一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统及调峰方法

本发明属于先进动力循环发电相关，更具体地，涉及一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统及调峰方法。

背景技术：

1、配置了储热装置的聚光式太阳能热发电(concentrated solar power，简称csp)系统可实现输出电力的灵活调控，不仅可作为基荷电站提供稳定的电力，更有望成为清洁、可靠的调峰电站，用以在未来的高比例可再生能源系统中消纳过剩的光伏电力和风电，从而促进可再生能源电力的大规模并网。

2、在众多的csp技术中，塔式太阳能热发电技术结合高温吸热、储热装置及超临界co2(supercritical co2，简称s-co2)布雷顿循环，具有进一步提升发电效率和降低发电成本的巨大潜力，因此近年来受到了广泛关注。s-co2循环作为csp系统重要的热功转换设备，其运行特性对csp系统的运行性能影响显著，s-co2循环设计优化及运行参数调控的相关研究是非常重要的。

3、现有超临界co2循环系统在用于发电时虽然在提升发电效率和降低发电成本方面具有巨大潜力，但只能保证在额定负荷下发电效率较高，在用于调峰场景时却存在随着调峰负荷的变化发电效率会大幅度降低的问题。因此，面对未来高比例可再生能源系统迫切的调峰需求，如何确定循环设备的优化设计方案，以使得循环在复杂的变化负荷工况下灵活、高效、安全运行是需要深入探讨的。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统及调峰方法，解决了现有超临界co2循环系统用于调峰场景时存在随着调峰负荷的变化发电效率会大幅度降低的问题，能够满足部分负荷下循环灵活运行的要求，而且兼顾了循环的高效性能，适用于调峰场景。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统，超临界二氧化碳循环发电调峰系统的透平机械设备包括透平、预压缩机、主压缩机和再压缩机，其中所述主压缩机或所述再压缩机与所述透平连轴布置、由所述透平进行驱动，其余压缩机连接有独立驱动结构。

3、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，所述主压缩机与所述透平连轴布置，所述预压缩机和所述再压缩机分别连接有独立驱动结构；

4、在所需调峰负荷为额定负荷的55％-100％时，所述再压缩机与所述透平连轴布置，所述预压缩机和所述主压缩机分别连接有独立驱动结构。

5、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，所述超临界二氧化碳循环发电调峰系统还包括：高温回热器、低温回热器、预冷却器、分流阀、中间冷却器和加热器；

6、所述透平的出口与所述高温回热器的第一入口相连，所述高温回热器的第一出口与所述低温回热器的第一入口相连，所述高温回热器的第二出口与所述加热器的入口相连，所述加热器的出口与所述透平的入口相连，所述低温回热器的第一出口与所述预冷却器的入口相连，所述预冷却器的出口与所述预压缩机的入口相连，所述预压缩机的出口通过所述分流阀与所述中间冷却器的入口和所述再压缩机的入口分别相连，所述中间冷却器的出口与所述主压缩机的入口相连，所述主压缩机的出口与所述低温回热器的第二入口相连，所述低温回热器的第二出口与所述高温回热器的第二入口相连，所述再压缩机的出口与所述高温回热器的第二入口相连。

7、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，所述加热器中的加热介质为熔融盐；所述分流阀的分流比为0.5-0.6。

8、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，所述透平的入口介质温度大于等于600℃；所述预压缩机、所述主压缩机和所述再压缩机的入口介质温度分别大于30.98℃。

9、按照本发明的另一个方面，提供了一种超临界二氧化碳循环发电调峰方法，基于上述任一项所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，所述方法包括：

10、将所述主压缩机或所述再压缩机与所述透平连轴布置、由所述透平进行驱动，其余压缩机连接独立驱动结构，用于所需调峰负荷为额定负荷的30％-100％范围内的调峰。

11、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，设置所述主压缩机与所述透平连轴布置，所述预压缩机和所述再压缩机分别连接独立驱动结构；

12、在所需调峰负荷为额定负荷的55％-100％时，设置所述再压缩机与所述透平连轴布置，所述预压缩机和所述主压缩机分别连接独立驱动结构。

13、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，当采用所述主压缩机与所述透平连轴布置方案时，随着所需调峰负荷的降低，所述主压缩机和所述再压缩机的轴转速逐渐降低，所述预压缩机的轴转速逐渐升高。

14、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，当采用所述再压缩机与所述透平连轴布置方案时，随着所需调峰负荷的降低，所述再压缩机的轴转速逐渐降低，所述主压缩机的轴转速先降低后升高，所述预压缩机的轴转速逐渐升高。

