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CN112432369B - 基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统 - Google Patents

基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统，包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、槽式太阳能集热系统和吸收式制冷循环系统三个子系统。超临界二氧化碳布雷顿循环系统在其自身消耗气体燃料的同时，还利用了槽式太阳能集热系统和吸收式制冷系统的一部分热量；槽式太阳能集热系统通过收集阳光的热量来为整个系统提供热源；吸收式制冷循环系统以槽式太阳能集热系统提供的热量或管式燃烧炉提供的热量作为驱动热源，作为整个系统的冷源输出。由于槽式太阳能系统对天气有一定的依赖，存在不稳定性，故整个系统通过控制管道阀门的通断和气体燃料的流量大小，实现了三个子系统的完美耦合，在保证了系统稳定运行的同时，还提高了能量利用率。

Description

基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电 三联产系统
技术领域
本发明涉及一种中低品位余热利用发电技术，尤其涉及一种基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统。
背景技术
目前，煤、石油、天然气等传统化石能源因大量不断消耗而日渐枯竭，同时化石燃料燃烧所造成的环境污染和生态破坏也日益严重，危害人类的身体健康。为了实现能源与环境的可持续发展，一方面要努力调整经济结构，提高传统能源利用效率，减少对环境有害物质的排放，更为重要的是，要积极开发风能、地热能、太阳能、潮汐能、生物质能等新型可再生能源。其中太阳能具有经济、清洁、安全等诸多优点，是可再生能源开发中的重要组成部分，最大化利用太阳能在未来可以缓解能源紧张的问题。目前对太阳能的利用正在逐渐趋于多元化，呈现出以太阳能为驱动动力或者作为辅助的耦合热源系统的趋势。因此，可以在利用太阳能的基础上耦合上其他热源，组成新的能源利用率更高的系统。
超临界二氧化碳具有密度大、溶解能力强、传热性能好、粘度低，扩散系数大等优点。在临界点附近，温度和压力的微小变化就会导致流体的物性发生显著改变，这一性质使超临界二氧化碳极具应用前景。而且，二氧化碳无色无味无毒，化学性质不活泼，不易燃，使用安全，价格低廉，具有非常低的消耗臭氧潜值和气候变暖潜值，是一种对环境友好的天然工质。
吸收式制冷利用二元或多元工质对来实现制冷循环，目前应用最广泛的工质对有溴化锂-水(LiBr/H2O)和氨-水(NH3/H2O)，其中溴化锂-水工质对由于制冷系数较高、对热源温度要求低、无毒性和对环境友好，因而占据了主流地位。
如果能将超临界二氧化碳循环系统、太阳能集热系统和吸收式制冷系统耦合在一起，并有相当数量的冷、热、电三联产能量输出，将对节能减排有极其重要的意义。现有技术中还没有这方面的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统，包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、槽式太阳能集热系统和吸收式制冷循环系统；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括管式燃烧炉7、高压透平6、再热器4、烟气回热器14、低压透平16、发电机15、发电机21、乏汽回热器17、预冷器18、压气机20；
所述的吸收式制冷循环系统采用的溶液是溴化锂溶液，包括依次连接并形成一个循环的吸收器11、溶液泵10、发生器9、凝汽器8、溶液截止阀12、蒸发器13；
所述的槽式太阳能集热系统包括槽式太阳能集热器1、蓄热罐2、换热器3、热用户5，从槽式太阳能集热器1出来的管道分成并联的三条支路：
支路一通过蓄热罐2回到槽式太阳能集热器1；
