CN205638823U - 互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统 - Google Patents

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杨玉
李红智
姚明宇
张立欣
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Abstract

本实用新型公开了一种互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,太阳能集热器的出口及锅炉的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质出口与太阳能集热器的入口及锅炉的入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口与中低温蓄热系统的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通。本实用新型所述的能够实现季节性及连续阴雨天的大容量热能调节。

Description

互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统
技术领域
本实用新型涉及一种联合发电系统,具体涉及一种互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统。
背景技术
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,但太阳能不仅存在着日辐射量周期性变化,还存在辐射量季节性变化,同时随时会受到阴雨等天气因素的影响。目前理论上可以采用较为廉价的蓄热储能来解决太阳能昼夜分布不均的问题,这也是太阳能光热发电的重要优势之一,但热力循环希望通过提高循环最高温度来提高热效率,而随着最高温度的提高蓄热温度也不断提高,这给蓄热材料、蓄热系统容器、保温措施等都带来了更大的困难。若能够在保持热力循环较高温度的同时,降低蓄热温度则可以降低系统设计和运行的难度。
另外面对连续阴雨天气以及太阳辐射季节性变化时,蓄热系统的调节能力有限,将难以满足供热要求。而化石能源完全可以补充连续无阳光时的热量空白,也可补充由季节变化引起的太阳能辐射长期不足,同时化石能源提供的热量容易控制,当太阳辐射热量发生不稳定的波动时,化石能源提供的热量可以作为有效的热量调控手段,使发电系统可以真正实现长期稳定的运转。
可作为补充太阳光照不足或连续无太阳光照的化石能源包括煤、天然气、油等多种化石能源。以这类化石能源为燃料的锅炉及发电系统已经非常成熟,例如目前常见的火电站锅炉等,这类系统可达到灵活调控以及长期平稳运行,同时容易实现补充热量的调节,正好可以弥补太阳能辐射热量不稳定的缺陷。
光热发电需要通过热力循环实现热电转换,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。新型二氧化碳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,是替代现有水蒸气热力循环系统的最佳选择,也是未来热电系统发展的趋势。
然而只采用蓄热等储能方式实现能量调节的系统无法实现季节性以及连续阴雨天等大容量热能的调节,而只能在小范围内实现昼夜能量的调节,仅以太阳能作为低温预热部分辅助热源的发电系统并未充分实现太阳能高品位能源的价值,且消耗的化石能源比例较大,未采用蓄热而只采用化石能源补充的太阳能发电系统,同样存在着化石能源消耗比例过大的缺点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,该系统能够实现季节性及连续阴雨天的大容量热能调节,并且化石能源消耗比例较小。
为达到上述目的,本实用新型所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统包括太阳能集热器、锅炉、超临界二氧化碳布雷顿循环系统、中低温蓄热系统及中低温有机朗肯循环系统;
太阳能集热器的出口及锅炉的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质出口与太阳能集热器的入口及锅炉的入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口与中低温蓄热系统的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通;
中低温蓄热系统的高温端与中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统的低温端与中低温有机朗肯循环系统的导热油出口相连通。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平、二氧化碳回热器、预冷器及压缩机,太阳能集热器的出口及锅炉的出口与二氧化碳透平的入口相连通,二氧化碳透平的出口与二氧化碳回热器的放热侧入口相连通,二氧化碳回热器的放热侧出口与预冷器的放热侧入口相连通,预冷器的放热侧出口与压缩机的入口相连通,压缩机的出口与二氧化碳回热器的吸热侧入口相连通,二氧化碳回热器的吸热侧出口与太阳能集热器的入口和锅炉的入口相连通;
预冷器的吸热侧出口与中低温蓄热系统的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与预冷器的吸热侧入口相连通。
