CN103477150A - 用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法。所述工业过程可以例如为发电或脱盐。所述方法包括：(a)将含有水的工作流体液体加压至第一压力；(b)将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度；以及(c)将所述工作流体液体闪蒸以产生蒸汽。通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。本发明还公开了一种用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的装置。所述装置包括用于将含有水的工作流体液体加压至第一压力的泵(32)；位于所述泵(32)下游的用于将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度的加热单元(34)；以及位于所述加热单元(34)下游的用于将所述工作流体液体闪蒸以产生蒸汽的协同操作的节流阀(36)和闪蒸罐(38)。所述加热单元(34)包括用于对所述加压的工作流体直接加热的太阳辐射吸收器件。

Description

用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法和装置
本发明涉及应用太阳能产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法和装置。本发明特别涉及但不限于产生供在发电和/或脱盐应用中使用的蒸汽。
背景技术
以实用规模(>10MW)进行的发电通常需要温度和压力受控的大量蒸汽以驱动涡轮并产生电力。该工作流体蒸汽通常为过热的蒸汽。需要热量输入以产生必要的蒸汽，然后使所述蒸汽过热达到所需温度以驱动涡轮运转。所述热量输入可来自多种来源，但是本发明涉及将太阳能用作主要热能来源的应用。
在代表性的集中式太阳能发电设备中，采用传热流体回路来收集来自太阳的能量并产生过热蒸汽，所述过热蒸汽随后被馈送至涡轮以用于发电。此类已知***的例子在WO2009/034577和WO2007/093474中公开。此类已知***中的传热流体回路占了发电设备资本成本的大部分，因此已探索出了另外可供选择的配置，其中过热的蒸汽在一个或多个太阳能吸收器件中直接产生。EP1890035公开了一种太阳能发电设备，其中抛物线型槽式收集器用于产生饱和的或稍过热的蒸汽，并且三维太阳能收集器用于使在所述抛物线型槽式收集器中产生的蒸汽过热。该类型的发电设备免去了传热流体回路的资本成本和更常规的配置的锅炉。然而，在其中水被沸腾的抛物线型槽式收集器中的两相流动方案可能导致与收集器管弯曲和***可控性相关的问题。
另一种可能需要大量工作流体蒸汽的工业过程是脱盐，在脱盐过程中从盐水形成适于人类饮用或灌溉的淡水。在脱盐过程中，淡水从盐水进料蒸发以用于后续的冷凝和使用。蒸发淡水的优选方法为真空蒸馏，因为低压蒸发能降低能源成本。然而，通过与传热流体进行热交换而沸腾也是已知的，其中所述传热流体可以是液体或蒸汽。这些方法消耗极大的能量。
US-A-4670705公开了一种采用多种碳氢化合物作为工作流体的郎肯(Rankine)循环发电设备，所述碳氢化合物为高度易燃的。
发明内容
本发明提供了一种优于上述已知***的改进形式，并涉及通过闪蒸而从含有水的加压工作流体液体直接产生蒸汽。在太阳辐射吸收器件中采用直接加热，在增加的压力下将加压工作流体液体加热到接近其饱和温度的温度。然后将该加压和加热的工作流体液体闪蒸，以产生工作流体蒸汽。这样，就避免了太阳能吸收器件的收集器管中的两相流动的问题，且无需依赖常规的传热流体回路和锅炉。然后，可使产生的工作流体蒸汽过热并将其输送至涡轮以用于发电，或可将其用作用于其他应用（例如，脱盐）的传热流体。在一个实施例中，可将工作流体液体预热并且可使工作流体蒸汽过热，所述过程中的一者或两者可通过在另外的一个或多个太阳辐射吸收器件中使用直接的太阳能加热来进行。
因此，本发明的第一方面提供一种用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法，其包括：
(a)将含有水的工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将工作流体液体加热至大致等于该工作流体液体在第一压力下的饱和温度的温度；并且
(c)将该工作流体液体闪蒸以产生蒸汽；
其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
出于本说明书的目的，“大致等于”涵盖了功能性误差幅度，该误差幅度包括最多至并包括可发生闪蒸的饱和温度在内的温度范围。该功能性的误差幅度还考虑了加热阶段中不可避免的压力损耗，该压力损耗可能在1%范围内。因此，根据本发明的实施例，“大致等于”涵盖了低于第一压力下的饱和温度最多至5℃的温度。
该含有水的工作流体液体可以是锅炉给水。“锅炉给水”为用于提供给锅炉以产生蒸汽的水，其已被处理过以移除可能导致腐蚀问题或锅炉中的沉淀的杂质，并且可包含诸如碱剂的添加剂以改善性能。
该工作流体可在基线压力下提供给步骤(a)，步骤(a)的加压将工作流体的压力增加至高于基线压力的第一压力。
该工业过程可以是发电过程，其中蒸汽可应用于驱动涡轮。在此类应用中，可使用来自涡轮的辅助蒸汽，在太阳能预热阶段之前进行工作流体液体的额外预热。
在发电的实施例中，该方法的规模可为至少10MW、或至少50MW、或至少100MW、或至少150MW。
闪蒸可在闪蒸罐中进行，该闪蒸罐经由节流阀从太阳辐射吸收器件接收饱和的加压水。
该太阳辐射吸收器件可包括线性菲涅耳(Fresnel)吸收器件或可包括抛物线型槽式器件。该抛物线型槽式器件可具有固定的收集器管，并且可例如包括根据GB1008032.3的抛物线型槽式器件。
该方法还可以包括在步骤(a)的加压之前对工作流体液体进行预热。
可通过在太阳辐射吸收器件中的直接加热进行预热，该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收器件。
