CN101586879A - 一种与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用的*** - Google Patents

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Abstract

一种与燃气－蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***。该***包括太阳能聚光集热子***、制冷子***、换热及蓄热装置和燃气－蒸汽联合循环动力子***；将太阳辐射能量转换为热能，载热介质经换热装置对燃气－蒸汽联合循环动力子***用的空气和燃料进行预热，换热后的载热介质再驱动制冷子***制冷，用于降低中冷器中空气的温度。本发明梯级利用太阳能聚光集热子***提供的热能，解决了太阳能利用率低的问题，同时解决了多级压缩中间冷却的空气压缩机出口空气温度低的问题；本发明在保证进入燃烧室的空气温度的基础上减少了空气压缩机的功耗，提高了燃气－蒸汽联合循环的发电效率，达到节能降耗的目的。

Description

一种与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用的***
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***。
背景技术
现有技术中关于太阳能热发电与燃气-蒸汽联合循环发电概述如下。
1、槽式线聚焦太阳能热发电***
槽式线聚焦太阳能热发电***是利用槽式线聚焦反射镜达到聚光要求的太阳能热发电形式，槽式线聚焦反射镜多对太阳多进行一维跟踪，其聚光比在40～80之间，集热工质的温度一般低于400℃。***通常由槽式聚光集热装置、蓄热装置、发电装置或/和辅助能源装置(如锅炉)等组成。槽式线聚焦太阳能热发电***目前普遍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、过热器、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。槽式线聚焦太阳能热发电***目前的主要障碍是集热工质温度不高，动力子***的热效率偏低；主要问题是当***集热温度高于400℃后，太阳能集热器的真空度难以保证、寿命迅速降低，并且集热效率也急剧下降。例如，当太阳直射辐射强度为800W/m2，温度为500℃时的集热效率为0.5，而温度为250℃时为0.7，500℃比250℃的集热效率约降低28.6％。因槽式线聚焦反射镜的几何聚光比低等条件的制约，使得槽式线聚焦太阳能热发电***中的动力子***热效率偏低，通常在35％左右，因此，槽式线聚焦太阳能的热利用效率较低。
2、塔式太阳能热发电***
塔式太阳热发电***也称为集中式太阳能热发电***，***聚光比通常在200～700之间，***最高运行温度可达到1500℃。塔式太阳能热发电***通常由定日镜、吸热器、蓄热装置、蒸汽产生装置以及热动装置等部件组成。为最大限度的捕捉到太阳辐射，定日镜通常采用双轴跟踪装置。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***后实现热功转换，完成电能输出。塔式太阳能热发电***在20世纪80年代后备受世人关注，目前，世界范围内有多座示范电站正在运行或建设中。与槽式线聚焦太阳能热发电***相比，塔式太阳能热发电***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***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***大型化后，定日镜场的集热效率随之降低，例如，当定日镜场的聚光功率为50MW时，其年均场效率为0.6，当聚光功率为500MW时，场效率为0.4，且随着聚光功率的增加，场效率减小的趋势加快，因此，增大塔式太阳能热发电的***容量难度较大。
3、燃气-蒸汽联合循环发电***
燃气-蒸汽联合循环装置是二十世纪四十年代末开始发展起来的一种能源综合利用技术，其特征是将具有较高平均吸热温度的燃气轮机循环与具有较低平均放热温度的蒸汽轮机循环结合起来，使燃气轮机的废热成为汽轮机循环的加热源，达到扬长避短，相互弥补的目的，使整个联合循环的热能利用水平较燃气轮机循环或汽轮机循环都有明显的提高。目前，燃气轮机的入口烟气温度已经达到1430℃，大型燃气-蒸汽联合循环的发电效率在55％左右。处于对材料的耐热温度等因素的考虑，单独的燃气-蒸汽联合循环的发电效率提升的空间不大。在联合循环的燃气轮机中，特别是大型燃气轮机，空气压缩机的功耗较大，约能占到燃气透平所产生功率的60％左右。如果采用多级压缩中间冷却的空气压缩机，虽然减小了空气压缩机的功耗，同时也降低了进入燃烧室的空气温度。如果保持相同的燃气透平的入口烟气温度，需要消耗更多的燃料。综合考虑上述的两种因素，***的效率变化不大。
