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CN110905747A - 一种利用高温太阳能和lng冷能的联合动力循环发电系统 - Google Patents

一种利用高温太阳能和lng冷能的联合动力循环发电系统 Download PDF

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Abstract

一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，包括塔式聚光型太阳能集热器集热循环、S‑CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环、天然气直接膨胀过程；本发明白天通过聚光型太阳能集热循环，使高温熔融盐从太阳能吸热器中吸收热量，并将热量传递给S‑CO2再压缩布雷顿循环系统发电，储存其排出的废热，夜晚再提供给卡琳娜循环发电；在解决太阳能时间分布不均问题的同时，避免了高温蓄热的困难，并将LNG冷能回收利用，避免了冷能的损失，可以有效的提高联合发电系统的效率，具有结构紧凑、控制灵活、高效节能、成本低廉及实用性强的优点。

Description

一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统
技术领域
本发明涉及一种发电系统，具体涉及一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统。
背景技术
太阳能作为一种可再生的新能源，已成为目前应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一。对于高温热源，S-CO2(supercritical carbon dioxide，超临界二氧化碳)布雷顿循环具有体积小、热效率高、安全环保等优点，是下一代太阳能光热发电系统中最具潜力的热力循环形式。但该技术受到太阳能随时间分布的不均匀性制约。
LNG(liquefied natural gas，液化天然气)需要通过气化器加热气化成常温天然气供给用户使用。LNG在气化过程中会释放出大量的冷能。将该部分冷能进行有效回收利用，会产生巨大的经济效益。以氨-水混合物作为工质的卡琳娜循环在中低温热能利用中具有显著优势。在卡琳娜循环中，氨-水混合物的吸热蒸发过程为变温过程，可以使热源的放热过程与混合工质的吸热过程曲线更好的匹配，从而最大限度地降低放热过程中的不可逆损失，提高其热能利用效率。将LNG作为卡琳娜循环的冷源能够进一步提高其发电效率，但该技术对LNG冷能的利用率不高。天然气直接膨胀发电技术具有工艺简单、成本低等优点，但仅能利用LNG的压力能，同样存在冷能利用率低的缺点。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，该系统将S-CO2循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀发电技术应用到太阳能光热发电和LNG冷能利用领域，在解决太阳能时间分布不均问题的同时，避免了高温蓄热的困难，能够提高发电效率，并大幅度降低光热发电成本；同时对LNG冷能进行梯级利用，避免了冷能的损失，有效提高了联合发电系统的热效率和发电效率；具有结构紧凑、控制灵活、高效节能、成本低廉及实用性强的优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，包括塔式聚光型太阳能集热循环、S-CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀过程；
所述塔式聚光型太阳能集热循环包括定日镜23，定日镜23吸收太阳光并将热量传递给吸热器22，吸热器22的工质出口侧与泵21的工质进口侧相连通，泵21的工质出口侧与第三换热器20的热流进口侧相连通，第三换热器20的热流出口侧与吸热器22的工质进口侧相连通；
所述的S-CO2再压缩布雷顿循环系统包括主压缩机14，主压缩机14的出气口与低温回热器16的进气口相连通，低温回热器16的出气口与再压缩机15的出气口通过第一混合器18连入高温回热器17的冷流进口侧，高温回热器17的冷流出气口与第三换热器20的冷流进气口相连通，第三换热器20的冷流出气口与S-CO2透平膨胀机19的进气口相连通，S-CO2透平膨胀机19的出气口与高温回热器17的热流进气口相连通，高温回热器17的热流出气口与低温回热器16的热流进气口相连通，低温回热器16的热流出气口与第一换热器9的热流入口侧相连，第一换热器9的热流出口侧与三通器13进气口相连通，三通器13的第一出气口连入预冷器12的热流进气口，预冷器12的热流出气口与主压缩机14的进气口相连通，三通器13的第二出气口连入再压缩机15的进气口；