该方法还可包括在步骤(c)之后使蒸汽过热。
可通过不同于受热工作流体的热源使蒸汽过热。可通过在太阳辐射吸收器件中直接加热进行过热加热，该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个塔式太阳能吸收器件。除此以外或作为另一种选择，该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个线性菲涅耳太阳辐射吸收器件。
过热加热可包括第一和第二过热加热阶段，其中第一过热加热阶段可使用直接的太阳能加热，而第二过热加热阶段可使用不可再生能源。在另外可供选择的实施例中，矿物燃料加热可用于第一过热加热阶段或两个过热加热阶段。
第一过热加热阶段可使用一个或多个塔式太阳能吸收器件和/或一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收器件，第二过热加热阶段可使用矿物燃料、生物燃料或生物质材料。
在步骤(c)的闪蒸后剩下的工作流体液体可被循环回到步骤(a)。在一个实施例中，5%至15%的工作流体液体可在步骤(c)中被闪蒸为蒸汽，剩下的液体被循环回到步骤(a)。在一个具体的实施例中，7%至8%的工作流体液体可在步骤(c)中被闪蒸为蒸汽。
工业过程可以是发电和脱盐联合过程。
本发明的第二方面提供一种发电的方法，其包括：
通过本发明的第一方面的方法产生蒸汽；并且
将蒸汽提供给涡轮以用于发电。
本发明的第三方面提供一种产生供在脱盐过程中使用的蒸汽的方法，其包括：
(a)将含有水的工作流体液体加压至5-50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将工作流体液体加热至大致等于该工作流体液体在第一压力下的
饱和温度的温度；以及
(c)将该工作流体液体闪蒸以产生蒸汽；
其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
根据第三方面，蒸汽可用作传热流体以使给水沸腾以供进行脱盐。
闪蒸可在闪蒸罐中进行，该闪蒸罐经由节流阀从太阳辐射吸收器件接收饱和的加压水。
在步骤(c)的闪蒸后剩下的工作流体液体可被循环回到步骤(a)。在一个实施例中，5%至15%的工作流体液体可在步骤(c)中被闪蒸为蒸汽，剩下的液体被循环回到步骤(a)。在一个具体的实施例中，7%至8%的工作流体液体可在步骤(c)中闪蒸为蒸汽。
本发明的第四方面提供一种用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的装置，所述装置包括：
将含有水的工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力的泵；
位于所述泵下游的用于将工作流体液体加热至大致等于该工作流体液体在第一压力下的饱和温度的温度的加热单元；以及
位于所述加热单元下游的用于将工作流体液体闪蒸为蒸汽的协同操作的节流阀和闪蒸罐，
其中所述加热单元包括用于对加压的工作流体直接加热的太阳辐射吸收器件。
所述泵可包括高压泵。所述泵可有效将工作流体的压力从基线压力增加至第一压力P。
该工业过程可以是发电过程，其中蒸汽可应用于驱动涡轮。在此类应用中，可使用来自涡轮的辅助蒸汽，在太阳能预热阶段之前进行工作流体液体的额外预热。
所述加热单元可经由节流阀与闪蒸罐成流体连通。
该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个抛物线型槽式太阳能吸收器件。作为另一种选择或除此以外，该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个线性菲涅耳太阳辐射吸收器件。
该或每个抛物线型槽式器件可包括固定的收集器管，并且可例如包括根据GB1008032.3的抛物线型槽式器件。
该装置还可以包括循环回路，该循环回路可被构造为将工作流体液体从闪蒸罐输送至泵。
所述泵、加热单元和协同操作的节流阀和闪蒸罐可一起构成蒸汽产生区，并且该装置还可包括位于蒸汽产生区上游的用于预热工作流体液体的预热区以及位于蒸汽产生区下游的用于过热加热蒸汽的过热加热区。
预热区可包括用于对工作流体液体直接加热的太阳辐射吸收器件。该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收器件。
该过热加热区可包括不同于加热的工作流体的热源。该过热加热区可包括用于直接加热蒸汽的太阳辐射吸收器件。该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个塔式太阳辐射吸收器件。作为另一种选择或除此以外，该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个线性菲涅耳太阳辐射吸收器件。
该过热加热区可包括第一和第二过热加热阶段，第一过热加热阶段包括塔式太阳辐射吸收器件和/或一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收器件，而第二过热加热阶段包括矿物燃料燃烧器。或者，矿物燃料燃烧器可用于一个或两个过热加热阶段。
工业过程可包括发电和脱盐联合过程，其中蒸汽不仅可应用于驱动涡轮，还可以用作脱盐过程的传热流体。根据其他实施例，来自发电的废蒸汽可用作脱盐过程的传热流体。
根据本发明的第四方面的装置可在产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法中使用，所述方法包括：
(a)使用所述泵将含有水的工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将在所述加热器单元中的工作流体液体加热至大致等于工作流体液体在第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)在协同操作的节流阀和闪蒸罐中将工作流体液体闪蒸以产生蒸汽，
