一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统及其运行方法 |
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| 申请号 | CN202110018954.5 | 申请日 | 2021-01-07 | 公开(公告)号 | CN112814860B | 公开(公告)日 | 2023-12-22 |
| 申请人 | 中国船舶重工集团新能源有限责任公司; 中国船舶集团有限公司; | 发明人 | 栾海峰; 邵帅; 颜晓江; 陈娉婷; 夏柳; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | 1.一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统，其特征在于，包括塔式太阳能集热系统、动力岛系统和热泵制冷循环余热回收系统； |
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| 说明书全文 | 一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统及其运行方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种太阳能热电联供系统及其运行方法，具体涉及一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统及其运行方法，属于机械工程和节能技术领域。 背景技术[0002] 能源短缺和环境问题已经成为制约全球经济和社会发展的重大瓶颈，未来将影响到人类的生存状态。太阳能在我国以及全世界都是最丰富和可广泛获取的可再生能源形式，并由于其清洁无污染的特点，对解决能源危机和环境问题有着特别重要的作用。太阳能发电系统有多种形式，主要分为光伏和光热两大类。光伏由于照射的能量分布密度小，即要占用巨大面积，不利于建设大容量电站，同时光伏板制造过程中也存在不环保的因素，因此对于大容量机组，光热是主要的发展方向。 [0003] 目前，按照太阳采集系统的差异，光热发电主要分为四种形式：槽式、线式(菲涅尔式)、碟式和塔式。槽式太阳能热发电系统利用槽式抛物面进行聚光发电，通常采用导热油作传热蓄热介质，聚光比、集热温度与发电效率不高，但技术比较成熟，早在上世纪八十年代就开始商业化运行；塔式太阳能热发电系统利用定日镜汇聚太阳辐射能进行发电，聚光比、集热温度与发电效率较高，通常采用熔融盐与过热蒸汽作传热蓄热介质，世界范围内已建立和运行许多示范或商业化电站；碟式太阳能热发电系统利用抛物面反射镜进行聚光发电，规模较小，可用于分布式能源系统；线式太阳能热发电系统主要利用菲涅尔镜聚光发电，目前处于研发阶段。 [0004] 从发电方面看，目前光热机组主要采用的是以水蒸气为工质的朗肯循环发电系统，但该系统有一些难以克服的缺点。光热电站一般都建设在光照资源比较丰富的区域，这些区域都存在季节差异、昼夜差异较大的特点。 [0005] 从供热方面看，我国对生活用热的需求量的增长速度更加迅猛。因为效率低、污染大，根据国家相关政策，小锅炉供热已经基本被大锅炉集中供热所取代。然而，从热力学第二定律的角度看，用高品位的化学能直接生产低品位的热能，仍然存在着能源的巨大浪费。近年来，热泵循环作为一种高效节能的供暖方式，日益引起人们的关注。热泵循环通过利用低品位热能，提高综合能量利用效率，具有巨大的节能潜力。 发明内容[0006] 本发明的目的是针对现有技术中动力岛循环在夏季工况下背压较高的问题，以及热电联供系统无法全工况高效运行的问题，进而提供一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统及其运行方法，综合考量朗肯动力循环和热泵(制冷)循环，本发明为塔式太阳能光热发电和热泵(制冷)循环相结合的联产系统，其中朗肯动力循环的冷端和热泵 (制冷)循环相结合，采用塔式太阳能储热系统作为驱动热源以实现发电、供热乃至制冷的目的。本发明通过多个系统的有机结合，充分发挥组合的优势，将能量利用效率提高到 80％以上，具有显著的经济效益、社会效益和工程应用前景。 [0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0008] 方案一：一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统，包括塔式太阳能集热系统、动力岛系统和热泵制冷循环余热回收系统； [0009] 其中，塔式太阳能集热系统包括依次设置在蓄热回路中的聚光塔、高温蓄热器、高温蒸发器、低温蒸发器和低温蓄热器，低温蒸发器为热泵制冷循环余热回收系统的热泵系统提供所需的驱动蒸汽，高温蒸发器为动力岛系统的透平提供所需的驱动蒸汽，透平做功发电，透平的乏汽端与冷凝器连接，冷凝器分别与冷却塔和热泵系统建立循环连接，冷凝器的冷凝液体出口通过动力岛给水回路与高温蒸发器连接，热泵驱动透平与冷凝器的进口端连接，冷凝器的冷凝液体出口还通过管路与热泵制冷循环余热回收系统的热泵回路连接，将动力岛系统的冷端废热转化为有效供热输出，用于用户供热及实现给水预热。 [0010] 其工作原理在于：动力岛系统循环的冷端低品位余热和热泵制冷循环余热回收系统利用同一个或一组换热器，巧妙实现了两个子系统的结合，利用热泵循环蒸发的制冷量冷却循环水，同时将动力岛系统的冷端废热转化为有效供热输出，既可用于用户供热，也可实现给水预热。 [0011] 进一步地：所述热泵制冷循环余热回收系统包括依次设置在热泵回路中的热泵系统出口、高温储热水箱、热用户换热器、低温储热水箱和热泵系统进口。 [0012] 进一步地：所述动力岛给水回路上设置有增压泵、三通控制阀III、三通控制阀II，增压泵、三通控制阀III、三通控制阀II依次设置在冷凝器与高温蒸发器之间，所述热泵回路中设置有三通控制阀IV和三通控制阀V，三通控制阀IV设置在热泵系统与高温储热水罐之间，三通控制阀V设置在热泵系统与低温储热水罐之间，三通控制阀III通过管路与三通控制阀V连接，三通控制阀II通过管路与三通控制阀IV连接。 [0013] 进一步地：所述蓄热回路中设置有三通控制阀I，高温蒸发器的出口、低温蒸发器的进口以及低温蓄热器的进口通过三通控制阀I连接。 [0015] 进一步地：所述热泵系统采取喷射式循环、多级循环或者回热循环布置方式。 [0016] 方案二：一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统的运行方法，该方案是基于方案一实现的。具体为： [0017] 运行过程包括动力岛循环回路、热泵供热/制冷循环回路和供热回路，具体如下： [0018] 动力岛循环回路：透平的乏汽端经过冷凝器，再经过增压泵加压的高压水进入高温蒸发器或热泵系统中吸热升温到设计参数； [0019] 夏季工况下，透平的乏气过冷凝器后进入热泵系统，通过热泵系统实现循环水余热回收并加热给水；给水预热后进入高温蒸发器完成一个循环； [0020] 冬季工况下，透平的乏气过冷凝器后直接进入高温蒸发器，然后进入透平膨胀做功，其输出功用于驱动发电机发电，完成一个循环； [0021] 热泵供热/制冷循环回路：夏季工况下，无供热需求，白天气温较高的条件下，三通控制阀I控制热泵供热/制冷循环回路投入运行；三通控制阀III三通控制阀V控制凝结水进入热泵系统中，通过热泵循环将循环水余热回收用于凝结水给水预热；夜间气温较低，冷端温度满足机组高效运行要求，三通控制阀I控制使得热泵系统隔离；冬季工况下，通过调整三通控制阀II、三通控制阀III、三通控制阀IV和三通控制阀V，热泵系统从循环水回收的余热直接输送至热用户换热器，给用户供热。 [0022] 供热回路：热泵工质通过高温储热水罐和低温储热水罐实现对供热循环水的加热，然后供热循环水通过供热管网向用户供热。 [0023] 本发明所达到的效果为： [0024] 1.本发明综合考量朗肯动力循环和热泵(制冷)循环，本发明涉及一种塔式太阳能光热发电和热泵(制冷)循环相结合的联产系统，其中朗肯动力循环的冷端和热泵(制冷)循环相结合，采用塔式太阳能储热系统作为驱动热源以实现发电、供热乃至制冷的目的。 [0025] 2.本发明以塔式光热发系统的动力岛循环为动力子系统，以热泵(制冷)循环为供热(制冷)子系统的联合循环系统，其中动力循环和热泵循环由一个或一组换热器连接，换热器既充当动力循环的冷却器，又充当热泵(制冷)循环的蒸发器，实现了子系统间的有机结合。 [0026] 3.本发明利用热泵系统巧妙地实现了动力岛系统的全年高效运行，同时实现能源梯级利用，一方面减少了热排放，另一方面满足了用户的冷、热负荷。 [0027] 4.