CN101846044A - 应用于火力发电机组的太阳能集热储能回热加热系统 - Google Patents

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张燕平
黄树红
李建兰
许国良
明廷臻
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Abstract

本发明公开了一种应用于火力发电机组的太阳能集热储能回热加热系统，属于火力发电机组节能减排领域。本发明提供的太阳能集热储能回热加热系统，与现有火力发电机组之间通过管道及阀门进行连接。所述的太阳能集热储能回热加热系统由换热器、油泵、太阳能集热场、蓄热器和换热器前后依次闭环连接，换热器的加热工质输入端与火力发电机组的给水泵中间抽头连接；换热器的加热工质输出端与火力发电机组的某级回热抽汽管道连接。本发明可在不改变现有火电机组热力系统结构的基础上，通过适当的阀门切换操作，为某级回热加热器提供合乎品质的加热蒸汽，从而停用一级汽轮机的回热抽汽，使火电机组的发电煤耗率降低，实现火力发电机组节能减排的目标。

Description

应用于火力发电机组的太阳能集热储能回热加热系统
技术领域
本发明涉及火力发电机组节能减排领域，具体涉及一种应用于火力发电机组的太阳能集热储能回热加热系统。
背景技术
火力发电是利用化石燃料在锅炉中燃烧产生的热量生产过热蒸汽，并用于汽轮发电机组发电的发电技术；其发电效率可达40％。目前在我国电源结构中，火电设备容量占总装机容量的75％以上，估计2050年前我国煤电占发电量的比例将一直维持在70％以上。在煤炭资源日益消耗、电煤供应日益紧张、环境压力日益增大的严峻形势下，加强研亢解决燃煤发电机组节能、减排问题已成为保障我国经济可持续发展的关键问题之一。
现代火力发电机组由燃煤锅炉、汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器等组成。一般配置三个高压加热器、四个低压加热器。加热器的作用是：利用汽轮机的抽汽加热主凝结水，提高锅炉的给水温度，降低锅炉中的换热温差，提高发电效率。每个加热器利用一段汽轮机的回热抽汽作加热介质。若能利用外部热源加热主凝结水，在保证锅炉给水温度的前提下，减少部分汽轮机的回热抽汽，将使单位工质的做功能力提高，减少单位发电的煤耗量。
近年来，太阳能以其独具的普遍性、开发利用的清洁性，使许多发达国家都把太阳能等可再生能源从原来的补充能源上升到战略替代能源的地位。太阳能热发电是太阳能利用中的重要项目，太阳能热发电主要包括三类：槽式热发电系统、碟式热发电系统和塔式热发电系统。槽式热发电系统是目前最成熟、成本最低的太阳能热发电技术，全球已有多家商业化运行的槽式电站。碟式热发电系统和塔式热发电系统的聚光比高，容易达到较高的工作温度，接收器散热面积相对较小，可以得到较高的光热转换效率和发电效率，但是这两类电站的投资成本较高，其推广应有还需要一段时间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种应用于火力发电机组的太阳能集热储能回热加热系统，用于生产合乎要求的蒸汽，并替换火电机组中的某一级回热抽汽，减少火电机组的发电煤耗率和CO2排放量。
本发明的目的是这样实现的：
在不改变原有火力发电机组热力系统结构的基础上，通过少量的切换阀门操作，利用太阳能集热场生产的蒸汽替换某台加热器的回热抽汽，通过减少汽轮机的回热抽汽量，使汽轮机在同样的发电功率下少耗新蒸汽，从而减少工质在锅炉中的吸热量，使单位发电的煤耗量降低，实现火电机组节能减排的目标。
考虑到太阳能场需要一定的占地面积，同时要保证汽轮机工作在最佳的状况，不宜对过多的加热器的加热蒸汽进行替换。可根据对火电机组各加热器所利用的回热抽汽的温度水平分析，选取某一级加热器的回热抽汽进行替换。