所述中低温有机朗肯循环系统包括加热器、有机工质透平、有机工质回热器及冷凝器,加热器的工质侧出口与有机工质透平的入口相连通,有机工质透平的出口与有机工质回热器的放热侧入口相连通,有机工质回热器的放热侧出口与冷凝器的工质侧入口相连通,冷凝器的工质侧出口与有机工质回热器的吸热侧入口相连通,有机工质回热器的吸热侧出口与加热器的工质侧入口相连通;
加热器的导热油侧入口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口及中低温蓄热系统的高温端相连通,加热器的导热油侧出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口及中低温蓄热系统的低温端相连通。
冷凝器的工质侧出口与有机工质回热器的吸热侧入口通过有机工质泵相连通。
中低温蓄热系统的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口通过管道并管后通过导热油泵与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通。
太阳能集热器的出口通过第一控制阀与二氧化碳透平的入口相连通,锅炉的出口通过第二控制阀与二氧化碳透平的入口相连通。
本实用新型具有以下有益效果:
本实用新型所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统在工作时,能够通过太阳能集热器、锅炉联合或单独为超临界二氧化碳布雷顿循环系统提供高温超临界二氧化碳工质,太阳辐射充足时,即太阳能集热器收集的热量能够满足中低温有机朗肯循环系统的最低负荷运行及蓄热热量时,则关闭锅炉,仅通过太阳能集热器提供热量,同时将多余的热量存储在中低温蓄热系统中;在晚上,太阳能集热器不收集热量时,并且中低温蓄热系统中储存有蓄积的热量时,则通过锅炉及中低温蓄热系统共同提供热量,在白天,当太阳能集热器收集的热量不能满足中低温有机朗肯循环系统的正常工作及蓄热热量时,则通过锅炉及太阳能集热器共同提供热量,从而实现季节性及连阴雨天大容量热能的调节,可靠性较高,同时有效的降低化石能源的消耗比例,提供太阳能的利用效率。另外,与普通水蒸汽热力循环发电装置相比,本实用新型采用超临界二氧化碳为工质,从而使系统的体积更小、更紧凑、热效率更高,理论上在600℃时的超临界二氧化碳工质即可达到700℃时水蒸汽热力循环的效率。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
其中,1为太阳能集热器、2为锅炉、3为二氧化碳透平、4为二氧化碳回热器、5为预冷器、6为压缩机、7为中低温蓄热系统、8为导热油泵、9为加热器、10为有机工质透平、11为有机工质回热器、12为冷凝器、13为有机工质泵。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述:
参考图1,本实用新型所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统包括太阳能集热器1、锅炉2、超临界二氧化碳布雷顿循环系统、中低温蓄热系统及中低温有机朗肯循环系统;太阳能集热器1的出口及锅炉2的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质出口与太阳能集热器1的入口及锅炉2的入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口与中低温蓄热系统7的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统7的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平3、二氧化碳回热器4、预冷器5及压缩机6,太阳能集热器1的出口及锅炉2的出口与二氧化碳透平3的入口相连通,二氧化碳透平3的出口与二氧化碳回热器4的放热侧入口相连通,二氧化碳回热器4的放热侧出口与预冷器5的放热侧入口相连通,预冷器5的放热侧出口与压缩机6的入口相连通,压缩机6的出口与二氧化碳回热器4的吸热侧入口相连通,二氧化碳回热器4的吸热侧出口与太阳能集热器1的入口和锅炉2的入口相连通;预冷器5的吸热侧出口与中低温蓄热系统7的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统7的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与预冷器5的吸热侧入口相连通。
所述中低温有机朗肯循环系统包括加热器9、有机工质透平10、有机工质回热器11及冷凝器12,加热器9的工质侧出口与有机工质透平10的入口相连通,有机工质透平10的出口与有机工质回热器11的放热侧入口相连通,有机工质回热器11的放热侧出口与冷凝器12的工质侧入口相连通,冷凝器12的工质侧出口与有机工质回热器11的吸热侧入口相连通,有机工质回热器11的吸热侧出口与加热器9的工质侧入口相连通;加热器9的导热油侧入口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口及中低温蓄热系统7的高温端相连通,加热器9的导热油侧出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口及中低温蓄热系统7的低温端相连通。
