超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统及运行方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统及运行方法。

背景技术

二氧化碳作为循环工质，无毒、不可燃、腐蚀性小、热稳定性高、临界参数低；超临界状态的二氧化碳既具有液体的密度大、传热效率高等特点，又具有气体的粘性小、流动能力强等特点；二氧化碳的密度在临界点附近急剧增大，压缩性减小，使得压缩耗功降低，系统循环效率较高。超临界二氧化碳循环发电技术相比传统的蒸汽朗肯循环具有更高的循环热效率，且设备紧凑、布置简单，具有良好的继承性，能够基于现有材料实现，避免开发昂贵的高温镍基合金材料，是火力发电技术的重要发展方向。

随着太阳能、风能等可再生能源发电技术及其装机规模的迅猛发展，我国电源结构中清洁能源的占比不断提升，但是其发电过程具有明显的波动性、间歇性以及地域局限性，难以稳定可靠的满足电网的电力需求。为了平抑可再生能源发电的波动性，有效消纳太阳能、风能等清洁能源，以燃煤发电为主的火力发电发展了多种调峰技术，比如凝结水节流、除氧器和凝汽器热井储水、汽轮机低压缸零出力、电锅炉热电解耦、汽轮机旁路供热、协调优化控制等调峰技术。但都存在调峰能力不足、响应时间长、运行控制要求高等问题，且现有调峰技术都是应用于蒸汽朗肯循环的火力发电机组。

发明内容

为了克服上述技术存在的问题，提高太阳能、风能等可再生能源发电并网消纳，基于超临界二氧化碳循环，本发明提出一种超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统及运行方法，该系统在电网调度负荷降低时，从锅炉过热器及再热器出口抽取部分高温的二氧化碳，在熔盐蓄热系统中与低温熔盐换热，并将吸热后的熔盐储存起来，而放热后的二氧化碳重新汇入循环工质中；在电网调度负荷升高时，从高温回热器冷侧出口及高压透平出口分流部分二氧化碳，在熔盐放热系统中与高温熔盐换热，将放热后的熔盐储存起来，吸热后的高温二氧化碳与高、低压透平入口循环工质混合，进入高、低压透平做功，从而迅速提高机组发电功率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统，包括超临界二氧化碳循环发电系统和两组熔盐储热调峰系统；

所述的超临界二氧化碳循环发电系统包括锅炉21、高压透平22、低压透平23、高温回热器24、低温回热器25、再压缩机26、预冷器27和主压缩机28；锅炉21的过热器出口与高压透平22入口相连，高压透平22出口与锅炉21的再热器入口相连，锅炉21的再热器出口与低压透平23入口相连；

低压透平23出口依次与高温回热器24、低温回热器25热侧相连，低温回热器25热侧出口分为两路，一路连接再压缩机26入口，另一路连接预冷器27热侧入口；

预冷器27热侧出口与主压缩机28入口相接，主压缩机28出口依次与低温回热器25、高温回热器24冷侧相连，高温回热器24冷侧出口与锅炉21的过热器入口相连，再压缩机26出口与低温回热器25冷侧出口相连；

所述的超临界二氧化碳循环发电系统的工作介质为超临界的二氧化碳；

所述的两组熔盐储热调峰系统包括A组和B组，分别为依次相连通的A组熔盐冷罐1、A组蓄热熔盐调节阀2、A组蓄热熔盐泵3、A组蓄热熔盐换热器4、A组熔盐热罐5、A组放热熔盐调节阀6、A组放热熔盐泵7和A组放热熔盐换热器8以及依次相连通的B组熔盐冷罐11、B组蓄热熔盐调节阀12、B组蓄热熔盐泵13、B组蓄热熔盐换热器14、B组熔盐热罐15、B组放热熔盐调节阀16、B组放热熔盐泵17和B组放热熔盐换热器18；

所述A组熔盐冷罐1出口依次经过A组蓄热熔盐调节阀2、A组蓄热熔盐泵3与A组蓄热熔盐换热器4冷侧入口相连，A组蓄热熔盐换热器4冷侧出口与A组熔盐热罐5入口相连；

A组熔盐热罐5出口依次经过A组放热熔盐调节阀6、A组放热熔盐泵7与A组放热熔盐换热器8热侧入口相连，A组放热熔盐换热器8热侧出口与A组熔盐冷罐1入口相连；

所述B组熔盐冷罐11出口依次经过B组蓄热熔盐调节阀12、B组蓄热熔盐泵13与B组蓄热熔盐换热器14冷侧入口相连，B组蓄热熔盐换热器14冷侧出口与B组熔盐热罐15入口相连；