本发明通过多个系统的有机结合，充分发挥组合的优势，将能量利用效率提高到 80％以上，在投入较小成本的前提下，实现能源的综合梯级利用，实现汽机岛全年的高效运行，同时冬季完成可观的供热需求，能较好地实现能源的利用效率，思路新颖、可行性高，具有显著的经济效益、社会效益和工程应用前景。附图说明 [0028] 图1为本发明的系统原理示意图； [0029] 图中，1.聚光塔；2.高温蓄热器；3.高温蒸发器；4.低温蒸发器；5.低温蓄热器； 6.透平；7.冷凝器；8.冷却塔；9.热泵系统；10.高温储热水罐；11.低温储热水罐；12. 热用户换热器；A1.三通控制阀I；A2.三通控制阀II；A3.三通控制阀III；A4.三通控制阀 IV；A5.三通控制阀V。 具体实施方式[0030] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。 [0031] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。 [0032] 在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。 [0033] 并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。 [0034] 此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0035] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。 [0036] 下面根据附图详细阐述本发明优选的实施例。 [0037] 实施例1：如图1所示，本实施方式所述一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统，包括塔式太阳能集热系统、动力岛系统和热泵制冷循环余热回收系统； [0038] 其中，塔式太阳能集热系统包括依次设置在蓄热回路中的聚光塔1、高温蓄热器2、高温蒸发器3、低温蒸发器4和低温蓄热器5，低温蒸发器4为热泵制冷循环余热回收系统的热泵系统提供所需的驱动蒸汽，高温蒸发器3为动力岛系统的透平6提供所需的驱动蒸汽，透平6做功发电，透平6的乏汽端与冷凝器7连接，冷凝器7分别与冷却塔8和热泵系统建立循环连接，冷凝器7的冷凝液体出口通过动力岛给水回路与高温蒸发器3连接，热泵驱动透平与冷凝器的进口端连接，冷凝器的冷凝液体出口还通过管路与热泵制冷循环余热回收系统的热泵回路连接，将动力岛系统的冷端废热转化为有效供热输出，用于用户供热及实现给水预热；所述热泵制冷循环余热回收系统包括依次设置在热泵回路中的热泵系统出口、高温储热水箱10、热用户换热器12、低温储热水箱11和热泵系统进口；所述动力岛给水回路上设置有增压泵、三通控制阀IIIA3、三通控制阀IIA2，增压泵、三通控制阀IIIA3、三通控制阀IIA2依次设置在冷凝器7与高温蒸发器3之间，所述热泵回路中设置有三通控制阀IVA4和三通控制阀VA5，三通控制阀IVA4设置在热泵系统9与高温储热水罐10之间，三通控制阀VA5设置在热泵系统与低温储热水罐之间，三通控制阀 IIIA3通过管路与三通控制阀VA5连接，三通控制阀IIA2通过管路与三通控制阀IVA4 连接；所述蓄热回路中设置有三通控制阀IA1，高温蒸发器的出口、低温蒸发器的进口以及低温蓄热器的进口通过三通控制阀IA1连接。所述热泵系统的工质采用有机工质；所述热泵系统采取喷射式循环布置方式。 [0039] 实施例2：与实施例1的不同之处在于，热泵系统的工质采用水蒸气；所述热泵系统采取多级循环布置方式。 [0040] 实施例3，与实施例1的不同之处在于，热泵系统的工质采用二氧化碳；所述热泵系统采取回热循环布置方式。 [0041] 实施例4，与实施例1的不同之处在于，热泵系统的工质采用混合工质；所述热泵系统采取回热循环布置方式。 [0042] 实施例1‑4的工作原理为：动力岛系统循环的冷端低品位余热和热泵制冷循环余热回收系统利用同一个或一组换热器，巧妙实现了两个子系统的结合，利用热泵循环蒸发的制冷量冷却循环水，同时将动力岛系统的冷端废热转化为有效供热输出，既可用于用户供热，也可实现给水预热。 [0043] 需要强调的是所述太阳能热电解耦系统系统具有以下技术特征： [0044] (1)需要供热时塔式太阳能发电系统动力岛循环的工作流程是：加压后的给水在储热系统中吸热升温到给定参数后进入透平膨胀做功，其乏气余热通过换热器传递给热泵高压侧工质实现冷凝。