀门65，利用低温熔盐泵将低温熔盐泵入聚光集热系统3，吸收太阳能热量，变为中温熔盐返回中温熔盐储罐42，实现将太阳能转化为热能存储于中温熔盐中。此工况下整个系统的出力较高，由于超临界二氧化碳系统5和火力发电系统1均运行，整个系统可通过第一发电机14和第二发电机56对外发电，通过调节锅炉燃烧蒸发量以及进入超临界二氧化碳发电系统5的高温熔盐流量，调控整个系统的出力，满足系统用电高峰时段负荷波动的要求。
7)当夜间系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统1、换热系统2以及熔盐储热系统4运行，聚光集热系统3和超临界二氧化碳发电系统5不运行，具体为：打开第一阀门61，从锅炉11的出口引出部分蒸汽进入第一蒸汽-熔盐换热器21，减少进入汽轮机组12的蒸汽量，实现火力发电系统1出力的降低；同时打开第三阀门，使低温熔盐进入第一蒸汽-熔盐换热器21与蒸汽换热，变为高温熔盐返回高温熔盐储罐41，实现将部分蒸汽热量存储于高温熔盐中。此工况下整个系统的出力较低，由于超临界二氧化碳系统5不运行，火力发电系统1又将部分蒸汽转化为热量进行存储，整个系统仅有火电对外发电，通过调节锅炉出口引出蒸汽的流量，调控整个系统的出力，满足系统用电低谷时段负荷波动的要求。
8)当夜间系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统1和熔盐储热系统4运行，换热系统2、聚光集热系统3以及超临界二氧化碳发电系统5不运行，此工况下仅有火力发电系统运行，通过调节锅炉燃烧蒸发量，可以调控整个系统的出力，满足系统用电平峰时段负荷波动的要求。
9)当夜间系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统1、换热系统2、熔盐储热系统4以及超临界二氧化碳发电系统5运行，聚光集热系统3不运行，具体为：打开第八阀门68，利用高温熔盐泵将高温熔盐泵入超临界二氧化碳发电系统的熔盐-二氧化碳换热器52与超临界二氧化碳介质换热，产生高温二氧化碳，推动二氧化碳透平51做功发电，换热后的中温熔盐返回中温熔盐储罐42；同时打开第九阀门69，从回热系统13入口引出部分给水进入蒸汽发生器23，利用熔盐热量产生部分蒸汽，替代火力发电系统抽汽，实现火力发电系统1在高负荷时燃料量消耗的降低；同时打开第七阀门67，利用中温熔盐泵将中温熔盐泵入蒸汽发生器23与给水换热，变为低温熔盐返回低温熔盐储罐43，实现将部分熔盐热量释放至火力发电系统1，此工况下整个系统的出力较高，由于超临界二氧化碳系统5和火力发电系统1均运行，整个系统可通过第一发电机14和第二发电机56对外发电，通过调节锅炉11燃烧蒸发量以及进入超临界二氧化碳发电系统的高温熔盐流量，调控整个系统的出力，满足系统用电高峰时段负荷波动的要求。
以上实施例仅用于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说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：包括火力发电系统(1)、换热系统(2)、聚光集热系统(3)、熔盐储热系统(4)和超临界二氧化碳发电系统(5)；
其中，火力发电系统(1)包括依次连接的锅炉(11)、汽轮机组(12)和回热系统(13)，汽轮机做功带动第一发电机(14)发电；
换热系统(2)包括并联设置的第一蒸汽-熔盐换热器(21)、第二蒸汽-熔盐换热器(22)以及蒸汽发生器(23)；
熔盐储热系统(4)包括并联设置的高温熔盐储罐(41)、中温熔盐储罐(42)、低温熔盐储罐(43)，每台熔盐储罐上设置若干熔盐泵；
超临界二氧化碳系统(5)包括依次连接的二氧化碳透平(51)、熔盐-二氧化碳换热器(52)、高温回热器(53)、预冷器(54)和主压缩机(55)，超临界二氧化碳透平做功带动第二发电机(56)发电；
锅炉(11)的出口分别与蒸汽-熔盐换热系统(2)的第一蒸汽-熔盐换热器(21)和第二蒸汽-熔盐换热器(22)的蒸汽入口相连，蒸汽-熔盐换热系统(2)的第一蒸汽-熔盐换热器(21)和第二蒸汽-熔盐换热器(22)的蒸汽出口分别与回热系统(13)的蒸汽入口相连；
熔盐储热系统(4)的低温熔盐储罐(41)出口分别与聚光集热系统(3)、蒸汽-熔盐换热系统(2)中的第一蒸汽-熔盐换热器(21)和第二蒸汽-熔盐换热器(22)的熔盐入口相连，聚光集热系统(3)和第一蒸汽-熔盐换热器(21)的熔盐出口与高温熔盐储罐(41)的入口相连；第二蒸汽-熔盐换热器(22)的熔盐出口与中温熔盐储罐(42)的入口相连；中温熔盐储罐(42)出口分别与聚光集热系统(3)和蒸汽-熔盐换热系统(2)中的蒸汽发生器(23)的熔盐入口相连；聚光集热系统(3)的熔盐出口与高温熔盐储罐(41)的入口相连；蒸汽发生器(23)的熔盐出口与低温熔盐储罐(43)的熔盐入口相连；高温熔盐储罐(41)出口与熔盐-二氧化碳换热器(52)的熔盐入口相连；熔盐-二氧化碳换热器(52)的熔盐出口与中温熔盐储罐的熔盐入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：火力发电系统(1)的锅炉出口至第一蒸汽-熔盐换热器管道、锅炉出口至第二蒸汽-熔盐换热器的管道、低温熔盐储罐至第一蒸汽-熔盐换热器管道、低温熔盐储罐至第二蒸汽-熔盐换热器管道、低温熔盐管道至聚光集热系统管道、中温熔盐储罐至聚光集热系统管道、中温熔盐储罐至蒸汽发生器管道、高温熔盐储罐至熔盐-二氧化碳换热器管道以及火力发电系统的汽轮机组出口至蒸汽发生器的管道上均设置可调节型阀门。
