CN102146899A - 多塔式二元工质太阳能高温热发电*** - Google Patents

Abstract

多塔式二元工质太阳能高温热发电***，包括水工质吸热器、汽包、熔盐吸热器、给水泵、饱和蓄热器、熔盐泵、熔盐罐、蒸汽过热器、辅助加热器、除氧器、汽轮机、凝汽器、凝结水泵组成；汽包内的水通过自然循环的方式进入水工质吸热器内，完成水的预热蒸发过程；经汽水分离后，饱和蒸汽被引入饱和蓄热器；在熔盐吸热器内，熔盐被加热，然后在蒸汽过热器中释放热量，把饱和蒸汽加热成需要的过热蒸汽参数，最后通过蒸汽导管引至汽轮机做功；膨胀做功后的蒸汽在凝汽器中冷凝变成凝结水，被凝结水泵输送至蒸汽式除氧器，除氧后的水再通过给水泵送入吸热器上面的汽包，完成一个循环过程。本发明在提高太阳能热发电***效率的同时，还具有安全性高、投资省、运行维护简单等特点。

Description

多塔式二元工质太阳能高温热发电***

技术领域

本发明涉及一种多塔式二元工质太阳能高温热发电***，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

太阳能高温热发电技术是太阳能规模利用的一个重要方向，对人类解决化石能源危机、空气污染等问题具有深远的意义。太阳能高温热发电有多种技术方向：根据聚焦方式的不同，可分为碟式、槽式、塔式三种方式；采用的工质有水(水蒸汽)、熔盐、空气、导热油、液态金属、其他有机物等。塔式聚焦方式，由于具有大容量、高参数等优点而受到世界许多国家的关注，以水(水蒸汽)为吸热介质的研究在美国、欧洲等地得以广泛开展。以水(水蒸汽)为载热工质的太阳能热发电***，虽然具有介质常见、成本低廉、控制简单等诸多优点，但该***也存在一些难以克服的问题：由于过热蒸汽的换热系数低、换热效果差，因此在有限的吸热面积上很难达到较高的蒸汽参数；如果通过增加吸热器上过热蒸汽的面积来提高过热度，这不但会增加吸热器的制造成本，还会增加吸热器的辐射及对流散热损失，这些因素都会限制***的能量转换效率；同时蒸汽的热容小、传热性能差的特性也会影响到***的安全性，塔式聚焦的太阳能热发电***，聚焦倍数通常能达到500～1000倍，局部热负荷达到1000kW/m²，这么高的热流密度对吸热器上的过热区域是个严重的考验；尤其是在局部有云的气象条件下，当蒸发量受云量的影响快速变化时，更容易导致过热区域的超温、爆管，从而威胁到***的安全运行。另一方面，由于熔盐具有热容高、液相温度范围宽、流动性好等特点，对其作为载热介质的研究越来越受到各国学者的重视。熔盐在吸热器中吸热升温，然后通过蒸汽发生装置(包括预热器、蒸发器、过热器等)产生需要的蒸汽参数，这种太阳能热发电技术具有较强的蓄热能力，并且产生的蒸汽参数高，这有利于提升太阳能热发电***的效率。但熔盐***管路复杂，再加上熔盐的凝固点很高，***对管道预热、设备保温、运行维护等要求严格，因此降低了***的安全性，同时也增加了***的投资和运行成本。这些因素制约了太阳能热发电技术的发展。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种多塔式二元工质太阳能高温热发电***，该***充分发挥二元工质的特点和优势，采用与工质特性相适应的不同吸热器，把水的预热蒸发过程与水蒸汽的过热过程进行巧妙分析，并通过直接加热或间接加热的方式予以实现，这种解决方案在提高整个***能量转换效率的同时，还具有安全性高、投资省、运行维护简单等特点。

