混合物工质超临界布雷顿循环光热发电系统及发电方法与流程

本发明属于先进高效光热发电技术领域，具体涉及一种以co2和sf6混合物为工质的超临界布雷顿循环光热发电系统及发电方法。

背景技术：

积极发展太阳能热发电技术不仅可以减少对煤炭等化石能源的依赖，还可以充分发挥其低成本高效储热和出力可调可控等优势，实现网源友好发展，大幅提高电网消纳可再生能源的能力。因此，作为一种灵活的调峰电源，光热发电被认为是最具有可能替代传统火力发电的清洁能源，已成为可再生能源发展的重要方向。

如何提高光热发电动力循环系统的效率是进一步降低光热发电成本的关键。目前，主要包括两种技术路线：一是开发更高温度等级的集热技术，进一步提高动力循环系统中的最高温度，使动力循环系统的热效率提高，如目前比较热门的基于固体颗粒集热的光热发电技术；另一种则是开发更为先进高效的动力循环系统，取代目前应用较多的蒸汽朗肯循环系统，如国际上正被广泛研究的超临界co2布雷顿循环系统。不难想象，基于颗粒集热的光热超临界co2布雷顿循环发电系统必然会成为未来光热发电技术的一个重要发展方向，目前已成为国内外该领域的研究热点。

众所周知，对于超临界co2循环发电系统来讲，其循环的高效率优势主要得益于压缩机在co2临界点附近压缩时会显著降低压缩耗功，从而使系统循环热效率显著提高。当压缩机进口温度偏离临界点温度时，超临界co2循环发电系统的效率会急剧降低，其所拥有的高效率优势将不复存在。例如，对于某分流再压缩超临界co2循环系统，当主压缩机进口温度从32℃变为45℃时，循环系统的热效率降低非常显著，从50.07％降低到44.25％。然而，通常光热资源丰富的地区往往位于沙漠等干旱严重缺水地区。对于这些地区来讲，当开发建设光热超临界co2循环发电系统时，采用空气干冷是唯一的选择。然而，由于这些地区的环境平均气温较高，夏季时可达35-45℃，如何解决超临界co2循环系统的高效率与压缩机进口温度难以冷却到co2的临界温度之间的矛盾是目前面临的主要技术难点。

此外，颗粒-sco2换热器作为基于颗粒集热的光热发电系统中连接太阳热输入和动力循环之间的重要关键设备，其运行过程中如何保证换热器颗粒出口温度和透平进口工质温度达到设定值并稳定运行是直接影响整个光热sco2循环发电系统运行高效性和调峰灵活性的主要因素。截至目前，针对如何解决颗粒-sco2换热器的控制问题以确保换热器颗粒出口温度和透平进口工质温度达到设定值并稳定运行尚未见公开报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种以co2和sf6混合物为工质的超临界布雷顿循环光热发电系统及发电方法，该系统以超临界co2和sf6混合物为循环工质，由于sf6的临界点温度(45.57℃)比co2的临界点温度(30.98℃)高，sf6的加入能够提高混合物工质的临界点温度，从而可以很好地解决常规超临界co2循环系统的高效率与压缩机进口温度难以冷却到co2的临界温度之间的矛盾。此外，该系统在颗粒-sco2换热器工质侧进口和出口分别引入分流控制阀和混合器，在实际运行过程中，通过分流控制阀调节进入颗粒-sco2换热器中的工质流量，从而可以很好地解决系统中颗粒-sco2换热器对透平进口工质温度的有效控制问题，显著提高整个光热sco2循环发电系统运行高效性和调峰灵活性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种混合物工质超临界布雷顿循环光热发电系统，包括光热热源输入子系统以及超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统；

所述的光热热源输入子系统包括镜场1、颗粒集热器2、热罐3、冷罐4和颗粒/s-co2换热器5，来自太阳照射的辐射热通过镜场1聚焦后投射到颗粒集热器2上，冷罐4的颗粒出口与颗粒集热器2的颗粒入口相连通，颗粒集热器2的颗粒出口与热罐3的颗粒入口相连通，热罐3的颗粒出口与颗粒/s-co2换热器5的颗粒入口相连通，颗粒/s-co2换热器5的颗粒出口与冷罐4的颗粒入口相连通；