其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而将工作流体液体在加热器单元中加热。
本发明的第五方面提供一种太阳能发电设备，其包括：
根据本发明的第四方面的用于产生蒸汽的装置；以及
被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的涡轮。
本发明的第六方面提供一种操作根据本发明第五方面的太阳能发电设备的方法，该方法包括：
在所述用于产生蒸汽的装置中产生蒸汽；以及
将蒸汽提供给涡轮以用于发电；
其中通过以下步骤从含有水的工作流体液体产生蒸汽：
(a)将含有水的工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将工作流体液体加热至大致等于工作流体液体在第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)将工作流体液体闪蒸以产生蒸汽；
并且其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
本发明的第七方面提供一种用于产生供在脱盐过程中使用的蒸汽的装置，所述装置包括：
将含有水的工作流体液体加压至5-50巴（绝对压力）的第一压力的泵；
位于所述泵下游的用于将工作流体液体加热至大致等于工作流体液体在第一压力下的饱和温度的温度的加热单元；以及
位于所述加热单元下游的用于将工作流体液体闪蒸以产生蒸汽的协同操作的节流阀和闪蒸罐，
其中所述加热单元包括用于对加压的工作流体直接加热的太阳辐射吸收器件。
加热单元可经由节流阀与闪蒸罐成流体连通。
该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个抛物线型槽式太阳能吸收器件。作为另一种选择或除此以外，该太阳辐射吸收器件可包括一个或多个线性菲涅耳太阳辐射吸收器件。
该或每个抛物线型槽式器件可包括固定的收集器管，并且可例如包括根据GB1008032.3的抛物线型槽式器件。
该装置还可以包括循环回路，该循环回路可被构造为将工作流体液体从闪蒸罐提供给泵。
本发明的第八方面提供一种脱盐设备，其包括：
根据本发明的第七方面的用于产生蒸汽的装置；以及
被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的蒸发器。
本发明的第九方面提供一种操作根据本发明第八方面的脱盐设备的方法，该方法包括：
在所述用于产生蒸汽的装置中产生蒸汽；以及
将蒸汽提供给蒸发器，以使用传热从盐水中蒸发出水蒸汽；
其中通过以下步骤从含有水的工作流体液体产生蒸汽：
(a)将含有水的工作流体液体加压至5-50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将工作流体液体加热至大致等于工作流体液体在第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)将工作流体液体闪蒸以产生蒸汽；
并且其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
本发明的第十方面提供一种联合的太阳能发电设备和脱盐设备，其包括：
根据本发明的第四方面的用于产生蒸汽的装置；
被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的第一涡轮；
任选地，一个或多个与第一涡轮串联且彼此串联的另外的涡轮，并且所述一个或多个另外的涡轮中的每一个被构造为接收来自其紧接的上游的涡轮的蒸汽；以及
被构造为接收来自所述串联涡轮中的第一个涡轮或最后一个涡轮的蒸汽的蒸发器。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且示出其可以付诸实施的方式，现在将以举例的方式提及附图，其中：
图1为根据本发明的一个实施例的太阳能设备的简化的框图；
图2为根据本发明的一个实施例的脱盐设备的简化的框图；
图3为盐水蒸发器的代表性框图。
具体实施方式
本发明包括用于产生蒸汽的装置和方法。所述装置和方法可通过另外的预热和过热加热阶段进行增强，并且可用于发电、脱盐或其他工业过程。
根据本发明的装置包括用于对给水加压的泵、位于泵的下游的用于加热给水的加热单元以及位于加热单元的下游的用于将给水闪蒸以产生饱和蒸汽的协同操作的节流阀和闪蒸罐。给水可以是已经过加压的，在这种情况下，泵提供额外的压力增大。
泵、加热单元和协同操作的节流阀和闪蒸罐全部成流体连通，使得可以使水从泵流动至加热单元并继续流动至闪蒸罐。泵包括泵送单元，该泵送单元可有效用于以受控的质量流率和压力将给水提供至加热单元。在一个优选的实施例中，对于发电应用，泵可以是高压泵并且可以有效用于以至少120kg/s的速率、或至少200kg/s的速率、或至少300kg/s的速率、或至少400kg/s的速率、或至少500kg/s的速率，并且优选大于1500kg/s的速率、或不大于1250kg/s的速率、或不大于1000kg/s的速率或不大于750kg/s的速率提供给水。例如，泵可有效用于以介于500kg/s至1500kg/s之间的速率提供给水。泵还可有效用于以至少50巴（绝对压力）或至少80巴（绝对压力），并且优选不大于200巴（绝对压力）或不大于160巴（绝对压力）或不大于140巴（绝对压力）的操作压力提供给水。操作压力的合适范围介于80和200巴（绝对压力）之间或介于50和160巴（绝对压力）之间。在其他实施例中，对于包括脱盐在内的应用，泵可以以介于50kg/s和100kg/s之间的速率且以至少5巴（绝对压力）并优选不大于50巴（绝对压力）或不大于20巴（绝对压力）的操作压力提供给水。操作压力的合适范围介于5和50巴（绝对压力）之间或介于5和20巴（绝对压力）之间。泵在第一压力P下将水提供给加热单元。可在应用本发明装置的***内设置其他泵。此类泵可给流经该***并从而流入本发明的泵中的水设定基线压力，这意味着到达本发明的泵的水可能已经过加压。因而，本发明的泵可能仅提供压力的最终小幅增大，使得递送到加热单元的水处于所需的压力P下，这将确保水在加热单元中受热时保持为液态。
