节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电系统

摘要

本发明公开了一种节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电系统，包括；塔式太阳能预热空气的集热系统，用于接收并会聚太阳辐照能量，将接收的太阳辐照能量转化为热能传递给压缩空气，然后输出给太阳能与燃料互补驱动的燃气轮机系统；燃气轮机发电系统，用于接收太阳能集热系统和燃料燃烧产生的热能，将其转化为电能；卡林那循环发电系统，用于接收分级压缩机的间冷热和燃气轮机排气的余热，将其转化为电能。本发明顶循环以空气为工质，底循环为卡林那循环，减小了太阳能热发电系统用水量，摆脱了传统蒸汽底循环冷凝器的维持高真空度的弊端，降低了成本，并且进一步降低了排烟温度，降低了换热过程中的不可逆损失，提高了循环的发电效率。

说明书

技术领域

本发明涉及多能源互补技术领域，尤其是一种节水型太阳能燃气轮机 与卡林那循环联合的热发电系统。

背景技术

目前与本发明相关的现有技术主要包括太阳能热发电技术、太阳能燃 气轮机技术和卡林那循环发电技术，下面分别对以上三种技术进行描述：

1、太阳能热发电技术

随着环境问题的日益严重和化石燃料的日益枯竭，可再生能源的利用 备受瞩目。太阳能以其独具的储量“无限性”、存在的普遍性、开发利用的 清洁性以及逐渐显露的经济性等优势，终将在世界能源结构转移中担纲重 任。

聚光类太阳能热发电(以下称太阳能热发电)，即利用聚光集热器将 太阳辐射能转换成热能并通过热力循环持续发电的技术。世界现有的太阳 能热发电系统大致有：塔式系统、槽式系统和碟式系统三类，其中槽式系 统在20世纪90年代初期实现了商业化，其他两种目前处于商业化示范阶 段，有巨大的应用前景。

抛物槽式太阳能热发电系统是利用槽式线聚焦抛物面反射镜达到聚 光要求的太阳能热发电形式，槽式抛物面反射面对太阳能多进行一维跟 踪，其聚光比在40至80之间，集热温度一般低于400℃。目前，抛物槽 式太阳能热发电系统多采用导热油作为集热工质，低温导热油经油泵被送 入到太阳能集热管，被加热到390℃左右，成为高温导热油，高温导热油 依次通过蒸汽再热器、过热气、蒸发器和预热器等装置，将收集到的太阳 能传递到蒸汽循环中，产生370℃左右的过热蒸汽，进入汽轮机中做功， 输出电能。但单纯的抛物槽式太阳能热发电系统受聚光比和集热温度的限 制，进一步提高热效率、降低发电成本的难度较大。

塔式太阳能热发电系统通常采用双轴跟踪，其聚光比通常在200至 700之间，系统最高运行温度可达到1500℃。经定日镜反射的太阳辐射聚 集到塔顶的吸热器上，加热吸热器中的热传输工质；蒸汽产生装置所产生 的过热蒸汽进入动力子系统后实现热功转换，完成电能输出。与抛物槽式 太阳能热发电系统相比，塔式太阳能热发电系统的集热温度高，易生产高 参数蒸汽，因此热动装置的效率相应提高。目前，塔式太阳能热发电系统 的主要障碍是，当定日镜场的聚光集热功率增大时，即单塔太阳能热发电 系统大型化后，定日镜场的集热效率随之降低。

蝶式太阳能热发电系统以单个旋转抛物面反射镜为基础，构成一个完 整的聚光、集热和发电单元。采用双轴跟踪装置，其聚光比一般在1000 至3000之间。吸热器吸收太阳辐射并将其转换成热能，加热吸热工质， 驱动热机实现光电转化。蝶式太阳能热发电系统主要应用于分散式动力系 统。

虽然太阳能热发电系统各有优劣，但太阳能由于能量密度低、不连续、 蓄能难，造成太阳能利用率低下，开发利用程度受到严重限制。太阳能热 利用与其他资源互补，特别是太阳能与化石能源互补，是目前解决太阳能 利用率低、能量不连续问题的一个主要途径。

