CN101680648A - 当在太阳能热电厂中太阳能直接汽化时中间再热的方法和设备 - Google Patents

当在太阳能热电厂中太阳能直接汽化时中间再热的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能热电厂设备(1)，其包括工作流体循环(9)、基于直接汽化的太阳能锅炉和汽轮机(3)，用于在膨胀段(19)使工作流体膨胀以输出技术功，其还包括至少一个中间再热器，它可借助在中间再热器上游可从所述循环(9)中抽取的工作流体加热并可借助其工作流体再热，此工作流体可以在加热的抽取点下游通过入流装置供给所述膨胀段(19)。本发明还涉及一种用于运行这种设备的方法。

Description

当在太阳能热电厂中太阳能直接汽化时中间再热的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于运行太阳能热电厂设备的方法以及一种太阳能热电厂设备，在太阳能热电厂设备中工作流体在循环内循环，它包括基于直接汽化的太阳能锅炉和汽轮机，在汽轮机中工作流体在膨胀段膨胀以输出技术功，还包括至少一个中间再热器，它借助在中间再热器上游从循环中抽取的工作流体被加热，以及工作流体再热所述至少一个中间再热器，工作流体可以在加热的抽取点下游通过入流装置流入所述膨胀段。
背景技术
太阳能热电厂是与传统不同的另一种发电装置。太阳能热电厂利用太阳辐射能生产电能。它由一个用于吸收太阳能的太阳能电厂部分和第二个大多传统的电厂部分组成。
太阳能电厂部分包括太阳能采集场，也就是说包括收集器的聚集系统。聚集的收集器是太阳能电厂部分的主要组成部分。已知的收集器在这里是抛物线槽式收集器、菲涅耳收集器、太阳能塔架和抛物面反射镜。抛物线槽式收集器将阳光聚集在定位于聚焦线内的吸收管上。在那里吸收太阳能并作为热能进一步传给载热介质。
在这里作为载热介质可考虑使用热油、水、空气或盐水。
传统的电厂部分大多包括汽轮机、发电机和冷凝器，其中与传统电厂相比，用太阳能采集场产生的加热量代替通过锅炉产生的热量。
目前设计采用间接汽化的太阳能热电厂，也就是说在太阳能电厂部分与传统的电厂部分之间连接热交换器，以便将太阳能采集场中产生的能量，由太阳能采集场循环的载热介质传给传统的电厂部分的水汽循环。
未来的选择将是直接汽化，其中，太阳能电厂部分的太阳能采集场循环与传统的电厂部分的水汽循环构成一个共同的循环，此时对太阳能采集场中的水进行预热、汽化和再热，并如此供给传统部分。因此太阳能电厂部分是太阳能锅炉。
传统的电厂部分采用在太阳能采集场中直接汽化达到的蒸汽参数不能最佳地运行。通过尽可能大的压降进行的蒸汽膨胀，受膨胀时在透平中形成的水分的极大限制。为了在利用尽可能大压降的同时在透平中形成水分最小化，有必要对蒸汽进行中间再热。
在传统的蒸汽发电厂中，中间再热借助锅炉内的热交换器实施。在利用直接汽化的太阳能热电厂中，中间再热在单独的太阳能采集场内实施。但是中间再热的这种实施形式看起来并不恰当，因为在太阳能采集场内中间再热时将带来很大的压力损失。
发明内容
因此本发明有关设备要解决的技术问题是，提供一种改善中间再热的太阳能热电厂设备。另一个技术问题是，提供一种运行这种电厂设备的方法。
按照本发明上述技术问题通过专利权利要求1和专利权利要求18的特征部分得以解决。
在从属权利要求中列举其他有利的实施形式。
按照本发明的太阳能热电厂设备包括工作流体循环、基于直接汽化的太阳能锅炉和汽轮机，用于在膨胀段使工作流体膨胀以输出技术功，所述太阳能热电厂设备还包括至少一个中间再热器，它可借助在中间再热器上游的可从所述循环中抽取的工作流体加热，以及可借助其工作流体再热，此工作流体可以在加热的抽取点下游通过入流装置供给所述膨胀段。由此工作流体可以在没有在太阳能采集场内中间再热时可以预料到的很大压力损失的情况下再热。
中间再热器的加热，借助在汽轮机膨胀段前抽取蒸汽，或借助从膨胀段抽汽进行。以下“抽汽”的含义是指在两个叶片级之间抽取蒸汽。
