CN102168661B - 复合能源太阳能高温热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合能源太阳能高温热发电系统，包括除氧器、给水泵、汽包、吸热器、蓄热器、辅助加热炉、汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵等组成；除氧后的水经给水泵升压后，进入到吸热塔顶部的汽包内，在吸热器内吸收聚焦后的太阳能，把水变成饱和蒸汽，然后进入到蓄热器；蓄热器内的饱和蒸汽进入到辅助加热炉，在其中完成蒸汽的过热过程，进入到汽轮机做功，带动发电机；汽轮机的排汽在凝汽器中冷凝；冷凝水从凝结水泵出来后进入到辅助加热炉的给水预热器；在进入到除氧器，完成一个循环；本发明把水的预热蒸发过程与蒸汽过热过程进行了分离，太阳能的巧妙利用大大节省了常规能源的消耗量，并且具有系统简单、安全性好、发电成本低等显著特点。

Description

复合能源太阳能高温热发电系统

技术领域

本发明涉及发电系统，尤其涉及一种复合能源太阳能高温热发电系统，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。以水（水蒸汽）为吸热工质的太阳能热发电系统，具有介质常见、成本低廉、控制简单等诸多优点，但该系统也存在一些亟待解决的问题：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理想的蒸汽参数；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；同时由于蒸汽的热容小、传热性能差，也会影响到吸热器的安全性：对于塔式聚焦的太阳能热发电系统，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过热区域的受热面是个严重的考验；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，从而威胁到整个系统的安全。

发明内容

本发明的目的是：以水（水蒸汽）为工质，提供一种转化效率高、构成简单、运行安全、发电成本低廉的复合能量太阳能高温热发电系统。

本发明的技术解决方案是：

把水的预热蒸发过程与水蒸汽的过热过程进行巧妙分离：让水的预热蒸发过程在太阳能吸热器中完成，而把蒸汽的过热过程放在辅助加热炉中完成。

一种复合能量太阳能高温热发电系统，包括除氧器、给水泵、汽包、吸热器、蓄热器、辅助加热炉、汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵；辅助加热炉包括了燃烧器、过热器、空气预热器、给水预热器；

蒸汽的过热部分则有辅助加热炉完成，这是由过热蒸汽的热物理特性决定的：若是在太阳能吸热器上直接布置过热器受热面，由于蒸汽具有密度低、比热容小、换热性能差的特点，因此要达到要求的过热蒸汽参数，就必须布置较多的受热面；这不但使吸热器的制作材料增加，还会导致吸热器的散热损失增大。当太阳辐射强度急剧变化时，蒸发量会产生快速变化，这容易导致过热器受热面内流量的不足，从而导致超温、爆管等安全性问题。把蒸汽的过热过程在辅助加热炉中完成，就可以解决上述问题。饱和蒸汽在辅助加热炉的过热器中吸收热量，变成过热蒸汽，进入汽轮机完成膨胀做功的过程。

在复合能量太阳能高温热发电系统中，除氧器的作用是通过蒸汽加热除去凝结水系统中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀。除氧器的热源可以来自汽轮机的抽汽，也可以来自吸热器顶部的汽包或其它辅助汽源。除氧后的水经给水泵后分别进入吸热器顶部的汽包；在吸热器内吸能量后，变成饱和蒸汽；然后被引入蓄热器。正常运行时，蓄热器下部为一定设计容量的饱和水，上部为饱和蒸汽，它对系统的稳定工作具有非常重要的意义：可以在太阳辐射强度急剧变化时，减弱过热蒸汽量的波动幅度，从而使辅助加热炉和汽轮机的工作更稳定。在辅助加热炉中，饱和蒸汽加热成过热蒸汽，然后被送往汽轮机。蒸汽在汽轮机内完成膨胀做功过程，并带动发电机做功；从汽轮机排出的蒸汽在凝汽器内被冷却、凝结成水；经凝结水泵升压及预热后进入除氧器；完成整个系统的汽水循环过程。

辅助加热炉主要包括了燃烧器、过热器等基础部件，同时为了充分利用辅助加热炉中的烟气热量，还在其烟道尾部布置有空气预热器、给水预热器等受热面，这样就可以大大提高辅助加热炉的能量利用效率。

