CN116085086A - 基于固体颗粒储放热的二氧化碳雷顿循环热电联产系统 - Google Patents

基于固体颗粒储放热的二氧化碳雷顿循环热电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统及控制方法，该热电联产系统包括：二氧化碳布雷顿循环发电机组及太阳能集热单元；第一气固换热器，在第一气固换热器中适于以从太阳能集热单元引出的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的传热工质回到太阳能集热单元内；第一存储装置，适于存储第二固体颗粒；供热单元，用于供热；第二气固换热器，第二固体颗粒适于在第二气固换热器内与第一水换热以降温成第一固体颗粒，流经第二气固换热器的第一水经升温后为热水和/或蒸汽进入到供热单元；颗粒输送装置，颗粒输送装置用于将来自第二气固换热器的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。

Description

基于固体颗粒储放热的二氧化碳雷顿循环热电联产系统
技术领域
本发明的实施例涉及太阳能光热发电技术领域，尤其涉及一种基于固体颗粒储放热的二氧化碳雷顿循环热电联产系统以及一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统的控制方法。
背景技术
在碳中和目标下，我国未来电源将以新能源为主体，太阳能光热发电作为清洁可再生、调节性能更佳的电力生产方式，具有极大的发展前景。近年来，将超临界CO2布雷顿循环用于太阳能光热发电的研究引起了国内外学者的关注。超临界CO2布雷顿循环技术相较于蒸汽朗肯循环，在同等条件下具有更高的热效率，更小的设备尺寸，使系统更加紧凑而易于模块化建设。目前国内外研究主要集中于太阳能光热CO2布雷顿循环的循环特性，包括循环形式优化、参数分析和
Figure BDA0003966132430000011
分析、不同循环形式的效率分析以及间接熔盐储热的系统分析。太阳能光热超临界CO2布雷顿循环在500～800℃运行温度具有高效率、高密度等特点，但当前的大部分储热介质，比如空气、水/蒸汽、导热油、有机物、熔盐和液态金属在此温度区间存在传热性能差，成本高、能效低、高温腐蚀等问题。固体颗粒储热的特性可适应太阳能光热超临界CO2布雷顿循环发电技术，但国内外尚未开展相关研究。
能源在提供稳定可靠电力供给同时还要满足城乡供热需求。我国北方地区建筑取暖总面积约206亿平方米，仅2022年1-2月中国供热耗用原煤量就达到了9813万吨，随着城市化进程不断扩展，供热需求将日益增长。新型电力系统下太阳能光热CO2布雷顿循环电站在我国北方将面临供热的问题。
现在技术中存在如下缺陷：
1.太阳能光热超临界CO2布雷顿循环发电技术，大部分储热技术存在传热性能差，成本高、能效低、高温腐蚀等问题。
2.围绕碳中和目标，新型电力系统下太阳能光热CO2布雷顿循环电站在我国北方将面临供热的问题。
发明内容
本发明提出一种基于固体颗粒储放热的太阳能光热CO2布雷顿循环梯级供热的热电联产技术。
为解决现有技术中技术问题的至少一个方面或一个点，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统，包括：
二氧化碳布雷顿循环发电机组以及太阳能集热单元；
第一气固换热器，在第一气固换热器中适于以从太阳能集热单元引出的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的传热工质回到太阳能集热单元内；
第一存储装置，适于存储第二固体颗粒；
供热单元，用于供热；
第二气固换热器，来自第一存储装置的第二固体颗粒适于在第二气固换热器内与流经第二气固换热器的第一水换热以降温成第一固体颗粒，流经第二气固换热器的第一水经升温后为热水和/或蒸汽进入到供热单元；
颗粒输送装置，颗粒输送装置用于将来自第二气固换热器的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。
根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统的控制方法，包括步骤：
在第一气固换热器中以从太阳能集热单元引出的作为第一流体的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的第一流体回到太阳能集热单元内；
在第一存储装置存储升温后的第二固体颗粒；
将存储的第二固体颗粒通入到第二气固换热器中以加热流经第二气固换热器的第一水，第二固体颗粒经换热后成为第一固体颗粒，所述第一水升温成蒸汽和/或热水；
将所述蒸汽和/或热水通入到所述供热单元；
将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。
附图说明
图1为根据本发明的一个示例性实施例的二氧化碳雷顿循环热电联产系统的示意图。
附图标记：
101.太阳能集热单元；102.传热工质；103.空气加热器或者第一换热器；104.高温空气；105.低温颗粒储罐；106.高温气固混合换热器；107.高温颗粒储罐；108.高温颗粒；109.中温空气；110.中温换热器；111.换热后空气；112.热水；113.颗粒输送装置；114.低温颗粒；115.气固混合多级换热器；116.热空气；117.蒸汽；118.常温空气；119.常温水；120.电力；200.二氧化碳布雷顿循环发电机组；300.热网或供热单元