优选地，中间再热器是蒸汽-蒸汽热交换器，它在一次侧连接在新汽管道上。在这里，新汽在汽轮机前抽取，以及用于再热被冷却的中间再热蒸汽。
此外优选的是，蒸汽-蒸汽热交换器在一次侧连接在汽轮机高压部分的抽头上。在这里，有利地免去抽取高价的新汽。
按优选的扩展设计，中间再热是通过两个蒸汽-蒸汽热交换器进行，其中之一在一次侧连接在新汽管道上，以及另一个在一次侧连接在高压部分的抽头上。根据需要，可以调整各自中间再热的份额。
有利地，再热器一次侧冷却的蒸汽可废热利用于给水预热。
根据蒸汽参数，蒸汽分离器在循环中恰当地可以在中间再热器前，以便在中间再热器冷的二次侧以尽可能高的蒸汽含量进入蒸汽-蒸汽热交换器。
此外在这方面恰当的是，来自蒸汽分离器的冷凝物在适宜的位置重新被加入工作流体循环中。
按有利的扩展设计，太阳能热电厂设备包括产生电能的发电机。
在结构成本可接受的情况下对于有效地提高效率恰当的是，在膨胀段内布设至少两个透平，例如一个在膨胀段始端的组合式高压中压透平和一个在膨胀段末端的低压透平，其中，工作流体在第一个汽轮机段后在蒸汽-蒸汽热交换器内经受中间再热，以及接着被引入低压汽轮机段。
尤其对于较大功率电厂，有利地在膨胀段内布设至少三个透平，一个高压透平，一个中压透平和至少一个低压透平。这种构型尤其提供非常灵活地设计中间再热的可能性。可以在高压汽轮机段后和/或中压汽轮机段后抽取工作流体，以及工作流体在流入处于下游的汽轮机段中之前，在一个蒸汽-蒸汽热交换器内经受中间再热。低压汽轮机段始终可以设计为单流程或多流程的。也可以按照本发明将更多个低压汽轮机段与利用废热的中间再热器连接。
特别有利地，太阳能热电厂设备包括抛物线槽式收集器，它有高的工艺成熟度，以及对于线性聚集系统而言有最高的集中效应，由此可以实现高的过程温度。
按另一种实施形式采用菲涅耳收集器。与抛物线槽式收集器相比，菲涅耳收集器的优点在于用套管固定和导致比较小的压力损失。菲涅耳收集器与抛物线槽式收集器相比的另一个优点是，它们基本上是一些标准化的部件，这种部件没有高的工艺技能也可以生产。因此菲涅耳收集器的购置费和维修费低。
另一种有利的实施形式是利用太阳能塔架进行太阳能直接汽化，它能实现最高的过程温度。
基于水非常高的单位热容量以及其高的单位汽化焓及其简单的可操作性，所以它是一种非常好的热载体，并因而非常适合作为工作流体。
有关方法的技术问题通过一种用于运行太阳能热电厂设备的方法得以解决，在太阳能热电厂设备中工作流体在循环内循环，太阳能热电厂设备包括基于直接汽化的太阳能锅炉和汽轮机，工作流体在汽轮机膨胀段中膨胀以输出技术功，太阳能热电厂设备还包括至少一个中间再热器，它借助在中间再热器上游从所述循环中抽取的工作流体加热，以及工作流体再热所述至少一个中间再热器，此工作流体可以在加热的抽取点下游通过入流装置流入膨胀段中。
此方法用于上述所说明的设备。因此设备的优点也适用于此方法。
由下面对优选的实施例和附图的说明以及由其他从属权利要求，提供本发明的其他优点、特征和详情。
附图说明
下面借助附图举例详细说明本发明。
附图简化和未按尺寸比例地表示：
图1表示借助在高压透平和蒸汽-蒸汽热交换器前的新汽抽取点的中间再热；
图2表示借助两个蒸汽-蒸汽热交换器和两个不同的抽汽流的中间再热；
图3表示借助一个蒸汽-蒸汽热交换器(从第一个高压透平抽汽点抽取的蒸汽流)的中间再热；
图4表示借助一个蒸汽-蒸汽热交换器和在汽轮机上一个专用抽汽点的中间再热；以及
图5表示蒸汽-蒸汽热交换器与直接燃烧氢气的组合。
在所有的图中相同的部分采用同一附图标记标注。
具体实施方式
图1示意性表示按照本发明直接汽化的太阳能热电厂设备1的结构和循环过程。设备1包括太阳能采集场2，在太阳能采集场中收集阳光并转换为热能，以及可以例如有抛物线槽式收集器、太阳能塔架、抛物面反射镜或菲涅耳收集器。收集的阳光交给载热介质，它被汽化和通过新汽管道10作为工作流体导入例如由汽轮机3组成的膨胀段19中。汽轮机3包括高压透平4和低压透平5，它们驱动发电机6。工作流体在汽轮机3中膨胀，以及接着在冷凝器7内液化。供水泵8将液化的载热介质重新泵回太阳能采集场2中，由此闭合载热介质或工作流体的循环9。
