一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统及调峰方法

技术领域

本发明属于先进动力循环发电相关技术领域，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

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。

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CO

现有超临界CO

发明内容

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CO

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。

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；

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。

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；

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。

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。

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℃。

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：

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。

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；

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。

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。

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。

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。

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：

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；

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；

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。

附图说明

图1是本发明提供的主压缩机与透平连轴布置时的超临界二氧化碳循环发电调峰系统的示意图；

图2是本发明提供的再压缩机与透平连轴布置时的超临界二氧化碳循环发电调峰系统的示意图；

图3是本发明提供的对比例1和对比例2的系统示意图；

图4是本发明提供的对比例3和对比例4的系统示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、透平；2、高温回热器；3、低温回热器；4、预冷却器；5、预压缩机；6、分流阀；7、中间冷却器；8、主压缩机；9、再压缩机；10、加热器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统，该调峰系统包括超临界二氧化碳循环系统，所述超临界二氧化碳循环系统的透平机械设备包括透平1、预压缩机5、主压缩机8和再压缩机9，其中所述主压缩机8或所述再压缩机9与所述透平1连轴布置、由所述透平1进行驱动，其余压缩机连接有独立驱动结构。

该调峰系统是由超临界二氧化碳循环系统形成，超临界二氧化碳循环系统可为布雷顿循环系统，是以超临界二氧化碳作为工作介质的发电系统。超临界二氧化碳循环系统通常包括压缩机和透平1，以及其他用于实现发电循环的相关结构，该循环系统的实现方式对于本领域技术人员来说是公知的，不再具体赘述。在本实施例中该循环系统中设有三个压缩机，即预压缩机5、主压缩机8和再压缩机9。

进一步地，本实施例提出通过将主压缩机8或再压缩机9与透平1连轴布置即由透平1带动驱动，而将其他压缩机设为独立驱动形式即为独立的分轴布置，可由独立的电动机驱动，使得该循环系统能够适用于调峰场景。具体地，首先，本实施例考虑到由S-CO

其次，本实施例还考虑到循环系统中多个压缩机的运行压比和流经的工质流量差异显著，多个压缩机的转速不同，在变工况下更需要相对独立的调控，即在变负荷调峰运行场景下，各个压缩机需要通过调节轴转速从而调控压比和流量。因此，本实施例是选择一个压缩机与透平1连轴布置，而其他压缩机是独立驱动的，其他压缩机可分别与一个电动机连接进行驱动。

具体地，对于透平1与主压缩机8连轴布置方案，透平1的轴转速与主压缩机8的轴转速保持一致，而预压缩机5和再压缩机9的轴转速可以灵活调节；对于透平1与再压缩机9连轴布置方案，透平1的轴转速与再压缩机9的轴转速保持一致，而预压缩机5和主压缩机8的轴转速可以灵活调节。从而本实施例方案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。

本发明提供的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，提出将主压缩机8或再压缩机9与透平1连轴布置，其他压缩机独立分轴布置，通过透平1与压缩机连轴布置可以实现透平1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；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。

进一步地，经研究表明，该超临界二氧化碳循环发电调峰系统通过选择主压缩机8或再压缩机9与透平1连轴布置，而其他压缩机独立驱动布置，可用于调峰负荷为额定负荷30％-100％范围内的调峰，可以实现几十至几百MW装机容量的循环在30％-100％负荷需求下的高效、灵活运行。

本实施例选取的超临界二氧化碳循环发电调峰系统设置预压缩机、主压缩机和再压缩机三个压缩机，通过预压缩机的引入在再压缩循环基础上引入中间冷却过程，从而形成部分冷却循环。该循环相较于再压缩循环可以进一步降低压缩机功耗，从而提升循环效率。

进一步地，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，所述主压缩机8与所述透平1连轴布置，所述预压缩机5和所述再压缩机9分别连接有独立驱动结构；在所需调峰负荷为额定负荷的55％-100％时，所述再压缩机9与所述透平1连轴布置，所述预压缩机5和所述主压缩机8分别连接有独立驱动结构。

本实施例考虑到在高负荷下，三类压缩机中再压缩机的功耗显著最高，将再压缩机与透平连轴布置可以最大程度降低电动机驱动压缩机导致的额外功耗，因此在高负荷下该布置方案的热效率更高；随着负荷的降低，三类压缩机中主压缩机性能衰减最为明显，主压缩机与透平连轴布置的循环在部分负荷下主压缩机压比变化最小，因此主压缩机循环效率更高，并且透平做功能力衰减也最小，因此，在应对深度负荷调节时，主压缩机与透平连轴布置的热效率更高。

即依据不同的调峰深度需求，存在两种透平1机械布置形式，使得超临界二氧化碳循环系统在不同的变负荷区间内展现出更高的运行效率，其一为调峰负荷大多为循环的30％-55％额定功率时，采用主压缩机8与透平1连轴布置，其二为调峰负荷大多为循环的55％-100％额定功率时，采用再压缩机9与透平1连轴布置，与透平1连轴布置的压缩机所消耗的机械功由透平1提供，其余压缩机由独立的电动机驱动。

