辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统及方法
阅读说明：本技术 辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统及方法 (Supercritical carbon dioxide circulating photo-thermal power generation system and method for auxiliary heating of water supply ) 是由 乔永强 张一帆 顾正萌 杨浦 张旭伟 李红智 姚明宇 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统及方法,该系统包括超临界二氧化碳循环发电系统、给水与二氧化碳换热器、熔盐储热放热系统和聚光集热系统；该系统通过聚光集热系统将太阳能转化为熔盐的热能,进而转化为超临界二氧化碳的热能,进一步将热能转化为机械能、电能。在增设的给水与二氧化碳换热器中来自超临界二氧化碳透平的高温排气加热燃煤机组的部分给水,在给水焓升保持不变的情况下,减少燃煤机组抽汽量,增加汽轮机做功,提高发电效率；通过增设给水与二氧化碳换热器,使得进入高温回热器工质温度降低,进入熔盐与二氧化碳换热器的二氧化碳温度也降低,熔盐得以有效冷却,实现了太阳能与燃煤发电的互补效果。(The invention discloses a supercritical carbon dioxide circulating photo-thermal power generation system and a supercritical carbon dioxide circulating photo-thermal power generation method for auxiliary heating of feed water, wherein the system comprises a supercritical carbon dioxide circulating power generation system, a feed water and carbon dioxide heat exchanger, a molten salt heat storage and release system and a light condensation and heat collection system; the system converts solar energy into heat energy of molten salt through the light-gathering and heat-collecting system, further converts the heat energy into heat energy of supercritical carbon dioxide, and further converts the heat energy into mechanical energy and electric energy. High-temperature exhaust gas from a supercritical carbon dioxide turbine in the added feed water and carbon dioxide heat exchanger heats part of feed water of the coal-fired unit, and under the condition that the enthalpy of the feed water is kept unchanged, the steam extraction amount of the coal-fired unit is reduced, the work of the steam turbine is increased, and the power generation efficiency is improved; by additionally arranging the water supply and carbon dioxide heat exchanger, the temperature of the working medium entering