2、太阳能燃气轮机技术

太阳能燃气轮机系统用聚光式太阳能集热器与化石燃料互补加热压 缩空气，然后送入燃气轮机做功发电。太阳能与化石能源互补可以保证透 平入口温度稳定，避免了变工况运行，而且可以实现无储能24小时连续 运行，省去了庞大昂贵的蓄能系统，相比单纯的太阳能热发电系统发电成 本更低，效率更高。以水为工质的太阳能热发电系统由于做功蒸汽的冷凝， 需要消耗大量的冷凝水。而以压缩空气为工质不仅耗水量可忽略不计，不 需要维持高真空度的冷凝器，而且小型化的系统可以降低投资风险。燃气 轮机的排气经过回热器给压缩空气加热后温度为200至300℃，已不适合 用于驱动以水为工质的朗肯循环，直接排入大气会造成热量的浪费，不利 于系统效率的提高，而且也是对环境的热污染。而且燃气轮机出功的一半 以上要用于提供压缩机的耗功，严重制约了系统的发电量和系统效率。

3、卡林那循环发电技术

卡林那循环是由俄国人Dr.Alex kalina于80年代中期提出的，它以氨 水混合物作为工质，在循环系统的不同地点氨水的浓度是变化的，锅炉内 吸热过程采用浓度较高的氨水混合物，以使烟气的放热过程与混合工质的 吸热过程曲线更好的配合，最大限度的降低传热过程不可逆损失，做过功 的蒸汽，在凝结放热过程则采用浓度较低的氨水混合物，使凝结过程压力 略高于大气压力，汽轮机的低压部分及冷凝设备都不需要考虑空气漏入问 题，也不需要维持冷凝器内的高真空度。此外氨水的相变温度低，使得卡 林那循环可以利用以水蒸汽为工质的朗肯循环不能利用的低温热源，当卡 林那循环用于联合循环的底循环时，可以把排烟温度降到较低的水平。但 是当驱动热源温度较高时，为提高卡林那循环效率，卡林那系统往往需要 更复杂的设计，因此投入也相应增加。而且由于氨水性质的限制，驱动热 源温度不能太高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种节水型太阳能燃气轮机与 卡林那循环联合的热发电系统，该系统既解决了太阳能热发电低效问题， 又能实现系统节水。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种节水型太阳能燃气轮机与卡林那 循环联合的热发电系统，该系统包括塔式太阳能预热空气的集热系统、燃 气轮机发电系统、卡林那循环驱动换热器和卡林那循环发电系统，塔式太 阳能预热空气的集热系统与回热器及燃烧室相连接，燃气轮机发电系统通 过管道和换热器与卡林那循环发电系统相连接，其中：塔式太阳能预热空 气的集热系统，用于接收并会聚太阳辐照能量，将接收的太阳辐照能量转 化为热能传递给压缩空气，然后输出给太阳能与燃料互补驱动的燃气轮机 系统；燃气轮机发电系统，用于接收太阳能集热系统和燃料燃烧产生的热 能，将其转化为电能；以氨水混合物为工质的卡林那循环发电系统，用于 接收分级压缩机的间冷热和燃气轮机排气的余热，将其转化为电能。

上述方案中，所述塔式太阳能预热空气的集热系统由三个聚光比不同 的塔系列实现压缩空气的分级加热，包括定日镜阵列、高塔和压力空腔式 接收器；其中压力空腔式接收器位于高塔上，定日镜阵列以高塔为中心， 呈圆周状分布，将太阳光聚焦到压力空腔式接收器上，集中加热流经吸热 器的压缩空气。

上述方案中，所述燃气轮机发电系统包括分级空气压缩机、间冷器、 燃烧室、燃气轮机、回热器、发电机和控制系统，其中分级空气压缩机压 缩从环境来的空气，回热器预热压缩空气，燃烧室接收压缩空气与化石燃 料混合燃烧产生高温烟气，在燃气轮机中膨胀做功，从而驱动分级空气压 缩机和发电机发电。所述空气压缩机采用分级压缩，两级压缩之间的间冷 热用于驱动卡林那底循环。

上述方案中，所述卡林那循环驱动换热器由两个换热器构成，一个位 于回热器后，用燃气轮机排气驱动；一个位于第一级压缩机与间冷器之间， 用第一级压缩机出口的空气驱动。

上述方案中，所述卡林那循环发电系统，包括透平、回热器、气液分 离器、混合器、分离器、低压凝汽器、低压泵、高压凝汽器和高压泵，处 于饱和液体状态的工作液体通过高压泵升压，在卡林那循环驱动换热器中 吸热成为过热蒸气，送至透平作功，乏汽经回热器冷却后，与气液分离器 底部流出的稀氨水在混合器中混合，在低压凝汽器中冷凝，并在低压升压 泵中升压，送至分离器，一股经回热器加热，并在蒸馏器中分离成为浓氨 水和稀氨水；另一股进入混合器与蒸馏器顶部流出的气态浓氨水混合形成 工作溶液，经高压凝汽器冷凝成为饱和工作溶液。

