CN102032549A - 一种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统 - Google Patents

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本发明公开了一种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，包括腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构和腔式吸热器过热器的保护结构；腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构为：在腔式吸热器锅内汽水循环系统的高温循环泵旁边并联一路管道，该路管道直接连接腔式吸热器锅内汽水循环系统的锅筒和沸腾管构成汽水循环系统的一个自然循环回路。腔式吸热器过热器的保护结构为：在腔式吸热器过热器的进、出口各设有一道保护旁路。本发明能够使腔式吸热器在高热流密度下安全地启动并运行，为腔式吸热器正常顺利地运行以及获取腔式吸热器的性能数据提供保障。

Description

一种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统
技术领域
本发明属于塔式太阳能热发电技术领域，特别涉及一种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，该系统适用于塔式太阳能热发电系统中吸热器的安全启动与运行操作。
背景技术
塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜(定日镜)将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央热交换器(吸热器)上，吸热器将工质加热成为蒸汽，驱动汽轮机组来发电的。根据吸热器的结构不同，分为平面状吸热器和腔式吸热器。平面状吸热器是将吸热器管布置在吸热器的外表面，而腔式吸热器则把吸热管布置在吸热器的内部表面上。由于腔式吸热器能够达到更高的工作温度以及吸热效率，近年来腔式吸热器的研究越来越多。文献【1】Clausing，A.M.，An Analysis of Convective Losses fromCavity Solar Central Receiver[J].Solar Energy 1981，27：295-300.Clausing提出了计算太阳能腔式吸热器的对流热损失的数学模型。文献【2】JamesA，Terry G Thermal Performance of solar Concentrator/Cavity receiversystems[J].Solar Energy，1985，34(2)：135-142.James对各种形状的腔式吸热器的效率和能量分布进行比较研究。随着数值计算的发展，许多学者对腔式吸热器的性能进行了数值模拟。文献【3】Reynolds D.J.，Jance M.J.，Behnia M.，Morrison G.L.，An Experimental and Computational Study ofthe Heat Loss Characteristics of a Trapezoidal Cavity Absorber，Solar Energy.2004，76(1-3)：229-234.Reynolds等人利用商业软件FLUENT对梯形的吸热腔体进行数值模拟，等到了吸热器的对流损失特性，并与自己的实验做了比较。根据文献【4】王志峰，常春，童春晖，国际太阳能热发电技术发展情况.中国科学院工程热物理研究所-皇明太阳能集团联合实验室.2004和文献【5】张耀明，王军，张文进，孙利国，刘晓辉，太阳能热发电系列文章(2)-塔式与槽式太阳能热发电[J].太阳能.2006，2：29-32，目前国际上西班牙、意大利、日本、法国、美国、俄罗斯等少数几个国家已建成了塔式太阳能热发电示范系统。我国太阳能热发电技术的研究起步相对要晚一些，但是发展非常迅速，国家“十一五”期间将太阳能热发电技术列为“863”计划重点项目来进行研究，目前也正在建设一座1MW的塔式太阳能发电电站，吸热器为腔式的水工质吸热器。
