CN105673107A - 槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法 - Google Patents

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Abstract

一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，该***包括高温塔式集热子***、低温槽式集热子***和超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***。高温塔式集热子***作为高温热源，是***输入能量的主要来源，用于加热超临界二氧化碳流体，提升超临界二氧化碳的做功能力；低温槽式集热子***作为辅助热源，用于弥补高压侧工质的回热不足，提高***的换热效率；超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***用于利用低品位的热源提升***的换热效率，降低回热器中由于高压侧和低压侧换热温差大而造成的热损失。本发明充分利用了超临界工质在临界点附近压缩功少这一特性，降低了压缩功耗；相比再压缩布雷顿循环，省去了再压缩机，简化了***结构。

Description

槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法
技术领域
本发明涉及可再生能源应用技术领域，尤其是一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法。
背景技术
提高太阳能热电站效率的方法有很多，其中最有效的方法是改进动力循环，超临界二氧化碳布雷顿循环应运而生。
超临界二氧化碳对于闭式发电装置是一种理想的工质，它的成本很低，不可燃，无腐蚀性，化学性质稳定，不仅可以应用于太阳能热发电动力循环，还可以应用于以核能、地热能以及化石燃料为热源的动力***。
超临界二氧化碳的密度较大，涡轮机械的尺寸较小，相比传统的动力循环装置，以超临界二氧化碳为工质的动力循环的结构非常紧凑，将会减少动力装置的占地面积。此外，由于超临界二氧化碳在循环中不会出现相变过程，同热源的温度匹配度好，提高了换热效率；同时，涡轮机械也因工质无相变过程而延长使用寿命。由于二氧化碳在临近点附近(31.1℃，7.39MPa)的密度很大，压缩性较小，压缩机的功率较低，而压缩机的功耗较小是超临界二氧化碳布雷顿循环效率较高的主要原因；当透平进口温度为650℃时，***的循环热效率可以达到50％。预期未来，随着高温材料的应用，高性能透平的进口温度可以达到700℃，届时***循环热效率将接近53％。
目前超临界二氧化碳布雷顿循环主要有两种循环方式，分别是简单布雷顿循环和再压缩布雷顿循环。简单布雷顿循环由于回热器内部换热温差较大，不可逆损失较大，相比传统的循环方式，循环效率的提高并不明显。而再压缩布雷顿循环则是多消耗一部分压缩功，大幅减小了回热过程不可逆损失。***的循环效率得以明显提升，但是再压缩机的引入，使***的结构相对复杂，***搭建成本增高。
本发明提出的一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，采用不同品位外加热源互补利用的方式解决了回热器换热不匹配问题，提高了热效率的同时，简化了***的结构，降低了***的设备投资和太阳能热发电厂的用地面积。本发明为进一步降低太阳能热发电成本提供了理论基础，对太阳能热发电发展具有重要作用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
目前，尽管简单超临界二氧化碳布雷顿循环的结构非常紧凑，经济性较高，但热效率提高并不明显，这是由于回热器中高压侧和低压侧工质的换热温差过大造成的；再压缩布雷顿设置了高低温回热器，并增设再压缩机，解决了回热器换热温差大的问题，但是多消耗了部分压缩功，***更加复杂。本发明针对上述问题，提出了一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，采用不同品位太阳集热互补利用方法，使回热器中能量释放侧和接收侧更加匹配，在保持***结构紧凑性的同时，提高了循环效率。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，该***包括高温塔式集热子***、低温槽式集热子***和超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***，其中：高温塔式集热子***，作为高温热源，是***输入能量的主要来源，用于加热超临界二氧化碳流体，提升超临界二氧化碳的做功能力；低温槽式集热子***，作为辅助热源，用于弥补高压侧工质的回热不足，提高***的换热效率；超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***，用于利用低品位的热源提升***的换热效率，降低回热器中由于高压侧和低压侧换热温差大而造成的热损失。
