【摘要】：直膨式(direct steam generation,DSG)光熱發(fā)電系統(tǒng)采用廉價環(huán)保的水工質作為集熱、蓄熱和熱工介質,系統(tǒng)結構簡單、經濟性好。但DSG技術尚面臨著蓄熱瓶頸。長期以來,單級高壓水蓄熱是商業(yè)化DSG電站通常采用的蓄熱形式。在滑壓閃蒸放熱過程中,產生的飽和蒸汽的壓力逐步降低、流量逐漸減小。為了防止系統(tǒng)嚴重偏離設計工況運行,單級蓄熱水罐的溫降一般低于50℃,蓄熱容量較小。此外,基于高壓水蓄熱的DSG電站通常使用濕蒸汽輪機。飽和蒸汽在濕蒸汽輪機中膨脹時會產生水滴,導致汽輪機效率降低、葉片強度變差、運行壽命縮短。為了降低液滴的不利影響,濕蒸汽輪機一般需要采用復雜的除濕結構以及昂貴的耐侵蝕材料,技術難度大、制造成本高。針對DSG技術面臨的上述問題,本文結合具有良好中低溫熱力特性的有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle,ORC)提出了相關的解決方案,具體研究內容和創(chuàng)新點如下:(1)提出了一種基于蒸汽-有機朗肯復疊循環(huán)(steam-organic Rankine cycle,SORC)的兩級水蓄熱DSG光熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有獨特的兩級放熱過程。第一級放熱過程:高溫蓄熱水罐通過滑壓閃蒸產生一定量的飽和蒸汽驅動頂部蒸汽朗肯循環(huán),蒸汽冷凝余熱驅動底部ORC循環(huán)發(fā)電,對應的蓄熱水溫降在30℃以內。第二級放熱過程:高溫蓄熱水罐中的蓄熱水經中間換熱器流入低溫蓄熱水罐并驅動底部ORC循環(huán)發(fā)電。研究結果表明第二級放熱過程中蓄熱水溫降可以高達130～190 ℃,系統(tǒng)蓄熱容量提升了460%,對應的等效回收期低于5年。兩級水蓄熱結構可以有效地改善DSG系統(tǒng)的熱經濟性。(2)提出了“等效熱功轉換效率(ηeq)”優(yōu)化指標,綜合反映了兩級水蓄熱DSG-SORC系統(tǒng)在不同運行模式下的性能。重點分析了主蒸汽溫度、濕蒸汽輪機鮑曼系數、蓄熱容積和ORC有機工質等對DSG-SORC系統(tǒng)熱力性能和最佳中間蒸汽冷凝溫度(T2,opt)的影響。研究結果表明戊烷是較為合適的ORC有機工質,設計工況下其對應的T2,opt和叩ηeq,max分別為139~190℃和20.93%～24.24%。(3)提出了一種基于復疊ORC循環(huán)(cascade organic Rankine cycle,CORC)的兩級水蓄熱DSG光熱發(fā)電系統(tǒng),有效解決了濕蒸汽輪機對DSG-SORC系統(tǒng)造成的不利影響。研究結果表明相同工況下,DSG-CORC系統(tǒng)對應的ηeq,max僅比DSG-SORC系統(tǒng)低0.11%～0.57%,CORC復疊循環(huán)進一步提高了兩級水蓄熱DSG系統(tǒng)的熱經濟性。(4)設計了一套基于ORC循環(huán)的DSG冷熱電聯供系統(tǒng),并實驗測試了ORC系統(tǒng)性能,提出了“儲液罐充注率(FROR)”和“膨脹機運行壓比折減系數(RCOPR)”參數用于分析不凝氣體(non-condensable gases,NCGs)的影響機理。研究結果表明ORC系統(tǒng)運行時,NCGs主要聚集在儲液罐中。NCGs含量和FROR越高,冷凝壓力和RCOPR的增加越明顯。NCGs導致膨脹機變工況運行效率變差,系統(tǒng)發(fā)電量降低。
【圖文】：

ＬＦＣ光熱發(fā)電原理與ＰＴＣ光熱發(fā)電技術類似，太陽光線經過分條平行的平逡逑面鏡聚集到固定安裝的集熱管上，加熱集熱介質；高溫集熱介質驅動熱力循環(huán)發(fā)逡逑電，系統(tǒng)結構如圖１．４所示Ｍ。相比于ＰＴＣ集熱裝置，ＬＦＣ集熱裝置采用簡單的逡逑平面鏡代替了高精度曲面反射鏡；并且集熱管可以固定安裝，僅需要聯動控制平逡逑面鏡跟蹤太陽，成本較低。但另一方面，ＬＦＣ系統(tǒng)聚光比較小，集熱溫度相對較逡逑低。早期的ＬＦＣ系統(tǒng)大多采用ＤＳＧ技術，比如世界上第一個ＬＦＣ光熱電站美逡逑國Ｋｉｍｂｅｒｌｉｎａ電站以及西班牙Ｐｕｅｒｔｏ邋Ｅｒｒａｄｏ電站。隨著集熱裝置制造工藝以及逡逑吸收涂層材料的進步，部分在建的ＬＦＣ系統(tǒng)采用了導熱油和熔鹽作為集熱和蓄逡逑熱介質。比如中國烏拉特旗５０邋ＭＷ導熱油ＬＦＣ光熱電站和大成敦煌５０邋ＭＷ熔逡逑鹽ＬＦＣ光熱電站。逡逑＾ＳＳＳ＾ｓｓｌ邋ｒｌ＾Ｍ＇逡逑圖１．４菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)Ｐ］逡逑５逡逑

——ｌ—ｉｇＳｉｎ逡逑圖１．３槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)［６］逡逑菲涅爾式系統(tǒng)逡逑ＦＣ光熱發(fā)電原理與ＰＴＣ光熱發(fā)電技術類似，太陽光線經過分條平行的集到固定安裝的集熱管上，加熱集熱介質；高溫集熱介質驅動熱力循環(huán)統(tǒng)結構如圖１．４所示Ｍ。相比于ＰＴＣ集熱裝置，ＬＦＣ集熱裝置采用簡單代替了高精度曲面反射鏡；并且集熱管可以固定安裝，僅需要聯動控制蹤太陽，成本較低。但另一方面，ＬＦＣ系統(tǒng)聚光比較小，，集熱溫度相對期的ＬＦＣ系統(tǒng)大多采用ＤＳＧ技術，比如世界上第一個ＬＦＣ光熱電站ｂｅｒｌｉｎａ電站以及西班牙Ｐｕｅｒｔｏ邋Ｅｒｒａｄｏ電站。隨著集熱裝置制造工藝以層材料的進步，部分在建的ＬＦＣ系統(tǒng)采用了導熱油和熔鹽作為集熱和。比如中國烏拉特旗５０邋ＭＷ導熱油ＬＦＣ光熱電站和大成敦煌５０邋ＭＷ光熱電站。逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM61

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本文編號：2651304