该加热单元包括用于直接加热被加压水的一个或多个太阳辐射吸收器件。“直接加热”意指与间接加热相反，各流体通过与在太阳辐射吸收器件中的受热元件直接接触而被加热，其中至少一种传热流体被用于携带来自太阳辐射吸收器件的热量并将热量传送至各流体。太阳辐射吸收器件通常包括反射器，该反射器被构造为反射太阳辐射并将其聚焦在收集器上。流体通过与受热元件接触而在收集器中被加热，例如通过流过在收集器中限定的通道而接触，所述通道的壁被来自反射器的太阳能加热。加热单元的所述一个或多个太阳辐射吸收器件可以是线性菲涅耳太阳能收集器，其中多个线性的反射元件将太阳能聚焦在位于各反射器的共同焦点处的固定收集器管上。或者，根据一个优选的实施例，所述一个或多个太阳辐射吸收器件可以是线性的抛物线型槽式收集器，其中线性的抛物线型反射器将太阳能聚焦到沿其聚焦轴固定的收集器管上。多个此类抛物线型槽式收集器可以采取适当的串联和/或并联式相互连接以协同操作的阵列进行使用。
水在加热单元中被加热至大致等于水在第一压力P下的饱和温度的温度。因此，水将在加热单元中被加热至的温度取决于水被提供给加热单元时的压力。应当理解，可以预计在整个加热单元上存在一定的少量压力损失，大约为1%，但应当将该压力损失降至最低。因此，该加热单元被构造为将加压的水加热至在其离开加热单元时的压力下的水的饱和温度。考虑到在加热单元上出现的压力损失，该压力将尽可能接近第一压力P。加热单元内的加热是通过控制流过该一个或多个太阳辐射吸收器件的质量流率来加以控制，并因而可受到精密控制。
协同操作的节流阀和闪蒸罐直接从加热单元接收饱和的加压水并在较低的温度和压力下将水闪蒸以产生饱和蒸汽。在闪蒸过程中，通过使饱和的液体经受突然减压而产生饱和蒸汽。产生的饱和蒸汽和剩余的饱和液体均在新的减压下被冷却至流体的饱和温度。在一个优选的实施例中，水可以以介于5%和15%之间的闪蒸速率被闪蒸至介于100和140巴（绝对压力）之间的压力。在其他实施例（例如脱盐）中，水可以以介于5%和25%之间的闪蒸速率被闪蒸至1-1.5巴（绝对压力）的压力，例如，被闪蒸至大约大气压力。根据本发明的实施例，所述装置还包括循环回路，该循环回路可有效用于将来自闪蒸罐的剩余液态水循环回到泵。
泵、加热单元以及协同操作的节流阀和闪蒸罐一起构成蒸汽产生区。根据本发明的实施例，所述装置还包括位于蒸汽产生区上游的预热区，以及位于蒸汽产生区下游的过热加热区。预热区、蒸汽产生区和过热加热区成流体连通，使得可以使水从预热区流动至蒸汽产生区并且使饱和的和/或过热加热的蒸汽从蒸汽产生区流动至过热加热区。
预热区包括另外的太阳辐射吸收器件并优选地包括线性菲涅耳太阳能收集器的阵列。预热区可包括多个由一个或多个专用预热单元组成的单独区，所述单独区中的每一个均具有接纳给水的入口和排放预热的给水的出口。在另外可供选择的实施例中，预热区可包括通过非太阳能方式（例如，矿物燃料、生物燃料或生物质材料的燃烧）进行加热的加热元件。提供给预热区的给水的温度和压力将取决于采用本发明的具体应用场合。就发电而言，给水将通常包含来自冷凝器的冷凝液，该冷凝液可能已经使用来自涡轮的辅助蒸汽进行了一定程度的预热。预热区可接收介于80至150巴（绝对压力）之间的给水。
过热加热区包括另外的太阳辐射吸收器件，并且根据一个实施例，包括塔式太阳能吸收器件。此类器件也称为“发电塔”，其通常包括管式收集器，所述管式收集器支承在用于使要加热的流体流动的塔式结构内。平面式可独立移动的反射镜或“定日镜”的阵列围绕该塔式结构排列以将太阳辐射聚焦在收集器上。根据其他实施例，过热加热区包括线性菲涅耳太阳能收集器的阵列。此类收集器可能不能实现如塔式器件一样的过热加热程度，但是它们代表了较低成本的选择方案。在另外可供选择的实施例中，过热加热区可包括通过非太阳能方式（例如，矿物燃料、生物燃料或生物质材料的燃烧）进行加热的加热元件。过热加热区可包括多个由一个或多个专用过热加热单元组成的单独区。根据该发明的一个实施例，过热加热区包括第一和第二过热加热阶段。第一过热加热阶段包括太阳能器件，例如，太阳能塔式吸收器件或线性菲涅耳收集器阵列，第二过热加热阶段包括通过非太阳能方式（例如，矿物质燃料、生物燃料或生物质材料的燃烧）进行加热的加热元件。第一和第二过热加热阶段成流体连通，使得过热蒸汽可从第一过热加热阶段流动到第二过热加热阶段。
本发明可应用于产生供多种工业过程（包括发电和脱盐）使用的蒸汽。本发明还可应用于产生供发电和脱盐联合过程使用的蒸汽，优选地其中蒸汽不仅应用于驱动涡轮、还用作脱盐的传热流体，并且更优选地其中来自发电的废蒸汽用作脱盐的传热流体。
另外，本发明可应用于在联合的太阳能发电设备和脱盐设备中产生蒸汽，所述联合设备包括：本发明的用于产生蒸汽的装置；被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的第一涡轮；任选地，一个或多个与第一涡轮串联且彼此串联的另外的涡轮，并且所述一个或多个另外的涡轮中的每一个被构造为接收来自其紧接的上游的涡轮的蒸汽；以及被构造为接收来自所述串联涡轮中的第一个涡轮或最后一个涡轮的蒸汽的蒸发器。
图1示出了根据本发明的一个实施例的太阳能发电设备。太阳能发电设备2包括蒸汽产生区10和发电区20。蒸汽产生区10包括预热区4、蒸汽产生区6和第一过热加热区8以及第二过热加热区10。发电区20包括多个涡轮22、冷凝器24、多个预热热交换器26、低压泵25和高压泵27。
预热区4包括由线性菲涅耳太阳能收集器阵列形成的太阳能场12。预热区4与蒸汽产生区6成流体连通，以将预热的给水提供至蒸汽产生区。蒸汽产生区6包括高压泵32、太阳能场34和协同操作的节流阀36和闪蒸罐38。高压泵32接收来自预热区4的水并且以受控的质量流率和压力将水提供给太阳能场34。太阳能场34包括上文所讨论类型的抛物线型槽式太阳能收集器的阵列。太阳能场34与将流体提供给闪蒸罐38的节流阀36成流体连通。因此，用于闪蒸的加压液体经由节流阀36直接从太阳能场34提供至闪蒸罐38，而无需临时存储。循环回路40将液态水从闪蒸罐38再循环回到高压泵，且在混合器42处与由预热区4提供的给水混合。