B组熔盐热罐15出口依次经过B组放热熔盐调节阀16、B组放热熔盐泵17与B组放热熔盐换热器18热侧入口相连，B组放热熔盐换热器18热侧出口与B组熔盐冷罐11入口相连；

两组熔盐储热调峰系统的工作介质为熔盐。

进一步的，所述的两组熔盐储热调峰系统还包括高压透平入口调节阀9、锅炉入口调节阀10、低压透平入口调节阀19、高压透平出口调节阀20；

所述A组蓄热熔盐换热器4热侧入口经过高压透平入口调节阀9与锅炉21的过热器出口相接，A组蓄热熔盐换热器4热侧出口与高压透平22出口相连，A组放热熔盐换热器8冷侧入口经过锅炉入口调节阀10与高温回热器24冷侧出口相连，A组放热熔盐换热器8冷侧出口与高压透平22入口相连；

所述B组蓄热熔盐换热器14热侧入口经过低压透平入口调节阀19与锅炉21的再热器出口相接，B组蓄热熔盐换热器14热侧出口与低压透平23出口相连，B组放热熔盐换热器18冷侧入口经过高压透平出口调节阀20与高压透平22出口相连，B组放热熔盐换热器18冷侧出口与低压透平23入口相连。

所述的超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统的运行方法，工质经过主压缩机28增压后，依次在低温回热器25、高温回热器24及锅炉21中的过热器吸热，温度升高后进入高压透平22部分膨胀做功，做功后的工质温度、压力均降低，然后重新进入锅炉21的再热器中继续吸热升温，进入低压透平23完全膨胀做功，做完功后的工质依次进入高温回热器24、低温回热器25放热，放热后的工质分为两路，一路经过再压缩机26增压后汇入低温回热器25冷侧出口，另一路经过预冷器27冷却放热后进入主压缩机28增压，完成闭式循环；

当电网调度负荷降低时，从锅炉21的过热器出口抽取的高温工质经过高压透平入口调节阀9减压后进入A组蓄热熔盐换热器4中放热，降温减压后的工质与高压透平22出口工质混合进入锅炉21的再热器吸热升温，从锅炉21的再热器出口抽取的高温工质经过低压透平入口调节阀19减压后进入B组蓄热熔盐换热器14中放热，降温减压后的工质与低压透平23出口工质混合进入高温回热器24放热降温；

当电网调度负荷降低时，打开A组蓄热熔盐调节阀2和或B组蓄热熔盐调节阀12，所述A组熔盐冷罐1中的低温熔盐经过A组蓄热熔盐调节阀2在A组蓄热熔盐泵3中增压后，输送到A组蓄热熔盐换热器4中吸热升温，然后储存在A组熔盐热罐5中，B组熔盐冷罐11中的低温熔盐经过B组蓄热熔盐调节阀12在B组蓄热熔盐泵13中增压后，输送到B组蓄热熔盐换热器14中吸热升温，然后储存在B组熔盐热罐15中；

当电网调度负荷升高时，打开A组放热熔盐调节阀6和或B组放热熔盐调节阀16，储存在A组熔盐热罐5中的高温熔盐经过A组放热熔盐调节阀6在A组放热熔盐泵7中增压，输送至A组放热熔盐换热器8中放热降温，然后储存在A组熔盐冷罐1中，储存在B组熔盐热罐15中的高温熔盐经过B组放热熔盐调节阀16在B组放热熔盐泵17中增压，输送至B组放热熔盐换热器18中放热降温，然后储存在B组熔盐冷罐11中；

当电网调度负荷升高时，打开锅炉入口调节阀10，将高温回热器24冷侧出口工质分流部分送入A组放热熔盐换热器8中吸热升温，然后与高压透平22入口工质混合后进入高压透平22中做功；打开高压透平出口调节阀20，分流部分高压透平出口工质送入B组放热熔盐换热器18中吸热升温，然后与低压透平23入口工质混合后进入低压透平23中做功。

进一步地，两组熔盐储热调峰系统相互独立运行，既能够同时运行两组，也能够单独运行其中一组，具体运行方式视电网调度负荷而定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统中锅炉、高压透平、低压透平、高温回热器、低温回热器、再压缩机、预冷器和主压缩机组成超临界二氧化碳循环发电机组，利用超临界二氧化碳作为循环工质进行发电，较蒸气朗肯循环发电机组有较大的循环热效率。