另外,冷凝器12的工质侧出口与有机工质回热器11的吸热侧入口通过有机工质泵13相连通;中低温蓄热系统7的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口通过管道并管后通过导热油泵8与二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通。
二氧化碳回热器4的吸热侧出口分别通过第三控制阀c及第四控制阀d与太阳能集热器1的入口和锅炉2的入口相连通;预冷器5的吸热侧出口与中低温蓄热系统7的高温端通过第五控制阀e相连通,中低温蓄热系统7的高温端通过第八控制阀h与加热器9的导热油侧入口相连通,加热器9的导热油侧出口经第七控制阀g与通过第九控制阀i的中低温蓄热系统7的低温端并管后通过导热油泵8与第六控制阀f的输入端相连通,第六控制阀f的输出端与预冷器5的吸热侧入口相连通,另一路经第十控制阀j与中低温蓄热系统7的低温端相连通。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工作过程为:
高温超临界二氧化碳工质进入二氧化碳透平3做功,将热能转化为电能后转换为低压超临界二氧化碳工质,低压超临界二氧化碳工质进入二氧化碳回热器4的放热侧后放热,然后进入到预冷器5被冷却,被冷却的超临界二氧化碳工质进入压缩机6中增压,增压后的超临界二氧化碳工质进入二氧化碳回热器4的吸热侧吸热,吸收余热后的超临界二氧化碳工质再次进入太阳能集热器1及锅炉2中吸热形成高温超临界二氧化碳工质。
中低温有机朗肯循环系统的工作过程为:
导热油进入到加热器9的放热侧放热后直接输出,有机工质在加热器9的吸热侧吸收热量后进入到有机工质透平10中做功放热,放热后的有机工质经有机工质回热器11的放热侧后进入到冷凝器12的工质侧冷凝为液态,液体的有机工质经有机工质泵13增压后进入到有机工质回热器11的吸热侧吸热,然后再进入到加热器9的吸热侧吸收热量,完成循环过程。
本实用新型的具体工作过程为:
当太阳能集热器1收集的热量能够满足中低温有机朗肯循环系统的最低负荷运行及蓄热热量时,则关闭锅炉2,关闭第二控制阀b、第四控制阀d、第十控制阀j,打开第一控制阀a、第三控制阀c、第五控制阀e、第六控制阀f及第九控制阀i,调节第八控制阀h及第九控制阀i的开度,使中低温有机朗肯循环系统最低负荷运行,太阳能集热器1输出的高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中,并在超临界二氧化碳布雷顿循环系统中做功发电放热形成超临界二氧化碳工质,同时通过热交换对导热油进行加热,超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器1中吸热形成高温超临界二氧化碳工质;加热后的导热油分别进入到中低温蓄热系统7中及中低温有机朗肯循环系统中,导热油在中低温蓄热系统7中放热后再进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中换热,导热油在中低温有机朗肯循环系统放热后再进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中换热;
当夜间太阳能集热器1不收集热量时,并且中低温蓄热系统7中储存有蓄积的热量时,则断开太阳能集热器1,关闭第一控制阀a、第三控制阀c及第九控制阀i,开启第二控制阀b、第四控制阀d、第七控制阀g、第八控制阀h及第十控制阀j,调节第十控制阀j及第六控制阀f的开度,开启锅炉2,锅炉2根据二氧化碳布雷顿循环系统的最低负荷运行要求燃烧化石能源,锅炉2输出的高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中,并在超临界二氧化碳布雷顿循环系统中做功发电放热并对导热油进行换热形成超临界二氧化碳工质,超临界二氧化碳工质进入到锅炉2中吸热形成高温超临界二氧化碳工质;同时中低温蓄热系统7输出的导热油与超临界二氧化碳布雷顿循环系统输出的导热油汇流后进入到中低温有机朗肯循环系统中放热,然后再进入到中低温蓄热系统7及超临界二氧化碳布雷顿循环系统中吸热;
当太阳能集热器1能够收集热量,但收集的热量不能满足中低温有机朗肯循环系统的最低负荷运行及蓄热热量时,则使锅炉2正常工作,根据白天的辐射量调节第一控制阀a、第二控制阀b、第三控制阀c及第四控制阀d的开度,关闭第十控制阀j,打开第五控制阀e、第六控制阀f及第七控制阀g,调节第八控制阀h及第九控制阀i的开度,太阳能集热器1输出的高温超临界二氧化碳工质与锅炉2输出的高温超临界二氧化碳工质汇流后进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中,并在超临界二氧化碳布雷顿循环系统中做功发电放热形成超临界二氧化碳工质,同时通过热交换对导热油进行加热,超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器1及锅炉2中吸热形成高温超临界二氧化碳工质;加热后的导热油分别进入到中低温蓄热系统7中及中低温有机朗肯循环系统中,导热油在中低温蓄热系统7中放热后再进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中换热,导热油在中低温有机朗肯循环系统放热后再进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中换热。