支路二通过换热器3回到太阳能集热器1；
支路三依次通过乏汽再热器4、管式燃烧炉7、发生器9回到太阳能集热器1；
所述换热器3与热用户5单独构成一个小回路。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统，超临界二氧化碳布雷顿循环系统是整个系统的主要子系统，在其自身消耗气体燃料的同时，还利用了槽式太阳能集热系统和吸收式制冷系统的一部分热量，是整个系统的电力输出来源。槽式太阳能集热系统通过收集阳光的热量来为整个系统提供热源，包括对热用户的供热、布雷顿循环的乏汽再热和吸收式制冷的驱动热源，并且其蓄热罐的蓄热作用可使系统在夜间也能保证正常运行。吸收式制冷循环系统以槽式太阳能集热系统提供的热量或管式燃烧炉提供的热量作为驱动热源，作为整个系统的冷源输出。由于槽式太阳能系统对天气有一定的依赖，存在不稳定性，故整个系统通过控制管道阀门的通断和气体燃料的流量大小，实现了三个子系统的完美耦合，在保证了系统稳定运行的同时，还提高了能量利用率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统结构示意图。
图中：
1-槽式太阳能集热器，2-蓄热罐，3-换热器，4-再热器，5-热用户，6-高压透平，7-管式燃烧炉，8-凝汽器，9-发生器，10-溶液泵，11-吸收器，12-溶液截止阀，13-蒸发器，14-烟气回热器，15-发电机，16-低压透平，17-乏汽回热器，18-预冷器，19-冷库，20-压气机，21-发电机。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统，其较佳的具体实施方式是：
包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、槽式太阳能集热系统和吸收式制冷循环系统；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括管式燃烧炉7、高压透平6、再热器4、烟气回热器14、低压透平16、发电机15、发电机21、乏汽回热器17、预冷器18、压气机20；
所述的吸收式制冷循环系统采用的溶液是溴化锂溶液，包括依次连接并形成一个循环的吸收器11、溶液泵10、发生器9、凝汽器8、溶液截止阀12、蒸发器13；
所述的槽式太阳能集热系统包括槽式太阳能集热器1、蓄热罐2、换热器3、热用户5，从槽式太阳能集热器1出来的管道分成并联的三条支路：
支路一通过蓄热罐2回到槽式太阳能集热器1；
支路二通过换热器3回到太阳能集热器1；
支路三依次通过乏汽再热器4、管式燃烧炉7、发生器9回到太阳能集热器1；
所述换热器3与热用户5单独构成一个小回路。
所述压气机20入口连接预冷器18，出口连接吸收器11；
所述高压透平6入口连接的管式燃烧炉7，出口连接再热器4的冷端进口；
所述低压透平16进口与烟气回热器14冷端出口连接，出口与乏汽回热器17热端进口相连；
所述乏汽回热器17冷端进口与凝汽器8相连，出口与管式燃烧炉7相连；所述系统采用的工质是超临界二氧化碳；
所述压气机20、高压透平6和低压透平16分别采用不同轴结构，所述高压透平6和低压透平16采用轴流式高转速的透平，所述压气机20采用低圧缩比离心式高转速压缩机。
所述蓄热罐2采用的储热介质为熔盐、高纯度石墨或者储热油，所述槽式太阳能集热器1内部的导热介质选用导热油。
所述再热器4、乏汽回热器17、预冷器18采用耐高温高压的板式换热器，所述烟气回热器14采用耐高温高压的热管式换热器，所述换热器3采用耐高温高压的管壳式换热器。
整个系统的运行过程分为两部分：
第一部分是气体燃料和氧气在管式燃烧炉中燃烧产生高温烟气，超临界二氧化碳吸收高温烟气热量后进入高压透平6做功，做功后的超临界二氧化碳经过再热器4再热后，经由烟气回热器14进入低压透平16二次做功，做功后的乏汽依次通过乏汽回热器17热端和预冷器18热端后，再被通入压气机20升压后继续依次经过吸收器11、凝汽器8和乏汽回热器17冷端，回收热量后的乏汽再次回到管式燃烧炉7，完成热力循环；
第二部分是槽式太阳能集热器收集到热量后，利用导热油将热量进行输送，经由再热器4热端后，有两种选择：