第一过热加热区8和第二过热加热区10各自分别包括第一过热加热阶段44、48和第二过热加热阶段46、50。第一过热加热阶段44、48包括具有平面反射器阵列的太阳能塔，该平面反射器阵列将光聚焦到固定在塔式结构内的收集器上。第二过热加热阶段46、50包括矿物燃料燃烧器。蒸汽产生区6经由闪蒸罐38的蒸汽出口与第一过热加热区8成流体连通。第一过热加热区还与第一多个涡轮22成流体连通，第二过热加热区不仅与第一多个涡轮22还与第二多个涡轮22成流体连通。
在操作中，来自冷凝器24的冷凝液经由低压泵25和高压泵27流经多个预热热交换器26。来自冷凝器的冷凝液可基本处于真空，压力小于0.2巴（绝对压力），并且温度在30和70℃之间。在预热热交换器26中，来自涡轮22的辅助蒸汽用于预热来自冷凝器24的冷凝液。低压泵25和高压泵27使水循环通过***，并增加冷凝液的压力，从而为闪蒸罐38设定基线压力。在冷凝液作为给水流动到预热区4时，其可能处于150至250℃的温度下并处于80至140巴的压力下。在包括太阳能场12的预热区4中，给水被加热至300至350℃的温度并且在该温度下离开太阳能场12。该太阳能场提供的预热的程度由使用的太阳能场的面积以及反射镜焦点的角度确定，并且这些因素被精密控制以提供所需的离开温度。然后预热的给水流动到高压泵32，在此处压力被增加到可能介于100和170巴之间的压力P。压力增加到由低压泵25和高压泵27设定的基线压力之上确保了当给水在太阳能场34中被加热时，水保持为液态。然后，加压的水流动到产生蒸汽的太阳能场34，在此处它在压力P下被加热至大致等于水的饱和温度的温度。在一个优选的实施例中，在水离开太阳能场34时的压力下，将水加热至水的饱和温度。该压力大约等于泵32提供加压水的压力P，但是由于在太阳能场34上存在压力损耗，该压力可能有最多至1%的减小。例如，加压水可被加热至介于310和360℃之间。
加压的饱和水从太阳能场34直接流动到协同操作的节流阀36和闪蒸罐38，在此处水的压力减少了10至50巴，并且5%至15%的水被闪蒸成蒸汽。产生的蒸汽和剩余的液体在新的减压下均被冷却至水饱和温度。使其余85%至95%的在闪蒸罐中保持为液态的水经由循环回路40流动到混合器42，在此处所述液态水被添加到从预热太阳能场12流动至高压泵32的预热的给水。
使在闪蒸罐38中产生的饱和蒸汽流动至第一过热加热区8。在第一过热加热区8内，首先使饱和蒸汽流经包括太阳能塔的第一过热加热阶段44。在太阳能塔中，蒸汽被过热加热到介于400和490℃之间。然后，使过热加热的蒸汽流动至包括生物质或矿物燃料燃烧器的第二过热加热阶段48。在第二阶段中，蒸汽被进一步过热加热到介于500和560℃之间，并且优选地被过热加热至最适于涡轮效率的温度。
使过热的蒸汽从第一过热加热区8流动至第一多个涡轮22，其中随着蒸汽驱动涡轮22，蒸汽的压力和温度均下降。使此时压力为5至25巴且温度为160至260℃的蒸汽从第一多个涡轮22流动至第二过热加热区10，在此处蒸汽通过第一过热加热阶段48和第二过热加热阶段50被重新加热到500至560℃。使过热的蒸汽从第二过热加热区10流动至第二多个涡轮22并继续流动至冷凝器24。使来自涡轮22的辅助蒸汽流动至预热热交换器26，以如上所述为给水冷凝液提供第一预热水平。
应当理解，虽然已将太阳能场12、34、44和48描述为包括特定类型的太阳能吸收器件，但是预热太阳能场、加压加热太阳能场和过热加热太阳能场各自可包括任何适当类型的太阳能吸收器件，包括线性菲涅耳型吸收器件、抛物线型槽式吸收器件和发电塔。另外，预热和过热加热区可包括非太阳能加热元件，例如，用于常规的矿物燃料、生物燃料或生物质材料的燃烧器。这些可作为太阳辐射吸收器件的替代，或作为太阳辐射吸收器件的补充。
还应当理解，可用的太阳辐射吸收器件的技术可能对蒸汽可在这些器件中被过热加热到的温度造成有限的限制。在某些情况下，可能的是使用太阳热能所能够达到的最高温度低于最适于涡轮效率的温度。即便使用太阳能技术能够达到该最适温度，但这也可能不代表最有效率的选择。例如，有可能在每个过热加热区中仅使用单个过热加热阶段，从而采用塔式太阳能加热器件将蒸汽过热加热至大约550℃。然而，使用太阳能塔进行的最后60℃的过热加热可能造成非常高的成本，因为随着温度升高，更大量的热被辐射回到环境中。因此，可能有利的是将太阳能和非太阳能加热手段结合起来以实现所需的过热加热温度。例如，使用太阳能塔、采用可再生能源可实现大部分过热加热，而矿物燃料或生物质仅用来实现最后60至80℃的过热加热。各过热加热区可包括太阳能和非太阳能器件的任何适合的组合，以便以最有效的方式实现所需的离开过热温度。
流经加压的太阳能场12的水的加压性质对可用于该场的太阳能吸收器件的类型造成特定限制。具体地讲，其中收集器管随着反射表面一起转动的标准线性抛物线型槽式收集器并不合适。此类收集器的连接管路布置中所需的回转接头不能承受高压泵32供水时的高压。用于加热传热流体以便以后使水沸腾的常规太阳能场不需要适应从其流过的此类高压液体。特别适合在加压的太阳能场12中使用的线性抛物线型槽式收集器的一种设计为具有固定的收集器管的线性抛物线型槽。此器件的一个例子在GB1008032.3中公开，并且包括安装在线性抛物线型反射器的焦线上的固定的收集器管。该反射器被安装成绕固定的收集器转动，从而避免需要可能不能经受在加压的太阳能场12中所需的压力的回转接头或柔性管路布置。
上述的集中式太阳能发电设备的一个重要优势在于消除了对传热流体回路或对在收集器管内的两相流动的需要。因为消除了对传热流体回路的需要，所以本发明显著减少了资本支出，并且因为允许该设备仅用水运行而简化了设备的操作。在采用闪蒸以产生蒸汽的过程中，本发明还消除了对在太阳能收集器内沸腾的需要，并因此消除了在收集器管内发生两相流动，正如人们所知，所述两相流动会造成与可控性和收集器管弯曲相关的问题。上述的集中式太阳能发电设备还通过匹配水焓曲线但无窄点(butwithout pinch)而改善热效率。也可例如通过使热收集器的选择与该设备的三个加热区（即，预热区、加压加热区和过热加热区）相匹配而实现额外的资本成本节约、太阳能场热损耗降低以及涡轮效率增加。