当在白天太阳能集热器1不收集热量时,则断开太阳能集热器1及中低温蓄热系统7,关闭第一控制阀a、第三控制阀c、第九控制阀i及第十控制阀j,同时在白天和晚上都开启锅炉2,打开第二控制阀b、第四控制阀d、第五控制阀e、第六控制阀f、第七控制阀g及第八控制阀h,锅炉2输出的高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中,并在超临界二氧化碳布雷顿循环系统中做功发电放热并对导热油进行换热形成超临界二氧化碳工质,超临界二氧化碳工质进入到锅炉2中吸热形成高温超临界二氧化碳工质;同时超临界二氧化碳布雷顿循环系统输出的导热油进入到中低温有机朗肯循环系统中放热,然后再进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统中吸热。
以上所述的具体实施方式,对本实用新型的目的、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,以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已,并不用于限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,其特征在于,包括太阳能集热器(1)、锅炉(2)、超临界二氧化碳布雷顿循环系统、中低温蓄热系统及中低温有机朗肯循环系统;
太阳能集热器(1)的出口及锅炉(2)的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的超临界二氧化碳工质出口与太阳能集热器(1)的入口及锅炉(2)的入口相连通,超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口与中低温蓄热系统(7)的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统(7)的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通;
中低温蓄热系统(7)的高温端与中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统(7)的低温端与中低温有机朗肯循环系统的导热油出口相连通。
2.根据权利要求1所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,其特征在于,超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括二氧化碳透平(3)、二氧化碳回热器(4)、预冷器(5)及压缩机(6),太阳能集热器(1)的出口及锅炉(2)的出口与二氧化碳透平(3)的入口相连通,二氧化碳透平(3)的出口与二氧化碳回热器(4)的放热侧入口相连通,二氧化碳回热器(4)的放热侧出口与预冷器(5)的放热侧入口相连通,预冷器(5)的放热侧出口与压缩机(6)的入口相连通,压缩机(6)的出口与二氧化碳回热器(4)的吸热侧入口相连通,二氧化碳回热器(4)的吸热侧出口与太阳能集热器(1)的入口和锅炉(2)的入口相连通;
预冷器(5)的吸热侧出口与中低温蓄热系统(7)的高温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油入口相连通,中低温蓄热系统(7)的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口与预冷器(5)的吸热侧入口相连通。
3.根据权利要求1所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,其特征在于,所述中低温有机朗肯循环系统包括加热器(9)、有机工质透平(10)、有机工质回热器(11)及冷凝器(12),加热器(9)的工质侧出口与有机工质透平(10)的入口相连通,有机工质透平(10)的出口与有机工质回热器(11)的放热侧入口相连通,有机工质回热器(11)的放热侧出口与冷凝器(12)的工质侧入口相连通,冷凝器(12)的工质侧出口与有机工质回热器(11)的吸热侧入口相连通,有机工质回热器(11)的吸热侧出口与加热器(9)的工质侧入口相连通;
加热器(9)的导热油侧入口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油出口及中低温蓄热系统(7)的高温端相连通,加热器(9)的导热油侧出口与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口及中低温蓄热系统(7)的低温端相连通。
4.根据权利要求1所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,其特征在于,冷凝器(12)的工质侧出口与有机工质回热器(11)的吸热侧入口通过有机工质泵(13)相连通。
5.根据权利要求1所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,其特征在于,中低温蓄热系统(7)的低温端及中低温有机朗肯循环系统的导热油出口通过管道并管后通过导热油泵(8)与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的导热油入口相连通。
6.根据权利要求2所述的互补型的超临界二氧化碳和有机朗肯联合发电系统,其特征在于,太阳能集热器(1)的出口通过第一控制阀(a)与二氧化碳透平(3)的入口相连通,锅炉(2)的出口通过第二控制阀(b)与二氧化碳透平(3)的入口相连通。
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