CN110887392A - 以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组、熔盐单储罐、熔盐换热器、电加热管、电源控制总成、超临界二氧化碳输送管道、熔盐、熔盐电动推送装置，该超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组通过该超临界二氧化碳输送管道和该熔盐换热器上的热交换介质进口和热交换介质出口连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电***。和传统抽水蓄能电站及电化学储能相比，本技术同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备调节能力强、建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为电蓄热调峰电站开启了一个全新的应用领域。

Description

以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***

技术领域

本发明公开了一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，尤其涉及弃风弃光及谷电加热的以超临界CO2为工质的熔盐电蓄热发电装置，属于超临界二氧化碳布雷顿循环***及熔盐电蓄热发电技术领域。

背景技术

随着社会发展及人民生活水平的提高，我国用电结构昼夜差距越来越大，移峰填谷的需求愈发强烈以及弃风弃光的现象越发严重；我国经济增速换挡步入发展新常态，产业结构逐步由中低端向中高端转换。产业结构的调整导致第三产业和城乡居民用电量占比持续增加，其用电特性决定了负荷曲线峰谷差率明显高于第二产业，我国用电侧峰谷差率有走高趋势，调节性电源建设需求持续增加。抽水蓄能电站和电化学储能成为移峰填谷的最有效的手段之一。

从实际运行情况看，抽水蓄能电站和电化学储能电站皆面临一系列问题，比如，抽水蓄能电站当前存在三点主要问题：一是当前“源-网-荷”协调发展水平有待提升，抽蓄电站的精准规划和合理布局难度增加；二是抽蓄电站成本疏导存在困难；三是在抽蓄电站开发需求大的地区，站址资源不足。而电化学储能在经济性、安全性上的劣势明显，一定时期内无法取代抽水蓄能。近几年我国电化学储能市场发展迅速，但是由于经济性和安全性的制约，电化学储能仍无法实现大规模推广。综合多家权威机构预测结果，2030年前电化学储能经济性仍低于抽水蓄能，即使是电化学储能中经济性较好的铅炭电池和锂离子电池，其度电成本仍比抽水蓄能高1.5倍和2.5倍。此外，目前电化学储能仍存在较大的安全隐患，电化学储能相关消防风险安全评估和预案措施缺位，电池管理***技术水平参差不齐，2018年以来已经发生了多起储能电站***起火事故。

总体来看，稳步推进能源领域供给侧改革，是能源和电力实现高质量发展的主线。新能源大规模发展、跨省区配置通道和互济能力建设等都对电网调节能力等提出更高要求。

一是新能源与核电并网运行，导致电力***调节能力下降，电网平衡能力受到挑战。此外，核电并网运行还会减小常规电源的开机容量，影响常规电源灵活性的释放，进而导致***整体平衡能力下降。

二是特高压输电通道发展，需要大型灵活性电源提供快速功率备用。

二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。

2019年初，美国西南研究院联合GE研发的10MW超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试；经过测试证明，S-CO2作为工质的发电***在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上。可以预见，在国内科研单位的努力下，我国研制出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环***将指日可待。

鉴于上述各方面技术原因，市场上需要一种以超临界二氧化碳为工质的熔盐电蓄热调峰电站，该熔盐电蓄热调峰电站必须同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备调节能力强、建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，和传统抽水蓄能电站及电化学储能相比，本技术同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备调节能力强、建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为电蓄热调峰电站开启了一个全新的应用领域。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组、熔盐单储罐、熔盐换热器、电加热管、电源控制总成、超临界二氧化碳输送管道、熔盐、熔盐电动推送装置，其特征在于，该电加热管和熔盐设置在所述的熔盐单储罐内；该电加热管为高温电加热器，且和电源控制总成连接，其电加热段处于该熔盐的液位下；该熔盐单储罐的上部侧面上设置有若干处于熔盐液位线以下的热熔盐出口，其下底部侧面上设置有若干冷熔盐进口；该熔盐换热器整体呈立式储罐状，设置在该熔盐单储罐的四周，其底部中轴线上设置有冷熔盐出口，其上部侧面上设置有热熔盐进口，还设置有热交换介质进口和热交换介质出口；该冷熔盐出口和该冷熔盐进口连通，该热熔盐进口和该热熔盐出口连通；在该熔盐换热器的中轴线上，或者，在该热熔盐进口和热熔盐出口的连接管路上，或者在该冷熔盐出口和冷熔盐进口的连接管路上设置有该熔盐电动推送装置，通过该熔盐电动推送装置使得熔盐强制流经该熔盐换热器内以完成一个熔盐和热交换介质的热交换循环；该超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组通过该超临界二氧化碳输送管道和该熔盐换热器上的热交换介质进口和热交换介质出口连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电***。通常，该罐盖上还开设有若干连通罐体的接口，通常，该罐盖上开设的若干贯通储罐内的接口可以作为常压出口或熔盐灌装口，或温度传感器的插口，或为熔盐液位计的***口。通常，熔盐泵也是该熔盐电动推送装置的其中一种。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：该熔盐换热器整体呈立式储罐状，设置在该熔盐单储罐的四周， 其底部中轴线上设置有冷熔盐出口，其上部侧面上设置有热熔盐进口，还设置有热交换介质进口和热交换介质出口，其包括一漏斗状的换热器壳体、换热器盖、换热盘管，该换热盘管设置在换热器壳体内，该换热器盖设置在换热器壳体的顶部且两者密封连接，该换热器盖的底部设置有呈导流筒,该导流筒穿过该换热盘管的中心空挡处，且在该导流筒的中轴线上设置有一套管，该套管整体贯穿该换热器盖；该换热盘管的两端分别连接着热交换介质进口和热交换介质出口；该熔盐电动推送装置设置在该换热器盖的中轴线上，至少包含变频电机、转动轴和桨叶，该转动轴穿过该套管后，其上端连接变频电机，其下端则连接桨叶且桨叶处于冷熔盐出口内，该桨叶旋转时能形成向下的推送力。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的超临界CO2布雷顿循环发电机组包括发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器及超临界CO2输送管道。对于闭环超临界CO2布雷顿循环发电***，主要包括压缩***、预冷***、换热***、热源、透平和发电机等***组成。低温低压的气体经压气机升压，再经回热器高温侧预热后进入热源，吸收大量热量后直接进入透平做功，透平带动发电机***进行发电，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的换热器壳体的顶部敞口处高于所述的熔盐单储罐内的熔盐液位线。通常，这样的设计可以大大降低对熔盐换热器的密封难度。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的导流筒的内空腔内设置有隔热层。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的换热器壳体和所述的换热器盖两者以法兰形式密封连接。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的换热盘管的表面设置有导热翅片。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的熔盐单储罐或熔盐换热器内设置有温度探头。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的熔盐为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。由于超临界二氧化碳工质的温度越高，热效率就越高，当超临界二氧化碳工质的温度达到700摄氏度时，热效率就会达到50%以上，现有的硝酸盐熔盐的使用温度上限一般控制在550摄氏度以下，而高纯氯化物熔盐可使用的温度上限接近800摄氏度左右，是一种超高温熔盐。