本发明的技术解决方案：多塔式二元工质太阳能高温热发电***，包括：除氧器(1)、给水泵(2)、多个相互并联的汽包(3)、多个相互并联连接的水工质吸热器(4)、饱和蓄热器(5)、蒸汽三通阀(6)、蒸汽过热器(7)、辅助加热器(8)、汽轮机(9)、发电机(10)、凝汽器(11)、凝结水泵(12)、熔盐罐(13)、熔盐泵(14)、熔盐旁通阀(15)和熔盐吸热器(16)；除氧器(1)通过蒸汽加热除去凝结水***中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀；除氧后的水经过给水泵(2)后分别进入汽包(3)，汽包(3)是水和水蒸汽的储存容器，汽包内的水通过下降管后进入水工质吸热器(4)；在水工质吸热器(4)内吸热，并逐渐经历液相至气相的转换，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器(5)，饱和蓄热器(5)内维持有一定液面高度的饱和水，上部的空间内为对应压力下的饱和蒸汽；蒸汽从饱和蓄热器(5)出来后通过三通阀(6)进入到蒸汽过热器(7)，在蒸汽过热器(7)中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机(9)做功，汽轮机(9)带动发电机(10)产生电能；从饱和蓄热器(5)出来的蒸汽还设置了备用的一条回路，通过蒸汽三通阀(6)的另一路至辅助加热器(8)，由辅助加热器(8)产生过热蒸汽进入汽轮机(9)，这个回路的设置可以在熔盐***故障时提供辅助热源，使***维持正常运行；还可以在汽轮机(9)冷态启动时，加快***的启动速度；除氧器(1)的热源来自水工质吸热器(4)顶部的汽包(3)；

还包括熔盐回路，熔盐罐(13)中储存的熔盐，经熔盐泵(14)升压后进入到熔盐吸热器(16)，在吸热器(16)内升温，再流经蒸汽过热器(7)把热量传递给管内的蒸汽，冷却后的熔盐从蒸汽过热器(7)流出后回到熔盐罐(13)内，完成熔盐的循环过程。熔盐旁通阀(15)在熔盐吸热器(16)投入前开启，以建立熔盐的流通回路，当熔盐吸热器(16)正常工作后，熔盐旁通阀(15)关闭；

蒸汽在汽轮机(9)内完成膨胀做功过程，并带动发电机(10)做功；从汽轮机(9)排出的蒸汽在凝汽器(11)内被冷却、凝结成水；经凝结水泵(12)升压及预热后进入除氧器(1)，完成整个汽水***的循环。

本发明的原理：在以水(水蒸汽)为工质的热力发电过程中，水通常要经过预热、蒸发、过热三个过程转变为过热蒸汽。在上述三个过程中，蒸汽过热需要的热量通常只占总吸热量的20～30％，而预热蒸发过程吸收的热量通常占总吸热量的70％以上。若是把蒸汽的过热过程直接放在吸热器上完成，由于吸热器表面热流密度大(通常塔式热发电***中，局部热流密度接近1000kW/m²)，则***可能存在以下方面的几个问题；

由于过热蒸汽的热容低、密度小、换热性能差(比熔盐的换热系数通常小两个量级)，因此很难产生参数高的过热蒸汽，这势必会影响到太阳能热发电***的效率；若通过增加吸热器的面积来提高蒸汽参数，就会带来吸热器面积增大、成本增加、热损高等问题；

太阳能热发电***受天气因素的影响非常明显，太阳辐射强度、风速、环境温度等参数都会影响到***的稳定运行。尤其是天空的云量对太阳能热发电***的影响更为显著。镜场上方局部云量的变化会导致蒸发量的大范围波动，由此可能会导致吸热器上过热面的冷却不足，从而导致管子的超温及损毁。

本发明根据热力***计算的结果，设计出多塔式二元工质太阳能热发电***，包括了一个熔盐吸热器，与之对应的多个水工质吸热器，分别完成水(水蒸汽)的预热蒸发过程、熔盐的加热过程，并用高温的熔盐把水蒸汽加热到需要的过热参数。在该***中，把水蒸汽的过热过程改成由熔盐加热完成，而在太阳能吸热器上(其中的一个)采用热容高、导热性能更好的熔盐作为载热介质，该熔盐***由熔盐泵、熔盐吸热器、蒸汽过热器(壳体侧是熔盐、管内侧是蒸汽)、熔盐罐等几部分组成。该***构成简单，但它针对性解决了现存***存在的问题；由于熔盐的换热系数高、热容特性好，因此利用熔盐作为载热介质，可以快速带走太阳能吸热器上的热量，并且高温的熔盐可以通过蒸汽过热器产生高品质的蒸汽，由此可以提高***的能量转换效率；同时，由于该熔盐回路具有相对的独立性，因此蒸发量的变化对该回路不构成直接影响，只要控制熔盐***的流量处于合理范围，就不会出现对应的吸热器超温、损毁等问题；在多塔式二元工质太阳能热发电***中，熔盐仅用于过热蒸汽的加热，因此熔盐的工作温度范围远高于其凝固点，不易出现熔盐的局部凝固现象，这对于***的安全性而言是非常有益的。