一种是直接进入发生器9内部换热后回到槽式太阳能集热器1内完成循环；
二是再次通入到管式燃烧炉7内吸热后再进入发生器9放热，最后回到槽式太阳能集热器集热器1内部完成热力循环。
该系统根据天气变化、热用户5和冷库19对冷热源的需求以及当地电网负荷情况而调整管道阀门(K1～K9)的开关和燃料流量的大小，以便系统能以最优方案运行。
本发明的基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统，具有的优点和有益效果：
1.本发明虽利用了太阳能的光热作用，但整个系统通过对热源的合理耦合利用，使得整个系统的运行基本不再受限于天气，保证了大部分用户的需求，提高了系统的工作生产稳定性。
2.本发明采用的吸收式制冷，分别利用槽式太阳能热热器和气体燃料燃烧提供的热量作为驱动热源，在产生冷量的同时，还对超临界二氧化碳进行了预热，使得整个系统热量得到充分的利用，提高了系统整体的热效率。
3.本发明在利用太阳能和气体燃料的基础上，可以同时实现冷热电三联产，可以全面地满足用户的能源需求。
具体实施例：
如图1所示，包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、槽式太阳能集热系统、吸收式制冷循环系统；其中所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统特征在于：包括管式燃烧炉7、高压透平6、再热器4、烟气回热器14、低压透平16、发电机15、乏汽回热器17、预冷器18、压气机20、发电机21；其压气机入口连接预冷器18，出口连接吸收器11；高压透平6入口连接的管式燃烧炉7，出口连接再热器4冷端进口；低压透平进口与烟气回热器14冷端出口连接，出口与乏汽回热器17热端进口相连；乏汽回热器17冷端进口与凝汽器8相连，出口与管式燃烧炉7相连；所述系统采用的工质是超临界二氧化碳；所述压气机和透平各自采用不同轴设计。
作为本发明的优选实例，所述的槽式太阳能集热系统包括槽式太阳能集热器1、蓄热罐2、换热器3、热用户5；从太阳能槽式集热器出来的管道分成并联的三条支路，支路一通过蓄热罐2回到太阳能集热器1；支路二通过换热器3回到太阳能集热器1；支路三依次通过乏汽再热器4、管式燃烧炉7、发生器9回到太阳能集热器1；其中换热器3与热用户5单独构成一个小回路。
作为本发明的优选实例，所述的整个系统的运行过程分为两部分，第一部分是气体燃料和氧气在管式燃烧炉中燃烧产生热量，超临界二氧化碳吸收热量后通入高压透平6做功，做功后的超临界二氧化碳经过再热器4再热后，经由烟气回热器14通入低压透平16二次做功，做功后的乏汽依次通过乏汽回热器17热端和预冷器18热端后，再被通入压气机20升压后继续依次经过吸收器11、凝汽器8和乏汽回热器17冷端，回收热量后的乏汽再次回到管式燃烧炉7，完成热力循环。第二部分是槽式太阳能集热器收集到热量后，利用导热油介质将热量进行输送，经由再热器4热端后，可以有两种选择：一种是直接进入发生器9内部换热后回到槽式太阳能集热器1内完成循环；二是再次通入到管式燃烧炉7内吸热后再进入发生器9放热，最后回到集热器内部完成热力循环。
作为本发明的优选实例，所述的本系统可以根据天气变化、热用户5和冷库19对冷热源的需求和当地电网负荷情况来调整管道阀门K1～K9的开关和燃料流量的大小。整个系统的运行模式大致有以下三种：
1.当白天阳光充足时，关闭阀门K5和K7，其他阀门均打开。槽式太阳能集热器收集的热量分成三部分使用，一部分直接通入蓄热罐2中储存起来以备夜用，一部分通过换热器3供给热用户5，剩下一部分分成两股，一股先经过乏汽再热器4，去加热从高压透平6出来的乏汽，接着和另一股汇合后通入发生器9里，作为吸收式制冷系统的驱动热源，其中各个部分导热工质的流量和气体燃料的流量大小依具体情况而定。此时整个系统可以实现冷热电三联产。