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15～25%，而预热蒸发过程吸收的热量通常占总吸热量的75%以上。若是直接把蒸汽的过热过程放在吸热器上完成，由于吸热器表面热流密度大（通常塔式热发电系统中，局部热流密度接近1000kW/m²），则系统可能存在以下方面的几个问题：

过热蒸汽具有热容低、密度小、换热性能差（比熔盐的换热系数通常小两个量级）等诸多特性，因此在有限的受热面上就很难产生高参数的过热蒸汽，这势必会影响到系统的发电效率；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、热损高等附加问题；

另外，太阳能热发电系统受天气等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系统的安全及性能。尤其是天空云量因素对太阳能热发电系统的影响更为迅速。当镜场上方由于局部云量的变化会导致蒸发量的快速变动时，由此可能会导致吸热器上过热面的超温及损毁。

本发明根据热力计算的结果，设计出复合能源太阳能高温热发电系统，把工质的预热蒸发过程与蒸汽的过热过程进行巧妙分离。在太阳能吸热器中完成水的预热蒸发过程，这部分能量通常占到全部吸热量的80%左右；而在辅助加热炉中完成蒸汽的过热过程。这种创新性的系统组合是基于水和水蒸汽的热物理特性之上的，把太阳能的利用与少量化石能源的利用有机结合起来。

该系统具有如下显著特点：

（1）本发明以水、水蒸汽为工质，该技术在太阳能利用领域具有可靠性好、控制简单等优点，同时结合过热蒸汽的特点，使用辅助加热炉产生过热蒸汽。 

（2）本发明系统中太阳能提供的热量占全部吸热量的75～85%，化石燃料提供的能量仅占15～25%，新能源特性显著，发电成本低廉。

（3）本发明中辅助加热炉的采用，降低了吸热器制造成本、提高了吸热器的热效率；辅助加热炉烟道的尾部还布置有空气预热器、给水预热器等吸热面，提高了系统的能量利用效率。

（4）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，饱和水可以通过系统降压实现闪蒸，使配套的发电装置处于滑参数运行的状态，由此可以减弱汽轮发电系统的负荷波动幅度，使整个系统的工作更稳定，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为本发明的一种组成结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：除氧器1，给水泵2，汽包3，吸热器4，蓄热器5，辅助加热炉6，过热器61，过热器62，空气预热器63，给水预热器64，汽轮机7，发电机8，凝汽器9，凝结水泵10,补水进口a，空气入口b，燃气入口c。

本发明的正常工作流程如下：除氧器1的作用是通过蒸汽加热除去凝结水系统中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀。在本实例系统中，除氧器的热源来自汽轮机的抽汽，也可以来自汽包3或其它汽源。除氧后的水经给水泵2后进入汽包3；经过吸热器4，在其吸热面内吸热、升温，逐渐变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入蓄热器5；蓄热器5的下部为设计容量的饱和水，上部为对应压力下的饱和蒸汽。从蓄热器5出来的饱和蒸汽进入到辅助加热炉6，在过热器61中完成蒸汽的过热过程，然后进入汽轮机7，蒸汽在汽轮机7内完成膨胀做功过程，并带动发电机8做功；从汽轮机7排出的蒸汽在凝汽器9内被冷却、凝结成水；经凝结水泵10升压及给水预热器64后进入除氧器1；完成整个水（水蒸汽）系统的循环。