所述的卡琳娜循环系统包括氨水泵8，氨水泵8的工质出口侧与第一换热器9冷流入口侧连接，第一换热器9冷流出口侧接入分离器10工质入口侧，分离器10的气相出口端与氨气透平膨胀机11的进气口相联通，氨气透平膨胀机11的出气口与冷凝器3的进气口相连通，分离器10的液相出口端与第二换热器5的热流入口端相连通，第二换热器5的热流出口侧与节流阀6相接，冷凝器3的热流出口侧与节流阀6的出口通过第二混合器7连入氨水泵8的进口侧；
所述的天然气直接膨胀过程包括LNG储罐1，LNG储罐1与LNG泵2连接，LNG泵2接入冷凝器3的冷流进口侧，冷凝器3的冷流出口侧与第二换热器5的冷流进口侧相连通，第二换热器5的冷流出口侧与透平膨胀机4的进气口相连通，透平膨胀机4的出气口与预冷器12的冷流入口侧相接。
所述S-CO2再压缩布雷顿循环中循环介质为S-CO2。
所述卡琳娜循环中循环介质为氨水混合物。
所述冷凝器3中冷源介质为LNG。
所述预冷器12冷流出口侧直接连至用户或企业。
本发明通过将LNG引入S-CO2再压缩布雷顿循环，利用太阳能中高温热能的S-CO2再压缩布雷顿循环与使用LNG为冷源卡琳娜循环结合，既充分的利用太阳能中的高温热能，又对LNG冷能进行回收，从而提高整体系统的热效率和发电效率；采取聚光型太阳能集热器获取高温热量，能够有效的保证系统在较高集热温度下安全运行，确保系统整体具有较高的热效率。本发明白天主要依靠S-CO2发电，并储存其排出的废热，夜晚再提供给卡琳娜循环发电，在解决太阳能时间分布不均问题的同时避免了高温蓄热的困难，使系统能达到持续发电的状态，实现太阳能和LNG冷能的高效互补利用，具有结构紧凑、控制灵活、高效节能、成本低廉及实用性强的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、LNG储罐；2、LNG泵；3、冷凝器；4、透平膨胀机；5、第二换热器；6、节流阀；7、第二混合器；8、氨水泵；9、第一换热器；10、分离器；11、氨气透平膨胀机；12、预冷器；13、三通器；14、主压缩机；15、再压缩机；16、低温回热器；17、高温回热器；18、第一混合器；19、S-CO2透平膨胀机；20、第三换热器；21、泵；22、吸热器；23、定日镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，包括塔式聚光型太阳能集热循环、S-CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环和天然气直接膨胀过程；
所述塔式聚光型太阳能集热循环包括定日镜23，定日镜23吸收太阳光并将热量传递给吸热器22，吸热器22的工质出口侧与泵21的工质进口侧相连通，泵21的工质出口侧与第三换热器20的热流进口侧相连通，第三换热器20的热流出口侧与吸热器22的工质进口侧相连通；
所述的S-CO2再压缩布雷顿循环系统包括主压缩机14，主压缩机14的出气口与低温回热器16的进气口相连通，低温回热器16的出气口与再压缩机15的出气口通过第一混合器18连入高温回热器17的冷流进口侧，高温回热器17的冷流出气口与第三换热器20的冷流进气口相连通，第三换热器20的冷流出气口与S-CO2透平膨胀机19的进气口相连通，S-CO2透平膨胀机19的出气口与高温回热器17的热流进气口相连通，高温回热器17的热流出气口与低温回热器16的热流进气口相连通，低温回热器16的热流出气口与第一换热器9的热流入口侧相连，第一换热器9的热流出口侧与三通器13进气口相连通，三通器13的第一出气口连入预冷器12的热流进气口，预冷器12的热流出气口与主压缩机14的进气口相连通，三通器13的第二出气口连入再压缩机15的进气口；
所述的卡琳娜循环系统包括氨水泵8，氨水泵8的工质出口侧与第一换热器9冷流入口侧连接，第一换热器9冷流出口侧接入分离器10工质入口侧，分离器10的气相出口端与氨气透平膨胀机11的进气口相联通，氨气透平膨胀机11的出气口与冷凝器3的进气口相连通，分离器10的液相出口端与第二换热器5的热流入口端相连通，第二换热器5的热流出口侧与节流阀6相接，冷凝器3的热流出口侧与节流阀6的出口通过第二混合器7连入氨水泵8的进口侧；
所述的天然气直接膨胀过程包括LNG储罐1，LNG储罐1与LNG泵2连接，LNG泵2接入冷凝器3的冷流进口侧，冷凝器3的冷流出口侧与第二换热器5的冷流进口侧相连通，第二换热器5的冷流出口侧与透平膨胀机4的进气口相连通，透平膨胀机4的出气口与预冷器12的冷流入口侧相接。
所述S-CO2再压缩布雷顿循环中循环介质为S-CO2。
所述卡琳娜循环中循环介质为氨水混合物。
所述冷凝器3中冷源介质为LNG。
所述预冷器12出口侧直接连至用户或企业。
本发明的工作原理如下：