如上所述，本发明可应用于产生供在其他工业过程（包括脱盐）中使用的蒸汽。图2示出了根据本发明的另一个实施例的脱盐设备。脱盐设备200包括工作流体回路210和盐水蒸发区220。工作流体回路210包括蒸汽产生区206和冷凝区208。盐水蒸发区210包括多个协同操作的盐水蒸发器222a-222e和预热热交换器224。
蒸汽产生区基本上如上文针对图1的集中式太阳能发电设备所述进行构造。蒸汽产生区206包括泵232、太阳能场234和协同操作的节流阀236和闪蒸罐238。泵232接收来自冷凝区208的流体，并且以受控的质量流率和压力将流体提供至太阳能场234。太阳能场234包括上文讨论的类型的抛物线型槽式太阳能收集器的阵列。太阳能场234与将流体提供给闪蒸罐238的节流阀236成流体连通。循环回路240将液态水从闪蒸罐238再循环回到泵232，且在混合器242处与由冷凝区208提供的给水混合。
冷凝区包括运行泵244和第一盐水蒸发器222a的工作流体区。第一盐水蒸发器222a接收来自闪蒸罐238的饱和蒸汽。饱和蒸汽在盐水蒸发器中凝结，并经由泵244流回到蒸汽产生区206。泵244不对饱和蒸汽进行加压，而是仅仅克服泵送和位能损失。
设备200的盐水蒸发区220包括设备盐水入口270、设备浓缩盐水出口272、设备淡水出口274和多个协同操作的盐水蒸发器222a-222e以及预热热交换器224。代表性的盐水蒸发器222在图3中示出，包括蒸汽入口260、冷凝液出口262、盐水入口264、浓缩盐水出口266和蒸汽出口268。在盐水蒸发器内的热交换元件（未示出）使在蒸汽入口260处进入的蒸汽与在盐水入口264处进入的供给盐水接触，从而通过热传递从供给盐水中蒸发掉水蒸气。剩下的浓缩盐水经由浓缩盐水出口266离开蒸发器222，而蒸发的纯水蒸汽经由蒸汽出口268离开蒸发器。用于从盐水中蒸发出水蒸气的冷凝蒸汽在冷凝液出口262处离开蒸发器222。
在操作中，工作流体回路210产生用于第一盐水蒸发器222a中的第一阶段盐水蒸发的蒸汽。通过冷凝区的208的泵244使冷凝液流至蒸汽产生区206的泵232。冷凝液的压力被泵232增加到介于5和15巴之间。然后，使加压的水流动到产生蒸汽的太阳能场234，在此处加压的水在其离开太阳能场234时的压力下被加热至大致等于水的饱和温度的温度。该压力基本上等于泵232提供加压水的压力，但是由于在太阳能场234上存在压力损耗，该压力可能有稍许降低。例如，加压的水可被加热至介于150和200℃之间。
使加压的饱和水从太阳能场234流动到协同操作的节流阀236和闪蒸罐238，在此处水的压力减少至大约大气压力，并且15%至20%的水被闪蒸成蒸汽。产生的蒸汽和剩余的液体在新的减压下均被冷却至水饱和温度。使其余80%至85%的在闪蒸罐中保持为液态的水经由循环回路240流动到混合器242，在此处所述液态水被添加到从第一盐水蒸发器222a流动至泵232的冷凝液。
使在闪蒸罐238中产生的饱和蒸汽流动至第一盐水蒸发器222a的蒸汽入口260。蒸汽在第一盐水蒸发器222a中冷凝，并经由冷凝液出口262离开第一盐水蒸发器222a。然后使冷凝水经由冷凝区泵244流回到蒸汽产生区206以进行进一步加压、加热和闪蒸。因而，工作流体回路为闭合回路，用于产生蒸汽以驱动第一盐水蒸发器中的蒸发。
海水形式的盐水在设备盐水入口270处进入设备200。然后，将盐水输送经过多个预热热交换器224，在此处盐水的温度通过与来自多个盐水蒸发器222的浓缩盐水进行传热而上升。然后，使预热的盐水流至第一盐水蒸发器222a的盐水入口264，在此处来自工作流体回路的蒸汽促使纯水从盐水中蒸发出来。进入盐水蒸发器222a的盐水的10%至20%可被蒸发成蒸汽。在蒸发后剩下的浓缩液态盐水经由浓缩盐水出口266离开盐水蒸发器222a。然后，使浓缩的盐水流至第一预热热交换器并继续流至第二盐水蒸发器222b的盐水入口。逐渐浓缩的盐水被循环经过所有的盐水蒸发器222和预热热交换器224，然后在设备浓缩盐水出口272从设备200排出。在第一盐水蒸发器222a中从盐水蒸发的纯水经由蒸汽出口268作为蒸汽离开第一盐水蒸发器222a。然后，使蒸汽流至第二盐水蒸发器222b的蒸汽入口260，在此处蒸汽用于从进入第二盐水蒸发器222b的盐水中蒸发掉额外的水蒸汽。在此过程中，蒸汽冷凝成水并且在冷凝液出口262离开第二盐水蒸发器。使水从冷凝液出口262流至设备淡水出口274。从第三、第四和第五盐水蒸发器222c、222d、222e离开的水经由混合器280、282、284汇入来自第二盐水蒸发器222b的水流。
应当理解，盐水蒸发器222的精确构造可根据设备需要而变，例如以便使所需的混合器数量减至最小或作出其他效率节约。另外，盐水蒸发器可在减压（真空）条件下操作。
发电和脱盐可根据本发明组合在单个***中。因而，不将来自如图1中所示的太阳能设备中最后一个涡轮的输出的低压蒸汽进行冷凝，而是将该太阳能设备联接到盐水蒸发区，该盐水蒸发区具有图2的脱盐***的盐水蒸发区220的构造。在这个实施例中，使过热的蒸汽流动至串联的第二多个涡轮22。使蒸汽从串联的最后一个涡轮22流动至图2所示***的盐水蒸发区220的第一盐水蒸发器222a的蒸汽入口260。
在这个实施例中，将蒸汽在适于在脱盐步骤中驱动蒸发的温度和压力下从所述串联的最后一个涡轮22中提取出来。例如，可将蒸汽在超过100℃的温度和高于大气压力的压力（例如，224℃的温度和1.4巴（绝对压力）的压力）下从所述串联的最后一个涡轮22中提取出来。为此，可设置比图1所示的仅仅发电的实施例更少的涡轮单元22。
使蒸汽流动至第一盐水蒸发器222a，并如上文针对图2所述在此处冷凝，且经由冷凝液出口262离开第一盐水蒸发器222a，该冷凝液自冷凝液出口262经由多个预热交换器26流回到蒸汽产生区。然后，以图2所示的方式在一系列盐水蒸发器222中完成盐水的脱盐。