2.当晚上没有阳光时，槽式太阳能集热器不工作，阀门K10、K11、K2、K5、K7关闭，其他阀门打开。此时蓄热罐2里的热量分为两部分，一部分通过换热器4供给热用户5，剩下一部分分成两股，一股先经过乏汽再热器4，去加热从高压透平6出来的乏汽，接着和另一股汇合后通入发生器9里，作为吸收式制冷系统的驱动热源，其中各个部分导热工质的流量和气体燃料的流量大小依具体情况而定。此时整个系统依然可以实现冷热电三联产。
3.当长期缺乏阳光时，槽式太阳能集热器1和蓄热罐2都不工作，阀门K10、K11、K4、K8、K2、K6关闭，其他阀门均打开。此时从蓄热罐2里的导热工质温度不高，需要送到管式燃烧炉7中被加热，加热后的导热工质通入发生器9中，为吸收式制冷系统提供驱动热源，其中各个部分导热工质的流量和气体燃料的流量大小依具体情况而定。此时整个系统只可以进行冷电联产。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种基于超临界二氧化碳循环和槽式太阳能吸收式制冷的冷热电三联产系统，其特征在于，包括超临界二氧化碳布雷顿循环系统、槽式太阳能集热系统和吸收式制冷循环系统；
所述的超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括管式燃烧炉（7）、高压透平（6）、再热器（4）、烟气回热器（14）、低压透平（16）、发电机一（15）、发电机二（21）、乏汽回热器（17）、预冷器（18）、压气机（20）；
所述的吸收式制冷循环系统采用的溶液是溴化锂溶液，包括依次连接并形成一个循环的吸收器（11）、溶液泵（10）、发生器（9）、凝汽器（8）、溶液截止阀（12）、蒸发器（13）；
所述的槽式太阳能集热系统包括槽式太阳能集热器（1）、蓄热罐（2）、换热器（3）、热用户（5），从槽式太阳能集热器（1）出来的管道分成并联的三条支路：
支路一通过蓄热罐（2）回到槽式太阳能集热器（1）；
支路二通过换热器（3）回到太阳能集热器（1）；
支路三依次通过再热器（4）、管式燃烧炉（7）、发生器（9）回到太阳能集热器（1）；
所述换热器（3）与热用户（5）单独构成一个小回路；
所述压气机（20）入口连接预冷器（18），出口连接吸收器（11）；
所述高压透平（6）入口连接管式燃烧炉（7），出口连接再热器（4）的冷端进口；
所述低压透平（16）进口与烟气回热器（14）冷端出口连接，出口与乏汽回热器（17）热端进口相连；
所述乏汽回热器（17）冷端进口与凝汽器（8）相连，出口与管式燃烧炉（7）相连；所述系统采用的工质是超临界二氧化碳；
所述压气机（20）、高压透平（6）和低压透平（16）分别采用不同轴结构，所述高压透平（6）和低压透平（16）采用轴流式高转速的透平，所述压气机（20）采用低压缩比离心式高转速压缩机；
所述蓄热罐（2）采用的储热介质为熔盐、高纯度石墨或者储热油，所述槽式太阳能集热器（1）内部的导热介质选用导热油；
所述再热器（4）、乏汽回热器（17）、预冷器（18）采用耐高温高压的板式换热器，所述烟气回热器（14）采用耐高温高压的热管式换热器，所述换热器（3）采用耐高温高压的管壳式换热器；
整个系统的运行过程分为两部分：
第一部分是气体燃料和氧气在管式燃烧炉中燃烧产生高温烟气，超临界二氧化碳吸收高温烟气热量后进入高压透平（6）做功，做功后的超临界二氧化碳经过再热器（4）再热后，经由烟气回热器（14）进入低压透平（16）二次做功，做功后的乏汽依次通过乏汽回热器（17）热端和预冷器（18）热端后，再被通入压气机（20）升压后继续依次经过吸收器（11）、凝汽器（8）和乏汽回热器（17）冷端，回收热量后的乏汽再次回到管式燃烧炉（7），完成热力循环；
第二部分是槽式太阳能集热器收集到热量后，利用导热油将热量进行输送，经由再热器（4）热端后，有两种选择：
一种是直接进入发生器（9）内部换热后回到槽式太阳能集热器（1）内完成循环；
二是再次通入到管式燃烧炉（7）内吸热后再进入发生器（9）放热，最后回到槽式太阳能集热器（1）内部完成热力循环；
该系统根据天气变化、热用户（5）和冷库（19）对冷热源的需求以及当地电网负荷情况而调整管道阀门（K1~K9）的开关和燃料流量的大小，以便系统能以最优方案运行。
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