所述的超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统采用超临界co2和sf6混合物工质，包括颗粒/s-co2换热器5、分流控制阀6、混合器7、透平8、高温回热器9、低温回热器10、再压缩机11、预冷器12和主压缩机13；低温回热器10的热侧出口分为两路，其中一路经预冷器12与主压缩机13的入口相连通，主压缩机13的出口与低温回热器10的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机11的入口相连通，再压缩机11的出口与低温回热器10的冷侧出口通过管道并管后与高温回热器9的冷侧入口相连通，高温回热器9的冷侧出口与分流控制阀6的入口相连通，分流控制阀6的一个出口与颗粒/s-co2换热器5的工质入口相连通，进入颗粒/s-co2换热器5的超临界co2和sf6混合物工质吸收高温固体颗粒放热后通过颗粒/s-co2换热器5的工质出口与来自分流控制阀6的另一个出口的混合工质通过混合器7混合后进入透平8做功发电，透平8的工质出口与高温回热器9的热侧入口相连通，高温回热器9的热侧出口与低温回热器10的热侧入口相连通。

超临界co2和sf6混合物工质中sf6的摩尔比例范围为0.25-0.55，存在一个最佳值，具体最佳值的确定根据系统的设计边界条件通过优化计算确定。

在颗粒/s-co2换热器5的工质入口管道上设置有分流控制阀6，通过调节分流控制阀6改变进入颗粒/s-co2换热器5中的混合物工质流量，实现对透平8进口工质温度的有效控制。

所述的一种混合物工质超临界布雷顿循环光热发电系统的光热发电方法，来自冷罐4中的低温固体颗粒在颗粒集热器2内吸收所聚焦的太阳辐射热后成为高温固体颗粒，高温固体颗粒进入热罐3后储存备用，当超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统需要发电时，储存在热罐3中的高温固体颗粒通过热罐3的颗粒出口进入颗粒/s-co2换热器5的颗粒入口，在颗粒/s-co2换热器5中，高温固体颗粒与超临界co2和sf6混合物工质进行换热将热量输入到超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统中，完成换热的低温固体颗粒通过颗粒/s-co2换热器5的颗粒出口进入冷罐4的颗粒入口，并进入冷罐4中储存以便进行下一个吸热循环过程；来自高温回热器9的超临界co2和sf6混合物工质通过分流控制阀6分成两路，一路进入颗粒/s-co2换热器5吸收高温固体颗粒放热后进入混合器7，另一路直接进入混合器7混合汇流后进入透平8对外做功发电，完成做功的超临界co2和sf6混合物工质依次进入高温回热器9和低温回热器10放热后再分成两路，其中一路通过预冷器12冷却后进入主压缩机13压缩，随后进入低温回热器10吸热后从低温回热器10冷侧出口流出，另一路直接进入再压缩机11压缩后与低温回热器10冷侧出口流出的超临界co2和sf6混合物工质混合汇流后进入高温回热器9吸热。

所述的光热发电方法，采用超临界co2和sf6混合物工质，混合物工质的临界温度增加，有效解决超临界co2循环系统的高效率与压缩机进口温度难以冷却到co2的临界温度之间的矛盾问题；在颗粒/s-co2换热器5的工质入口管道上设置有分流控制阀6，通过调节分流控制阀6使得进入颗粒/s-co2换热器5中的混合物工质流量改变，从而实现对透平8进口工质温度的有效控制，达到提高整个循环发电系统运行高效性和调峰灵活性的目的。

和现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的一种以co2和sf6混合物为工质的超临界布雷顿循环光热发电系统及方法，具有如下优点：(1)以超临界co2和sf6混合物为工质，能够很好地解决光热资源丰富地区建设光热超临界co2循环电站时超临界co2循环系统的高效率与压缩机进口温度难以冷却到co2的临界温度之间的矛盾，由于混合物工质的临界点温度提高，超临界co2和sf6混合物布雷顿循环光热发电系统中主压缩机进口工质温度可以冷却到混合物工质临界点附近，使得压缩机耗功显著降低，因此该系统的循环热效率显著提高；(2)在循环系统的实际运行过程中，通过分流控制阀调节进入颗粒-sco2换热器中的工质流量，可以有效地解决系统中颗粒-sco2换热器对透平进口工质温度的控制问题，显著提高整个光热发电系统的运行高效性和调峰灵活性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为镜场、2为颗粒集热器、3为热罐、4为冷罐、5为颗粒/s-co2换热器、6为分流控制阀、7为混合器、8为透平、9为高温回热器、10为低温回热器、11为再压缩机、12为预冷器、13为主压缩机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的一种混合物工质超临界布雷顿循环光热发电系统，包括光热热源输入子系统以及超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统；