塔式聚光型太阳能集热器循环中的定日镜23吸收太阳光并将热量传递给吸热器22，熔融盐从塔式太阳能吸热器22中吸收热量，S-CO2与高温熔融盐在第三换热器20换热被加热为高温高压S-CO2，高温高压S-CO2通过布雷顿循环透平膨胀机19做功发电，做功后的S-CO2进入高温回热器17进行定压放热，加热低温侧S-CO2，然后进入低温回热器16定压放热；通过低温回热器16后，S-CO2进入第一换热器9将余热传递给卡琳娜循环，通过第一换热器9后，一部分S-CO2在三通器13内被分流直接进入再压缩压缩机15绝热压缩，另一部分S-CO2进入预冷器12进行预冷，经过预冷器12冷却后的S-CO2进入主压缩机14加压，高压S-CO2进入布雷顿循环中的低温回热器16吸热，从低温回热器16流出的S-CO2与再压缩机15出口的S-CO2在第一混合器18内混合后进入高温回热器17定压吸热，后面再次与被加热的高温熔融盐换热，完成整个S-CO2再压缩布雷顿循环；储罐1中的LNG经过LNG泵2增压，进入冷凝器3冷却有机工质，被冷凝的有机工质与另一部分从节流阀6中流出的有机工质在第二混合器7中混合，进入氨水泵8中增压，增压后的有机工质与第一换热器9中的高温S-CO2换热，然后进入分离器10中气液分离，气相进入氨气透平膨胀机11中发电，发完电后的气体重新进入冷凝器3中冷凝，液相中的余热在第二换热器5中与LNG进行换热，换热后的有机工质进入节流阀6，节流阀6中流出的有机工质再次与被冷凝器3冷却的有机工质在第二混合器7中混合，完成卡琳娜循环；储罐1中LNG增压后，经过冷凝器3冷却卡琳娜循环中的有机工质，随后LNG经过第二换热器5吸收分离器10中流出的液相工质余热，之后进入透平膨胀机4将高温高压天然气进行膨胀发电，最后在预冷器12中对S-CO2进行预冷完成天然气直接膨胀过程。
显然，以上具体实施方式中仅用于说明本发明的技术方案而非穷举，尽管参照上述具体实施方式对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，包括塔式聚光型太阳能集热循环、S-CO2再压缩布雷顿循环、卡琳娜循环及LNG直接膨胀过程；其特征在于：所述塔式聚光型太阳能集热循环包括定日镜(23)，定日镜(23)吸收太阳光并将热量传递给吸热器(22)，吸热器(22)的工质出口侧与泵(21)的工质进口侧相连通，泵(21)的工质出口侧与第三换热器(20)的热流进口侧相连通，第三换热器(20)的热流出口侧与吸热器(22)的工质进口侧相连通；
所述的S-CO2再压缩布雷顿循环系统包括主压缩机(14)，主压缩机(14)的出气口与低温回热器(16)的进气口相连通，低温回热器(16)的出气口与再压缩机(15)的出气口通过第一混合器(18)连入高温回热器(17)的冷流进口侧，高温回热器(17)的冷流出气口与第三换热器(20)的冷流进气口相连通，第三换热器(20)的冷流出气口与S-CO2透平膨胀机(19)的进气口相连通，S-CO2透平膨胀机(19)的出气口与高温回热器(17)的热流进气口相连通，高温回热器(17)的热流出气口与低温回热器(16)的热流进气口相连通，低温回热器(16)的热流出气口与第一换热器(9)的热流入口侧相连，第一换热器(9)的热流出口侧与三通器(13)进气口相连通，三通器(13)的第一出气口连入预冷器(12)的热流进气口，预冷器(12)的热流出气口与主压缩机(14)的进气口相连通，三通器(13)的第二出气口连入再压缩机(15)的进气口；
所述的卡琳娜循环系统包括氨水泵(8)，氨水泵(8)的工质出口侧与第一换热器(9)冷流入口侧连接，第一换热器(9)冷流出口侧接入分离器(10)工质入口侧，分离器(10)的气相出口端与氨气透平膨胀机(11)的进气口相联通，氨气透平膨胀机(11)的出气口与冷凝器(3)的进气口相连通，分离器(10)的液相出口端与第二换热器(5)的热流入口端相连通，第二换热器(5)的热流出口侧与节流阀(6)相接，冷凝器(3)的热流出口侧与节流阀(6)的出口通过第二混合器(7)连入氨水泵(8)的进口侧；
所述的天然气直接膨胀过程包括LNG储罐(1)，LNG储罐(1)与LNG泵(2)连接，LNG泵(2)接入冷凝器(3)的冷流进口侧，冷凝器(3)的冷流出口侧与第二换热器(5)的冷流进口侧相连通，第二换热器(5)的冷流出口侧与透平膨胀机(4)的进气口相连通，透平膨胀机(4)的出气口与预冷器(12)的冷流入口侧相接。
2.根据权利要求1所述的一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，其特征在于：所述S-CO2再压缩布雷顿循环中循环介质为S-CO2。
3.根据权利要求1所述的一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，其特征在于：所述卡琳娜循环中循环介质为氨水混合物。
4.根据权利要求1所述的一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，其特征在于：所述冷凝器(3)中冷源介质为LNG。
5.根据权利要求1所述的一种利用高温太阳能和LNG冷能的联合动力循环发电系统，其特征在于：所述预冷器(12)出口侧直接连至用户或企业。
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