3.根据权利要求2所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：通过控制第一阀门的开度可以控制由火力发电系统进入第一蒸汽-熔盐换热器的蒸汽流量，实现火力发电系统引出蒸汽与低温熔盐换热产生高温熔盐；通过控制第二阀门的开度可以控制由火力发电系统进入第二蒸汽-熔盐换热器的蒸汽流量，实现火力发电系统引出蒸汽与低温熔盐换热产生中温熔盐；通过控制第三阀门的开度可以控制进入第一蒸汽-熔盐换热器的低温熔盐流量，实现换热器出口高温熔盐温度的控制；通过控制第四阀门的开度可以控制进入第二蒸汽-熔盐换热器的低温熔盐流量，实现换热器出口中温熔盐温度的控制；通过控制第五阀门的开度可以控制进入聚光集热系统的低温熔盐流量，实现聚光集热系统出口高温熔盐温度的控制；通过控制第六阀门的开度可以控制进入聚光集热系统的中温熔盐流量，实现聚光集热系统出口高温熔盐温度的控制；通过控制第七阀门的开度可以控制进入聚光集热系统的中温熔盐流量，实现聚光集热系统出口高温熔盐温度的控制；通过控制第八阀门的开度可以控制进入熔盐-二氧化碳换热器的高温熔盐流量，实现换热器出口中温熔盐和二氧化碳介质温度的控制；通过控制第九阀门的开度可以控制进入蒸汽发生器(23)的中温熔盐流量，实现换热器出口低温熔盐和蒸汽介质温度的控制。
4.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：聚光集热系统(3)为塔式、槽式或菲涅尔式；当为塔式时，包括吸热塔和位于塔顶的吸热器；当为槽式时，包括若干并联的槽式集热器；当为菲涅尔式时，包括若干并联的菲涅尔式集热器。
5.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：回热系统(13)包括多级高压加热器、除氧器和多级低压加热器。
6.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：第一蒸汽-熔盐换热器(21)和第二蒸汽-熔盐换热器(22)为单级或多级串联；蒸汽发生器(23)包括预热器、蒸发器和过热器。
7.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：所述高温回热器(53)和预冷器(54)均为单级或多级串联。
8.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：主压缩机(55)可为单级压缩机或多级串联压缩机，当为多级串联时，各级之间设置冷却装置。
9.根据权利要求1所述的一种火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统，其特征在于：所述熔盐采用包括硝酸钠和硝酸钾的二元熔盐；所述熔盐管道均设置电伴热。
10.权利要求1至9任一项所述火力发电、光热和超临界二氧化碳耦合发电系统的运行方法，其特征在于，包括以下运行模式：
1)当白天太阳资源条件较好，系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统(1)、换热系统(2)、聚光集热系统(3)以及熔盐储热系统(4)运行，超临界二氧化碳发电系统(5)不运行；
2)当白天太阳能资源条件较好，系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统(1)、聚光集热系统(3)以及熔盐储热系统(4)运行，换热系统(2)和超临界二氧化碳发电系统(5)不运行；
3)当白天太阳资源条件较好，系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统(1)、换热系统(2)、聚光集热系统(3)、熔盐储热系统(4)、超临界二氧化碳发电系统(5)运行；
4)当白天太阳资源条件不佳，系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统(1)、换热系统(2)、聚光集热系统(3)以及熔盐储热系统(4)运行，超临界二氧化碳发电系统(5)不运行；
5)当白天太阳能资源条件不佳，系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统(1)、聚光集热系统(3)、熔盐储热系统(4)运行，换热系统(2)、超临界二氧化碳发电系统(5)不运行；
6)当白天太阳资源条件不佳，系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统(1)、换热系统(2)、聚光集热系统(3)、熔盐储热系统(4)、超临界二氧化碳发电系统(5)运行；
7)当夜间系统处于用电负荷低谷时段时，系统中的火力发电系统(1)、换热系统(2)以及熔盐储热系统(4)运行，聚光集热系统(3)和超临界二氧化碳发电系统(5)不运行；
8)当夜间系统处于用电负荷平峰时段时，系统中的火力发电系统(1)和熔盐储热系统(4)运行，换热系统(2)、聚光集热系统(3)以及超临界二氧化碳发电系统(5)不运行；
9)当夜间系统处于用电负荷高峰时段时，系统中的火力发电系统(1)、换热系统(2)、熔盐储热系统(4)以及超临界二氧化碳发电系统(5)运行，聚光集热系统(3)不运行。
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