所述的光热热源输入子系统包括镜场1、颗粒集热器2、热罐3、冷罐4和颗粒/s-co2换热器5，来自太阳照射的辐射热通过镜场1聚焦后投射到颗粒集热器2上，冷罐4的颗粒出口与颗粒集热器2的颗粒入口相连通，颗粒集热器2的颗粒出口与热罐3的颗粒入口相连通，热罐3的颗粒出口与颗粒/s-co2换热器5的颗粒入口相连通，颗粒/s-co2换热器5的颗粒出口与冷罐4的颗粒入口相连通；

所述的超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统采用超临界co2和sf6混合物工质，包括颗粒/s-co2换热器5、分流控制阀6、混合器7、透平8、高温回热器9、低温回热器10、再压缩机11、预冷器12和主压缩机13；低温回热器10的热侧出口分为两路，其中一路经预冷器12与主压缩机13的入口相连通，主压缩机13的出口与低温回热器10的冷侧入口相连通，另一路与再压缩机11的入口相连通，再压缩机11的出口与低温回热器10的冷侧出口通过管道并管后与高温回热器9的冷侧入口相连通，高温回热器9的冷侧出口与分流控制阀6的入口相连通，分流控制阀6的一个出口与颗粒/s-co2换热器5的工质入口相连通，进入颗粒/s-co2换热器5的超临界co2和sf6混合物工质吸收高温固体颗粒放热后通过颗粒/s-co2换热器5的工质出口与来自分流控制阀6的另一个出口的混合工质通过混合器7混合后进入透平8做功发电，透平8的工质出口与高温回热器9的热侧入口相连通，高温回热器9的热侧出口与低温回热器10的热侧入口相连通。

作为本发明的优选实施方式，超临界co2和sf6混合物工质中sf6的摩尔比例范围为0.25-0.55，存在一个最佳值，具体最佳值的确定根据系统的设计边界条件通过优化计算确定。

本发明在颗粒/s-co2换热器5的工质入口管道上设置有分流控制阀6，通过调节分流控制阀6改变进入颗粒/s-co2换热器5中的混合物工质流量，实现对透平8进口工质温度的有效控制。

如图1所示，本发明所述的一种混合物工质超临界布雷顿循环光热发电系统的光热发电方法，来自冷罐4中的低温固体颗粒在颗粒集热器2内吸收所聚焦的太阳辐射热后成为高温固体颗粒，高温固体颗粒进入热罐3后储存备用，当超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统需要发电时，储存在热罐3中的高温固体颗粒通过热罐3的颗粒出口进入颗粒/s-co2换热器5的颗粒入口，在颗粒/s-co2换热器5中，高温固体颗粒与超临界co2和sf6混合物工质进行换热将热量输入到超临界co2和sf6混合物工质动力循环发电子系统中，完成换热的低温固体颗粒通过颗粒/s-co2换热器5的颗粒出口进入冷罐4的颗粒入口，并进入冷罐4中储存以便进行下一个吸热循环过程；来自高温回热器9的超临界co2和sf6混合物工质通过分流控制阀6分成两路，一路进入颗粒/s-co2换热器5吸收高温固体颗粒放热后进入混合器7，另一路直接进入混合器7混合汇流后进入透平8对外做功发电，完成做功的超临界co2和sf6混合物工质依次进入高温回热器9和低温回热器10放热后再分成两路，其中一路通过预冷器12冷却后进入主压缩机13压缩，随后进入低温回热器10吸热后从低温回热器10冷侧出口流出，另一路直接进入再压缩机11压缩后与低温回热器10冷侧出口流出的超临界co2和sf6混合物工质混合汇流后进入高温回热器9吸热。

本发明所述的光热发电方法，采用超临界co2和sf6混合物工质，混合物工质的临界温度增加，有效解决超临界co2循环系统的高效率与压缩机进口温度难以冷却到co2的临界温度之间的矛盾问题；在颗粒/s-co2换热器5的工质入口管道上设置有分流控制阀6，通过调节分流控制阀6使得进入颗粒/s-co2换热器5中的混合物工质流量改变，从而实现对透平8进口工质温度的有效控制，达到提高整个循环发电系统运行高效性和调峰灵活性的目的。

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。