上述方案中，所述高温塔式集热子***包括定日镜场1、塔2和吸热器3，其中，吸热器3位于塔2的顶部，入口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的高温回热器6的高压侧出口，出口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的透平4；吸热器3吸收来自定日镜场1的太阳能，加热经过自身内部的超临界二氧化碳工质至超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的透平4的入口温度。
上述方案中，所述低温槽式集热子***包括吸热管13和抛物槽镜场12，其中，吸热管13吸收来自抛物槽式镜场12的太阳能，加热分流的超临界二氧化碳工质；吸热管13的入口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的分流器11，出口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的混合器8的入口。
上述方案中，所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***包括透平4、发电机5、高温回热器6、低温回热器7、混合器8、冷却器9、压缩机10和分流器11其中，被吸热器3加热后的超临界二氧化碳工质，进入透平4并在透平4中膨胀做功，然后依次进入高温回热器6的低压侧、低温回热器7的低压侧和冷却器9进行冷却；经过上述一系列冷却，超临界二氧化碳工质接近临界状态，再进入压缩机10压缩后形成高压超临界二氧化碳工质；压缩机10的出口同分流器11相连接，高压超临界二氧化碳工质经分流器11分流后，一路进入低温回热器7的高压侧，一路经过低温槽式集热***的吸热管13加热后进入混合器8，低温回热器7的高压侧出口连接于混合器8；经混合器8混合后的高压超临界二氧化碳工质经高温回热器6的高压侧入口进入高温回热器6进行回热，然后回热后的超临界二氧化碳工质再次进入高温塔式集热子***的吸热器3。
上述方案中，所述吸热管13用于加热分流的超临界二氧化碳工质，使其温度同经过低温回热器7加热的超临界二氧化碳工质的温度相同。
上述方案中，所述压缩机10的入口连接于冷却器9，出口连接于分流器11，用于提升超临界二氧化碳工质的压力，形成高压超临界二氧化碳工质；压缩机10在二氧化碳工质的临界点附近对其进行压缩，充分利用二氧化碳在临界点附近压缩小的优势，降低压缩机功耗。
上述方案中，所述分流器11用于将高压超临界二氧化碳工质分成两路，一路直接进入低温回热器7的高压侧进行回热，另一路进入吸热管13，保证低温回热器高压侧和低压侧的工质质量流量比例满足换热要求。
上述方案中，所述混合器8的出口连接于高温回热器6的入口，用于将低温回热器7高压侧出口的工质和吸热管13出口的工质混合均匀。
为达到上述目的，本发明还提供了一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电方法，该方法包括：吸热器3吸收来自定日镜场1的太阳能，加热经过自身内部的超临界二氧化碳工质；被吸热器3加热后的超临界二氧化碳工质，进入透平4并在透平4中膨胀做功，然后依次进入高温回热器6的低压侧、低温回热器7的低压侧和冷却器9进行冷却；经过冷却后，超临界二氧化碳工质接近临界状态，再进入压缩机10压缩后形成高压超临界二氧化碳工质；高压超临界二氧化碳工质经分流器11分流后，一路进入低温回热器7的高压侧，一路经过低温槽式集热***的吸热管13加热后进入混合器8；经混合器8混合后的高压超临界二氧化碳工质经高温回热器6的高压侧入口进入高温回热器6进行回热，然后回热后的超临界二氧化碳工质再次进入高温塔式集热子***的吸热器3。
上述方案中，所述吸热管13吸收来自抛物槽式镜场12的太阳能，加热分流的超临界二氧化碳工质。
(三)有益效果
从上述的技术方案中可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所提出的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，将高温塔式集热***作为二氧化碳布雷顿循环发电***的高温热源，是***动力循环的主要来源；将低温槽式集热***作为***的辅助热源，用于加热分流后为经低温回热器回热的工质流，维持低温回热器的热量平衡，体现了能梯级利用理念。
2、本发明所提出的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，省去了再压缩机，相比现存的再压缩布雷顿循环***，工质在进入冷却器前并未分流，而是在压缩机出口分流。这样所有的工质都是在临界点附近进入压缩机压缩，充分利用了超临界二氧化碳在临界点附近的“高密度”和“近乎不可压缩”的特性，降低了压缩功耗，提高了***的做功能力，发电量得以明显提高，优化了***性能。