本发明把火力机组中常见的工质水(水蒸汽)与高热容特性的载热工质(熔盐、导热油、液态金属、有机工质等)有机结合起来，具有如下显著优点：

(1)本发明最大限度地保留了以水(水蒸汽)为工质的太阳能热发电***的优点(如：技术成熟度高、可靠性好、控制简单等)，而蒸汽的过热过程则采用了高热容特性、高传热性能的熔盐作为载热介质，这种复合式的***使过热蒸汽参数得以明显提高，由此可以提高***的发电效率。

(2)本发明中多个吸热器采用了水(水蒸汽)作吸热介质，由于液态的水及两相的水蒸汽具有较低的温度，因此在选取吸热器的材料时，可以选用性能满足要求的常规材料，而不再选用耐高温、价格昂贵的不锈钢材料等，从而可以大大节约吸热器的制作成本。同时较低的吸热器壁温，也降低了对***镜场平均热流密度和最大热流密度等参数的要求，这也会降低镜场的控制成本。

(3)本发明提高了***的安全性。若在吸热器上直接布置蒸汽的过热回路，则天空云量变化时，必然会使蒸发受热面的产汽量变化，从而导致流经过热回路的蒸汽量难以控制，由此可能会导致过热回路的超温损毁等。而在多塔式***二元工质的太阳能热发电***中，采用以熔盐为载热介质的简单循环，该回路具有相对独立性，它的安全性不受预热蒸发面工作情况的影响，因此可以大大提高吸热器的安全性。

(4)由于在本发明中采用了多个以水(水蒸汽)为介质的太阳能吸收器，该类吸热器的管壁温度低于以熔盐为工质的吸热器，因此吸热器的辐射和对流热损失将有所降低，计算结果标明，这种方法设计出来的太阳能热发电***具有更高的能量转换效率；

(5)本发明还采用了以饱和水为介质的蓄热装置，在天空出现短时云量时，饱和水可以通过降压实现闪蒸，使配套的发电装置处于滑参数运行的状态，由此可以使汽轮发电***的负荷波动情况大为减弱，使整个***的工作更稳定，这对于高容量的并网机组而言无疑是非常重要的。

附图说明

图1为本发明的组成结构图。

具体实施方式

本发明多塔式二元工质太阳能高温热发电***包含了两种不同性质的工作介质，一种是水(水蒸汽)，另一种是具有高温特性的介质，如熔盐、液态金属、导热油、其它有机介质等。为使论述简便，在本专利中，仅以熔盐作为高温载热介质的代表进行论述，对采用其它高温介质的二元工质太阳能热发电***就不再逐一论述。

如图1所示(以熔盐作为高温载热介质为例)，本发明主要包括：除氧器1、给水泵2、多个相互并联的汽包3、多个相互并联连接的水工质吸热器4、饱和蓄热器5、蒸汽三通阀6、蒸汽过热器7、辅助加热器8、汽轮机9、发电机10、凝汽器11、凝结水泵12、熔盐罐13、熔盐泵14、熔盐旁通阀15和熔盐吸热器16。

本发明的正常工作过程简述如下：除氧器1的作用是通过蒸汽加热除去凝结水***中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀。除氧后的水经给水泵2后分别进入互相并联的汽包3(多个)；经过水工质吸热器4(有多个)的加热后，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器5；再通过蒸汽三通阀6进入到蒸汽过热器7，在其中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机9做功。带动发电机(10)产生电能。从饱和蓄热器5出来的蒸汽还设置了备用的一条回路：通过蒸汽三通阀6至辅助加热器8产生过热蒸汽进入汽轮机9，这个回路的设置可以加快汽轮机9的启动过程，还可以在熔盐***故障状态下提供辅助热源，增加***的可靠性。在上述***中，除氧器1的热源来自水工质吸热器4顶部的汽包3。

