CN105201579A - 基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电*** - Google Patents

基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电*** Download PDF

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陈煜达
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宋士雄
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Abstract

本发明涉及基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，包括二次反射聚光***、熔盐吸热储能换热***和超临界二氧化碳发电***，其中所述的二次反射聚光***包括定日境场和二次反射塔，太阳光线经定日镜场汇聚至二次反射塔，二次发射塔将太阳光线二次汇聚于吸热器，所述的熔盐吸热储能换热***包括吸热器、热熔盐储罐、冷熔盐储罐和主换热器，所述的超临界二氧化碳发电***包括超临界二氧化碳透平、发电机、高温回热器、低温回热器、分流器、主压缩机、再压缩机和汇流器，该***结合了二次反射太阳能技术和超临界二氧化碳布雷顿循环技术的优点，保证了***稳定的运行，减少了光热电站冷却水的消耗，***具有较高的循环效率。

Description

基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***
【技术领域】
本发明涉及一种以超临界二氧化碳为循环工质的发电***，尤其涉及一种基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***。
【背景技术】
塔式太阳能热发电技术已经在全球范围内引起能源领域的广泛兴趣，以熔盐作为传热介质的塔式光热发电***具有功率大，效率高，储热能力强，运行稳定等优点。典型的塔式熔盐光热发电***的吸热器安装于聚光塔塔顶，吸热器由吸热管密集排布而成，吸热管长度为7-12米，管径较细，管壁较薄，在运行过程中吸热管容易出现冻堵及过热工况，影响***的正常运行，且需要高功率的熔盐泵将工质泵送至聚光塔顶，***自耗电较高。
传统的太阳能光热电站采用蒸汽工质朗肯循环，熔盐在吸热器升温后进入热熔盐储罐，将热熔盐通过熔盐泵打入蒸汽发生***和二回路中的水进行换热，产生过热蒸汽推动汽轮机组发电，需要大量的水资源维持电站运行。在我国光资源较好的青海、甘肃、内蒙古、新疆等地区的水资源十分紧缺，采用蒸汽朗肯循环会大量的增加当地水供给负担，在一些沙漠地区甚至无法保证电站运行所需的给水和冷却水。二氧化碳具有合适的临界参数，不需要很高的循环温度就可以达到较高的效率，且具有压缩性好、储量丰富等优点。
为了提高传统塔式熔盐光热发电***整体运行的安全性及解决其在一些水资源紧缺地区难以大量推广的难题，本发明提出一种基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，在保证熔盐吸热储热***安全稳定工作的同时实现电站的无水化运行，为大规模开发我国的光热资源提供技术支持。
【发明内容】
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种安全可靠、高效节水的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，该发电***结合了二次反射太阳能技术和超临界二氧化碳布雷顿循环技术的优点，保证了***安全稳定的运行，减少了光热电站用水的消耗，提高了***循环效率，在一些光资源较好，但水资源紧缺的地区具有很大的实际价值。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明所述的一种基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，包括二次反射聚光***、熔盐吸热储能换热***和超临界二氧化碳发电***，其中所述的二次反射聚光***包括定日境场、二次反射塔和吸热器，太阳光线经定日镜场汇聚至二次反射塔，二次反射塔将定日镜场聚焦的太阳光线进行二次聚焦，二次反射塔将太阳光线二次聚焦至吸热器；