塔式太阳能热发电系统中，由于定日镜场将很大一片面积的太阳光聚焦到只有20多平方米左右腔式吸热器的开口处，这比然会使吸热器内部的热流密度相当高。根据文献【6】Baker A.F.，Faas S.E.，Radosevich L.G，Skinrood A.C.，U.S.-Spain Evaluation of the Solar One and CESA-1Receiver and Storage Systems.Sandia National Laboratories，1989，腔式吸热器内部的热流密度可达500kW/m2甚至更高。这给吸热器内部吸热管的运行控制提出一个很高的要求，尤其是过热器，在吸热器的设计过程中，为了保证出口过热器蒸汽能达到预定的目标值，过热器一般会安装在腔式吸热器中热流密度相对比较高的位置。现有技术的太阳能腔式吸热器的连接关系如图1所示：其汽水循环如下：
过冷工质从注液管1进入锅筒2，锅筒2中的工质由强制循环回路下降管8进入强制循环回路，经过高温循环泵7之后流入沸腾管6。工质在沸腾管6中被加热成汽液两相饱和状态，由沸腾管6出口流出并流回锅筒2，在锅筒2中经过分离而形成分层，饱和汽体在上方而液体在下方。液体进入下降管8继续循环，而饱和汽体从锅筒2上方流出并进入到过热器5中，经过加热成为过热蒸汽后由过热器5出口4流出。为使整个汽水循环能够持续进行，从注液管1进入的工质流量应该和从过热器5出口4流出的工质流量进行平衡，以维持锅筒2的液位在一个相对稳定的高度。
图1的连接结构就产生两个问题：①由于吸热器内部热流密度比较高，吸热器的锅内汽水循环一般采用强制循环以使锅内循环有较高的循环倍率，保证沸腾管的安全，但是需要一台高温循环泵来实现强制循环，而高温循环泵目前还是有许多技术上的问题，可能会出现严重故障从而停机，这样就会使汽水循环突然停止，造成沸腾管中缺水而处于干烧状态，很容易损坏沸腾管；②吸热器启动初期，吸热器系统水处在过冷状态，并没有蒸汽产生，这样就没有气体进入过热器，而使过热器在启动初期处于干烧状态，很容易把过热器烧毁。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术所存在的问题，提出一种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，该保护系统能够使腔式吸热器在高热流密度下安全地启动并运行，为腔式吸热器正常顺利地运行以及获取腔式吸热器的性能数据提供保障。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，包括腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构和腔式吸热器过热器的保护结构；所述腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构为：在腔式吸热器锅内汽水循环系统的高温循环泵旁边并联一路管道，该路管道直接连接腔式吸热器锅内汽水循环系统的锅筒和沸腾管构成汽水循环系统的一个自然循环回路，作为吸热器汽水循环系统保护结构；所述腔式吸热器过热器的保护结构为：在腔式吸热器过热器的进、出口各设有一道保护旁路，其中过热器进口处的保护旁路与沸腾管的入口相连，而过热器出口处的保护旁路与锅筒相连通；所述过热器的出口处还连接有过热器出口放空旁路，所述过热器出口放空旁路的出口设有水箱。
进一步的，在腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构中，连通锅筒和沸腾管的管道上设有逆止阀，所述逆止阀保证所述腔式吸热器锅内汽水循环系统的强制循环回路中的液体工质不会从自然循环回路倒流至锅筒中。
上述过热器的进、出口处以及进、出口处的保护旁路上均设置有用于实现过热器-沸腾管-过热器的转换的截止阀。
上述过热器的出口管路上设有截止阀C；所述过热器的进口管路上设有截止阀A；所述过热器的进口处保护旁路设有截止阀E；所述过热器的出口处保护旁路设有截止阀B；所述过热器出口处连接的过热器出口放空旁路上设有截止阀D。
本发明具有以下有益效果：