除上述水(水蒸汽)***外，多塔式二元工质太阳能高温热发电***还包括了一个简单的熔盐回路。该回路的流程为：熔盐罐13中储存的熔盐，经熔盐泵14升压后进入到熔盐吸热器16，在吸热器16内升温，再流经蒸汽过热器7把热量传递给管内的蒸汽，最后流回到熔盐罐13内，完成一个循环过程。

蒸汽在汽轮机9内完成膨胀做功过程，并带动发电机10做功；从汽轮机9排出的蒸汽在凝汽器11内被冷却、凝结成水；经凝结水泵12升压及预热后进入除氧器1；完成整个水(水蒸汽)***的循环。

上述过程为多塔式二元工质太阳能高温热发电***正常工作条件下的流程，为加深对该***工作过程的理解，如下内容分别对该***在早晨启动、傍晚停运、以及变工况条件下的工作过程进行较详细的论述：

早晨***启动前必须对熔盐管路***进行预热，否则液态熔盐遇到冷的管路时易造成熔盐凝固、堵管。熔盐吸热器16的预热是通过投入一定比例的太阳能反射镜实现的，而管路和阀门则是采取电阻通电发热的方式进行预热。经过预置的升温程序后，熔盐管路和部件达到设置的温度，开启熔盐泵14和熔盐旁通阀15初步建立熔盐***的循环，待熔盐吸热器16预热到设定温度后，充灌熔盐吸热器16，并把其中的气体通过放气阀排出。当熔盐吸热器16全部充满后，逐渐关闭熔盐旁通阀15，熔盐***进入到正常工作状态。水(水蒸汽)***的启动更为简单：首先投入辅助汽源给除氧器1进行加温除氧，开启锅炉给水泵2把除氧后的水升压后注入汽包3，在汽包下降管和水工质吸热器4内充满了欠饱和的水。逐渐投入更多的反射镜***，给水工质吸热器4和熔盐吸热器16进行加热，水工质吸热器4内的水吸收热量后逐渐汽化，在吸热器4上端的出口处为带有一定含汽率的水，蒸汽在汽包3内不断升压，分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器5。熔盐经熔盐吸热器16升温后，进入蒸汽过热器7，产生一定过热度的蒸汽进入汽轮机9做功。多塔式二元工质太阳能热发电***在白天工作期间，由于太阳辐射强度随太阳入射角的不同而不断变换，***的蒸汽流量等参数也在随之而改变，汽轮机工作在一个变工况状态。

当天空出现短时间的云时，***接收到的能量随之减少，***的蒸发量也随之降低，但由于***包含了饱和蓄热器5，其内部为一定液位高度的饱和水，随着***压力的降低，饱和水的闪蒸效应会产生补偿性的饱和蒸汽，因此过热蒸汽参数的下降就不会过于迅速，汽轮机9能够适应这种变工况条件(进汽参数逐渐降低的滑压运行)；反之当天空中的云逐渐移出镜场时，由于***的蓄热特性，***的输出参数也是会呈缓慢上升的状态，使汽轮机9更容易适应这种变工况特性。

傍晚或阴雨天时，当***输入的能量不能维持***的正常运转时，就必须使***停运下来。熔盐***的管路及各部件内的熔盐必须放回到熔盐罐13中，以防止熔盐的凝结。熔盐***的水平管路都设计成带有一定坡度的结构，这样在***停运时，可以利用熔盐的重力使熔盐自流回到熔盐罐13，对于熔盐吸热器16和蒸汽过热器7，在各部件的最低端设有熔盐排放阀，以方便熔盐介质的回流。汽包3与水工质吸热器4内的水是否放空取决于该部件的散热特性：若热损失大，甚至有结冰的危险，则必须放空汽包3与水工质吸热器4，否则无需放空上述部件，这样在第二天开启***时就变得更为简单。