从上面的分析可以看出，目前槽式线聚焦方式能产生400℃左右的中温能量，如果这部分能量直接用来发电，年均发电效率在10％左右，处于较低的水平；塔式太阳能热发电***，虽然其集热温度有所提高，但电厂容量不宜过大；燃气-蒸汽联合循环发电***，受到燃气透平材料的耐温、耐磨和耐腐蚀等方面的限制，联合循环发电效率的提升收到了制约。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用的***。该***采用太阳能聚光集热子***产生的能量来预热进入燃烧室的空气和燃料，经过与空气和燃料进行热交换后的载热介质继续为制冷子***提供能量，制冷子***为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器的提供冷量。
为达到上述目的，本发明提供了以下技术方案。一种与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，该***包括太阳能聚光集热子***、制冷子***、换热及蓄热装置和燃气-蒸汽联合循环动力子***；换热装置包括高温热交换器和低温热交换器；太阳能聚光集热子***将太阳辐射能量转换为热能，通过载热介质经换热装置预热燃气-蒸汽联合循环动力子***用的空气和燃料，与空气和燃料进行换热后的载热介质再经换热装置后继续为制冷子***提供能量，制冷子***为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器的提供冷量。
上述的方案中，所述燃气-蒸汽联合循环动力子***为一发电装置，用于将热能转化为电能，包括多级压缩中间冷却的空气压缩机、中冷器、燃气轮机燃烧室、燃气透平、燃气发电机、余热锅炉、蒸汽透平、蒸汽发电机、凝汽器、冷却塔和给水泵。
前述的方案中，所述的多级压缩中间冷却的空气压缩机，至少为两级压缩中间冷却的空气压缩机，用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气的压力。
前述的方案中，所述的余热锅炉，可以采用单压、双压或多压形式等形式，为蒸汽透平提供蒸汽。
前述的方案中，所述的太阳能聚光集热子***收集到的太阳辐射能量首先用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气和燃料的温度；经过与空气和燃料换热后的载热介质，继续为制冷子***提供能量。
前述的方案中，所述的高温换热器，用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气和燃料的温度，设于多级压缩中间冷却的空气压缩机的末级出口处。
前述的方案中，所述的经过与空气和燃料换热后的载热介质，在低温热交换器中将载热介质与制冷子***进行热交换，为制冷子***提供能量。
前述的方案中，还包括一个蓄热装置，用于存储太阳能聚光集热子***富余的能量，并在太阳辐射能量不足时继续向换热装置提供能量。
前述的方案中，所述的制冷子***，用于为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器提供冷量，以降低各级空气压缩机入口处的空气温度。
前述的方案中，所述的太阳能聚光集热子***，包括聚光镜场和吸热器；聚光镜场接收并汇聚太阳辐射能量，并将接收的太阳辐射能量传递给吸热器中的载热介质，将太阳能转化为载热介质的热能。
前述的方案中，所述的太阳能聚光集热子***还包括载热介质泵，载热介质泵用于提高载热介质的压力，克服传输过程中的阻力损失。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明太阳能聚光集热子***产生的能量分别在高、低温换热器中换热，用于加热进入燃烧室的空气、燃料和为制冷子***提供能量，体现了能量的梯级利用原则。
2、本发明太阳能聚光集热子***产生的高温段能量在燃烧室入口处加入，经燃气轮机与蒸汽动力装置的联合作用，提高了太阳能聚光集热子***产生的能量的利用率。
3、本发明太阳能聚光集热子***产生的能量预热进入燃烧室的空气和燃料，从而节省了燃气轮机的燃料消耗量，提高了联合循环的发电效率。
4、本发明利用太阳能聚光集热子***产生能量的高温段来加热进入燃烧室的空气和燃料，利用低温段能量来驱动制冷子***运行，为空气压缩机的中冷器提供冷量。利用本发明可以解决空气压缩机的功耗与出口空气温度二者不能兼顾的问题。
5、本发明中的太阳能聚光集热子***中的载热介质可选择导热油、高温熔盐或高温相变介质，使得***形式更加合理。
综上所述，本发明中的太阳能热利用方式，不但梯级利用了太阳能聚光集热子***提供的热能，解决了太阳能利用率低的问题；同时解决了多级压缩中间冷却的空气压缩机出口空气温度低的问题，在保证进入燃烧室的空气温度的基础上减少了空气压缩机的功耗，从而提高了燃气-蒸汽联合循环的发电效率，达到节能降耗的目的。
附图说明
图1为本发明所提出的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***原理示意图；
图2为依照本发明第二个实施例的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***的流程示意图；