具体地，可根据实际调峰需求来设置透平1与主压缩机8连轴布置或者设置透平1与再压缩机9连轴布置。可在实际所需调峰负荷集中分布在额定负荷的30％-55％时，采用主压缩机8与透平1连轴布置的方案；在实际所需调峰负荷集中分布在额定负荷的55％-100％时，采用再压缩机9与透平1连轴布置的方案。具体实际所需调峰负荷可根据用户一年内的实际运行负荷来判断，在用户一年内的实际运行负荷大多集中在额定负荷的30％-55％时，针对该用户可采用主压缩机8与透平1连轴布置的方案；在用户一年内的实际运行负荷大多集中在额定负荷的55％-100％时，针对该用户可采用再压缩机9与透平1连轴布置的方案。

进一步地，具体来说，本发明选取了超临界CO

具体地，所述透平1的出口与所述高温回热器2的第一入口相连，所述高温回热器2的第一出口与所述低温回热器3的第一入口相连，所述高温回热器2的第二出口与所述加热器10的入口相连，所述加热器10的出口与所述透平1的入口相连，所述低温回热器3的第一出口与所述预压缩机5的入口相连，所述预压缩机5的出口通过所述分流阀6与所述主压缩机8的入口和所述再压缩机9的入口分别相连，所述主压缩机8的出口与所述低温回热器3的第二入口相连，所述低温回热器3的第二出口与所述高温回热器2的第二入口相连，所述再压缩机9的出口与所述高温回热器2的第二入口相连，所述预压缩机5的入口处设有所述预冷却器4，所述主压缩机8的入口处设有所述中间冷却器7。

进一步地，所述加热器10中的加热介质为熔融盐；熔融盐可通过太阳能加热形成。所述分流阀6的分流比为0.5-0.6；分流阀6的分流比为分流阀6流入主压缩机8的工质流量与分流阀6入口总工质流量的比值，经研究表明，该范围内的分流比在不同调峰负荷下能够获得较优的发电效率。

进一步地，所述透平1的入口介质温度大于等于600℃；所述预压缩机5、所述主压缩机8和所述再压缩机9的入口介质温度分别大于30.98℃。当透平1入口温度高于600℃时，超临界CO

进一步地，本发明还提供一种超临界二氧化碳循环发电调峰方法，基于上述任一项实施例所述的超临界二氧化碳循环发电调峰系统，所述方法包括：将所述主压缩机8或所述再压缩机9与所述透平1连轴布置、由所述透平1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。

进一步地，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，设置所述主压缩机8与所述透平1连轴布置，所述预压缩机5和所述再压缩机9分别连接独立驱动结构；在所需调峰负荷为额定负荷的55％-100％时，设置所述再压缩机9与所述透平1连轴布置，所述预压缩机5和所述主压缩机8分别连接独立驱动结构。

具体地，根据试验表明，当采用高温熔融盐作为传热介质将循环透平1入口温度提升至750℃且三个压缩机入口温度均为35℃时，透平1与主压缩机8连轴的部分冷却循环在30％-100％负荷下的运行效率为43.01％-49.85％，透平1与再压缩机9连轴的部分冷却循环在30％-100％负荷下的运行效率为41.58％-50.38％。

对比两种透平1机械布置的循环系统在变负荷工况下的运行效率可知，透平1与主压缩机8连轴布置的循环应对深度调峰(30％-55％负荷)时效率优势明显，而透平1与再压缩机9连轴布置的循环在较高负荷(55％-100％负荷)下效率更高。这主要是由于透平1与主压缩机8连轴布置的循环在深度调峰的低负荷下，吸收单位热量时透平1的输出功几乎不减少，且压缩机的消耗功更低，因此在低负荷下循环效率更高。

进一步地，本发明提供一种超临界二氧化碳循环发电调峰系统在用于调峰时的具体调控策略，可根据该调控策略优化获取不同负荷下的最优运行参数。具体地，当采用所述主压缩机8与所述透平1连轴布置方案时，随着所需调峰负荷的降低，所述主压缩机8和所述再压缩机9的轴转速逐渐降低，所述预压缩机5的轴转速逐渐升高。

进一步地，当采用所述再压缩机9与所述透平1连轴布置方案时，随着所需调峰负荷的降低，所述再压缩机9的轴转速逐渐降低，所述主压缩机8的轴转速先降低后升高，所述预压缩机5的轴转速逐渐升高。

进一步地，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8的工质流量与所述主压缩机8和所述再压缩机9的工质总流量的比值。