辅助加热炉6的工作过程如下：冷空气经空气预热器63后与燃料混合，进入燃烧器61，产生的高温烟气先后流经过热器62、空气预热器63、给水预热器64。

本发明系统的启动、停止与正常运行的过程详细描述如下：

由于该系统采用的工质是水和水蒸汽，因此只要吸热器4内没有结冰的危险就不用放空吸热器4内的水。早晨系统启动时，根据监测到的壁温和水度，确定投射到吸热器4上的太阳辐射强度，并根据金属的特性，确定系统的升温升压过程。随着太阳辐射强度的增加，汽包3内的水逐渐变成饱和状态；当太阳辐射强度进一步增强时，汽包3内的饱和蒸汽汇集，温度和压力不断升高；饱和蒸汽被引入蓄热器5，在蓄热器5内，蒸汽压力和温度的上升情况与汽包3类似，只是在时间上有所滞后，该过程取决于蓄热器5的容量。当蓄热器5内的蒸汽参数达到设定值的低限时，启动辅助加热炉6；辅助加热炉6产生的蒸汽在达到汽轮机7的启动参数前，通过旁路系统进入凝汽器9进行工质的回收；当过热蒸汽参数达到启动的条件后，启动汽轮机7和发电机8，系统投入正常工作。中午前后，随着太阳辐射强度的增加，吸热器4产生的蒸发量增大，辅助加热炉6的功率随之增大，过热蒸汽参数和汽轮发电机参数达到最大值。整个系统在白天工作期间，由于太阳辐射强度随太阳入射角的不同而不断变化，系统的过热蒸汽参数也在随之而改变，因此汽轮机7工作在一个变工况状态。

当天空出现短时云量时，吸热器4的饱和蒸发量迅速下降，但由于系统设计有饱和蓄热器5，过热蒸汽流量的下降要相对缓和，汽轮发电机组能够适应进汽参数的变化；反之，当云量移出镜场时，太阳辐射强度的增加导致饱和增发量迅速增加，但蓄热器5的存在却使过热蒸汽流量的增加却较为缓和；可以看出蓄热器5的设计可以大大增加复合能量太阳能热发电系统的稳定性。

傍晚，太阳辐射强度下降，系统的蒸发量逐渐降低；达到工作值的下限时，吸热器4停止工作；由于蓄热器4内还有存量的饱和蒸汽，因此汽轮发电系统还可以工作0.5～1小时的时间；最后当进汽参数低到工作值的下限时，汽轮发电系统逐渐停止工作。若系统长期停运，或因环境温度过低可能会导致吸热器4内的水结冰时，为了保证吸热器4的安全、延长使用寿命，需要放空吸热器4。

在上述示例系统中，按照太阳能高温热发电系统的能量分配关系，把水的预热蒸发过程与蒸汽过热过程进行巧妙分离，有效避免了过热器布置于太阳能吸热器上可能带来的效率降低和安全性变差等问题。从能量的来源上看，太阳能提供的能量约占系统全部吸热量的80%；与同容量的常规机组比较，复合能源太阳能高温热发电系统所消耗的化石燃料仅相当于常规机组的20%左右，正常运行时其发电成本远低于常规火电机组，经济效益和社会效益显著。从上述分析可见该复合系统新能源特点显著，符合国家的新能源产业政策，应用前景非常广阔。

Claims (2)

1.一种复合能源太阳能高温热发电系统，其特征在于：包括：除氧器（1）、给水泵（2）、汽包（3）、吸热器（4）、蓄热器（5）、辅助加热炉（6）、汽轮机（7）、发电机（8）、凝汽器（9）、凝结水泵（10）及相互连通的管路；经除氧器（1）除氧后的水，经过给水泵（2）后进入汽包（3），汽包内的水通过下降管后进入吸热器（4），在吸热器（4）中吸收聚焦后的太阳能，逐步完成汽化过程，经汽水分离后的饱和蒸汽被引入蓄热器（5），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，饱和蒸汽从蓄热器（5）出来后再进入到辅助加热炉（6），在辅助加热炉的过热器（62）中吸热变成过热蒸汽；然后被引入汽轮机（7）做功，汽轮机（7）带动发电机（8）产生电能，从汽轮机（7）排出的蒸汽在凝汽器（9）内被冷却、凝结成水，凝结水经凝结水泵（10）后进入除氧器（1）。

2.根据权利要求1所述的复合能源太阳能高温热发电系统，其特征在于：辅助加热炉（6）按顺序安装有燃烧器（61）、过热器（62）、空气预热器（63）、给水预热器（64）；燃料和经空气预热器（63）预热后的空气进入到燃烧器（61），产生的高温烟气流经过热器（62），把饱和蒸汽加热成过热蒸汽，再流经空气预热器（63）和给水预热器（64）。

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