图3为依照本发明第三个实施例的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***的流程示意图。
图中标记为：1-空气第一级压缩机，2-中冷器，3-空气第二级压缩机，4-高温热交换器，5-太阳能聚光集热子***，6-载热介质泵，7-燃气轮机燃烧室，8-燃气发电装置，9-余热锅炉，10-蒸汽发电装置，11-吸收式制冷装置，12-低温换热器，13-槽式线聚焦镜场，14-太阳，15-蓄热器，16-A阀门，17-B阀门，18-C阀门，19-D阀门，20-冷却塔，21-A水泵，22-B水泵，23-燃气透平，24-燃气发电机，25-蒸汽透平，26-蒸汽发电机，27-凝汽器，28-塔式定日镜场。
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。
本发明的实施例1。本发明所提出的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，包括太阳能聚光集热子***、制冷子***、换热及蓄热装置和燃气-蒸汽联合循环动力子***；换热装置包括高温热交换器和低温热交换器。太阳能聚光集热子***用于接收并汇聚太阳辐射能量，并将接收的太阳辐射能量转化为载热介质的热能；蓄热装置不仅用于蓄存太阳能聚光集热子***输出的富余能量，并且在太阳辐射不足时继续向换热装置提供热能；太阳能聚光集热子***输出的能量首先在高温换热器中加热多级冷却的空气压缩机的末级出口空气，与末级出口空气进行热交换后的载热介质在低温换热器中为制冷子***提供能量；制冷子***为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器提供冷量；空气与燃料被太阳能加热后共同进入燃烧室，燃烧后的高温烟气经燃气-蒸汽轮机联合循环动力子***利用后输出电能。
太阳能聚光集热子***主要包括聚光镜场、吸热器和载热介质泵。聚光镜场接收并汇聚太阳辐射能量，并将接收的太阳辐射能量传递给吸热器中的载热介质，将太阳能转化为载热介质的热能。载热介质泵用于提高载热介质的压力，以克服管路和换热设备的阻力损失。蓄热装置用于蓄存太阳能聚光集热子***输出的富余的高温载热介质的能量，并且在太阳能不足时，蓄热装置可以为换热装置继续提供能量。太阳能聚光集热子***收集到的太阳能首先用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气和燃料的温度；经过与空气和燃料换热后的载热介质，继续为制冷子***体提供能量。制冷子***为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器提供冷量，以降低各级压缩机入口处的空气温度。燃气-蒸汽联合循环动力子***为一发电装置，用于将热能转化为电能，主要包括多级压缩中间冷却的空气压缩机、中冷器、燃烧室、燃气透平、发电机、余热锅炉、蒸汽透平、凝汽器、冷却塔及给水泵等主要设备。燃气轮机采用多级压缩(大于等于两级)中间冷却的空气压缩机，用于提高进入燃烧室的空气的压力。余热锅炉，根据燃气轮机的排气温度可以采用单压、双压或多压形式，为蒸汽轮机提供蒸汽。在高温热交换器中太阳能聚光集热子***收取的能量与多级压缩中间冷却的空气压缩机的末级出口空气进行热交换。在低温热交换器中载热介质与制冷子***进行热交换，为制冷子***提供能量。
如图1所示，本发明所提出的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***具体包括空气第一级压缩机1、中冷器2、空气末级压缩机3、高温热交换器4、太阳能境场5、载热介质泵6、燃气轮机燃烧室7、燃气发电装置8、余热锅炉9、蒸汽发电装置10、吸收式制冷装置11、低温换热器12及蓄热器15。其中，空气经第一级压缩机1压缩后进入中间冷却器2，燃料同第二级空气压缩机3出口的空气在高温换热器4中一起被加热，被加热的空气与燃料共同进入燃气轮机燃烧室7，燃烧后的高温烟气进入燃气发电装置8，输出一部分电能。燃气轮机的高温排气进入余热锅炉9，产生相应压力下的蒸汽，蒸汽进入蒸汽发电装置10，输出电能。经高温换热器4换热后的太阳能聚光集热子***5的载热介质在低温换热器12中为吸收式制冷装置11提供能量，吸收式制冷装置为中冷器2提供冷量。从低温换热器12中流出的载热介质经载热介质泵6送回太阳能镜场，完成整个循环过程。
本发明的实施例2。图2为本发明第二个实施例的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***的流程示意图。在图2中，太阳辐射经槽式线聚焦镜场13聚集，经载热介质输送出热能。空气经第一级空气压缩机1压缩后进入到中冷器2，从第二级压缩机3出来的空气与燃料在高温换热器4中被加热，被加热的空气与燃料共同进入到燃烧室7，燃烧后的高温烟气进入到燃气透平23，经燃气发电机24后输出电能；燃气透平23和燃气发电机24构成燃气发电装置8。燃气轮机排气进入余热锅炉9，经热交换后，余热锅炉9产生的蒸汽进入到蒸汽透平25，经蒸汽发电机26后输出电能；蒸汽透平25和蒸汽发电机构成蒸汽发电装置10；蒸汽在凝汽器21中凝结，凝结水经B水泵22后进入余热锅炉9吸收燃气轮机排气的热量。经高温换热器4后的载热介质进入到低温换热器12中，低温换热器12为吸收式制冷装置11提供能量，制冷装置11为中冷器2提供冷量。当太阳辐射能量较充分时，从槽式线聚焦境场输出的载热介质除一部分进入高温换热器4加热进入燃烧室7的空气和燃料，富余部分的载热介质进入到蓄热器15中，此时A阀门16、B阀门17、C阀门18和D阀门19开启；当没有太阳辐射时，B阀门17和C阀门18关闭，蓄热器输出载热介质到高、低温换热器中，继续为***提供能量。冷却塔20和A水泵21为吸收式制冷装置11提供冷却用水。