若熔盐***发生故障，则辅助加热器8可以替代熔盐***进行工作，辅助加热器可以把饱和蒸汽加热到需要的过热度，从而保障整个太阳能热发电***正常运行。

在上述示例***中，按照太阳能高温热发电***的特点和能量分配关系，把水的预热蒸发过程与饱和蒸汽的过热过程进行巧妙分离，通过不同的吸热器来加以实现；其中蒸汽过热部分的能量来自独立的熔盐***。由于不同类型的吸热器内部的载热介质不同：一种是水(水蒸汽)，另一种是高温载热介质(熔盐、液态金属、有机物等)；二者的工作温度相差大。因此对不同的吸热器可以选用不同的材料和工艺：用于给水预热和蒸发的吸热器可以采用耐受温度较低、价格相对便宜的材料(如碳钢等)；而对于高温载热介质的吸热器则采用耐受温度更高的合金材料(如不锈钢等)。具体的设计方案，应根据热力***的特性、镜场的太阳辐射特性等因素优化选取。

采用多塔式二元工质的太阳能吸热***后，由于熔盐的传热性能好、热容高，熔盐吸热器的受热面冷却充分，因此就不易发生超温、爆管等事故；熔盐作为载热介质可以缩小吸热器的体积和受热面积，这不但节约了吸热器的制造材料，还减少了吸热器表面的散热损失；从上述示例可以看出，熔盐作为高温载热介质还增加了***在变工况条件下的适应性；此外，饱和蓄热器和辅助加热器的设置增加了***的灵活性和可用率。从上述论述可以看出：这种多塔式二元工质太阳能高温热发电***具有能量转换效率高、安全性好、初投资省等显著特点，是太阳能高温热发电技术的一个重要方向。

Claims (1)

1.多塔式二元工质太阳能高温热发电***，其特征在于包括：除氧器(1)、给水泵(2)、多个相互并联的汽包(3)、多个相互并联的水工质吸热器(4)、饱和蓄热器(5)、蒸汽三通阀(6)、蒸汽过热器(7)、辅助加热器(8)、汽轮机(9)、发电机(10)、凝汽器(11)、凝结水泵(12)、熔盐罐(13)、熔盐泵(14)、熔盐旁通阀(15)和熔盐吸热器(16)；除氧器(1)通过蒸汽加热除去凝结水***中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀；除氧后的水经过给水泵(2)后分别进入汽包(3)，汽包(3)是水和水蒸汽的储存容器，汽包内的水通过下降管后进入水工质吸热器(4)；在水工质吸热器(4)内吸热，并逐渐经历液相至气相的转换，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器(5)，饱和蓄热器(5)内维持有一定液面高度的饱和水，上部的空间内为对应压力下的饱和蒸汽；蒸汽从饱和蓄热器(5)出来后通过三通阀(6)进入到蒸汽过热器(7)，在蒸汽过热器(7)中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机(9)做功，汽轮机(9)带动发电机(10)产生电能；从饱和蓄热器(5)出来的蒸汽还设置了备用的一条回路，通过蒸汽三通阀(6)至辅助加热器(8)，由辅助加热器(8)产生过热蒸汽进入汽轮机(9)，这个回路的设置可以在熔盐***故障时提供辅助热源，使***维持正常运行；还可以在汽轮机(9)冷态启动时，加快***的启动速度；除氧器(1)的热源来自水工质吸热器(4)顶部的汽包(3)；

还包括熔盐回路，熔盐罐(13)中储存的熔盐，经熔盐泵(14)升压后进入到熔盐吸热器(16)，在吸热器(16)内升温，再流经蒸汽过热器(7)把热量传递给管内的蒸汽，冷却后的熔盐从蒸汽过热器(7)流出后回到熔盐罐(13)内，完成熔盐的循环过程。熔盐旁通阀(15)在熔盐吸热器(16)投入前开启，以建立熔盐的流通回路，当熔盐吸热器(16)正常工作后，熔盐旁通阀(15)关闭；

蒸汽在汽轮机(9)内完成膨胀做功过程，并带动发电机(10)做功；从汽轮机(9)排出的蒸汽在凝汽器(11)内被冷却、凝结成水；经凝结水泵(12)升压及预热后进入除氧器(1)，完成整个汽水***的循环。

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