本发明的太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统中，在腔式吸热器的汽水循环系统和过热器均设置了保护结构，汽水循环为带有一个高温循环泵的强制循环，在强制循环上并联一个自然循环作为腔式吸热器汽水循环保护结构，将汽水循环改为强制-自然联合循环，以使腔式吸热器在高温循环泵出现故障强制循环停止的时候，其汽水循环系统仍然可以依靠自然循环继续运行，使沸腾管始终不处于干烧状态，保证了沸腾管的安全；过热器在设置保护旁路之后，通过旁路和过热器进、出口的阀门调节，使过热器在腔式吸热器启动初期被强制转换为沸腾管，让过热管有水流过，当吸热器有汽体产生时过热器再切换成过热器原本的作用，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽，这样过热器中始终有流体通过，保证了过热器始终不在高热流密度下干烧。这种操作由于在启动初期把过热器也转换成沸腾管，还能在一定程度上吸收更多的能量，加快启动速度，节省启动时间。
附图说明
图1为本发明的保护措施中未加保护结构前的太阳能腔式吸热器系统图；
图2为本发明的保护措施中加了保护结构后的太阳能腔式吸热器系统图；
图3为本发明较佳实施例的轴测图。
其中：1、注液管道；2、锅筒；3、截至阀A；4、过热蒸汽出口；5、过热器；6、沸腾管；7、高温循环泵；8、强制循环回路下降管；9、第一逆止阀；10、自然循环回路下降管；11、压力传感器；12、截止阀B；13过热器出口保护旁路，14热电偶；15截止阀C；16截止阀D；17过热器出口放空旁路；18、水箱；19、过热器进口保护旁路；20、截止阀E；21、吸热器腔体；22、吸热器腔体开口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参照图2和图3，本发明的太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统有两个保护结构——腔式吸热器锅内汽水循环的保护结构和腔式吸热器过热器的保护结构，在图2中用虚线显示。
其中第一个保护结构为腔式吸热器锅内汽水循环的保护结构，由下降管10和逆止阀9组合。其具体结构为：在腔式吸热器锅内汽水循环系统的高温循环泵7旁边并联一路管道，该路管道直接连接腔式吸热器锅内汽水循环系统的锅筒2和沸腾管6构成汽水循环系统的一个自然循环回路，作为吸热器汽水循环系统保护结构；并且在腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构中，连通锅筒2和沸腾管6的管道上设有逆止阀9，逆止阀9保证所述腔式吸热器锅内汽水循环系统的强制循环回路中的液体工质不会从自然循环回路倒流至锅筒2中。
锅筒2中的工质通过自然循环回路下降管10(以下简称“下降管10”)也进入沸腾管6中。这个回路没有任何动力设备，但是下降管10内的工质密度比沸腾管6中的工质密度大，从而造成一定的压力差并推动流体从下降管10向沸腾管6流动，形成自然循环。该保护结构与高温循环泵7并联，形成强制-自然联合循环。一方面增加了锅内汽水循环量，提高循环倍率；另一方面，由于目前高温循环泵7在高温下运行可能会出现许多技术问题，有可能会导致严重故障而停机，造成强制循环回路停止流动，这时，锅内汽水循环回路还可以依靠自然循环来维持，保证了沸腾管的安全，也为工作人员进行故障处理争取了更多的时间。
第二个保护结构为腔式吸热器过热器的保护结构，该结构是在腔式过热器5的进、出口各设有一道保护旁路，分别为过热器进口保护旁路19、过热器出口保护旁路13和过热器出口放空旁路17。其中过热器5进口处的保护旁路与沸腾管6的入口相连，而过热器5出口处的保护旁路与锅筒2相连通；过热器5的出口处还连接有过热器出口放空旁路17，过热器出口放空旁路17的出口还设有水箱18。为了实现过热器-沸腾管-过热器的转换，在过热器5的进、出口处以及进、出口处的保护旁路上均设置有截止阀，具体为：过热器5的出口管路上设有截止阀C；过热器5的进口管路上设有截止阀A；所述过热器5的进口处保护旁路设有截止阀E 20；过热器5的出口处保护旁路设有截止阀B；过热器5出口处连接的过热器出口放空旁路17上设有截止阀D。
如上所述，过热进口保护旁路19连通过热器5的入口和沸腾管6的入口，过热器出口保护旁路13连通过热器5的出口和锅筒2，过热器出口放空旁路17连通过热器5的出口和水箱18。本发明的腔式吸热器过热器5的保护结构，为了实现其保护过热器5的功能，配套有以下一套控制方案：
①在腔式吸热器运行前，先通过注液管1往锅筒2中注入一定的工质，考虑到液体在升温过程中会膨胀，锅筒液位应在锅筒2的一半高度偏下一些。