所述的熔盐吸热储能换热***包括吸热器、热熔盐储罐、冷熔盐储罐和主换热器，吸热器通过管路一与热熔盐罐相连，热熔盐储罐的出口设有热熔盐液下泵，热熔盐液下泵通过管路二与主换热器的一端相连，主换热器的另一端与冷熔盐储罐相连，冷熔盐储罐的出口设有冷熔盐液下泵、冷熔盐液下泵通过管路八与吸热器相连；
所述的超临界二氧化碳发电***包括超临界二氧化碳透平、发电机、高温回热器、低温回热器、分流器、主压缩机、再压缩机和汇流器，二氧化碳透平与发电机、再压缩机和主压缩机之间用传动轴连接，其中，超临界二氧化碳透平通过管路四将做功后的超临界二氧化碳流体工质送至高温回热器，经过高温回热器放热后进入低温回热器，低温回热器出口的超临界二氧化碳流体工质经分流器分为两路，一路经由支管路一进入预冷器，另一路经由支管路二输送至再压缩机，预冷器出口的超临界二氧化碳流体工质经管路五输送至主压缩机进行升压，升压后的超临界二氧化碳流体工质经管路六输送至低温回热器，低温回热器出口的超临界二氧化碳流体工质与再压缩机出口经管路七输送的超临界二氧化碳流体工质经汇流器进行混合，混合后的超临界二氧化碳流体工质经汇流器出口进入高温回热器，超临界二氧化碳流体工质经高温回热器升温后通过管路九进入主换热器，在主换热器内，超临界二氧化碳流体工质与熔盐工质进行换热。
在本发明中：所述吸热器的一端通过管路一与热熔盐储罐相连，吸热器的另一端通过管路八与冷熔盐储罐出口处的冷熔盐液下泵相连。
在本发明中：所述的主换热器的一端通过管路三将超临界二氧化碳流体工质输送至超临界二氧化碳透平进行膨胀做功，主换热器的另一端通过管路九与高温回热器相连。
在本发明中：所述的吸热器位于二次反射塔底部水平面中心位置，其高度为3m-7m。
在本发明中：所述的热熔盐储罐和冷熔盐储罐位于同一水平面，且两者的底部处于吸热器水平面之下5m-10m。
在本发明中：所述的超临界二氧化碳发电***位于吸热器底部水平面之上2m-8m。
在本发明中：所述的二次反射聚光***包括定日境场和二次反射塔，定日镜场呈环形布置，二次反射塔位于定日镜场中心，经定日镜场和二次反射塔聚光后的太阳光线与水平面夹角为70～90°。
在本发明中：所述的二次反射聚光***输出的热功率为20MW-100MW。
采用上述结构后，本发明有益效果为：
1.本发明基于二次反射太阳能聚光技术，吸热器位于地面，吸热器及管路不易冻堵，易于维护，减少了运行及维护成本，保障了熔盐吸热器的安全稳定运行；
2.本发明利用超临界二氧化碳布雷顿循环及空气冷却***，实现了电站的无水化运行，且具有较高的热电转换效率；
3.本发明将二次反射太阳能聚光技术、熔盐储能技术和超临界二氧化碳布雷顿循环技术结合在一起，具有运行安全、稳定、效率高的特点。
【附图说明】
此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明的结构示意图。
图中：1.二次反射聚光***；2.熔盐吸热储能换热***；3.超临界二氧化碳发电***；4.定日镜场；5.二次反射塔；6.太阳光线；7.吸热器；8.管路一；9.热熔盐储罐；10.热熔盐液下泵；11.管路二；12.主换热器；13.冷熔盐储罐；14.冷熔盐液下泵；15.管路三；16.超临界二氧化碳透平；17.发电机；18.管路四；19.高温回热器；20.低温回热器；21.分流器；22.支管路一；23.支管路二；24.预冷器；25.管路五；26.主压缩机；27.管路六；28.再压缩机；29.管路七；30.汇流器；31、管路九；32.管路八。
【具体实施方式】
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，包括二次反射聚光***1、熔盐吸热储能换热***2和超临界二氧化碳发电系3统，其中所述的二次反射聚光***1包括定日境场4、二次反射塔5，太阳光线6经定日镜场4汇聚至二次反射塔5，二次反射塔5将定日镜场4聚焦的太阳光线6进行二次聚焦，二次反射塔5将太阳光线6二次聚焦至吸热器7；