3、本发明所提出的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***及方法，采用低温槽式集热***代替再压缩机，降低了压缩功耗，同时解决了低温回热器能量释放侧热量不足的问题，获得了与再压缩布雷顿循环***的低温回热器相同的换热效率。本发明充分利用了抛物槽集热***、塔式集热***的优点，并对不同品位的太阳能集热进行了梯级利用，即抛物槽镜场与定日镜场收集到的太阳能分别用于超临界二氧化碳的低温回热与过热过程。
附图说明
图1为依据本发明实施例1的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***的示意图。
图2为依据本发明实施例2的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为依据本发明实施例1的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***的示意图，该***包括低温槽式集热子***、高温塔式集热子***和超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***，其中：低温槽式集热子***，作为辅助热源，用于弥补高压侧工质的回热不足，提高***的换热效率，降低回热器中由于高压侧和低压侧换热温差大而造成的热损失；高温塔式集热子***，作为高温热源，是***输入能量的主要来源，用于加热超临界二氧化碳流体，提升超临界二氧化碳的做功能力；超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***，用于将高温超临界二氧化碳的内能转换为电能。
高温塔式集热子***包括定日镜场1、塔2和吸热器3，其中，吸热器3位于塔2的顶部，入口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的高温回热器6的高压侧出口，出口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的透平4；吸热器3吸收来自定日镜场1的太阳能，加热经过自身内部的超临界二氧化碳工质至超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的透平4的入口温度。
低温槽式集热子***包括吸热管13和抛物槽镜场12，其中，吸热管13吸收来自抛物槽式镜场12的太阳能，加热分流的超临界二氧化碳工质；吸热管13的入口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的分流器11，出口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的混合器8的入口。
超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***包括透平4、发电机5、高温回热器6、低温回热器7、混合器8、冷却器9、压缩机10和分流器11，其中，被吸热器3加热后的超临界二氧化碳工质，进入透平4并在透平4中膨胀做功，然后依次进入高温回热器6的低压侧、低温回热器7的低压侧和冷却器9进行冷却；经过上述一系列冷却，超临界二氧化碳工质接近临界状态，再进入压缩机10压缩后形成高压超临界二氧化碳工质；压缩机10的出口同分流器11相连接，高压超临界二氧化碳工质经分流器11分流后，一路进入低温回热器7的高压侧，一路经过低温槽式集热***的吸热管13加热后进入混合器8，低温回热器7的高压侧出口连接于混合器8；经混合器8混合后的高压超临界二氧化碳工质经高温回热器6的高压侧入口进入高温回热器6进行回热，然后回热后的超临界二氧化碳工质再次进入高温塔式集热子***的吸热器3。
图1中，吸热管13用于加热分流的超临界二氧化碳工质，使其温度同经过低温回热器7加热的超临界二氧化碳工质的温度相同。压缩机10的入口连接于冷凝器9，出口连接于分流器11，用于提升超临界二氧化碳工质的压力，形成高压超临界二氧化碳工质；压缩机10在二氧化碳工质的临界点附近对其进行压缩，充分利用二氧化碳在临界点附近压缩小的优势，降低压缩机功耗。分流器11用于将高压超临界二氧化碳工质分成两路，一路直接进入低温回热器7的高压侧进行回热，另一路进入吸热管13，保证低温回热器高压侧和低压侧的工质质量流量比例满足换热要求。混合器8的出口连接于高温回热器6的高压侧入口，用于将低温回热器7出口的工质和吸热管13出口的工质混合均匀。
基于图1所示的依据本发明实施例1的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***的示意图，本发明还提供了一种槽式和塔式集热***联合驱动的超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法，该方法包括以下工艺流程：吸热器3吸收来自定日镜场1的太阳能，加热经过自身内部的超临界二氧化碳工质；被吸热器3加热后的超临界二氧化碳工质，进入透平4并在透平4中膨胀做功，然后依次进入高温回热器6的低压侧、低温回热器7的低压侧和冷却器9进行冷却；经过冷却后，超临界二氧化碳工质接近临界状态，再进入压缩机10压缩后形成高压超临界二氧化碳工质；高压超临界二氧化碳工质经分流器11分流后，一路进入低温回热器7的高压侧，回热后进入混合器8，一路经过低温槽式集热***的吸热管13加热后进入混合器8；经混合器8混合后的高压超临界二氧化碳工质经高温回热器6的高压侧入口进入高温回热器6进行回热，然后回热后的超临界二氧化碳工质再次进入高温塔式集热子***的吸热器3。其中，吸热管13吸收来自抛物槽式镜场13的太阳能，加热分流的超临界二氧化碳工质。