具体实施方式
下述参照附图1对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
本发明旨在解决现有技术中存在的缺点的至少一个方面，提出一种太阳能光热CO2布雷顿循环梯级供热的热电联产系统。
如图1所示，提出了一种基于固体颗粒储放热的二氧化碳雷顿循环热电联产系统，包括二氧化碳布雷顿循环发电机组200、太阳能集热单元101、传热工质102、空气加热器103、低温颗粒储罐105、高温气固混合换热器106、高温颗粒储罐107、中温换热器110、多级气固混合换热器115、颗粒输送装置113及连接组件。
在本发明中，储热介质为固体颗粒。储热颗粒选择性能稳定的固体颗粒，例如石英砂、氧化铝颗粒、氧化铁颗粒、惰性灰渣等，相较于采用液体工质、气体工质或其他易于相变的工质(例如熔融盐)进行储热，采用性能稳定的固体颗粒，其工作温度范围大，高温时性能稳定，易于实现多种能量的分级耦合吸收以及后续释放，此外，由于可以工作在较高温度下(温度达到900℃以上)，固体颗粒吸热会提高热量利用率，并且使用成本低廉。
在本发明中，高温固体颗粒，其温度例如可以在500-800℃之间。
气固换热器为可以流化床、鼓泡床、移动床、气流床等气固混合结构。
颗粒输送装置113可以是气固输送泵的形式，或者其他适合输送固体颗粒的装置。
如能够理解的，在本发明中，高温颗粒储罐107为保温罐，从而即使固体颗粒经过了较长的时间例如12个小时，仍然能够保持在较高的温度。
对于固体颗粒在气固换热器中换热之后，可以通过专门的气固分离器将气体与固体颗粒分离，也可以通过鼓泡流化的方式使得气体向上流动而固体颗粒向下流动从而在彼此混流中完成换热和分离，这里不再赘述。
对于本发明中的传热工质，即太阳能集热单元101中产生的传热工质，可以是导热油或熔盐，传热工质释放了热量后又回到太阳能集热单元101中从而以降低二氧化碳布雷顿循环发电机组200负荷的方式实现热量的存储。
在本发明中，如图1所示，二氧化碳布雷顿循环发电机组200、太阳能集热单元101、传热工质102、空气加热器103、高温气固混合换热器106、高温颗粒储罐107组成一个高温固体颗粒储热单元，而高温颗粒储罐107、气固混合多级换热器115、二氧化碳布雷顿循环发电机组200组成一个气固混合多级放热单元。
基于固体颗粒储放热的太阳能光热CO2布雷顿循环梯级供热的热电联产系统在连续稳定运行基础上，满足了冬季不同阶段的供热品质要求，有效提高了电网调峰能力。
储热过程：在电网电力需求低谷时，太阳能集热单元101产生的富余高温传热工质进入空气加热器103产生高温空气。固体颗粒由冷颗粒储罐105进入高温气固流动换热器106，并在其中与高温空气直接接触，气固两相通过混合完成热量传递，升温后颗粒(例如400～600℃)进入高温颗粒储罐107中存储；通过参数调控，高温气固混合换热器106出口空气温度(约200℃)，作为后续中温换热器110的热源生产热水(55～65℃)，用于热网或供热单元300，换热后空气(65～75℃)补入空气加热器103。
放热过程：高温颗粒108依次通过多级气固混合换热器115，逐级加热常温水，经颗粒输送装置113返回低温颗粒储罐105，完成热量释放。另外，气固混合多级换热器115的常温空气因串联利用而升温，因此出口的热空气补入空气加热器103，实现余热利用。
梯级供热：常温水被高温颗粒逐级加热后生成过热蒸汽，根据实际需求，首先控制气固混合多级换热器中间级可稳定提供热水(80～90℃)用于增强供热，并可根据需求控制换热器出口蒸汽参数在250～280℃范围，用于补充供热，保证严寒时期的供热品质。
基于上述，本发明的技术方案中，通过气固混合的固体颗粒储热与多级放热，系统具有储热、储放热并行及放热三种运行调控方法，(1)实现了太阳能光热CO2布雷顿循环电站灵活的发电和梯级供热能力，既实现了梯级供热，满足冬季不同阶段的供热品质要求，也增强了电网调峰能力；(2)通过储放热过程的余热利用和灵活运行调控，实现间歇性能量的分级利用，提高储放热过程热
Figure BDA0003966132430000051
利用效率和运行灵活度。
图1是本发明的一个示例性的实施例，本发明也可以有其他变型。
例如，可以不设置低温颗粒储罐105，即高温颗粒经放热后直接返回到气固混合换热器106中，可以形成固体颗粒吸热和放热的循环，也可以在固体颗粒均被置于气固混合换热器106中吸热后收集在高温颗粒储罐107中，以等待需要释放高温颗粒的热量时启动放热循环。
例如，可以不设置空气加热器103，即太阳能集热单元101的换热工质102可以直接到气固混合换热器106向低温颗粒放热后又返回到太阳能集热单元101中。在此情况下，可以不设置中温换热器110。
在本发明的热电联产系统中，可以不设置中温换热器110，从而图1中的中温空气109可以直接进入到空气加热器103中。
在本发明的热电联产系统中，可选的，在放热过程，气固混合多级换热器115的流化风可以由常温空气118改为换热后空气111，实现换热后空气余热的直接高效利用。