所述的熔盐吸热储能换热***2包括吸热器7、热熔盐储罐9、冷熔盐储罐13和主换热器12，热熔盐储罐9的出口设有热熔盐液下泵10，吸热器7通过管路一8与热熔盐罐9相连、热熔盐液下泵10通过管路二11与主换热器12的一端相连，主换热器12的另一端与冷熔盐储罐13相连，冷熔盐储罐13的出口设有冷熔盐液下泵14，冷熔盐液下泵14通过管路八32与吸热器7相连；
所述的超临界二氧化碳发电***3包括超临界二氧化碳透平16、发电机17、高温回热器19、低温回热器20、分流器21、主压缩机26、再压缩机28和汇流器30，二氧化碳透平16与发电机17、再压缩机28和主压缩机26之间用传动轴连接，其中，超临界二氧化碳透平16通过管路四18将做功后的超临界二氧化碳流体工质送至高温回热器19，经过高温回热器19放热后进入低温回热器20，低温回热器20出口的超临界二氧化碳流体工质经分流器21分为两路，一路经由支管路一22进入预冷器24，另一路经由支管路二23输送至再压缩机28，预冷器24出口的超临界二氧化碳流体工质经管路五25输送至主压缩26机进行升压，升压后的超临界二氧化碳流体工质经管路六27输送至低温回热器20，低温回热器20出口的超临界二氧化碳流体工质与再压缩机28出口经管路七29输送的超临界二氧化碳流体工质经汇流器30进行混合，混合后的超临界二氧化碳流体工质经汇流器30出口进入高温回热器19，超临界二氧化碳流体工质经高温回热器19升温后通过管路31进入主换热器12，在主换热器12内，超临界二氧化碳流体工质与熔盐工质进行换热。所述吸热器7的一端通过管路一8与热熔盐储罐9相连，吸热器7的另一端通过管路八32与冷熔盐储罐13出口处的冷熔盐液下泵14相连；所述的主换热器12的一端通过管路三15将超临界二氧化碳流体工质输送至超临界二氧化碳透平16进行膨胀做功，主换热器12的另一端通过管路九31与高温回热器19相连；其中在二次反射聚光***1中的定日镜场4呈环形布置，二次反射塔5位于定日镜场4中心，经定日镜场4和二次反射塔5聚光后的太阳光线与水平面夹角为70～90°，此时二次反射聚光***1输出的热功率为20MW-100MW。
具体实施时，定日镜场4输出的热功率为60MW，发电机功率为20MW，太阳光线6经定日镜场4汇聚至二次反射塔5，二次反射塔5将光线二次聚焦至吸热器7，吸热器7内部工质为熔盐，本实例中熔盐为硝酸钠与硝酸钾的混合熔盐，在吸热器7内熔盐直接吸收太阳辐射能量，熔盐在吸热器7出口处温度被加热至565℃，成为热熔盐，热熔盐通过热熔盐输送管路一8输送至热熔盐储罐9，由于热熔盐储罐9位于吸热器7水平面之下，故不需要熔盐泵，节省了动力；热熔盐储存于热熔盐储罐9，当需要发电时，由热熔盐液下泵10将热熔盐输送至主换热器12，在主换热器12内热熔盐与超临界二氧化碳换热后，熔盐的出口温度为415℃，成为冷熔盐，冷熔盐进入冷熔盐储罐13存储，在白天正常运行时，冷熔盐由冷熔盐液下泵14输送至吸热器7加热；冷熔盐依次经过吸热器7—热熔盐储罐9—主换热器12—冷熔盐储罐13—吸热器7后，完成一个循环，在主换热器12内将热量传递超临界二氧化碳发电***3。
超临界二氧化碳发电***3的工质为超临界二氧化碳流体工质，超临界二氧化碳流体工质在主换热器12内被加热到550℃，压力为19MPa,超临界二氧化碳流体工质经管路三15输送至超临界二氧化碳透平16膨胀做功，做功后的超临界二氧化碳流体工质温度为400℃，经管路四18输送至高温回热器19，经过高温回热器19放热后，超临界二氧化碳流体工质的温度降低为205℃，再进入低温回热器20，经过低温回热器20放热后，超临界二氧化碳流体工质的温度降低为50℃，低温回热,20出口的超临界二氧化碳流体工质经分流器21分为两路，一路经由支管路一22进入预冷器24，一路经由支管路二23输送至再压缩机28，在本实例中预冷器24为空气冷却，其作用是进一步降低超临界二氧化碳流体工质的温度，预冷器24出口的超临界二氧化碳流体工质的温度为36℃，预冷器24出口的超临界二氧化碳流体工质经管路五25输送至主压缩机26进行升压，升压后的超临界二氧化碳流体工质压力为20MPa，经管路六27输送至低温回热器20，在低温回热器20中，超临界二氧化碳流体工质升温至185℃；在汇流器30中，低温回热器20出口的超临界二氧化碳流体工质与再压缩机28出口经管路七29输送的超临界二氧化碳流体工质进行混合，混合后的超临界二氧化碳流体工质经汇流器30出口进入高温回热器19，在高温回热器19中升温至395℃；超临界二氧化碳流体工质经高温回热器19升温后进入主换热器12，在主换热器12内，超临界二氧化碳流体工质与熔盐换热，主换热器12出口的超临界二氧化碳流体工质的温度达到550℃，经由管路三15再次输送至超临界二氧化碳透平16膨胀做功，完成一个布雷顿循环。