the high-temperature heat regenerator is reduced, the temperature of the carbon dioxide entering the fused salt and carbon dioxide heat exchanger is also reduced, the fused salt is effectively cooled, and the complementary effect of solar energy and coal-fired power generation is realized.)
技术领域
本发明涉及多能源互补发电技术领域，特别涉及一种辅助加热给水的 超临界二氧化碳循环光热发电系统及方法。
背景技术
随着清洁能源发电技术及其装机规模的迅猛发展，我国的电源结构不 断得到优化，这要求以燃煤发电为主体的火力发电必须能够与清洁能源发 电形成优势互补的电力供应格局。而太阳能热发电与燃煤机组互补系统则 是一种较好的选择，可以同时兼顾节能与环保两方面的要求。目前光热与 燃煤互补发电系统通常在燃煤机组回热系统中引入太阳能辅助加热系统， 用于加热给水或者凝结水，减少汽轮机抽汽，增加做功，进而提高系统发 电效率。但此技术方案并未将太阳能转化为电能或者高品位的热能，没有 实现光热资源的梯级利用。
在超临界二氧化碳循环作为动力循环的熔盐储热光热发电系统中，为 了追求较高的循环热效率，一般采用带回热的超临界二氧化碳循环构型， 但这会导致进入循环主换热器的二氧化碳工质温度较高，不仅造成超临界 二氧化碳循环从热源获得的热量较少，而且使得二氧化碳工质对主换热器 不能有效冷却，严重影响熔盐储热放热系统的安全运行。因此降低熔盐与 二氧化碳主换热器中二氧化碳工质的入口温度成为超临界二氧化碳循环光热发电系统安全稳定运行的关键。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种辅助加热给水的超临界二氧化 碳循环光热发电系统及方法，一方面，该系统利用超临界二氧化碳透平出 口膨胀做功后的高温二氧化碳加热燃煤机组回热系统中的给水，减少汽轮 机抽汽，增加做功，进而提高燃煤机组发电效率；另一方面，在常规的超 临界二氧化碳动力循环系统中，透平出口的高温二氧化碳直接进入高温回 热器中，用于加热低温的二氧化碳，而在本发明的系统中，超临界二氧化碳透平出口的高温二氧化碳先与燃煤机组给水进行换热，放热降温后再进 入高温回热器加热低温的二氧化碳，使得熔盐与二氧化碳换热器冷侧进口 的二氧化碳温度降低，进而有效冷却高温熔盐，保护熔盐换热器，提高光 热发电系统运行安全性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统，包括超临界 二氧化碳循环发电系统、给水与二氧化碳换热器11、聚光集热系统和熔盐 储热放热系统；
所述的超临界二氧化碳循环发电系统包括熔盐与二氧化碳换热器5、 超临界二氧化碳透平10、高温回热器12、低温回热器13、预冷器14、主 压缩机15、再压缩机16；超临界二氧化碳透平10出口依次连接给水与二 氧化碳换热器11热侧入口和出口、高温回热器12热侧入口和出口、低温 回热器13的热侧入口，低温回热器13热侧出口分为两路，一路连接再压 缩机16入口，另一路连接预冷器14热侧入口；预冷器14热侧出口与主 压缩机15入口相接，主压缩机15出口依次连接低温回热器13冷侧入口 和出口、高温回热器12冷侧入口和出口、熔盐与二氧化碳换热器5冷侧 入口，熔盐与二氧化碳换热器5冷侧出口连接超临界二氧化碳透平10入 口，再压缩机16出口与低温回热器13冷侧出口相连；
所述的给水与二氧化碳换热器11冷侧入口连接燃煤机组给水泵出口， 给水与二氧化碳换热器11冷侧出口连接燃煤机组高压加热器水侧出口；
所述的超临界二氧化碳循环发电系统的工作介质为超临界的二氧化 碳；
所述的聚光集热系统包括镜场1和熔盐吸热器2，熔盐储热放热系统 包括高温熔盐泵3、高温熔盐调节阀4、熔盐与二氧化碳换热器5、低温熔 盐泵6、低温熔盐调节阀7；
熔盐吸热器2吸收镜场1反射的太阳光，出口依次经过高温熔盐泵3 和高温熔盐调节阀4连接熔盐与二氧化碳换热器5热侧入口，熔盐与二氧 化碳换热器5热侧出口依次经过低温熔盐泵6和低温熔盐调节阀7连接熔 盐吸热器2入口；
所述的熔盐储热放热系统的工作介质为熔盐。