进一步，本系统在超临界二氧化碳循环发电机组上配置包括熔盐储罐、熔盐泵、熔盐调节阀和熔盐换热器在内的熔盐储热调峰系统，在电网调度负荷降低时，通过抽取锅炉过热器及再热器出口的高温工质在蓄热熔盐换热器中加热来自冷罐中熔盐，再将吸热后的熔盐储存在热罐中，当电网调度负荷升高时，将储存在热罐中的熔盐送至放热熔盐换热器中，用于加热从高温回热器冷侧出口及高压透平出口分流出的部分循环工质，放热后的熔盐则重新储存于冷罐中，而升温后工质进入高低压透平增加做功，以迅速提高机组的发电功率。该系统通过熔盐储热调峰系统实现超临界二氧化碳循环发电系统的灵活运行，提高超临界二氧化碳发电机组的调峰能力，促进电网对可再生能源发电的消纳。

进一步，本系统在满足电网调峰需求时，通过熔盐的储热能够保证超临界二氧化碳锅炉在低负荷工况下安全稳定运行。

进一步，本系统通过在高压透平和低压透平旁路分别配置储热调峰系统，将最大限度发挥超临界二氧化碳循环发电机组的调峰能力，满足电网不同程度的调峰需求。

进一步，熔盐作为储热工质，相比水、导热油和固体储热，具有储热量大、性价比高等优点，且正在广泛应用于光热发电领域，技术较为成熟。

超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统运行方法，通过抽取部分锅炉过热器和再热器出口的高温二氧化碳用于加热熔盐，使在透平中减少做功，又能够通过利用储存的高温熔盐加热循环工质，使其进入透平增加做功，以迅速提高机组发电功率，从而实现超临界二氧化碳循环发电机组调峰调频。

进一步，本方法中的两组调峰系统既能够单独运行一组，又能够同时运行两组，具有较大的运行灵活性，能够满足电网对超临界二氧化碳循环发电机组不同程度的调峰需求和不同的运行要求。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

其中，1为A组熔盐冷罐、2为A组蓄热熔盐调节阀、3为A组蓄热熔盐泵、4为A组蓄热熔盐换热器、5为A组熔盐热罐、6为A组放热熔盐调节阀、7为A组放热熔盐泵、8为A组放热熔盐换热器、9为高压透平入口调节阀、10为锅炉入口调节阀、11为B组熔盐冷罐、12为B组蓄热熔盐调节阀、13为B组蓄热熔盐泵、14为B组蓄热熔盐换热器、15为B组熔盐热罐、16为B组放热熔盐调节阀、17为B组放热熔盐泵、18为B组放热熔盐换热器、19为低压透平入口调节阀、20为高压透平出口调节阀、21为锅炉、22为高压透平、23为低压透平、24为高温回热器、25为低温回热器、26为再压缩机、27为预冷器、28为主压缩机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

超临界二氧化碳循环具有较高的循环热效率，在600℃可以达到蒸汽朗肯循环700℃的效率，能够基于现有材料实现，且该循环设备紧凑、布置简单，是火力发电技术发展的重要方向。熔盐是一种安全稳定高效的储热介质，在储热方面具有极大的优势，将其应用热力发电系统可以实现机组调峰调频，促进电网对风能、太阳能等可再生能源发电消纳。

本发明超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统，如图1所示，包括超临界二氧化碳循环发电系统和熔盐储热调峰系统。

超临界二氧化碳循环发电系统包括锅炉21、高压透平22、低压透平23、高温回热器24、低温回热器25、再压缩机26、预冷器27和主压缩机28；其中，锅炉21的过热器出口与高压透平22入口相连，高压透平22出口与锅炉21的再热器入口相连，锅炉21的再热器出口与低压透平23入口相连，低压透平23出口依次与高温回热器24、低温回热器25热侧相连，低温回热器25热侧出口同时连接再压缩机26入口和预冷器27热侧入口，预冷器27热侧出口与主压缩机28入口相接，主压缩机28出口依次与低温回热器25、高温回热器24冷侧相连，高温回热器24冷侧出口与锅炉21的过热器入口相连，而再压缩机26出口则与低温回热器25冷侧出口相连接，其中，超临界二氧化碳循环发电系统工作介质为超临界的二氧化碳。

熔盐储热调峰系统包括依次相连通的A组熔盐冷罐1、A组蓄热熔盐调节阀2、A组蓄热熔盐泵3、A组蓄热熔盐换热器4、A组熔盐热罐5、A组放热熔盐调节阀6、A组放热熔盐泵7和A组放热熔盐换热器8为一组熔盐储热调峰系统，以及依次相连通的B组熔盐冷罐11、B组蓄热熔盐调节阀12、B组蓄热熔盐泵13、B组蓄热熔盐换热器14、B组熔盐热罐15、B组放热熔盐调节阀16、B组放热熔盐泵17和B组放热熔盐换热器18为另一组熔盐储热调峰系统；还包括高压透平入口调节阀9、锅炉入口调节阀10、低压透平入口调节阀19、高压透平出口调节阀20。