在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于：所述的熔盐为高纯度碳酸盐或者碳酸盐混合物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图仅提供参考和说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1是本发明提供的一种超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***的结构示意图；

图2是本发明提供的一种超临界CO2布雷顿循环发电机组的结构示意图；

图3是本发明提供的一种熔盐单储罐、熔盐换热器、熔盐电动推送装置及电加热管四者结合后的结构示意图；

图4是本发明提供的一种换热盘管的结构示意图；

图5是本发明提供的一种熔盐换热器的结构示意图；

图6是本发明提供的一种导流筒和换热器盖结合图；

图7是本发明提供的一种导流筒的结构示意图。

图中：超临界CO2布雷顿循环发电机组1、熔盐单储罐2、热熔盐出口2a、冷熔盐进口2b、熔盐换热器3、电加热管4、电源控制总成5、超临界二氧化碳输送管道6、熔盐7、熔盐电动推送装置8、变频电机8a、转动轴8b、桨叶8c、温度探头9、发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16、冷熔盐出口30、热熔盐进口31、热交换介质进口32、热交换介质出口33、换热器壳体34、换热器盖35、导流筒35a、套管35b、隔热层35c、换热盘管36、导热翅片36a。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组1、熔盐单储罐2、熔盐换热器3、电加热管4、电源控制总成5、超临界二氧化碳输送管道6、熔盐7、熔盐电动推送装置8。

该电加热管4和熔盐7设置在熔盐单储罐2内；该电加热管4为高温电加热器，且和电源控制总成5连接，其电加热段处于该熔盐7的液位下；该熔盐单储罐2的上部侧面上设置有若干处于熔盐液位线以下的热熔盐出口2a，其下底部侧面上设置有若干冷熔盐进口2b。

该熔盐换热器3整体呈立式储罐状，设置在该熔盐单储罐2的四周， 其底部中轴线上设置有冷熔盐出口30，其上部侧面上设置有热熔盐进口31，还设置有热交换介质进口32和热交换介质出口33；该冷熔盐出口30和该冷熔盐进口2b连通，该热熔盐进口31和该热熔盐出口2a连通；该熔盐换热器3包括一漏斗状的换热器壳体34、换热器盖35、换热盘管36，该换热盘管35设置在换热器壳体34内，该换热器盖35设置在换热器壳体34的顶部且两者密封连接，该换热器盖35的底部设置有呈导流筒35a,该导流筒35a穿过该换热盘管35的中心空挡处，且在该导流筒35a的中轴线上设置有一套管35b，该套管35b整体贯穿该换热器盖35；该换热盘管36的两端分别连接着热交换介质进口32和热交换介质出口33；该熔盐电动推送装置8设置在该换热器盖35的中轴线上，至少包含变频电机8a、转动轴8b和桨叶8c，该转动轴8b穿过该套管35b后，其上端连接变频电机8a，其下端则连接桨叶8c且桨叶8c处于冷熔盐出口30内，该桨叶8c旋转时能形成向下的推送力，通过该熔盐电动推送装置8使得熔盐7强制流经该熔盐换热器3内的换热盘管36内以完成一个熔盐和热交换介质的热交换循环；该超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组1通过该超临界二氧化碳输送管道6和该熔盐换热器3上的热交换介质进口32和热交换介质出口33连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电***。