本发明的实施例3。图3为依照本发明第三个实施例的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***的流程示意图。在图3中，太阳14的辐射经塔式定日镜场28聚集，经载热介质输送出热能。空气经第一级空气压缩机1压缩后进入到中冷器2，从第二级压缩机3出来的空气与燃料在高温换热器4中被加热，被加热的空气与燃料共同进入到燃烧室7，燃烧后的高温烟气进入到燃气透平23，经燃气发电机24后输出电能。燃气轮机排气进入余热锅炉9，经热交换后，余热锅炉9产生的蒸汽进入到蒸汽透平25，经蒸汽发电机26后输出电能；蒸汽在凝汽器21中凝结，凝结水经B水泵22后进入余热锅炉9吸收燃气轮机排气的热量。经高温换热器4后的载热介质进入到低温换热器12中，低温换热器12为吸收式制冷装置11提供能量，制冷装置11为中冷器2提供冷量。当太阳辐射能量较充分时，从槽式线聚焦境场输出的载热介质除一部分进入高温换热器4加热进入燃烧室7的空气和燃料，富余部分的载热介质进入到蓄热器15中，此时A阀门16、B阀门17、C阀门18和D阀门19开启；当没有太阳辐射时，B阀门17和C阀门18关闭，蓄热器输出载热介质到高、低温换热器中，继续为***提供能量。冷却塔20和A水泵21为吸收式制冷装置11提供冷却用水。
本发明分别对上述第二个实施例和第三个实施例的实验数据进行了模拟分析。对于第二个实施例，***中的主要参数如表1所示，其热力性能如表3所示。两个实施例的载热介质可以根据实际情况加以选择。对于第三个实施例，***中的主要参数如表2所示，其热力性能如表3所示。
本发明所提出***适合于太阳能与燃气-蒸汽联合循环的***集成，其中太阳能聚光集热子***中的载热介质可以采用导热油、高温熔盐或高温相变介质等。本发明提出的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，对于提高太阳能镜场所产生能量的利用率，解决空气压缩机的功耗与出口空气温度二者不能兼顾的问题，在降低燃气-蒸汽联合循环的燃料消耗量方面具有无可比拟的优越性。
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举例而已，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。
表1实施例2***流程参数表
  物流序号   温度(℃)   压力(bar)   物流序号   温度(℃)   压力(bar)
  S1   390   3.00   S13   32   1.60
  S2   272   2.30   S14   180   2.00
  S3   185   1.50   S15   165   1.50
  S4   150   5.00   S16   7   2.00
  S5   25   1.00   S17   12   1.50
  S6   370   20.00   S18   1327   20.00
  S7   370   20.00   S19   560   1.30
  S8   188   20.70   S20   120   1.05
  S9   25   4.31   S21   510   83.80
  S10   210   4.81   S22   33   0.05
  S11   25   1.00   S23   105   85.00
  S12   37   2.50
表2实施例3***流程参数表
  物流序号   温度(℃)   压力(bar)   物流序号   温度(℃)   压力(bar)
  S1   550   3.00   S13   32   1.60
  S2   298   2.30   S14   180   2.00
  S3   185   1.50   S15   165   1.50
  S4   150   5.00   S16   7   2.00
  S5   25   1.00   S17   12   1.50
  S6   500   20.00   S18   1327   20.00
  S7   500   20.00   S19   560   1.30
  S8   188   20.70   S20   120   1.05
  S9   25   4.31   S21   510   83.80
  S10   210   4.81   S22   33   0.0