具体地，当实际运行时循环由高温三元氯化盐加热且由空气冷却，透平1入口温度为750℃，三个压缩机入口温度均为35℃，设计工况下即额定负荷，透平1与主压缩机8连轴布置的循环系统即图1所示系统的发电效率为49.85％，透平1与再压缩机9连轴布置的循环系统即图2所示系统的发电效率为50.38％。在非设计工况下，循环系统的最高压力、最低压力、中间冷却压力以及分流比可以通过灵活调控各个压缩机的轴转速和分流阀6而调节，其中透平1的轴转速与主压缩机8或者再压缩机9保持一致。

对于透平1与主压缩机8连轴布置的循环，主压缩机8和再压缩机9轴转速随着负荷的降低而减小，但预压缩机5轴转速随着负荷的降低反而升高，分流阀6开度几乎不变。对于透平1与再压缩机9连轴布置的循环，随着负荷的降低，再压缩机9轴转速降低，主压缩机8的轴转速先降低而后在所需调峰负荷低于50％额定负荷时升高，预压缩机5轴转速升高，分流阀6开度几乎不变。

压缩机轴转速随负荷降低而升高的原因主要是为了应对不断升高的压缩机比焓增长。由此，循环的最高压力、最低压力和中间冷却压力逐渐减小，分流比维持在0.56左右几乎保持不变。即分流比可为0.56。

进一步地，在所需调峰负荷为额定负荷的30％-55％时，设置透平1与主压缩机8连轴布置，且在该负荷变化范围内，随着所需调峰负荷的降低，所述主压缩机8和所述再压缩机9的轴转速逐渐降低，所述预压缩机5的轴转速逐渐升高。

进一步地，在所需调峰负荷为额定负荷的55％-100％时，设置透平1与再压缩机9连轴布置，且在该负荷变化范围内，随着所需调峰负荷的降低，所述主压缩机8和所述再压缩机9的轴转速逐渐降低，所述预压缩机5的轴转速逐渐升高。

进一步地，本发明的目的在于提供了一种适用于调峰场景的高效、灵活运行的超临界CO

具体地，本发明公开了一种调峰场景下超临界CO

本发明相较于透平1与主压缩机8、再压缩机9、预压缩机5均连轴布置的方案，调峰场景下更易灵活调控压缩机轴转速，实现循环的深度调峰；相较于透平1、主压缩机8、再压缩机9、预压缩机5分别分轴布置的方案，本发明提出的方案全工况下热效率均更高，且仍然可以满足变工况下各个透平1机械设备轴转速的灵活调控；本发明应对不同类型的调峰需求，优选出更高效的循环透平1机械布置方案，当负荷需求大多处在30％-55％时，推荐采用透平1与主压缩机8连轴布置的循环，当负荷需求大多处在55％-100％时，推荐采用透平1与再压缩机9连轴布置的循环。以下通过具体实例和对比例进行进一步说明：

具体实例1：

如图1所示，本发明的实例1中超临界CO

具体实例2：

如图1所示，本发明的实例2与实例1采用的循环相同。在调峰场景下，循环输出电力需要依据变化的负荷需求调节，透平1的轴转速与主压缩机8的轴转速实时跟随调控，再压缩机9和预压缩机5的轴转速独立调节。当负荷需求降低至额定值的30％时，循环的最高、最低、中间冷却压力以及分流比分别调节为10.44MPa，4.04MPa，7.49MPa和0.560，循环的发电效率降低至43.01％。

具体实例3：

如图2所示，本发明的实例3中超临界CO

具体实例4：

如图2所示，本发明的实例4与实例3采用的循环相同。在调峰场景下，透平1的轴转速与再压缩机9的轴转速实时跟随调控，主压缩机8和预压缩机5的轴转速独立调节。当负荷需求降低至额定值的30％时，循环的最高、最低、中间冷却压力以及分流比分别调节为11.03MPa，4.16MPa，7.23MPa和0.557，循环的发电效率降低至41.58％。

对比例1：

如图3所示，本发明的对比例1为超临界CO

对比例2：

如图3所示，本发明的对比例2与对比例1采用的循环相同。在调峰场景下，各个透平1机械的轴转速独立调控。当负荷需求降低至额定值的30％时，循环的最高、最低、中间冷却压力以及分流比分别调节为11.05MPa，3.81MPa，7.28MPa和0.558，循环的发电效率降低至40.69％。

对比例3：

如图4所示，本发明的对比例3中超临界CO

对比例4：

如图4所示，本发明的对比例4与对比例3采用的循环相同。在调峰场景下，透平1的轴转速与预压缩机5的轴转速实时跟随调控，主压缩机8和再压缩机9的轴转速独立调节。当负荷需求降低至额定值的30％时，循环的最高、最低、中间冷却压力以及分流比分别调节为11.36MPa，4.46MPa，6.76MPa和0.562，循环的发电效率降低至39.63％。

通过具体实例与对比例的分析与比较可以发现，采用本发明提出的两种超临界CO

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。