基于两级蓄热和有机朗肯循环的直膨式光热发电系统研究

发布时间：2020-05-06 13:04

【摘要】：直膨式(direct steam generation,DSG)光热发电系统采用廉价环保的水工质作为集热、蓄热和热工介质,系统结构简单、经济性好。但DSG技术尚面临着蓄热瓶颈。长期以来,单级高压水蓄热是商业化DSG电站通常采用的蓄热形式。在滑压闪蒸放热过程中,产生的饱和蒸汽的压力逐步降低、流量逐渐减小。为了防止系统严重偏离设计工况运行,单级蓄热水罐的温降一般低于50℃,蓄热容量较小。此外,基于高压水蓄热的DSG电站通常使用湿蒸汽轮机。饱和蒸汽在湿蒸汽轮机中膨胀时会产生水滴,导致汽轮机效率降低、叶片强度变差、运行寿命缩短。为了降低液滴的不利影响,湿蒸汽轮机一般需要采用复杂的除湿结构以及昂贵的耐侵蚀材料,技术难度大、制造成本高。针对DSG技术面临的上述问题,本文结合具有良好中低温热力特性的有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)提出了相关的解决方案,具体研究内容和创新点如下:(1)提出了一种基于蒸汽-有机朗肯复叠循环(steam-organic Rankine cycle,SORC)的两级水蓄热DSG光热发电系统。该系统拥有独特的两级放热过程。第一级放热过程:高温蓄热水罐通过滑压闪蒸产生一定量的饱和蒸汽驱动顶部蒸汽朗肯循环,蒸汽冷凝余热驱动底部ORC循环发电,对应的蓄热水温降在30℃以内。第二级放热过程:高温蓄热水罐中的蓄热水经中间换热器流入低温蓄热水罐并驱动底部ORC循环发电。研究结果表明第二级放热过程中蓄热水温降可以高达130～190 ℃,系统蓄热容量提升了460%,对应的等效回收期低于5年。两级水蓄热结构可以有效地改善DSG系统的热经济性。(2)提出了“等效热功转换效率(ηeq)”优化指标,综合反映了两级水蓄热DSG-SORC系统在不同运行模式下的性能。重点分析了主蒸汽温度、湿蒸汽轮机鲍曼系数、蓄热容积和ORC有机工质等对DSG-SORC系统热力性能和最佳中间蒸汽冷凝温度(T2,opt)的影响。研究结果表明戊烷是较为合适的ORC有机工质,设计工况下其对应的T2,opt和叩ηeq,max分别为139~190℃和20.93%～24.24%。(3)提出了一种基于复叠ORC循环(cascade organic Rankine cycle,CORC)的两级水蓄热DSG光热发电系统,有效解决了湿蒸汽轮机对DSG-SORC系统造成的不利影响。研究结果表明相同工况下,DSG-CORC系统对应的ηeq,max仅比DSG-SORC系统低0.11%～0.57%,CORC复叠循环进一步提高了两级水蓄热DSG系统的热经济性。(4)设计了一套基于ORC循环的DSG冷热电联供系统,并实验测试了ORC系统性能,提出了“储液罐充注率(FROR)”和“膨胀机运行压比折减系数(RCOPR)”参数用于分析不凝气体(non-condensable gases,NCGs)的影响机理。研究结果表明ORC系统运行时,NCGs主要聚集在储液罐中。NCGs含量和FROR越高,冷凝压力和RCOPR的增加越明显。NCGs导致膨胀机变工况运行效率变差,系统发电量降低。
【图文】：

光热,发电系统,电站

ＬＦＣ光热发电原理与ＰＴＣ光热发电技术类似，太阳光线经过分条平行的平逡逑面镜聚集到固定安装的集热管上，加热集热介质；高温集热介质驱动热力循环发逡逑电，系统结构如图１．４所示Ｍ。相比于ＰＴＣ集热装置，ＬＦＣ集热装置采用简单的逡逑平面镜代替了高精度曲面反射镜；并且集热管可以固定安装，仅需要联动控制平逡逑面镜跟踪太阳，成本较低。但另一方面，ＬＦＣ系统聚光比较小，集热温度相对较逡逑低。早期的ＬＦＣ系统大多采用ＤＳＧ技术，比如世界上第一个ＬＦＣ光热电站美逡逑国Ｋｉｍｂｅｒｌｉｎａ电站以及西班牙Ｐｕｅｒｔｏ邋Ｅｒｒａｄｏ电站。随着集热装置制造工艺以及逡逑吸收涂层材料的进步，部分在建的ＬＦＣ系统采用了导热油和熔盐作为集热和蓄逡逑热介质。比如中国乌拉特旗５０邋ＭＷ导热油ＬＦＣ光热电站和大成敦煌５０邋ＭＷ熔逡逑盐ＬＦＣ光热电站。逡逑＾ＳＳＳ＾ｓｓｌ邋ｒｌ＾Ｍ＇逡逑图１．４菲涅尔式光热发电系统Ｐ］逡逑５逡逑

光热,发电系统,电站

——ｌ—ｉｇＳｉｎ逡逑图１．３槽式光热发电系统［６］逡逑菲涅尔式系统逡逑ＦＣ光热发电原理与ＰＴＣ光热发电技术类似，太阳光线经过分条平行的集到固定安装的集热管上，加热集热介质；高温集热介质驱动热力循环统结构如图１．４所示Ｍ。相比于ＰＴＣ集热装置，ＬＦＣ集热装置采用简单代替了高精度曲面反射镜；并且集热管可以固定安装，仅需要联动控制踪太阳，成本较低。但另一方面，ＬＦＣ系统聚光比较小，，集热温度相对期的ＬＦＣ系统大多采用ＤＳＧ技术，比如世界上第一个ＬＦＣ光热电站ｂｅｒｌｉｎａ电站以及西班牙Ｐｕｅｒｔｏ邋Ｅｒｒａｄｏ电站。随着集热装置制造工艺以层材料的进步，部分在建的ＬＦＣ系统采用了导热油和熔盐作为集热和。比如中国乌拉特旗５０邋ＭＷ导热油ＬＦＣ光热电站和大成敦煌５０邋ＭＷ光热电站。逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM61

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