CN102182997B - 二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置 - Google Patents

Abstract

一种二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置，包括除氧器、给水泵、汽包、复合式吸热器、饱和蓄热器、蒸汽三通阀、蒸汽过热器、辅助加热器、汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、熔盐罐、熔盐泵和熔盐旁通阀；本发明把工质的预热蒸发过程与蒸汽的过热过程进行了巧妙分离，不但提高了太阳能热发电系统效率，而且还具有安全性高、投资省、运行维护简单等特点。

Description

二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置

技术领域

本发明涉及一种二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置，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，虽然具有介质常见、成本低廉、控制简单等诸多优点，但该系统也存在一些难以克服的问题：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，这些因素都会限制系统的能量转换效率；同时蒸汽的热容小、传热性能差的特性也会影响到系统的安全性，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，从而威胁到系统的安全。另一方面，由于熔盐具有热容高、液相温度范围宽、流动性好等特点，对其作为载热介质的研究越来越受到各国学者的重视。熔盐在复合式吸热器中吸热升温，然后通过蒸汽发生装置(包括预热器、蒸发器、过热器等)产生需要的蒸汽参数，这种太阳能热发电技术具有较强的蓄热能力，并且产生的较高的蒸汽参数，提升了太阳能热发电系统的效率。但熔盐系统管路复杂，再加上熔盐的凝固点很高，系统对管道预热、设备保温、运行维护等要求严格，因此降低了系统的安全性，同时也增加了系统的投资和运行成本。这些因素制约了太阳能热发电技术的发展。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置，把水的预热蒸发过程与水蒸汽的过热过程进行巧妙分析，并通过直接加热或间接加热的方式予以实现，该装置可以显著提高太阳能高温热发电系统的连续性和安全性，并能有效降低系统的投资和运行成本。

本发明的技术解决方案：一种二元工质复合式太阳能吸热器及配套系统，包括除氧器、给水泵、汽包、复合式吸热器、饱和蓄热器、蒸汽三通阀、蒸汽过热器、辅助加热器、汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、熔盐罐、熔盐泵和熔盐旁通阀；

二元工质复合式吸热器上的受热面按实现的功能划分为两部分，一部分用于给水的预热和蒸发，另一部分用于加热高温载热介质(如熔盐、液态金属、有机物等)，加热后的高温介质在蒸汽过热器中把饱和蒸汽加热到过热状态，再引导至汽轮机做功。复合式吸热器上两种受热面的分配是根据系统热力计算的结果来决定的，通常情况下，高温介质受热面积约占总面积的20～30％；

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。除氧后的水经过给水泵后分别进入吸热器顶部的汽包；在复合式吸热器内吸能量后，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器；再经过蒸汽三通阀进入到蒸汽过热器，在其中被熔盐加热成过热蒸汽，然后被引入汽轮机做功。从饱和蓄热器出来的蒸汽还设置了备用的一条回路：通过蒸汽三通阀进入辅助加热器，完成蒸汽过热的过程后，进入汽轮机，这个回路的设置是当熔盐回路故障时，为系统提供备用的能量，维护系统的正常运行；同时在汽轮机冷态启动时，可以加快汽轮机的启动过程，延长太阳能热发电系统的运行时间。

除上述水(水蒸汽)系统外，二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置还包括了一个简单的熔盐回路。该回路的流程为：熔盐罐中温度较低的熔盐，经熔盐泵升压后进入到复合吸热器，在该吸热器的熔盐吸热区吸热、温度升高，再流经蒸汽过热器把热量传递给管内的蒸汽，最后流回到熔盐罐内，完成熔盐的循环过程。

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；完成整个水(水蒸汽)系统的循环。

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20～30％，而预热蒸发过程吸收的热量通常占总吸热量的70％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。