按图1的实施例，新汽在汽轮机3前在抽汽点11处从新汽管道10抽取，以及通过从新汽管道10分支出来的管道20供给蒸汽-蒸汽热交换器12，用于对冷的中间再热蒸汽进行再热。在这里将新汽冷却到，使它可以在给水系统中相应的位置(给水点13)废热利用于给水预热。在中间再热前，如果基于蒸汽参数应有必要，再在循环9中装入蒸汽分离器14，为的是有尽可能高蒸汽含量地在冷的中间再热器侧进入蒸汽-蒸汽热交换器12中。来自蒸汽分离器14的冷凝物在恰当的位置(馈给位置15)重新加入给水循环9中。热的中间再热蒸汽的温度，取决于蒸汽-蒸汽热交换器12品质的高低以及在抽汽点11所抽蒸汽在由太阳能采集场2及蒸汽-蒸汽热交换器12压力损失规定的压力下的饱和蒸汽温度。
图2表示中间再热的第二种实施形式，其中，蒸汽在从高压透平排出后借助在两个蒸汽-蒸汽热交换器中的两个抽汽流供给中间再热器。第一个抽汽流从高压透平4的抽头16抽取并供给蒸汽-蒸汽热交换器17。第二个抽汽流在汽轮机3前从新汽管道10抽取(抽汽点11)，以及在第二个蒸汽-蒸汽热交换器12中用于第二个中间再热器。在这里，中间再热器出口的蒸汽温度，在两个蒸汽-蒸汽热交换器12、17中根据其压力通过其品质高低和抽汽的饱和蒸汽温度调整。来自中间再热器，在热交换器12、17内冷却的、结果或成为蒸汽或成为冷凝物的工作流体的抽汽，在进入太阳能采集场前在相应的位置处废热利用于给水预热(馈给位置13、18)。在两个蒸汽-蒸汽热交换器12、17前，可(根据冷的中间再热器的蒸汽参数)按选择再在中间再热器中装入蒸汽分离器14，为的是有尽可能高蒸汽含量地进入蒸汽-蒸汽热交换器12、17中。
图3表示借助高压透平4抽头16的中间再热。抽汽在蒸汽-蒸汽热交换器17内用于高压透平4后的冷蒸汽的中间再热。冷却的抽汽加入给水系统中废热利用于给水预热(馈给位置18)。在热交换器17前可以根据冷的中间再热蒸汽参数装入蒸汽分离器14，为的是在热交换器17中获得尽可能高的蒸汽含量。分离的冷凝物在相应的位置(馈给位置15)被加入到给水循环中。
按图4中表示的实施形式，在高压透平4上的抽汽点16专门规定用于对冷的中间再热蒸汽进行再热，以及针对中间再热的要求设计。在蒸汽-蒸汽热交换器17内，冷的中间再热蒸汽借助在汽轮机3上抽汽点16的蒸汽再热。冷却的蒸汽在相应的位置(馈给位置18)被加入到给水循环中，废热利用于给水预热。在蒸汽-蒸汽热交换器17前可以按选择再装入蒸汽分离器14，它保证在蒸汽-蒸汽热交换器17中最佳的蒸汽含量。冷凝物在相应的位置(馈给位置15)被加入到给水循环中，废热利用于给水预热。使用蒸汽分离器14合理与否，取决于冷的中间再热的蒸汽参数。
图5表示一种实施形式，其中已部分膨胀的蒸汽第一次中间再热是通过蒸汽-蒸汽热交换器17实现的，以及中间再热到必要的蒸汽参数是借助于补充燃烧器21，例如借助于直接在中间再热时燃烧的氢燃烧器实施的。在这里，第一次中间再热的蒸汽可以或由高压透平4的专用抽头16或从用于给水预热的抽汽的抽取点提取。用于这种燃烧方式的氢26可以借助电解装置或热裂变获得。
同样可以考虑将上面列举的所有借助热交换器的中间再热线路连接法与在这里实施的补充燃烧(矿物、生物材料，氢)任意组合。

Claims (18)

1.一种太阳能热电厂设备(1)，其包括工作流体循环(9)、基于直接汽化的太阳能锅炉和汽轮机(3)，用于在膨胀段(19)使工作流体膨胀以输出技术功，所述太阳能热电厂设备还包括至少一个中间再热器，它可借助在中间再热器上游的可从循环(9)中抽取的工作流体来加热，以及可借助其工作流体再热，此工作流体可以在加热的抽取点下游通过入流装置供给所述膨胀段(19)。