A组熔盐冷罐1出口依次经过A组蓄热熔盐调节阀2、A组蓄热熔盐泵3与A组蓄热熔盐换热器4冷侧入口相连，A组蓄热熔盐换热器4冷侧出口与A组熔盐热罐5入口相连，A组蓄热熔盐换热器4热侧入口经过高压透平入口调节阀9与锅炉过热器21出口相接，A组蓄热熔盐换热器4热侧出口与高压透平22出口相连，而A组熔盐热罐5出口依次经过A组放热熔盐调节阀6、A组放热熔盐泵7与A组放热熔盐换热器8热侧入口相连，A组放热熔盐换热器8热侧出口与A组熔盐冷罐1入口相连，A组放热熔盐换热器8冷侧入口经过锅炉入口调节阀10与高温回热器24冷侧出口相连，A组放热熔盐换热器8冷侧出口与高压透平22入口相连。

B组熔盐冷罐11出口依次经过B组蓄热熔盐调节阀12、B组蓄热熔盐泵13与B组蓄热熔盐换热器14冷侧入口相连，B组蓄热熔盐换热器14冷侧出口与B组熔盐热罐15入口相连，B组蓄热熔盐换热器14热侧入口经过低压透平入口调节阀19与锅炉再热器21出口相接，B组蓄热熔盐换热器14热侧出口与低压透平23出口相连，而B组熔盐热罐15出口依次经过B组放热熔盐调节阀16、B组放热熔盐泵17与B组放热熔盐换热器18热侧入口相连，B组放热熔盐换热器18热侧出口与B组熔盐冷罐11入口相连，B组放热熔盐换热器18冷侧入口经过高压透平出口调节阀20与高压透平22出口相连，B组放热熔盐换热器18冷侧出口与低压透平23入口相连。其中，熔盐储热调峰系统工作介质为熔盐。

超临界二氧化碳发电机组熔盐储热调峰系统运行方法，当电网调度负荷降低时，从锅炉21的过热器出口抽取的高温工质经过高压透平入口调节阀9减压后进入A组蓄热熔盐换热器4中放热，降温减压后的工质与高压透平22出口工质混合，A组熔盐冷罐1中的低温熔盐经过A组蓄热熔盐调节阀2在A组蓄热熔盐泵3中增压后，输送到A组蓄热熔盐换热器4中吸热升温，然后储存在A组熔盐热罐5中；当电网调度负荷降低时，从锅炉21的再热器出口抽取的高温工质经过低压透平入口调节阀19减压后进入B组蓄热熔盐换热器14中放热，降温减压后的工质与低压透平23出口工质混合，B组熔盐冷罐11中的低温熔盐经过B组蓄热熔盐调节阀12在B组蓄热熔盐泵13中增压后，输送到B组蓄热熔盐换热器14中吸热升温，然后储存在B组熔盐热罐15中。

当电网调度负荷升高时，储存在A组熔盐热罐5中的高温熔盐经过A组放热熔盐调节阀6在A组放热熔盐泵7中增压，输送至A组放热熔盐换热器8中放热降温，然后储存在A组熔盐冷罐1中，同时打开锅炉入口调节阀10，将高温回热器24冷侧出口工质分流部分送入A组放热熔盐换热器8中吸热升温，然后与高压透平22入口工质混合后进入高压透平22中做功；当电网调度负荷升高时，储存在B组熔盐热罐15中的高温熔盐经过B组放热熔盐调节阀16在B组放热熔盐泵17中增压，输送至B组放热熔盐换热器18中放热降温，然后储存在B组熔盐冷罐11中，同时打开高压透平出口调节阀20，分流部分高压透平出口工质送入B组放热熔盐换热器18中吸热升温，然后与低压透平23入口工质混合后进入低压透平23中做功。

超临界二氧化碳发电系统中工质在主压缩机28增压后依次低温回热器25、高温回热器24以及锅炉21中的过热器吸热升温后，进入高压透平22中部分膨胀做功，部分膨胀后的工质压力、温度均降低，然后在锅炉21的再热器中继续吸热升温，进入低压透平23中完全膨胀做功，做完功的工质依次在高温回热器24、低温回热器25中放热，放热后的工质分为两路，一路经过再压缩机26增压后与低温回热器25冷侧出口工质混合，另一路在预冷器27中继续放热降温后进入主压缩机28增压，工质从而构成闭式循环。

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。