所述的熔盐储热放热系统还包括高温熔盐储罐8和低温熔盐储罐9， 高温熔盐储罐8入口与熔盐吸热器2出口相连，高温熔盐储罐8出口与高 温熔盐泵3入口相连；低温熔盐储罐9入口连接熔盐与二氧化碳换热器5 热侧出口，低温熔盐储罐9出口与低温熔盐泵6入口相连。
所述的镜场1由若干定日镜组成。
所述的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统的运行方 法，工质经过主压缩机15增压后，依次在低温回热器13、高温回热器12 及熔盐与二氧化碳换热器5吸热，温度升高后进入超临界二氧化碳透平10 膨胀做功，做完功后的工质进入给水与二氧化碳换热器11辅助加热燃煤 机组的给水，辅助加热给水后的工质依次进入高温回热器12、低温回热器13放热，放热后的工质分为两路，一路经过再压缩机16增压后汇入低温 回热器13冷侧出口，另一路经过预冷器14冷却放热后进入主压缩机15 增压，完成超临界二氧化碳闭式循环；
燃煤机组给水泵出口分流的部分给水进入给水与二氧化碳换热器11 吸热，温度升高后汇入燃煤机组高压加热器水侧出口或者锅炉入口，流经 高压加热器的给水量减少，在给水焓升不变情况下，相应减少汽轮机的抽 汽量，增加汽轮机做功；
镜场1将太阳光反射聚集到熔盐吸热器2的外表面，加热熔盐吸热器 2内的熔盐，熔盐吸热器2内吸热升温后的熔盐依次经过高温熔盐泵3和 高温熔盐调节阀4输送至熔盐与二氧化碳换热器5放热，放热降温后的熔 盐依次经过低温熔盐泵6和低温熔盐调节阀7输送至熔盐吸热器2再次吸 热，完成熔盐循环；
所述的运行方法，当太阳光照条件较好时，低温熔盐储罐9中的低温 熔盐被输送至熔盐吸热器2吸热，熔盐吸热器2出口的高温熔盐除进入熔 盐与二氧化碳换热器5加热二氧化碳工质，剩余的高温熔盐进入高温熔盐 储罐8储存起来；
当太阳光照条件较差时，熔盐吸热器2出口的高温熔盐进入熔盐与二 氧化碳换热器5，无法加热二氧化碳工质至所需温度，高温熔盐储罐8中 的高温熔盐补充进入熔盐与二氧化碳换热器5，加热二氧化碳工质，放热 后的低温熔盐除进入熔盐吸热器2吸热，剩余的低温熔盐进入低温熔盐储 罐9储存起来，完成熔盐储热放热循环。
本发明具有以下有益的技术效果：
本系统通过聚光集热系统将太阳能转化为熔盐的热能，进而转化为超 临界二氧化碳的热能，推动超临界二氧化碳透平做功，进一步将热能转化 为机械能、电能。通过在超临界二氧化碳循环中增设给水与二氧化碳换热 器，利用超临界二氧化碳透平排气加热燃煤机组部分给水，在给水焓升保 持不变的情况下，能够减少燃煤机组汽轮机抽汽，增加汽轮机做功，进而 提高燃煤机组发电效率；同时相比常规的超临界二氧化碳透平排气直接进入高温回热器热侧的系统布置，透平排气先在给水与二氧化碳换热器中放 热，降温后再进入高温回热器热侧，能够降低高温回热器冷侧出口二氧化 碳的温度，即降低熔盐与二氧化碳换热器冷侧入口二氧化碳温度，进而有 效冷却熔盐，保证熔盐储热放热系统的安全运行，提高光热发电系统的可 靠性，实现了太阳能与燃煤发电的互补效果。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
其中，1为镜场、2为熔盐吸热器、3为高温熔盐泵、4为高温熔盐调 节阀、5为熔盐与二氧化碳换热器、6为低温熔盐泵、7为低温熔盐调节阀、 8为高温熔盐储罐、9为低温熔盐储罐、10为超临界二氧化碳透平、11为 给水与二氧化碳换热器、12为高温回热器、13为低温回热器、14为预冷 器、15为主压缩机、16为再压缩机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热 发电系统，包括熔盐与二氧化碳换热器5、超临界二氧化碳透平10、给水 与二氧化碳换热器11、高温回热器12、低温回热器13、预冷器14、主压 缩机15及再压缩机16；其中，熔盐与二氧化碳换热器5冷侧出口与超临 界二氧化碳透平10入口相连，超临界二氧化碳透平10出口则依次连接给 水与二氧化碳换热器11热侧入口和出口、高温回热器12热侧入口和出口、 低温回热器13的热侧入口，低温回热器13热侧出口分别连接预冷器14 热侧入口和再压缩机16入口，预冷器14热侧出口连接主压缩机15入口， 主压缩机15出口依次连接低温回热器13冷侧入口和出口、高温回热器12 冷侧入口和出口、熔盐与二氧化碳换热器5的冷侧入口；再压缩机16出 口则与低温回热器13冷侧出口相连接。