在这个实施例中，蒸汽在高于在图1的发电实施例中的温度和压力的温度和压力下从第二多个涡轮22移除，因此与图1的实施例相比，太阳能发电设备所产生的电有减损。例如，可操作该***，使得与图1的实施例相比，太阳能发电设备所产生的电减损20%。然而，与涉及单独发电的实施例的热效率（其为大约40%至45%）相比，该联合的发电和脱盐实施例的总热效率为大约65%至70%。

Claims (48)

1.一种产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法，包括：
(a)将含有水的工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)将所述工作流体液体闪蒸以产生所述蒸汽；
其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工业过程为发电。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中闪蒸是在闪蒸罐中进行，所述闪蒸罐经由节流阀从所述太阳辐射吸收器件接收饱和的加压水。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在步骤(a)的加压之前将所述工作流体液体预热。
5.根据权利要求4所述的方法，其中预热是通过在太阳辐射吸收器件中直接加热来进行。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述太阳辐射吸收器件包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收器件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在步骤(c)之后对所述蒸汽进行过热加热。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述蒸汽是通过不同于所述加热的工作流体的热源进行过热加热。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中过热加热是通过在太阳辐射吸收器件中直接加热来进行。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述太阳辐射吸收器件包括一个或多个塔式太阳能吸收器件或线性菲涅耳太阳能吸收器件。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中过热加热包括第一和第二过热加热阶段，所述第一过热加热阶段使用直接太阳能加热，而所述第二过热加热阶段使用不可再生能源。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一过热加热阶段使用一个或多个塔式太阳能吸收器件或线性菲涅耳太阳能吸收器件，而所述第二过热加热阶段使用矿物燃料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(c)的闪蒸之后剩余的所述工作流体液体被循环回到步骤(a)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中含有水的所述工作流体液体的5%至15%在步骤(c)中被闪蒸形成蒸汽。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述工业过程为联合的发电和脱盐。
16.一种发电方法，包括：
通过根据权利要求1至15中任一项所述的方法产生蒸汽；并且将所述蒸汽提供给涡轮以用于发电。
17.一种产生供在脱盐过程中使用的蒸汽的方法，包括：
(a)将含有水的工作流体液体加压至5-50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)将所述工作流体液体闪蒸以产生所述蒸汽；
其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中闪蒸是在闪蒸罐中进行，所述闪蒸罐经由节流阀从所述太阳辐射吸收器件接收饱和的加压水。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中在步骤(c)的闪蒸之后剩余的所述工作流体液体被循环回到步骤(a)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中含有水的所述工作流体液体的5%至15%在步骤(c)中被闪蒸形成蒸汽。
21.一种用于产生供在工业过程中使用的蒸汽的装置，包括：
将含有水的工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力的泵；
位于所述泵下游的用于将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度的加热单元；以及
位于所述加热单元下游的用于将所述工作流体液体闪蒸以产生蒸汽的协同操作的节流阀和闪蒸罐，
其中所述加热单元包括用于对所述加压的工作流体直接加热的太阳辐射吸收器件。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述工业过程为发电。