请再次参照图1，图1为依据本发明实施例1的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***的示意图，该***包括：定日镜场1、塔2、吸热器3、透平4、发电机5、高温回热器6、低温回热器7、混合器8、冷却器9、压缩机10、分流器11、抛物槽镜场12和吸热管13。具体流程为：定日镜场1收集太能的辐射能，由吸热器3吸收并转化为热能，加热吸热器3中的超临界二氧化碳工质，高温高压的工质进入透平4膨胀做功，膨胀后的超临界工质依次进入高温回热器6的低压侧、低温回热器7的低压侧、冷却器9，经过一系列冷却，超临界工质接近临界状态，再进入压缩机10压缩，压缩机10的出口同分流器11相连，高压超临界工质经分流器11分流后，一路进入低温回热器7的高压侧回热升温，一路经过低温槽式集热***的吸热管13加热，二者在混合器8的入口达到相同的温度，经混合器8混合后，进入高温回热器6的高压侧回热，回热后的工质再进入吸热器3吸热，完成一个循环。
请参照图2，图2为依据本发明实施例2的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***的示意图。该***包括：定日镜场1、塔2、吸热器3、透平4、发电机5、高温回热器6、低温回热器7、混合器8、冷却器9、压缩机10、分流器11、抛物槽镜场12、吸热管13、低温换热器14、高温换热器15、高温蓄热器的冷罐16、高温蓄热器的热罐17、低温蓄热器的热罐18、低温蓄热器的冷罐19和泵20、21、22、23。具体流程为：太阳辐射经定日镜场1和抛物槽镜场12聚集到吸热器3和吸热管13上，3和13分别以熔盐和导热油(或熔盐)为吸热工质。高温熔盐流经高温蓄热器的热罐17后进入高温换热器15，放热后进入高温蓄热器的冷罐16；从吸热管13流出的导热油(或熔盐)经低温蓄热器的热罐18进入到低温换热器14，放热后进入低温蓄热器的冷罐19。放热后的熔盐和导热油(或熔盐)分别经泵提压后进入吸热器3和吸热管13中，吸收定日镜场和抛物槽镜场收集到的太阳能。超临界二氧化碳布雷顿循环发电***中的超临界二氧化碳在高温换热器15中与熔盐发生热交换，将工质加热到透平4的进口温度550℃；高温高压的超临界二氧化碳在透平4中膨胀做功，一部分功驱动发电机5发电，另一部分用于压缩机10的压缩功耗，膨胀后的高温工质分别进入高温回热器6和低温回热器7的低压侧，对高压侧二氧化碳进行回热，再经冷却器9冷却，使超临界二氧化碳的温度接近临界温度，再进入压缩机10；在压缩机10中，超临界二氧化碳被压缩到20MPa。为了对低温回热器7进行热量平衡，提高换热效率，要控制低温回热器7高压侧和低压侧工质的质量流量，因而压缩后的工质在进入低温回热器7之前由分流器11进行分流，其中大约64％的工质进入低温回热器7的高压侧，并同低压侧工质进行换热，剩余的工质进入低温换热器14同导热油(或熔盐)进行换热。在低温回热器7的出口，两股分流的超临界二氧化碳达到相同的温度，经混合器8混合均匀后进入高温回热器6进一步回热，再进入高温换热器15实现一个循环。
对实施例1和2进行模拟，***中主要物流的热力学参数如表1所示，当透平入口为550℃时，太阳能净发电效率达到26.9％。
表1实施例中的主要参数
本发明所提出的槽式和塔式集热***联合驱动的超临界二氧化碳布雷顿循环发电***及方法，对简单布雷顿循环和再压缩布雷顿循环进行了改进，增加了低温槽式集热与加热***，代替了再压缩机，在降低压缩功耗的同时，使回热过程冷热侧匹配更加合理，大幅减小回热过程不可逆损失。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，该***包括高温塔式集热子***、低温槽式集热子***和超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***，其中：
高温塔式集热子***，作为高温热源，是***输入能量的主要来源，用于加热超临界二氧化碳流体，提升超临界二氧化碳的做功能力；
低温槽式集热子***，作为辅助热源，用于弥补高压侧工质的回热不足，提高***的换热效率；
超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***，用于利用低品位的热源提升***的换热效率，降低回热器中由于高压侧和低压侧换热温差大而造成的热损失。