本发明提供的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统，还 包括依次相连的熔盐吸热器2、高温熔盐泵3、高温熔盐调节阀4、熔盐与 二氧化碳换热器5、低温熔盐泵6、低温熔盐调节阀7；其中，熔盐吸热器 2出口经高温熔盐泵3和高温熔盐调节阀4连接熔盐与二氧化碳换热器5 热侧入口，熔盐与二氧化碳换热器5热侧出口经低温熔盐泵6和低温熔盐 调节阀7连接熔盐吸热器2入口。
本发明提供的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统，还 包括高温熔盐储罐8和低温熔盐储罐9；高温熔盐储罐8入口与熔盐吸热 器2出口相连接，高温熔盐储罐8出口与高温熔盐泵入口相连接；低温熔 盐储罐9入口连接熔盐与二氧化碳换热器5热侧出口，低温熔盐储罐9出 口连接低温熔盐泵6入口。
本发明提供的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统，还 包括给水与二氧化碳换热器11，其中，给水与二氧化碳换热器11冷侧入 口连接燃煤机组给水泵出口，给水与二氧化碳换热器11冷侧出口连接燃 煤机组高压加热器出口。
本发明提供的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统，还 包括由若干定日镜组成的镜场1，镜场1反射的太阳光被熔盐吸热器2吸 收。
本发明中，超临界二氧化碳循环工作介质采用超临界的二氧化碳，储 热放热系统中的工作介质采用熔盐。
本发明提供的辅助加热给水的超临界二氧化碳循环光热发电系统运 行方法包括以下步骤：由若干定日镜组成的镜场1将太阳光反射聚集到熔 盐吸热器2的外表面，加热熔盐吸热器2内的低温熔盐；在熔盐吸热器2 内吸热升温后的高温熔盐经过高温熔盐泵3和高温熔盐调节阀4输送至熔 盐与二氧化碳换热器5的热侧，加热熔盐与二氧化碳换热器5冷侧的超临 界二氧化碳；在熔盐与二氧化碳换热器5热侧中放热降温后的低温熔盐经 过低温熔盐泵6和低温熔盐调节阀7输送至熔盐吸热器2，低温熔盐在熔 盐吸热器2中再次吸热升温，完成熔盐吸热放热循环。
在光照条件较好时，储存在低温熔盐储罐9中的低温熔盐经过低温熔 盐泵6和低温熔盐调节阀7输送至熔盐吸热器2被加热升温，熔盐吸热器 2出口的高温熔盐除进入熔盐与二氧化碳换热器5热侧外，剩余的高温熔 盐进入高温熔盐储罐8储存起来；当光照条件较差或者熔盐吸热器2出口 的高温熔盐不能够将熔盐与二氧化碳换热器冷侧的超临界二氧化碳加热 到需要的温度时，储存在高温熔盐储罐8中的高温熔盐经过高温熔盐泵3 和高温熔盐调节阀4输送至熔盐与二氧化碳换热器5热侧，熔盐与二氧化 碳换热器5热侧出口的低温熔盐除进入熔盐吸热器2外，剩余的低温熔盐 进入低温熔盐储罐9储存起来。
熔盐与二氧化碳换热器5冷侧被加热到额定温度的高温工质进入超临 界二氧化碳透平10进行膨胀做功，在超临界二氧化碳透平10中膨胀做完 功的高温二氧化碳工质依次进入给水与二氧化碳换热器11、高温回热器 12、低温回热器13热侧放热降温，低温回热器13热侧出口的二氧化碳工 质分为两路，一路工质进入预冷器14热侧继续放热降温，另一路工质进 入再压缩机16增压。
预冷器14热侧放热降温后的低温二氧化碳工质经过主压缩机15增压 后，进入低温回热器13冷侧吸热升温，而再压缩机16中增压后的工质与 低温回热器13冷侧出口的工质汇合，然后依次进入高温回热器12、熔盐 与二氧化碳换热器5的冷侧继续吸热升温，熔盐与二氧化碳换热器5冷侧 出口的高温二氧化碳再次进入超临界二氧化碳透平10中膨胀做功，完成 超临界二氧化碳循环。
从燃煤机组给水泵出口分流部分水工质进入给水与二氧化碳换热器 11冷侧吸热升温，然后与燃煤机组高压加热器出口的给水进行汇合，一起 进入锅炉；由于部分给水分流至给水与二氧化碳换热器11，因此进入燃煤 机组高压加热器水侧的工质流量减少，在进入锅炉的给水温度或者高压加 热器的给水焓升保持不变的情况下，高压加热器所需的汽轮机抽汽量将相 应减少，燃煤机组汽轮机的做功将会增加，发电机功率相应增加，发电效率提高。
以上所述的具体实施方式，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方 式而已，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。
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