冷凝后水被泵增压，最终进入储热系统吸热，完成一个循环。 [0045] (2)不需要供热时塔式太阳能发电系统动力岛循环的工作流程是：给水升温到给定参数后进入透平膨胀做功，其乏气余热通过换热器传递给热泵高压侧工质实现冷凝。同时冷凝后水被泵增压后再进入热泵系统中从低压侧工质吸热实现给水预热，最终进入储热系统吸热，完成一个循环。 [0046] (3)余热回收循环采用简单热泵(制冷)循环，其工作流程是：热泵工质低压蒸发，随后蒸汽被压缩机压缩成高温高压流体。在换热器中与供热循环水换热，然后经冷却、节流变为低温低压气液两相流体，再次蒸发吸热，完成循环，热泵(制冷)循环的驱动源从储热系统给出。 [0047] (4)不需要供热，并且环境温度足够低的情况下，动力岛循环和热泵(制冷)循环隔离，动力循环采用单纯的朗肯循环。热泵(制冷)循环不运行。 [0048] (5)动力岛系统的参数和具体构型可以随着热源种类的不同和设计要求的不同而变化。比如：可以采用再热循环等布置提高动力子系统效率。 [0049] (6)热泵(制冷)系统的工质种类、运行参数和具体布置方式可以根据具体情况而变。比如：可以采用有机工质、水蒸气、二氧化碳、混合工质等作为工质；可以采取喷射式循环、多级循环、回热循环等布置方式。 [0050] 实施例5，一种塔式太阳能光热发电制冷机循环互补热电联供系统的运行方法，该方案是基于实施例1‑4实现的。具体为： [0051] 运行过程包括动力岛循环回路、热泵供热/制冷循环回路和供热回路，具体如下： [0052] 动力岛循环回路：透平6的乏汽端经过冷凝器7，再经过增压泵加压的高压水进入高温蒸发器3或热泵系统9中吸热升温到设计参数； [0053] 夏季工况下，透平6的乏气过冷凝器7后进入热泵系统9，通过热泵系统9实现循环水余热回收并加热给水；给水预热后进入高温蒸发器3完成一个循环； [0054] 冬季工况下，透平6的乏气过冷凝器7后直接进入高温蒸发器3，然后进入透平6膨胀做功，其输出功用于驱动发电机发电，完成一个循环； [0055] 热泵供热/制冷循环回路：夏季工况下，无供热需求，白天气温较高的条件下，三通控制阀IA1控制热泵供热/制冷循环回路投入运行；三通控制阀IIIA3三通控制阀VA5控制凝结水进入热泵系统9中，通过热泵循环将循环水余热回收用于凝结水给水预热；夜间气温较低，冷端温度满足机组高效运行要求，三通控制阀IA1控制使得热泵系统隔离；冬季工况下，通过调整三通控制阀IIA2、三通控制阀IIIA3、三通控制阀IVA4和三通控制阀VA5，热泵系统9从循环水回收的余热直接输送至热用户换热器12，给用户供热。 [0056] 供热回路：热泵工质通过高温储热水罐10和低温储热水罐11实现对供热循环水的加热，然后供热循环水通过供热管网向用户供热；其中供热循环介质一般是水，但也可以根据实际需要采用其他介质。 [0057] 本实施例，根据太阳能资源不同季节以及早晚具有差异性的资源禀赋，以及动力岛回路循环冷却水具有大量的低品位热源的特点，通过热泵子系统回收循环水中的总量可观的低品位热源，夏季对于动力岛给水进行预热，冬季实现一定负荷的供暖需求。本发明巧妙运用热泵原理，在投入较小成本的前提下，实现能源的综合梯级利用，实现汽机岛全年的高效运行，同时冬季完成可观的供热需求，能较好地实现能源的利用效率。 [0058] 需要说明的是，上述循环只是对最简单的塔式光热发电系统‑‑简单热泵结合进行热电联供进行示意，实际工程应用的系统将会更加复杂，为了提高循环效率，上述动力岛循环也可以用更复杂的一次再热、二次再热等系统代替；热泵(制冷)子系统还可能采取喷射式循环、多级循环、回热循环等系统代替；还可以根据需要增加辅机设备。只要不改变塔式光热发电动力岛循环和热泵(制冷)循环的组合方式，仍属于本实施例的等效实施或者变更。 [0059] 以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。特别是，上述实施仅展示四层仿生脉络结构布置方式，五层及更多成或近似脉络形式堆积床储热装置与上述实施原理相同，也应包含在本发明的保护范围之内。 [0060] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 |
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