本实施例中，超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组1包括发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16。

本实施例中，换热器壳体34的顶部敞口处高于所述的熔盐单储罐2内的熔盐液位线。

本实施例中，导流筒35a的内空腔内设置有隔热层35c。

本实施例中，换热器壳体34和所述的换热器盖35两者以法兰形式密封连接。

本实施例中，换热盘管36的表面设置有导热翅片36a。

本实施例中，熔盐单储罐2或熔盐换热器3内设置有温度探头9。

本实施例中，熔盐7为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了超临界CO2布雷顿循环发电机组、熔盐单储罐、热熔盐出口、冷熔盐进口、熔盐换热器、电加热管、电源控制总成、超临界二氧化碳输送管道、熔盐、熔盐电动推送装置、变频电机、转动轴、桨叶、温度探头、发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器、冷熔盐出口、热熔盐进口、热交换介质进口、热交换介质出口、换热器壳体、换热器盖、导流筒、套管、隔热层、换热盘管、导热翅片等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。本技术中以熔盐作为蓄热材料，但并不局限于熔盐一种蓄热材料，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，包括超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组（1）、熔盐单储罐（2）、熔盐换热器（3）、电加热管（4）、电源控制总成（5）、超临界二氧化碳输送管道（6）、熔盐（7）、熔盐电动推送装置（8），其特征在于，该电加热管（4）和熔盐（7）设置在所述的熔盐单储罐（2）内；该电加热管（4）为高温电加热器，且和电源控制总成（5）连接，其电加热段处于该熔盐（7）的液位下；该熔盐单储罐（2）的上部侧面上设置有若干处于熔盐液位线以下的热熔盐出口（2a），其下底部侧面上设置有若干冷熔盐进口（2b）；该熔盐换热器（3）整体呈立式储罐状，设置在该熔盐单储罐（2）的四周， 其底部中轴线上设置有冷熔盐出口（30），其上部侧面上设置有热熔盐进口（31），还设置有热交换介质进口（32）和热交换介质出口（33）；该冷熔盐出口（30）和该冷熔盐进口（2b）连通，该热熔盐进口（31）和该热熔盐出口（2a）连通；在该熔盐换热器（3）的中轴线上，或者，在该热熔盐进口（31）和热熔盐出口（2a）的连接管路上，或者在该冷熔盐出口（30）和冷熔盐进口（2b）的连接管路上设置有该熔盐电动推送装置（8），通过该熔盐电动推送装置（8）使得熔盐（7）强制流经该熔盐换热器（3）内以完成一个熔盐和热交换介质的热交换循环；该超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组（1）通过该超临界二氧化碳输送管道（6）和该熔盐换热器（3）上的热交换介质进口（32）和热交换介质出口（33）连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电***。

2.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***，其特征在于，该熔盐换热器（3）整体呈立式储罐状，设置在该熔盐单储罐（2）的四周， 其底部中轴线上设置有冷熔盐出口（30），其上部侧面上设置有热熔盐进口（31），还设置有热交换介质进口（32）和热交换介质出口（33），其包括一漏斗状的换热器壳体（34）、换热器盖（35）、换热盘管（36），该换热盘管（35）设置在换热器壳体（34）内，该换热器盖（35）设置在换热器壳体（34）的顶部且两者密封连接，该换热器盖（35）的底部设置有呈导流筒（35a）,该导流筒（35a）穿过该换热盘管（35）的中心空挡处，且在该导流筒（35a）的中轴线上设置有一套管（35b），该套管（35b）整体贯穿该换热器盖（35）；该换热盘管（36）的两端分别连接着热交换介质进口（32）和热交换介质出口（33）；该熔盐电动推送装置（8）设置在该换热器盖（35）的中轴线上，至少包含变频电机（8a）、转动轴（8b）和桨叶（8c），该转动轴（8b）穿过该套管（35b）后，其上端连接变频电机（8a），其下端则连接桨叶（8c）且桨叶（8c）处于冷熔盐出口（30）内，该桨叶（8c）旋转时能形成向下的推送力。

3.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组（1）包括发电机（10）、透平（11）、二级压缩机（12）、一级压缩机（13）、预冷或冷凝器（14）、低温回热器（15）、高温回热器（16）。

4.根据权利要求2所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的换热器壳体（34）的顶部敞口处高于所述的熔盐单储罐（2）内的熔盐液位线。

5.根据权利要求2所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的导流筒（35a）的内空腔内设置有隔热层（35c）。

6.根据权利要求2所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的换热器壳体（34）和所述的换热器盖（35）两者以法兰形式密封连接。

7.根据权利要求2所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的换热盘管（36）的表面设置有导热翅片（36a）。

8.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的熔盐单储罐（2）或熔盐换热器（3）内设置有温度探头（9）。

9.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的熔盐（7）为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的熔盐电蓄热发电***,其特征在于，所述的熔盐（7）为高纯度碳酸盐或者碳酸盐混合物。

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