本发明由太阳能集热场、油泵、换热器、蓄热器、阀门组成，其特征在于：
1、太阳能集热场可采用抛物面槽式太阳能集热场、抛物碟式太阳能集热场或塔式太阳能场；
2、太阳能场采用二回路方案，利用导热介质吸收太阳能的辐射能量，再利用导热介质在换热器中加热蒸汽；
3、为保证蒸汽供应的稳定性，太阳能场具有一定的储热能力，在太阳能辐射能量充足时将多余的能量储存在蓄热器中，当太阳能辐射能量不足时，蓄热器放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足；
5、太阳能场的吸热工质采用导热油，蓄热器的蓄热介质可采用导热油或硝酸盐；
6、太阳能场生产蒸汽的工质来源于给水泵中间抽头；
7、机组现有回热抽汽与太阳能场生产蒸汽通过阀门进行切换，在辐射能量满足要求时切换为太阳能场供应加热器的加热蒸汽，否则仍由原机组汽轮机的回热抽汽供应加热器的加热蒸汽。
具体地说，
本发明设置有太阳能集热储能回热加热系统，其应用对象为火力发电机组；太阳能集热储能回热加热系统和火力发电机组相互连接；
太阳能集热储能回热加热系统包括换热器、油泵、太阳能集热场、蓄热器、切换阀；
换热器、油泵、太阳能场、蓄热器和换热器前后依次闭环连接，换热器的工质输入端与火力发电机组给水泵的中间抽头连接；换热器的工质输出端与火力发电机组的某一级回热抽汽管道连接。
本发明的有益效果包括：
1、在不改变火电机组系统结构的情况下，利用太阳能集热场生产的蒸汽替换某台加热器对应的回热抽汽，将使汽轮机的回热抽汽量减少，使1kg新蒸汽的做功能力增加，因此在满足相同发电功率的情况下，可使汽轮机的新蒸汽量减少，即降低燃煤锅炉的热负荷，从而降低发电机组的煤耗量，实现燃煤机组的节能减排。
2、充分利用现有成熟的太阳能集热技术，用于生产满足火电机组回热加热器需求的加热蒸汽，减少了汽轮机的回热抽汽量，将太阳能热量应用于发电效率较高的火电机组中，减少了单纯太阳能发电站的动力部分投资。
3、太阳能集热场考虑了一定的蓄热能力，可在太阳能集热储能回热加热系统投运期间保证太阳能场生产蒸汽参数的稳定性，可有效提高太阳能集热储能回热加热系统的投用率。
4、实现了利用太阳能生产蒸汽对汽轮机某级抽汽的全部替换，避免了仅替换汽轮机某级抽汽的一部分带来的节流损失，具有较好的经济效益。
总之，本发明可在不改变原有火电机组热力系统结构的基础上，通过少量的切换阀门操作，为回热加热器提供合乎品质的加热蒸汽，使火电机组的发电煤耗率降低，实现了火电机组节能减排的目标。
附图说明
图1是本发明第一种结构示意图；
图2是本发明第二种结构示意图；
图3是本发明第三种结构示意图。
其中：
A-火力发电机组，
    1-燃煤锅炉，
    2-汽轮机高压缸，
    3-汽轮机中压缸，
    4-汽轮机低压缸，
    5-发电机，
    6、7、8-第1、2、3高压加热器，
    9-给水泵，
    10-除氧器，
    11、12、13、14-第1、2、3、4低压加热器，
    15-凝结水泵，
    16-凝汽器；
B-太阳能集热储能回热加热系统，
    17-换热器，
    18-油泵，
    19-太阳能场，
    20-蓄热器，
    21-第1切换阀，
    22-第2切换阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、本发明的结构
如图1、2、3，本发明的应用对象是火力发电机组A，本发明设置有太阳能集热储能回热加热系统B；太阳能集热储能回热加热系统B和火力发电机组A相互连接。
1、火力发电机组A
火力发电机组A包括燃煤锅炉1，汽轮机高压缸2，汽轮机中压缸3，汽轮机低压缸4，发电机5、第1、2、3高压加热器6、7、8，给水泵9，除氧器10，第1、2、3、4低压加热器11、12、13、14，凝结水泵15和凝汽器16；