2.按照权利要求1所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，至少一个中间再热器是蒸汽-蒸汽热交换器(12、17)。
3.按照权利要求2所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，太阳能锅炉通过新汽管道(10)与汽轮机(3)连接，以及所述蒸汽-蒸汽热交换器(12)在一次侧连接在从新汽管道(10)分支出来的管道(20)上。
4.按照权利要求2所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，所述蒸汽-蒸汽热交换器(17)在一次侧连接在汽轮机(3)的抽头(16)上。
5.按照权利要求4所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，所述蒸汽-蒸汽热交换器(17)在一次侧连接在汽轮机(3)的高压透平(4)的抽头(16)上。
6.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，至少一个蒸汽-蒸汽热交换器(12)在一次侧连接在从新汽管道(10)分支出来的管道(20)上，以及至少一个蒸汽-蒸汽热交换器(17)在一次侧连接在高压透平(4)的抽头(16)上。
7.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，为了废热利用于给水预热，所述蒸汽-蒸汽热交换器(12、17)的一次侧在馈给位置(13、18)处连接在所述循环(9)中。
8.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，蒸汽分离器(14)连接在中间再热器上游。
9.按照权利要求8所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，所述蒸汽分离器(14)的冷凝物出口连接在工作流体循环(9)中。
10.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，还包括产生电能的发电机(6)。
11.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，在所述膨胀段(19)内布设至少两个透平，一个在膨胀段(19)始端的组合式高压中压透平以及一个在膨胀段(19)末端的低压透平(5)。
12.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，在膨胀段(19)内布设至少三个透平，一个在膨胀段(19)始端的高压透平(4)，一个中压透平和至少一个在膨胀段(19)末端的低压透平(5)。
13.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，为了加热全部工作流体，中间再热器连接在低压透平(5)上游。
14.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，太阳能锅炉包括抛物线槽式收集器。
15.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，太阳能锅炉包括菲涅耳收集器。
16.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，太阳能锅炉包括太阳能塔架。
17.按照前列诸权利要求之一所述的太阳能热电厂设备(1)，其中，工作流体是水或水蒸气。
18.一种用于运行太阳能热电厂设备(1)的方法，在太阳能热电厂设备中工作流体在循环(9)内导引流动，其中，工作流体通过阳光照射直接汽化以及在膨胀段(19)膨胀以输出技术功，并在中间再热器内再热，该中间再热器借助在中间再热器上游从所述循环(9)中抽取的工作流体被加热。
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