本发明根据热力系统计算的结果，设计出二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置，把吸热器上的受热面按其实现的功能划分为两部分，一部分用于给水的预热和蒸发，另一部分用于加热高温载热介质(如熔盐、液态金属、有机物等)，加热后的高温介质在蒸汽过热器中把饱和蒸汽加热到过热状态，再引导至汽轮机做功。在上述系统中，采用了熔盐作为中间载热介质，它首先在复合吸热器内吸收太阳辐射能量，然后在蒸汽过热器中把能量传递给工质。该熔盐回路主要由熔盐泵、二元工质复合式吸热器、蒸汽发生器(壳体侧是熔盐、管内侧是蒸汽)、熔盐罐等几部分组成。该系统构成虽较为简单，但它针对性解决了现存系统存在的问题：由于熔盐具有热容高、传热性能好等特性，它可以有快速走太阳能吸热器上的热量，产生的高温熔盐通过蒸汽过热器产生高品质的蒸汽，由此可以提高整个系统的能量转换效率；同时，由于该熔盐回路具有相对的独立性，因此当环境参数变化时，蒸发量的变化对该回路不构成直接影响，只要控制熔盐系统的流量处于合理范围，就不会出现受热面管壁超温、损毁等问题；在二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置中，熔盐仅用于过热蒸汽的加热，因此熔盐的工作温度范围远高于熔盐的凝固点温度，因此不易出现熔盐的局部凝固现象，这对于系统的安全性而言也是非常有益的。

本发明把火力机组中常见的工质水(水蒸汽)与高热容特性的载热介质(熔盐、导热油、液态金属、有机工质等)有机结合起来，研制出二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置，该装置具有如下显著优点：

(1)本发明最大限度地保留了以水为工质的太阳能热发电系统的优点(如：技术成熟度高、可靠性好、控制简单等)，而蒸汽过热的过程则采用了具有高热容特性的熔盐作为中间介质，这种二元工质复合式的系统使过热蒸汽参数得以明显提高，由此可以提高系统的发电效率；

(2)本发明把水和熔盐作为二元介质应用于太阳能吸热器，由于液态及两相的水温度较低，因此在设计加工复合吸热器时，大部分材料可以选用耐受温度较低的常规材料(如碳钢等)，只有熔盐流过的几组吸热面才选用耐高温、价格昂贵的高镍不锈钢材料，相关的计算标明，熔盐换热面在复合式吸热器上所占的面积仅约为20～30％，因此可以大大节约吸热器的制作成本；

(3)本发明提高了太阳能吸热器的安全性。若在吸热器上直接布置蒸汽的过热回路，则天空云量变化时，必然会使蒸发受热面的产汽量发生波动，从而导致流经过热回路的蒸汽量难以控制，由此可能会导致过热回路的超温、损毁。而在二元工质复合式太阳能吸收器中，采用以熔盐为载热介质的简单循环，该回路具有相对独立性，它的安全性不受预热蒸发面工作情况的影响，因此可以大大提高吸热器的安全性；

(4)在二元工质复合式吸收器内，由于水的预热蒸发区域管壁温度较低，因此这部分吸热器的辐射和对流热损失将有所降低，计算结果标明，这种方法设计出来的太阳能热发电系统具有更高的能量转换效率；同时较低的管壁温度也增加了吸热器对入射能量密度的适应范围，因此对镜场的控制要求有所降低，这也会节约系统的控制成本；

(5)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为本发明的组成结构图。

具体实施方式

本发明二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置包含了两种不同性质的工作介质，一种是水(水蒸汽)，另一种是具有良好性能的高温载热介质，如熔盐、液态金属、导热油、其它有机介质等。为使论述简便，在发明中，仅以熔盐作为高温载热介质的代表进行论述，对采用其它高温介质的二元工质复合式吸热器及配套系统就不再赘述。

如图1所示(以熔盐作为高温载热介质为例)，本发明包括：除氧器1、给水泵2、汽包3、二元工质吸热器4、饱和蓄热器5、蒸汽三通阀6、蒸汽过热器7、辅助加热器8、汽轮机9、发电机10、凝汽器11、凝结水泵12、熔盐罐13、熔盐泵14和熔盐旁通阀15。

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。除氧后的水经给水泵2后进入汽包3；经过复合式吸热器4，在其预热蒸发受热面内吸热、升温，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器5；再通过蒸汽三通阀6进入到蒸汽过热器7，在其中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机9做功。从饱和蓄热器5出来的蒸汽还设置了备用的一条回路：通过蒸汽三通阀6至辅助加热器8产生过热蒸汽进入汽轮机9，这个回路的设置除了可以在熔盐系统故障状态下提供辅助热源，增加系统的可靠性；还可以在汽轮机9的冷态启动过程为系统提供热量，加快系统的启动过程。在上述系统中，除氧器1的热源来自复合吸热器4顶部的汽包3。