其连接关系是：
燃煤锅炉1，汽轮机高压缸2，汽轮机中压缸3，汽轮机低压缸4，发电机5，前后依次连接；
汽轮机低压缸4，凝汽器16，凝结水泵15，第4、3、2、1低压加热器14、13、12、11，除氧器10，给水泵9，第3、2、1高压加热器8、7、6和燃煤锅炉1前后依次连接；
汽轮机高压缸2分别与第1、2高压加热器6、7连接；
汽轮机中压缸3分别与第3高压加热器8和除氧器10连接；
汽轮机低压缸4分别与第1、2、3、4低压加热器11、12、13、14连接。
火力发电机组A的生产过程为：
给水在燃煤锅炉1中吸热烟气的热量，被加热成过热蒸汽后，依次进入汽轮机的高压缸2、中压缸3和低压缸4中作功，带动发电机5发电；低压缸4的排汽在凝汽器16中被凝结成水，该凝结水经凝结水泵15依次送往串联的第4、3、2、1低压加热器14、13、12、11和除氧器10中逐级加热后，经给水泵9依次送往串联的第3、2、1高压加热器8、7、6中逐级加热，达到规定给水温度后重新进入燃煤锅炉1中。其中，高压缸2的排汽先进入燃煤锅炉1中加热后，再进入中压缸3中继续作功。
第1、2、3、4低压加热器11、12、13、14，除氧器10和第1、2、3高压加热器6、7、8的加热蒸汽来自汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸3或汽轮机低压缸4的回热抽汽。
2、太阳能集热储能回热加热系统B
1)总体
太阳能集热储能回热加热系统B包括换热器17、油泵18、太阳能场19、蓄热器20、第1切换阀21和第2切换阀22；
换热器17、油泵18、太阳能集热场19、蓄热器20和换热器17前后依次闭环连接，换热器17的工质输入端和火力发电机组A的给水泵9的中间抽头连接，换热器17的工质输出端与火力发电机组A的某一级回热抽汽管道连接。
a、图1所示的实施例中，换热器17的工质输出端分别通过第1、2切换阀21、22与火力发电机组A的第2高压加热器7的回热抽汽管道、第1低热加热器11的回热抽汽管道连接；
b、图2所示实施例中，换热器17的工质输出端通过第1切换阀21与火力发电机组A的第2高压加热器7的回热抽汽管道连接；
c、图3所示实施例中，换热器17的工质输出端通过第2切换阀22与火力发电机组A的第1低热加热器11的回热抽汽管道连接。
本发明的工作过程为：
首先利用太阳能场19加热传热介质，再利用传热介质在换热器17中加热水，生产蒸汽，或送入蓄热器20储能。
传热介质经油泵18送往太阳能场19吸收太阳辐射能，传热介质温度提高后，进入换热器17中加热蒸汽，之后经油泵18循环进入太阳能场19；在太阳能辐射能量充足时将多余的能量储存在蓄热器20中，当太阳能辐射能量不足时，蓄热器20放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足。
从给水泵9的中间抽头抽出一部分水，进入换热器17中加热成为过热蒸汽，用于对火力发电机组A的某一级加热器的回热抽汽进行替换。
a、图1所示的实施例中，换热器17生产的过热蒸汽通过第1切换阀21和第2切换阀22进行切换，分别送往高压加热器7和低压加热器11；在太阳辐射能量充足时，换热器17中产生的蒸汽经第1切换阀21送往高压加热器7，同时停用高压加热器7的回热抽汽；在太阳能辐射能量较小时，则将换热器17中产生的蒸汽经第2切换阀22送往低压加热器11，同时停用低压加热器11的回热抽汽。
b、图2所示的实施例中，换热器17生产的过热蒸汽通过第1切换阀21送往高压加热器7作为加热蒸汽，同时停用高压加热器7的回热抽汽。
c、图3所示的实施例中，换热器17生产的过热蒸汽通过第2切换阀22送往低压加热器11作为加热蒸汽，同时停用低压加热器11的回热抽汽。
2)功能部件
①换热器17