  S11   25   1.00   S23   105   85.00
  S12   37   2.50
表3***热力性能表
 项目   没有太阳能利用的简单联合循环   实施例2   实施例3
 DNI(W/m2)   0   800   800
 槽式镜场光学效率(％)   0   80   0
 塔式镜场光学效率(％)   0   0   75
 吸热器效率(％)   0   90   80
 槽式镜场面积(万m2)   0   17.7   0
 塔式镜场面积(万m2)   0   0   29.8
 燃气轮机功率(MW)   233   233   233
 燃气轮机发电效率(％)   37.3   37.3   37.3
 燃气轮机进气温度(℃)   1327   1327   1327
 燃气轮机排气温度(℃)   560   560   560
 余热锅炉形式   单压   单压   单压
 蒸汽轮机功率(MW)   115   115   115
 蒸汽轮机发电效率(％)   38.9   38.9   38.9
 蒸汽轮机排汽压力(bar)   0.005   0.005   0.005
 ***总发电效率(％)   57   61.5   69.5

Claims (11)

1、与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，该***包括太阳能聚光集热子***、制冷子***、换热及蓄热装置和燃气-蒸汽联合循环动力子***；换热装置包括高温热交换器和低温热交换器；太阳能聚光集热子***将太阳辐射能量转换为热能，通过载热介质经换热装置对燃气-蒸汽联合循环动力子***用的空气和燃料进行预热，与空气和燃料进行换热后的载热介质再经换热装置后继续为制冷子***提供能量，制冷子***为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器的提供冷量。
2、根据权利要求1所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述燃气-蒸汽联合循环动力子***为一发电装置，用于将热能转化为电能，包括多级压缩中间冷却的空气压缩机、中冷器、燃气轮机燃烧室、燃气透平、燃气发电机、余热锅炉、蒸汽透平、蒸汽发电机、凝汽器、冷却塔和给水泵。
3、根据权利要求2所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述的多级压缩中间冷却的空气压缩机，至少为两级压缩中间冷却的空气压缩机，用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气的压力。
4、根据权利要求2所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述的余热锅炉，可以采用单压、双压或多压等形式，为蒸汽透平提供蒸汽。
5、根据权利要求1所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，太阳能聚光集热子***收集到的太阳辐射能量首先用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气和燃料的温度；经过与空气和燃料换热后的载热介质，继续为制冷子***提供能量。
6、根据权利要求5所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述的高温换热器用于提高进入燃气轮机燃烧室的空气和燃料的温度，设于多级压缩中间冷却的空气压缩机的末级出口处。
7、根据权利要求5所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，经过与空气和燃料换热后的载热介质，在低温换热器中为制冷子***提供能量。
8、根据权利要求1所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，还包括一个蓄热装置，用于存储太阳能聚光集热子***富余的能量，并在太阳辐射能量不足时继续向换热装置提供能量。
9、根据权利要求1所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述的制冷子***，用于为多级压缩中间冷却的空气压缩机的中冷器提供冷量，以降低各级空气压缩机入口处的空气温度。
10、根据权利要求1至9任一所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述的太阳能聚光集热子***，包括聚光镜场和吸热器；聚光镜场接收并汇聚太阳辐射能量，并将接收的太阳辐射能量传递给吸热器中的载热介质，将太阳能转化为载热介质的热能。
11、根据权利要求10所述的与燃气-蒸汽联合循环结合的太阳能热利用***，其特征在于，所述的太阳能聚光集热子***还包括载热介质泵，载热介质泵用于提高载热介质的压力，克服传输过程中的阻力损失。
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