15、根据本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，在所需调峰负荷变化过程中，保持系统的分流比不变；其中所述分流比为所述主压缩机的工质流量与所述主压缩机和所述再压缩机的工质总流量的比值。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰系统及调峰方法：

17、1.将主压缩机或再压缩机与透平连轴布置，其他压缩机独立分轴布置，通过透平与压缩机连轴布置可以实现透平直接驱动压缩机，从而减少电动机驱动压缩机带来的额外能量损耗，从而有利于提高效率；且其他压缩机独立分轴布置，使得其他压缩机的轴转速可以灵活调节，主压缩机或再压缩机的轴转速也可以通过透平来调节，在用于调峰场景时随着调峰负荷的变化三个压缩机能够独立进行轴转速的调节，从而可灵活适应调峰负荷的变化，有利于在调峰负荷下优化获取最优运行参数，从而在调峰场景下保证系统发电效率不会大幅度降低；

18、2.该系统不仅可以满足部分负荷下循环灵活运行的要求，而且兼顾了循环的高效性能，适用于调峰场景；

19、3.深入考虑三类压缩机在不同负荷下的工作特性，包括三类压缩机的功耗特性以及随负荷变化的性能变化特性，进而基于不同的调峰深度需求，提出不同的循环设置方案，有利于最大程度的提高调峰场景下循环的发电效率。

技术特征：

1.一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统，其特征在于，超临界二氧化碳循环发电调峰系统的透平机械设备包括透平、预压缩机、主压缩机和再压缩机，其中所述主压缩机或所述再压缩机与所述透平连轴布置、由所述透平进行驱动，其余压缩机连接有独立驱动结构。

2.如权利要求1所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，其特征在于，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，所述主压缩机与所述透平连轴布置，所述预压缩机和所述再压缩机分别连接有独立驱动结构；

3.如权利要求1所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳循环发电调峰系统还包括：高温回热器、低温回热器、预冷却器、分流阀、中间冷却器和加热器；

4.如权利要求3所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，其特征在于，所述加热器中的加热介质为熔融盐；所述分流阀的分流比为0.5-0.6。

5.如权利要求1所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，其特征在于，所述透平的入口介质温度大于等于600℃；所述预压缩机、所述主压缩机和所述再压缩机的入口介质温度分别大于30.98℃。

6.一种超临界二氧化碳循环发电调峰方法，其特征在于，基于上述权利要求1-5中任一项所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，所述方法包括：

7.如权利要求6所述的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，其特征在于，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，设置所述主压缩机与所述透平连轴布置，所述预压缩机和所述再压缩机分别连接独立驱动结构；

8.如权利要求6所述的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，其特征在于，当采用所述主压缩机与所述透平连轴布置方案时，随着所需调峰负荷的降低，所述主压缩机和所述再压缩机的轴转速逐渐降低，所述预压缩机的轴转速逐渐升高。

9.如权利要求6所述的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，其特征在于，当采用所述再压缩机与所述透平连轴布置方案时，随着所需调峰负荷的降低，所述再压缩机的轴转速逐渐降低，所述主压缩机的轴转速先降低后升高，所述预压缩机的轴转速逐渐升高。

10.如权利要求6所述的超临界二氧化碳循环发电调峰方法，其特征在于，在所需调峰负荷变化过程中，保持系统的分流比不变；其中所述分流比为所述主压缩机的工质流量与所述主压缩机和所述再压缩机的工质总流量的比值。

技术总结
本发明属于先进动力循环发电相关技术领域，其公开了一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统及调峰方法，其中超临界二氧化碳循环发电调峰系统的透平机械设备主要包括透平、压缩机和换热器，其中主压缩机或再压缩机与透平连轴布置并由透平驱动，其余压缩机连接有独立驱动结构。本发明将主压缩机或再压缩机与透平连轴布置，通过透平与压缩机连轴布置可以实现透平直接驱动压缩机，从而减少电动机驱动压缩机带来的额外能量损耗，有利于提高效率；其他压缩机独立分轴布置，使得其他压缩机的轴转速在调峰负荷下可以灵活调节，可灵活适应调峰负荷的变化，有利于在调峰负荷下优化获取最优运行参数，从而在调峰场景下保证系统发电效率不会大幅度降低。

技术研发人员：杨竞择,姚洪,程沫涵,何舟磊,王旻栋
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15