换热器17采用表面式换热器，来自太阳能集热场的传热介质在管内流过，来自给水泵中间抽头的被加热水在管外流过并被加热成合乎要求的过热蒸汽。
②油泵18
油泵18用于实现传热介质的输送，根据压头及流量需要选取相应的油泵型号。
③太阳能场19
太阳能场19可根据需要达到的加热温度、投资成本等，采用槽式太阳能集热场、碟式太阳能集热场或塔式太阳能集热场。
④蓄热器20
蓄热器20可采用双罐式蓄热系统，也可采用斜温层单罐蓄热系统。双罐蓄热介质可采用导热油或硝酸盐，单罐蓄热介质可采用熔融盐液。
⑤第1切换阀21和第2切换阀22
第1切换阀21和第2切换阀22可选用电动阀。
二、本发明的试验计算结果
以某亚临界300MW机组为例，在使用本发明后的节煤效果及减排效果预测见表1。表1中给出了图2及图3所示的实施方案的节煤减排情况。图1实施方案的节煤减排情况为：太阳能场生产的蒸汽供高压加热器7使用时同图2实施方案；太阳能场生产的蒸汽供低压加热器11使用时同图3实施方案。
  项目  图2实施方案   图3实施方案
  发电机输出功率，MW  300   300
  新蒸汽压力，Mpa  16.7   16.7
  新蒸汽温度，℃  537   537
换热器生产蒸汽的用途  替换高压加热器7的回热抽汽   替换低压加热器11的回热抽汽
  换热器生产蒸汽温度，℃  327   233
  换热器生产蒸汽流量，t/h  77   38
  项目  图2实施方案   图3实施方案
  换热器进口水温，℃  170   170
  无储热时槽式太阳能场所需的辐射换热面积，m2  70261   44760
  发1度电的节煤量，g/kWh   14   4
  年运行1000小时的节煤量，t   4200   1200
  年运行1000小时减少CO2排放量，t 10500 3000
表1
图1、图2、图3的实施例中给出的均是采用槽式太阳能场进行集热的方案。但本发明的太阳能场并不限于此，还可采用碟式太阳能集热场或塔式太阳能集热场的方案。

Claims (5)

1.一种应用于火力发电机组的太阳能集热储能回热加热系统，其应用对象为火力发电机组(A)；其特征在于：
设置有太阳能集热储能回热加热系统(B)；太阳能集热储能回热加热系统(B)和火力发电机组(A)相互连接；
所述的太阳能集热储能回热加热系统(B)包括换热器(17)、油泵(18)、太阳能集热场(19)、蓄热器(20)、第1切换阀(21)；
换热器(17)、油泵(18)、太阳能集热场(19)、蓄热器(20)和换热器(17)前后依次闭环连接，换热器(17)的工质输入端与火力发电机组(A)的给水泵(9)的中间抽头连接，换热器(17)的工质输出端与火力发电机组(A)的某一级回热抽汽管道连接。
2.按权利要求1所述的太阳能集热储能回热加热系统，其特征在于：
换热器(17)的工质输出端可通过第1、2切换阀(21、22)与火力发电机组(A)的第2高压加热器(7)的回热抽汽管道、第1低热加热器(11)的回热抽汽管道连接。
3.按权利要求1所述的太阳能集热储能回热加热系统，其特征在于：
换热器(17)的工质输出端可通过第1切换阀(21)与火力发电机组(A)的第2高压加热器(7)的回热抽汽管道连接。
4.按权利要求1所述的太阳能集热储能回热加热系统，其特征在于：
换热器(17)的工质输出端可通过第2切换阀(22)与火力发电机组(A)的第1低热加热器(11)的回热抽汽管道连接。
5.按权利要求1所述的太阳能集热储能回热加热系统，其特征在于：
所述的太阳能集热场(19)为槽式太阳能集热场、碟式太阳能集热场或塔式太阳能集热场，采用导热油为传热介质，利用太阳能集热场(19)加热传热介质后，再将传热介质输出到换热器(17)或蓄热器(20)中。
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