②在腔式吸热器启动前，关闭截至阀A、截止阀C和截止阀D，打开截止阀B和截止阀E，经过此调整之后，过热器5的连接方式和沸腾管6就一样了，过热器5此时也就被强行转换为沸腾管6了。
③腔式吸热器开始启动，过热器5和沸腾管6中均有锅内循环水流过。经过一段时间的加热之后，过热器5和沸腾管6中的工质逐渐开始沸腾并产生蒸汽。由于汽体的产生，使得锅筒压力会上升。当压力传感器11的值变大时，表示吸热器内已经有汽体产生了。这时关闭截止阀12和20，打开截止阀16，让过热器5中的液体排出系统。为了不让排出的高温液体对周围的工作人员或者设备造成损害，本发明的腔式吸热器过热器保护结构中还设置有水箱18，将排出的高温液体排向水箱18。
④由热电偶14检测过热器5出口的温度，当出口温度大于饱和温度一定值时，过热器5出口温度和饱和温度的差值为10℃时，就认为过热器5中已经没有液体，全部都是汽体了。此时，关闭阀门16，打开阀门15，让过热器5中的过热蒸汽从过热器出口4流出，过热器5这时完全恢复到将饱和蒸汽加热成过热蒸汽并输送到后续设备进行利用的功能了。
⑤当过热器5的功能切换回来之后，腔式吸热器过热器保护结构的保护作用就就此结束，吸热器继续启动并运行，过热器5的工质流动路线不再进行切换。
参照图3，本发明的带保护结构的太阳能腔式吸热器系统的其中一种较佳实施例的轴侧图，吸热器腔体21为六棱柱状，其中一个侧面设置有腔体开口22，用来接收从定日镜场入射的高度聚焦的太阳光。吸热器腔体采用耐火材料做成，吸热器腔体内部后墙三个面上布置沸腾管6，吸热器腔体中间布置过热器5，沸腾管6和过热器5均采用不锈钢盘管，不锈钢材质为1Cr18Ni9Ti。吸热器腔体21的上方安装锅筒2，锅筒材质是20G。腔式吸热器系统中的所有连接管道均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。本实施例的两个保护结构在图3中用虚线表示。系统中的截止阀和逆止阀材质为316不锈钢。

Claims (4)

1.一种太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，其特征在于：包括腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构和腔式吸热器过热器的保护结构；
所述腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构为：在腔式吸热器锅内汽水循环系统的高温循环泵(7)旁边并联一路管道，该路管道直接连接腔式吸热器锅内汽水循环系统的锅筒(2)和沸腾管(6)构成汽水循环系统的一个自然循环回路，作为吸热器汽水循环系统保护结构；
所述腔式吸热器过热器的保护结构为：在腔式过热器(5)的进、出口各设有一道保护旁路，其中过热器(5)进口处的保护旁路与沸腾管(6)的入口相连，而过热器(5)出口处的保护旁路与锅筒(2)相连通；所述过热器(5)的出口处还连接有过热器出口放空旁路(17)，所述过热器出口放空旁路(17)的出口设有水箱(18)。
2.根据权利要求1所述的太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，其特征在于：在腔式吸热器锅内汽水循环系统的保护结构中，连通锅筒(2)和沸腾管(6)的管道上设有逆止阀(9)，所述逆止阀(9)保证所述腔式吸热器锅内汽水循环系统的强制循环回路中的液体工质不会从自然循环回路倒流至锅筒(2)中。
3.根据权利要求1所述的太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，其特征在于：所述过热器(5)的进、出口处以及进、出口处的保护旁路上均设置有用于实现过热器-沸腾管-过热器的转换的截止阀。
4.根据权利要求3所述的太阳能腔式吸热器启动与运行的保护系统，其特征在于：所述过热器(5)的出口管路上设有截止阀C(15)；所述过热器(5)的进口管路上设有截止阀A(3)；所述过热器(5)的进口处保护旁路设有截止阀E(20)；所述过热器(5)的出口处保护旁路设有截止阀B(12)；所述过热器(5)出口处连接的过热器出口放空旁路(17)上设有截止阀D(16)。
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