[实用新型]基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统

说明书

本实用新型涉及基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统。包括太阳能集热蓄热回路、一级有机朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路。白天太阳辐照大于400W/m²时，系统同时进行集热、蓄热和发电三种运行模式；夜晚或阴天时，系统利用高温蓄热水罐储存的热量继续进行发电运行模式。本实用新型两级有机朗肯循环全部采用汽轮机，系统可以实现10MW以上规模化应用；汽轮机采用干有机工质，膨胀过程中工质处于过热状态，不会产生液滴；集热场和蓄热单元与有机朗肯循环单元之间采用间接换热，集热场产生的水蒸气仅仅为传热介质，不进入汽轮机膨胀做功，有效降低了系统对集热和蓄热水工质的品质要求。

技术领域

本实用新型属于太阳能热发电技术领域，具体涉及一种基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统。

背景技术

光热发电是大规模开发利用太阳能的一个重要途径。不同于常规的光热电站采用导热油、熔盐等介质，直接蒸汽的太阳能热发电技术由于采用水同时作为集热场吸热介质，蓄热介质，以及热功转换工质，因此具有系统结构相对简单、易于降低成本等优点。

蒸汽直接发生式太阳能热发电技术有两个关键的问题亟待解决：首先，水工质在集热器场中的吸热过程存在相变，而两相流动的控制比单相流动复杂得多，并且外界的太阳辐照又具有明显的波动特性。在这种情况下，如果要使得集热场出口产出过热蒸汽，那么蒸汽的过热度很难控制，因此蒸汽输出的稳定性较差，可靠性较低，所以实际应用中一般采用相对简单的直接产生饱和蒸汽方案。其次，与过热蒸汽循环相匹配的储热设计较为复杂，通常包括多级蓄热（预热级，相变级和过热级）。常规的熔盐冷、热罐倒换运行模式会造成很大的传热不可逆损失，并且需要较大的换热面积，实用性较差。因此目前尚缺乏经济高效的直膨式太阳能热发电储热技术。

基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电技术可以在一定程度上解决上述问题。与汽轮机相比，螺杆膨胀机可以处理气液两相混合物而不会造成机械损害，并且启停迅速。在热力学特性方面，螺杆膨胀机相比于汽轮机的最大优点在于其良好的变工况运行能力，这也已经被众多学者通过实验加以证明。比如，对于一个内置比体积比为5的螺杆膨胀机，当实际压比变成内置压比的三倍时，其等熵效率相比于最大值的降低只有10%。因此当采用螺杆膨胀机时，直膨式太阳能热发电系统集热场产生的蒸汽可以处于气液两相，而无须过热。特别地，当采用两级蓄热水罐时，直膨式太阳能热发电系统将利用不同的放热模式进行热功转换；使得有机朗肯循环的全年工作时间增长，大幅度提高了系统的蓄热能力（与单罐系统相比，蓄热能力可提高5-8倍），缩短了系统投资回收期；并且有效地避免膨胀机在严重偏离设计工况的条件下运行，保证系统高效运行。

另一方面，现阶段螺杆膨胀机有几个显著缺点：第一，单机容量较小。商业化的螺杆膨胀机的单机容量一般小于2.5 MW。对于太阳能热发电系统，如果装机容量较小，那么热功转换单元在整个系统中的成本比例会增大，系统经济性会降低。鉴于此，太阳能热发电系统规模通常为10MW或更大，这给螺杆膨胀机带来了挑战。第二，与主流的干蒸气汽轮机相比，饱和蒸汽或湿蒸汽螺杆膨胀机的效率不高。螺杆膨胀机的等熵效率在60%-75%之间，而干蒸气汽轮机的等熵效率为80%-89%。

针对以上问题，一个潜在的解决方案为采用基于干有机工质（dry organicfluid）的汽轮机实现复叠朗肯循环的顶部热功转换。

实用新型内容

为了进一步提高太阳能复叠有机朗肯循环发电系统的热力学性能和技术可行性，本实用新型提供一种基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统。

基于气液两相集热器的太阳能复叠有机朗肯循环发电系统包括太阳能集热蓄热回路、一级有机朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路；

所述太阳能集热蓄热回路包括太阳能集热场1、高温蓄热水罐2、低温蓄热水罐3、低温集热水泵12、中温水泵13和高温换热水泵14，太阳能集热场1的出口串联着高温蓄热水罐2，太阳能集热场1的入口串联着低温蓄热水罐3；