除上述水(水蒸汽)回路外，二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置还包括了一个简单的熔盐回路。该回路的流程为：熔盐罐13中储存的熔盐，经熔盐泵14升压后进入到复合吸热器4，在熔盐受热区吸热、温度升高，再流经蒸汽过热器7，把热量传递给管内的蒸汽，最后流回到熔盐罐13内，完成一个循环过程。

蒸汽在汽轮机9内完成膨胀做功过程，并带动发电机10做功；从汽轮机9排出的蒸汽在凝汽器11内被冷却、凝结成水；经凝结水泵12升压及预热后进入除氧器1；完成整个水(水蒸汽)系统的循环。

上述过程为二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置在正常工作条件下的流程，为加深对该系统工作过程的理解，如下内容分别对系统早晨启动、傍晚停运、以及变工况运行过程进行较详细的论述：

早晨系统启动前必须对熔盐回路进行预热，否则液态熔盐遇到冷的管路时易造成熔盐凝固、堵管。在复合式吸热器4上，熔盐受热面的预热是通过投入一定比例的太阳能反射镜实现的，而管路和阀门则是采取电阻通电发热的方式进行预热。经过预置的升温程序后，熔盐管路和部件达到设置的温度，开启熔盐泵14和熔盐旁通阀15初步建立熔盐系统的循环，待复合吸热器上熔盐受热面达到设定的温度后，充灌熔盐吸热面，并把其中的气体通过放气阀排出。当熔盐充满后，逐渐关闭熔盐旁通阀15，熔盐系统逐渐进入到正常工作状态。水(水蒸汽)回路的启动更为简单：首先投入辅助汽源给除氧器1进行加温除氧；开启锅炉给水泵2把除氧后的水升压后注入汽包3，在汽包下降管和复合式吸热器4的预热蒸发面内充满了欠饱和的水。逐渐投入更多的反射镜系统，给复合式吸热器4进行加热，水在预热蒸发面内吸收热量后逐渐汽化，在复合式吸热器4上端的出口状态为具有一定含汽率的水，蒸汽在汽包3内不断积聚、升温升压，汽包顶部的分离启动，把分离后的饱和蒸汽引入饱和蓄热器5。熔盐泵12把熔盐罐13内的熔盐升压后进入复合式吸热器4，在熔盐受热面内吸热升温，出来后进入蒸汽过热器7，产生一定过热度的蒸汽进入汽轮机9做功。二元工质复合式太阳能吸热器及配套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换，系统的蒸汽参数也在随之而改变，因此汽轮机工作在一个变工况状态。

当天空出现短时间的云时，系统接收到的能量随之减少，系统的蒸发量也随之降低，但由于系统设有饱和蓄热器5，其内部储存一定液位高度的饱和水，随着系统压力的降低，饱和水的闪蒸效应会产生补偿性的饱和蒸汽，因此进入蒸汽过热器的饱和蒸汽流量就不会迅速下降，汽轮机9能够适应这种变工况条件下的工作(进汽参数逐渐降低的滑压运行)；反之当天空中的云逐渐移出镜场时，太阳辐射强度骤然增强，饱和蒸发量也会随之增加，但由于系统良好的蓄热特性，蒸汽的输出参数仅会呈缓慢上升的状态，使汽轮机9较容易适应这种变工况特性。

傍晚，当系统输入的能量不能维持系统的正常运转时，就必须使系统停运下来。熔盐回路的管路及各部件内的熔盐必须放回到熔盐罐13中，以防止熔盐的凝结。熔盐回路的水平管路都设计成带有一定坡度的结构，这样在系统停运时，可以利用熔盐的重力使熔盐自流回到熔盐罐13，对于复合式吸热器4的熔盐加热区和蒸汽过热器7，在其部件的最低端设有熔盐排放阀，以方便熔盐介质的回流。汽包3与复合式吸热器4内的水是否放空取决于吸热器4的散热特性：若热损失大，甚至有结冰的危险，则必须放空，否则无需放空汽包3与复合式吸热器4，这样在第二天开启系统时，操作更为简单。