本实施方案中，采用二次反射聚光***及直接吸热式的熔盐吸热器，不容易发生熔盐冻堵，降低了运行成本，***的安全性得到了保证，发电***循环工质为超临界二氧化碳，预冷器采用空冷形式，实现了太阳能发电***的无水化运行，在缺水的区域具有较高的推广价值。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：包括二次反射聚光***、熔盐吸热储能换热***和超临界二氧化碳发电***，其中所述的二次反射聚光***包括定日境场和二次反射塔，太阳光线经定日镜场汇聚至二次反射塔，二次反射塔将定日镜场聚焦的太阳光线进行二次聚焦，二次反射塔将太阳光线二次聚焦至吸热器；
所述的熔盐吸热储能换热***包括吸热器、热熔盐储罐、冷熔盐储罐和主换热器，吸热器通过管路一与热熔盐罐相连，热熔盐储罐的出口设有热熔盐液下泵，热熔盐液下泵通过管路二与主换热器的一端相连，主换热器的另一端与冷熔盐储罐相连，冷熔盐储罐的出口设有冷熔盐液下泵、冷熔盐液下泵通过管路八与吸热器相连；
所述的超临界二氧化碳发电***包括超临界二氧化碳透平、发电机、高温回热器、低温回热器、分流器、主压缩机、再压缩机和汇流器，二氧化碳透平与发电机、再压缩机和主压缩机之间用传动轴连接，其中，超临界二氧化碳透平通过管路四将做功后的超临界二氧化碳流体工质送至高温回热器，经过高温回热器放热后进入低温回热器，低温回热器出口的超临界二氧化碳流体工质经分流器分为两路，一路经由支管路一进入预冷器，另一路经由支管路二输送至再压缩机，预冷器出口的超临界二氧化碳流体工质经管路五输送至主压缩机进行升压，升压后的超临界二氧化碳流体工质经管路六输送至低温回热器，低温回热器出口的超临界二氧化碳流体工质与再压缩机出口经管路七输送的超临界二氧化碳流体工质经汇流器进行混合，混合后的超临界二氧化碳流体工质经汇流器出口进入高温回热器，超临界二氧化碳流体工质经高温回热器升温后通过管路九进入主换热器，在主换热器内，超临界二氧化碳流体工质与熔盐工质进行换热。
2.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述吸热器的一端通过管路一与热熔盐储罐相连，吸热器的另一端通过管路八与冷熔盐储罐出口处的冷熔盐液下泵相连。
3.根据权利要求1所述的基于二次反射太聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述的主换热器的一端通过管路三将超临界二氧化碳流体工质输送至超临界二氧化碳透平进行膨胀做功，主换热器的另一端通过管路九与高温回热器相连。
4.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述的吸热器位于二次反射塔底部水平面中心位置，其高度为3m-7m。
5.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述的热熔盐储罐和冷熔盐储罐位于同一水平面，且两者的底部处于吸热器水平面之下5m-10m。
6.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述的超临界二氧化碳发电***位于吸热器底部水平面之上2m-8m。
7.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述的二次反射聚光***包括定日境场和二次反射塔，定日镜场呈环形布置，二次反射塔位于定日镜场中心，经定日镜场和二次反射塔聚光后的太阳光线与水平面夹角为70～90°。
8.根据权利要求1所述的基于二次反射聚光吸热技术的超临界二氧化碳发电***，其特征在于：所述的二次反射聚光***输出的热功率为20MW-100MW。
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