上述方案中，所述卡林那循环发电系统由双热源驱动，蒸馏冷凝子系 统DCSS代替了冷凝器，工质以干饱和蒸汽状态进人DCSS并冷凝，冷凝 过程中释放的热作为气液分离器的驱动热。

上述方案中，所述太阳能与替代燃料互补过程不需要设置太阳能蓄能 装置，替代燃料是天然气。

上述方案中，所述联合循环由太阳能与化石燃料互补驱动压缩空气布 雷顿循环与卡林那循环构成。所述卡林那底循环以氨水混合物为工质，该 氨水混合物在余热锅炉中吸收经回热器降温后的烟气余热，激发成过热气 进入透平做功。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电 系统，相比蒸汽循环，节水效果明显。传统50MW槽式太阳能热发电系统 的循环水量约为5600t/h，运行中因排污和蒸发损失需补水151.4t/h，而该 系统的顶循环布雷顿循环工质为压缩空气，基本不耗水，底循环工质为氨 水，发电比例占的份额较小，只需要约17.4t/h的循环用浓氨水，由于排 污和蒸发损失需补水5.8t/h。

2、本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电 系统，将太阳能引入到燃气轮机循环，减少了化石燃料的消耗和温室气体 的排放，符合我国乃至全球的节能减排目的。

3、本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电 系统，能有效提高系统的发电效率，计算结果表明，新系统的循环热效率 达到50.21％，与单纯的燃气轮机系统相比，提高了约20个百分点，与带 回热的燃气轮机系统相比，提高了约6个百分点，与单压联合循环相比， 提高了约4个百分点，与双压联合循环相比，提高了约1个百分点。并且 这里采用的是最简单的kalina循环，循环热效率只有15.84％，若采用更复 杂的kalina循环，系统的效率提升将更加可观。

4、本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电 系统，底循环采用卡林那循环，工质相变的非等温过程和循环过程中工质 浓度的改变，使得汽化过程与热源的放热过程匹配良好，降低了换热过程 中的不可逆损失，提高了余热利用效率。

5、本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电 系统，可以在不同辐照强度下，通过控制系统采用不同方式运行，实现无 储能24小时连续运行，相比传统蒸汽循环节水效果明显，同时又解决了 燃气轮机机组由化石燃料直接燃烧造成的CO₂排放等环境问题。

附图说明

图1是本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发 电系统的结构示意图。

图2是本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发 电系统的模拟结果。

图1中各部件及相应的标记为：1-压缩机1，2-压缩机2，3-燃气 轮机，4-卡林那驱动换热器1，5-卡林那驱动换热器2，6-间冷器，7 -压力空腔式接收器，8-回热器，9-混合器，10-分离器，11-高压泵， 12-高压凝汽器，13-透平，14-气液分离器，15-混合器，16-低压凝 汽器，17-低压泵，18-分离器，19-混合器，20-回热器，21-发电机， 22-定日镜阵列，23-高塔，24-发电机，25-燃烧室。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发 电系统的结构示意图，该系统包括塔式太阳能预热空气的集热系统、燃气 轮机发电系统、卡林那循环驱动换热器和卡林那循环发电系统。其中，塔 式太阳能预热空气的集热系统与回热器及燃烧室相连接，燃气轮机发电系 统通过管道和换热器与卡林那循环发电系统相连接。塔式太阳能预热空气 的集热系统用于接收并会聚太阳辐照能量，将接收的太阳辐照能量转化为 热能传递给压缩空气，然后输出给太阳能与燃料互补驱动的燃气轮机系 统。燃气轮机发电系统用于接收太阳能集热系统和燃料燃烧产生的热能， 将其转化为电能。以氨水混合物为工质的卡林那循环发电系统用于接收分 级压缩机的间冷热和燃气轮机排气的余热，将其转化为电能。

塔式太阳能预热空气的集热系统由三个聚光比不同的塔系列实现分 级加热，包括定日镜阵列22、高塔23和压力空腔式接收器7。压力空腔 式接收器7位于高塔上，定日镜阵列22以高塔23为中心，呈圆周状分布， 将太阳光聚焦到压力空腔式接收器7上，集中加热流经压力空腔式接收器 7的压缩空气，将其加热为过热压缩空气，将太阳辐照能量转化为热能， 然后将过热压缩空气输送给燃气轮机3。