若熔盐回路发生故障，则辅助加热器8可以替代熔盐回路进行工作，辅助加热器8可以把饱和蒸汽加热到需要的过热度，从而保障整个太阳能热发电系统正常运行。

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，通过在复合式吸热器上设置不同的功能区加以实现；其中蒸汽过热部分的能量来自独立的熔盐系统。由于不同区域的吸热器内流动的载热介质不同：一种是水(水蒸汽)，另一种是高温载热介质(熔盐、液态金属、有机物等)；二者的工作温度相差大。因此对复合式吸热器不同的功能区可以选用不同的材料和工艺：用于给水预热和蒸发的受热面管材可以选用耐受温度较低、价格相对便宜的材料(如碳钢等)；而对于高温载热介质的工作的区域则采用耐受温度更高的合金材料(如高镍不锈钢等)。具体的设计方案，应根据热力系统的特性、镜场的太阳辐射特性等因素优化选取。

采用二元工质复合式太阳能吸热器及配套系统后，由于熔盐的传热性能好、热容高，太阳能吸热器的受热面冷却充分，因此就不易发生超温、爆管等事故；熔盐作为载热介质可以缩小吸热器的体积和受热面积，这不但节约了吸热器的制造材料，还减少了吸热器表面的散热损失；从上述示例还可以看出，熔盐作为载热介质还增加了系统在变工况条件下的适应性；此外，系统设置的饱和蓄热器和辅助加热器增加了系统运行的灵活性和可用率。从上述论述可以看出：这种二元工质复合式太阳能吸热器及配套系统具有能量转换效率高、安全性好、初投资省等显著特点，应用前景非常广阔。

Claims (1)

1.一种二元工质复合式太阳能吸热器及配套装置，其特征在于包括：除氧器(1)、给水泵(2)、汽包(3)、复合式吸热器(4)、饱和蓄热器(5)、蒸汽三通阀(6)、蒸汽过热器(7)、辅助加热器(8)、汽轮机(9)、发电机(10)、凝汽器(11)、凝结水泵(12)、熔盐罐(13)、熔盐泵(14)和熔盐旁通阀(15)；

除氧器(1)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；除氧后的水经过给水泵(2)后进入汽包(3)；汽包(3)是水和水蒸汽的储存容器，汽包内的水通过下降管后进入复合式吸热器(4)；在复合式吸热器(4)的预热蒸发区吸收热量，完成相变过程；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器(5)；饱和蓄热器(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；蒸汽从饱和蓄热器(5)出来后再通过蒸汽三通阀(6)进入到蒸汽过热器(7)，在其中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机(9)做功，汽轮机(9)带动发电机(10)产生电能；从饱和蓄热器(5)出来的蒸汽还设置了备用的一条回路：通过蒸汽三通阀(6)至辅助加热器(8)，产生过热蒸汽进入汽轮机(9)，这个回路的设置除了可以加快汽轮机(9)的启动过程外，还可以在熔盐回路故障时提供辅助热源，使系统维持正常工作；在上述系统中，除氧器(1)的热源来自复合式吸热器(4)顶部的汽包(3)；

还包括熔盐回路，熔盐罐(13)中储存的熔盐，经熔盐泵(14)升压后进入到复合式吸热器(4)，在相对应的熔盐受热面内吸热、升温，流经蒸汽过热器(7)把热量传递给管内的蒸汽，冷却后的熔盐从蒸汽过热器(7)流出后回到熔盐罐(13)内，完成熔盐的循环过程；熔盐旁通阀(15)在复合式吸热器(4)投入前开启，以建立熔盐的流通回路，当复合式吸热器(4)正常工作后，熔盐旁通阀关闭；

蒸汽在汽轮机(9)内完成膨胀做功过程，并带动发电机(10)做功；从汽轮机(9)排出的蒸汽在凝汽器(11)内被冷却、凝结成水；经凝结水泵(12)升压后进入除氧器(1)；完成整个汽水系统的循环。