在本发明的热电联产系统中，可选的，可以不设置中温换热器110以及空气加热器103，此时，气固混合多级换热器115可以不通入常温空气118或者中温空气109，热网300则仅由气固混合多级换热器115提供热水或者蒸汽。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统，包括：
二氧化碳布雷顿循环发电机组以及太阳能集热单元；
第一气固换热器，在第一气固换热器中适于以从太阳能集热单元引出的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的传热工质回到太阳能集热单元内；
第一存储装置，适于存储第二固体颗粒；
供热单元，用于供热；
第二气固换热器，来自第一存储装置的第二固体颗粒适于在第二气固换热器内与流经第二气固换热器的第一水换热以降温成第一固体颗粒，流经第二气固换热器的第一水经升温后为热水和/或蒸汽进入到供热单元；
颗粒输送装置，颗粒输送装置用于将来自第二气固换热器的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。
2、根据1所述的热电联产系统，还包括：
第二存储装置，颗粒输送装置用于将来自第二气固换热器的第一固体颗粒输送到第二存储装置内存储，第二存储装置与第一气固换热器连通以提供第一固体颗粒。
3、根据1所述的热电联产系统，还包括：
第一换热装置，太阳能集热单元产生的传热工质适于流经第一换热装置以加热流经第一换热装置的第一空气后返回太阳能集热单元，第一空气流经第一换热器经升温后为第二空气，其中：在第一气固换热器中适于以第二空气加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，且第二空气适于被第一固体颗粒冷却后降温为第三空气。
4、根据3所述的热电联产系统，其中：
所述第三空气适于直接通入到第一换热装置中。
5、根据3所述的热电联产系统，其中：
所述热电联产系统还包括第二换热装置，所述第三空气通入到第二换热装置中以加热第一水，加热后的第一水被供给到供热单元，冷却后的第三空气被通入到第一换热装置或者第二气固换热器。
6、根据1所述的热电联产系统，其中：
流经第二气固换热器的流体包括第一空气，经第二气固换热器加热而升温后适于通入到第一换热装置。
7、一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统的控制方法，包括步骤：
在第一气固换热器中以从太阳能集热单元引出的作为第一流体的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的第一流体回到太阳能集热单元内；
在第一存储装置存储升温后的第二固体颗粒；
将存储的第二固体颗粒通入到第二气固换热器中以加热流经第二气固换热器的第一水，第二固体颗粒经换热后成为第一固体颗粒，所述第一水升温成蒸汽和/或热水；
将所述蒸汽和/或热水通入到所述供热单元；
将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。
8、根据7所述的方法，包括步骤：
在第一换热装置中以从太阳能集热单元引出的传热工质加热第一空气，第一空气升温后为第二空气，释放热量后的传热工质返回到太阳能集热单元内；
在第一气固换热器中以第二空气的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的第二空气降温为第三空气。
9、根据8所述的方法，还包括步骤：
使得第三空气流经第二换热装置而与流经第二换热装置的第一水热交换，第三空气适于降温为第四空气，第一水适于升温为第二水，及将第二水供给到供热单元，将第四空气通入到第一换热装置中或者第二气固换热器中；或者
使得第三空气进入第一换热装置中。
10、根据7所述的方法，其中：
“将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒返回到第一气固换热器”的步骤包括：将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒利用颗粒输送装置输送到第二存储装置内，以及从第二存储装置将其存储的第一固体颗粒提供给第一气固换热器。
11、根据7-10中任一项所述的方法，还包括步骤：
在二氧化碳布雷顿循环发电机组的负荷需求降低的情况下，用从太阳能集热单元引出传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，以及存储第二固体颗粒；
在二氧化碳布雷顿循环发电机组的负荷需求增加的情况下，减少或停止使用太阳能集热单元的传热工质的热量加热第一固体颗粒，以及从第二固体颗粒释放热量以加热进入到第二气固换热器中的第一水。
12、根据11所述的方法，还包括步骤：
通过调节颗粒流量、换热工质流量以及换热面积，控制从第二气固换热器出来的热水或蒸汽的参数。
在本发明中，低温颗粒表示颗粒的温度低于100℃。作为换热工质，高温换热工质的温度高于600℃。
在本发明中，所谓的中温，表示温度在150～250℃的范围内。所谓常温，表示温度在20～50℃的范围内。所谓热水，表示水的温度在50～95℃的范围内。所谓热风或热空气，表示风或空气的温度在250～350℃的范围内。