2.根据权利要求1所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述高温塔式集热子***包括定日镜场(1)、塔(2)和吸热器(3)，其中，吸热器(3)位于塔(2)的顶部，入口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的高温回热器(6)的高压侧出口，出口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的透平(4)；吸热器(3)吸收来自定日镜场(1)的太阳能，加热经过自身内部的超临界二氧化碳工质至超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的透平(4)的入口温度。
3.根据权利要求1所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述低温槽式集热子***包括吸热管(13)和抛物槽镜场(12)，其中，吸热管(13)吸收来自抛物槽式镜场(12)的太阳能，加热分流的超临界二氧化碳工质；吸热管(13)的入口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的分流器(11)，出口连接于超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***的混合器(8)的入口。
4.根据权利要求1所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电子***包括透平(4)、发电机(5)、高温回热器(6)、低温回热器(7)、混合器(8)、冷却器(9)、压缩机(10)和分流器(11)，其中，被吸热器(3)加热后的超临界二氧化碳工质，进入透平(4)并在透平(4)中膨胀做功，然后依次进入高温回热器(6)的低压侧、低温回热器(7)的低压侧和冷却器(9)进行冷却；经过上述一系列冷却，超临界二氧化碳工质接近临界状态，再进入压缩机(10)压缩后形成高压超临界二氧化碳工质；压缩机(10)的出口同分流器(11)相连接，高压超临界二氧化碳工质经分流器(11)分流后，一路进入低温回热器(7)的高压侧，一路经过低温槽式集热***的吸热管(13)加热后进入混合器(8)，低温回热器(7)的高压侧出口连接于混合器(8)；经混合器(8)混合后的高压超临界二氧化碳工质经高温回热器(6)的高压侧入口进入高温回热器(6)进行回热，经回热后的超临界二氧化碳工质再次进入高温塔式集热子***的吸热器(3)。
5.根据权利要求4所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述吸热管(13)用于加热分流的超临界二氧化碳工质，使其温度同经过低温回热器(7)加热的超临界二氧化碳工质的温度相同。
6.根据权利要求4所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述压缩机(10)的入口连接于冷却器(9)，出口连接于分流器(11)，用于提升超临界二氧化碳工质的压力，形成高压超临界二氧化碳工质；压缩机(10)在二氧化碳工质的临界点附近对其进行压缩，充分利用二氧化碳在临界点附近压缩性小的优势，降低压缩机功耗。
7.根据权利要求4所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述分流器(11)用于将高压超临界二氧化碳工质分成两路，一路直接进入低温回热器(7)的高压侧进行回热，另一路进入吸热管(13)，保证低温回热器(7)高压侧工质的质量流量和低压侧工质的质量流量的比例满足换热要求。
8.根据权利要求4所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，所述混合器(8)的出口连接于高温回热器(6)的高压侧入口，用于将低温回热器(7)高压侧出口的工质和吸热管(13)出口的工质混合均匀。
9.一种槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电方法，应用于权利要求1至8中任一项所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电***，其特征在于，该方法包括：
吸热器(3)吸收来自定日镜场(1)的太阳能，加热经过自身内部的超临界二氧化碳工质；
被吸热器(3)加热后的超临界二氧化碳工质，进入透平(4)并在透平(4)中膨胀做功，然后依次进入高温回热器(6)的低压侧、低温回热器(7)的低压侧和冷却器(9)进行冷却；
经过冷却后，超临界二氧化碳工质接近临界状态，再进入压缩机(10)压缩后形成高压超临界二氧化碳工质；
高压超临界二氧化碳工质经分流器(11)分流后，一路进入低温回热器(7)的高压侧，一路经过低温槽式集热***的吸热管(13)加热后进入混合器(8)；
经混合器(8)混合后的高压超临界二氧化碳工质经高温回热器(6)的高压侧入口进入高温回热器(6)进行回热，然后回热后的超临界二氧化碳工质再次进入高温塔式集热子***的吸热器(3)。
10.根据权利要求9所述的槽塔集热联合驱动的超临界二氧化碳发电方法，其特征在于，所述吸热管(13)吸收来自抛物槽式镜场(12)的太阳能，加热分流的超临界二氧化碳工质。
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