燃气轮机发电系统与空气压缩机(1，2)和发电机24相连，用以提 供空气压缩机的耗功和发电，空气经分级空气压缩机(1，2)压缩并在回 热器8中回热后，在压力空腔式接收器7或燃烧室25中被加热为过热压 缩空气，然后送入燃气轮机3做功并驱动发电机24发电。过热气被转化 为中温的压缩空气，用于压缩空气的预热和驱动卡林那循环发电系统。

以氨水混合物为工质的卡林那循环发电系统包括透平13、回热器20、 气液分离器14、混合器15，19、分离器18、低压凝汽器16、低压泵17、 高压凝汽器12和高压泵11等。处于饱和液体状态的工作液体通过高压泵 11升压，在卡林那循环驱动换热器4，5中吸热成为过热蒸气，送至透平 13作功，乏汽经回热器20冷却后，与气液分离器14底部流出的稀氨水在 混合器15中混合，在低压凝汽器16中冷凝，并在低压泵17中升压，送 至分离器14，一股经回热器20加热，并在气液分离器12中分离成为浓氨 水和稀氨水；另一股进入混合器19与蒸馏器顶部流出的气态浓氨水混合 形成工作溶液，经高压凝汽器12冷凝成为饱和工作溶液。

压缩空气的加热所需热量由太阳能和化石燃料共同提供。在控制策略 上，根据太阳能辐照变化，通过控制燃料流量保持燃气轮机入口参数的稳 定。当太阳辐照充足时，关闭燃料循环泵，压缩空气的加热过程完全由太 阳能提供。在晚上或阴雨天气，太阳辐照不足时，控制系统调节燃料流量 提供剩余所需热量。

空气压缩机采用分级压缩，减少压缩机的耗功，提高燃气轮机出力和 效率，一级压缩机出口与卡林那驱动换热器2相连，用于卡林那循环工质 的供热，使得压缩机1，2之间的间冷热得以利用，进一步提高系统效率。

压缩空气在压力空腔式接收器7中被加热，空气压缩机2出口布置为 较好的流线型，而且动力子系统安装在距离接收器较近的近地面以减小工 质的压损。

燃烧室25入口直径要增加并且要布置为较好的流线型，以适应经太 阳能加热后比压缩机出口温度和比体积高得多的空气，燃烧室25可以布 置为前后两个部分，前一部分用于燃料的燃烧，后一部分用于燃料燃烧后 的烟气与从压力空腔式接收器7出来的空气混合，从而保证燃烧室内燃料 的燃烧效率。将燃烧室25到透平3的冷却空气流道密封掉，而从空气压 缩机2出口引出一个小型旁路用于透平叶片的冷却。

卡林那循环由双级压缩机(1，2)之间的间冷热和燃气轮机3的排气 余热共同驱动，将工作溶液加热为过热状态进入透平13做功并驱动发电 机21发电，透平13的排气用于驱动气液分离器14，将基本溶液分离为浓 氨水和稀氨水，整个循环采用多压力多浓度运行，有效减小能量损失。

本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电系 统采用Aspen Plus软件进行模拟。模拟过程中，假设太阳辐照充足，不需 要燃料补燃，模拟过程所做的假设条件见表1，该系统中，燃气轮机进口 温度为1000℃，压比为12.1。第一级压缩机压比为4，第二级压缩机压比 为3。卡林那循环的工作溶液氨浓度为97％，工作压力为50bar。

  布雷顿顶循环   压气机效率   0.85   燃气透平效率   0.88   泵效率   0.75   卡林那驱动换热器节点温差，℃   10   间冷器出口温度，℃   25   卡林那底循环   透平效率   0.88   泵效率   0.75   氨水冷凝温度，℃   24   气液分离器工作压力，bar   15   气液分离器工作温度，℃   50   透平入口温度，℃   170   透平入口压力，bar   50   太阳能集热系统   平均光学效率，％   70   平均接受效率，％   80

表1

本发明提供的节水型太阳能燃气轮机与卡林那循环联合的热发电系 统的模拟结果如图2。计算结果表明，该系统循环热效率为50。21％，卡 林那底循环的引入使系统发电量和循环热效率增加了14.1％，并且使排烟 温度降低到76℃，增加了烟气余热利用率，卡林那底循环的循环热效率为 15.84％，考虑太阳能集热效率后系统太阳能发电效率为28.12％。

以上所述的具体实施例，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例而 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。