23.根据权利要求21或22所述的装置，其中所述加热单元经由所述节流阀与所述闪蒸罐成流体连通。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的装置，其中所述太阳辐射吸收器件包括一个或多个抛物线型槽式太阳能吸收器件。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述一个或多个抛物线型槽式器件中的每一个包括固定的收集器管。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的装置，还包括被构造为将来自所述闪蒸罐的所述工作流体液体输送至所述泵的循环回路。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的装置，其中所述泵、加热单元和协同操作的节流阀和闪蒸罐共同构成蒸汽产生区，所述装置还包括位于所述蒸汽产生区上游的用于预热所述工作流体液体的预热区以及位于所述蒸汽产生区下游的用于过热加热所述蒸汽的过热加热区。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述预热区包括用于直接加热所述工作流体液体的太阳辐射吸收器件。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述太阳辐射吸收器件包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收器件。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的装置，其中所述过热加热区包括不同于所述加热的工作流体的热源。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的装置，其中所述过热加热区包括用于直接加热所述蒸汽的太阳辐射吸收器件。
32.根据权利要求31所述的装置，其中所述太阳辐射吸收器件包括一个或多个塔式太阳辐射吸收器件或线性菲涅耳太阳能吸收器件。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的装置，其中所述过热加热区包括第一和第二过热加热阶段，所述第一过热加热阶段包括塔式太阳辐射吸收器件或线性菲涅耳太阳能吸收器件，而所述第二过热加热阶段包括矿物燃料燃烧器。
34.根据权利要求21至33中任一项所述的装置，其中所述工业过程为联合的发电和脱盐，并且其中所述蒸汽不仅被应用于驱动涡轮，还用作脱盐的传热流体。
35.根据权利要求34所述的装置，其中来自发电的废蒸汽被用作脱盐的传热流体。
36.一种使用根据权利要求21所述的装置产生供在工业过程中使用的蒸汽的方法，包括：
(a)使用所述泵将工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将在所述加热器单元中的所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)在所述协同操作的节流阀和闪蒸罐中将所述工作流体液体闪蒸以产生所述蒸汽，
其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而将所述工作流体液体在所述加热器单元中加热。
37.一种太阳能发电设备，包括：
根据权利要求21至35中任一项所述的用于产生蒸汽的装置；以及
被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的涡轮。
38.一种操作根据权利要求37所述的太阳能发电设备的方法，包括：
在所述用于产生蒸汽的装置中产生蒸汽；以及
将所述蒸汽提供给所述涡轮以用于发电；
其中通过以下步骤从含有水的工作流体液体产生所述蒸汽：
(a)将所述工作流体液体加压至至少50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)将所述工作流体液体闪蒸以产生所述蒸汽；
并且其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
39.一种用于产生供在脱盐过程中使用的蒸汽的装置，包括：
将含有水的工作流体液体加压至5-50巴（绝对压力）的第一压力的泵；
位于所述泵下游的用于将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度的加热单元；以及
位于所述加热单元下游的用于将所述工作流体液体闪蒸以产生蒸汽的协同操作的节流阀和闪蒸罐，
其中所述加热单元包括用于对所述加压的工作流体直接加热的太阳辐射吸收器件。
40.根据权利要求39所述的装置，其中所述加热单元经由所述节流阀与所述闪蒸罐成流体连通。
41.根据权利要求39或40所述的装置，其中所述太阳辐射吸收器件包括一个或多个抛物线型槽式太阳能吸收器件。
42.根据权利要求41所述的装置，其中所述一个或多个抛物线型槽式器件中的每一个包括固定的收集器管。
43.根据权利要求39至42中任一项所述的装置，还包括被构造为将来自所述闪蒸罐的所述工作流体液体输送至所述泵的循环回路。
44.一种脱盐设备，包括：
根据权利要求39至43中任一项所述的用于产生蒸汽的装置；以及
被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的蒸发器。
45.一种操作根据权利要求44所述的脱盐设备的方法，包括：
在所述用于产生蒸汽的装置中产生蒸汽；以及
将所述蒸汽提供给所述蒸发器，以使用传热从盐水中蒸发出水蒸汽；
其中通过以下步骤从含有水的工作流体液体产生所述蒸汽：
(a)将所述含有水的工作流体液体加压至5-50巴（绝对压力）的第一压力；
(b)将所述工作流体液体加热至大致等于所述工作流体液体在所述第一压力下的饱和温度的温度；以及
(c)将所述工作流体液体闪蒸以产生蒸汽；
并且其中，通过在太阳辐射吸收器件中直接加热而在步骤(b)中加热所述加压的工作流体液体。
46.一种联合的发电设备和脱盐设备，包括：
根据权利要求21至35中任一项所述的用于产生蒸汽的装置；
被构造为接收来自所述用于产生蒸汽的装置的蒸汽的第一涡轮；
任选地，一个或多个与所述第一涡轮串联且彼此串联的另外的涡轮，并且所述一个或多个另外的涡轮中的每一个被构造为接收来自其紧接的上游的涡轮的蒸汽；以及
被构造为接收来自所述串联涡轮中的第一个涡轮或最后一个涡轮的蒸汽的蒸发器。
47.参考附图的图1并且如图1中所示的一种基本上如本文所述的太阳能发电设备。
48.参考附图的图2和图3并且如图2和图3中所示的一种基本上如本文所述的脱盐设备。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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