在本发明中，对于数值范围，在没有明确指出的情况下，包括端点值，数值范围中也包括了范围的中点值等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (12)

1.一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统，包括：
二氧化碳布雷顿循环发电机组以及太阳能集热单元；
第一气固换热器，在第一气固换热器中适于以从太阳能集热单元引出的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的传热工质回到太阳能集热单元内；
第一存储装置，适于存储第二固体颗粒；
供热单元，用于供热；
第二气固换热器，来自第一存储装置的第二固体颗粒适于在第二气固换热器内与流经第二气固换热器的第一水换热以降温成第一固体颗粒，流经第二气固换热器的第一水经升温后为热水和/或蒸汽进入到供热单元；
颗粒输送装置，颗粒输送装置用于将来自第二气固换热器的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。
2.根据权利要求1所述的热电联产系统，还包括：
第二存储装置，颗粒输送装置用于将来自第二气固换热器的第一固体颗粒输送到第二存储装置内存储，第二存储装置与第一气固换热器连通以提供第一固体颗粒。
3.根据权利要求1所述的热电联产系统，还包括：
第一换热装置，太阳能集热单元产生的传热工质适于流经第一换热装置以加热流经第一换热装置的第一空气后返回太阳能集热单元，第一空气流经第一换热器经升温后为第二空气，其中：在第一气固换热器中适于以第二空气加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，且第二空气适于被第一固体颗粒冷却后降温为第三空气。
4.根据权利要求3所述的热电联产系统，其中：
所述第三空气适于直接通入到第一换热装置中。
5.根据权利要求3所述的热电联产系统，其中：
所述热电联产系统还包括第二换热装置，所述第三空气通入到第二换热装置中以加热第一水，加热后的第一水被供给到供热单元，冷却后的第三空气被通入到第一换热装置或者第二气固换热器。
6.根据权利要求1所述的热电联产系统，其中：
流经第二气固换热器的流体包括第一空气，经第二气固换热器加热而升温后适于通入到第一换热装置。
7.一种二氧化碳雷顿循环热电联产系统的控制方法，包括步骤：
在第一气固换热器中以从太阳能集热单元引出的作为第一流体的传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的第一流体回到太阳能集热单元内；
在第一存储装置存储升温后的第二固体颗粒；
将存储的第二固体颗粒通入到第二气固换热器中以加热流经第二气固换热器的第一水，第二固体颗粒经换热后成为第一固体颗粒，所述第一水升温成蒸汽和/或热水；
将所述蒸汽和/或热水通入到所述供热单元；
将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒返回到第一气固换热器。
8.根据权利要求7所述的方法，包括步骤：
在第一换热装置中以从太阳能集热单元引出的传热工质加热第一空气，第一空气升温后为第二空气，释放热量后的传热工质返回到太阳能集热单元内；
在第一气固换热器中以第二空气的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，第一固体颗粒升温后为第二固体颗粒，释放热量后的第二空气降温为第三空气。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括步骤：
使得第三空气流经第二换热装置而与流经第二换热装置的第一水热交换，第三空气适于降温为第四空气，第一水适于升温为第二水，及将第二水供给到供热单元，将第四空气通入到第一换热装置中或者第二气固换热器中；或者
使得第三空气进入第一换热装置中。
10.根据权利要求7所述的方法，其中：
“将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒返回到第一气固换热器”的步骤包括：将从第二气固换热器流出的第一固体颗粒利用颗粒输送装置输送到第二存储装置内，以及从第二存储装置将其存储的第一固体颗粒提供给第一气固换热器。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，还包括步骤：
在二氧化碳布雷顿循环发电机组的负荷需求降低的情况下，用从太阳能集热单元引出传热工质的热量加热通过第一气固换热器的第一固体颗粒，以及存储第二固体颗粒；
在二氧化碳布雷顿循环发电机组的负荷需求增加的情况下，减少或停止使用太阳能集热单元的传热工质的热量加热第一固体颗粒，以及从第二固体颗粒释放热量以加热进入到第二气固换热器中的第一水。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：
通过调节颗粒流量、换热工质流量以及换热面积，控制从第二气固换热器出来的热水或蒸汽的参数。
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