CN102200103A - 集成式太阳能联合循环发电站及其运作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成式太阳能联合循环发电站(10)的运作方法，其中所述集成式太阳能联合循环发电站(10)包括水/蒸汽回路(20)，其中所述水/蒸汽回路具有蒸汽涡轮机(21)和热回收蒸汽发电机(26)，来自气轮机(11)的热的废气流经所述热回收蒸汽发电机，所述水/蒸汽回路(20)附加地自太阳能电池阵(33)供有热量。在这种方法中，优化成本利益关系得以实现在于，水/蒸汽回路(20)仅仅针对气轮机(11)上的满负荷被设计，并且在将来自太阳能电池阵(33)的附加的功率供入到水/蒸汽回路(20)中时，气轮机(11)上的负荷基于自太阳能电池阵(33)附加地被供入的功率相应地被减小，以使得集成式太阳能联合循环发电站(10)的总输出功率维持大致恒定。

Description

集成式太阳能联合循环发电站及其运作方法
技术领域
本发明涉及发电站的技术领域。更具体地讲，本发明涉及集成式太阳能联合循环发电站的运作方法，其中所述集成式太阳能联合循环发电站包括水/蒸汽回路以及太阳能电池阵，所述水/蒸汽回路包括蒸汽涡轮机以及热回收蒸汽发电机，并且热量从太阳能电池阵附加地被供应至水/蒸汽回路。本发明还具体涉及用于实现所述方法的太阳能联合循环发电站。
背景技术
在具有气轮机和水/蒸汽回路的联合循环发电站内集成由太阳能装置产生的功率以形成集成式太阳能联合循环(ISCC)发电站使得可以减少自这种发电站设施的CO2排放量。在这种情况中，集热式太阳能(solar-thermal)技术方案与光伏技术相反特别适合于这种集成。诸如这些的技术方案区别之处在于太阳能被用于直接地或间接地产生蒸汽(所谓的太阳能蒸汽)，并且这可以以各种不同的方式用于具有气轮机的联合循环回路中。一个优选的形式是太阳能蒸汽被添加至水/蒸汽回路(WSC)，而不是将其用于气轮机本身中。此外，太阳能蒸汽优选在太阳能电池阵中产生，其中所述太阳能电池阵装配有抛物槽集热器。
图1示出了诸如此类的集成式太阳能联合循环发电站的发电站布局的高度简化的实例。如图1所示的集成式太阳能联合循环发电站10包括具有连续燃烧/连续燃烧器(sequential combustion)的气轮机11；具有蒸汽涡轮机21的水/蒸汽回路20；以及具有太阳能电池阵33的太阳能回路30。在该实例中，气轮机11包括两个压缩器13a、13b，所述压缩器一个在另一个之后连接，将经由空气入口12吸入的燃烧气体压缩，并将该燃烧气体输至第一燃烧室14，以便使得燃料燃烧。所产生的热气体在第一涡轮机15中膨胀，产生有用功，在第二燃烧室16 内被再次加热，并且通过第二涡轮机17。压缩器13a、13b和涡轮机15、17经由轴18连接至发电机19。
从第二涡轮机17排出的并仍是热的废气经过热回收蒸汽发电机(HRSG)26，在那里，废气产生用于水/蒸汽回路20的蒸汽，其中所述水/蒸汽回路包括热回收蒸汽发电机26。在废气流经热回收蒸汽发电机26之后，废气经由废气管线通过废气烟囱件27流到外部。基本上，水/蒸汽回路20由与发电机25相连的蒸汽涡轮机21、冷凝器22、供水锅炉24、供水泵23以及热回收蒸汽发电机26形成。
热能从太阳能回路30被附加地供应至水/蒸汽回路20，其中所述太阳能回路由具有抛物槽集热器37的太阳能电池阵33、泵31以及换热器32形成。当然，存储装置附加地与太阳能回路30相连，其中所述存储装置用于存储在阳光很少或没有阳关时进行操作的太阳能热量。同时可行的是采用装备有菲涅尔镜或定日镜设备的集热器而非采用抛物槽集热器37。太阳能热量可以在不同的部位处被引入到水/蒸汽回路20中；因此，作为不同技术方案的代表，图1仅仅示出了换热器32与热回收蒸汽发电机26之间的作为双箭头的一种连接装置28。
现有技术的调查与研究已经证实，诸如此类的集成式太阳能联合循环发电站在技术上和经济上是可行并有价值的，并且适合用于太阳能的利用，尤其是因为是可以利用证实的技术。事实上，集成式太阳能联合循环发电站具有多个优点，如下所列：
·对于基于使用GT26型气轮机的申请人的KA26型联合循环发电站而言，总效率可以从大约57％增加至大约65％，而太阳能的份额仅仅是大约15％。CO2的排放量因而被显著减少。
·在传统的联合循环发电站(CCPS)中已经存在的部件基本上可以用于太阳能蒸汽的利用，因而与纯太阳能发电站相比明显减少了集成式太阳能联合循环发电站(ISCC)中的发电成本(CoE)(例如在ISCC的情况中从 
Figure BSA00000464201000021
300/MWh至 
Figure BSA00000464201000022
180/MWh)。
·与气候状况无关地，来自可靠供应的大量能量可以每天24小时地以及每周7天地产生。
·只要太阳能电池阵发出热量，则发电站就开始工作，由此可以 最大化利用太阳能。
在现有技术中已经开展了多项调查与研究，以便了解在太阳能电池阵中产生的太阳能蒸汽如何能够集成到联合循环发电站中：
·专利公开文献US2006/0260314(A1)和US2006/0174622(A1)提出了中间回路，以便利用来自太阳能电池阵的热量产生太阳能蒸汽。
·其它研究者研究了抛物槽太阳能电池阵集成到联合循环发电站中的经济和能效方面的问题(Dersch et al.，“Trough Integration intoPower Plants”，Energy，Vol.29，pages 947-959，2004)。
·同样提出有采用经由中间回路与补燃(SF)的自太阳能电池阵产生的蒸汽，以便控制负荷变化(Hosseini et al.，“Technical & economicassessment of the ISCC power plants in Iran”，Renewable Energy，vol.30，pages 1541-1555，2005)。
·专利公开文献WO95/11371(A1)也提出了采用补燃以便适应负荷变化。
·专利公开文献US2008/0127647(A1)尤其说明了参照之前的方案(如上)的多种选择，以便将太阳能联合循环发电站与装有气轮机联合循环发电站组合。目的是通过运行现有的或改进的发电站将来自联合循环发电站的太阳能成份最大化并将总输出能量最大化，其中所述现有的或改进的发电站装备有超标设计的热回收蒸汽发电机以及蒸汽涡轮机，其具有高水平的补燃。
尽管将太阳能蒸汽结合到联合循环发电站中毫无疑问地体现了在增加输出功率方面的积极步骤同时减少了每单位功率的CO2排放量，但是国际研究已经表明已知的技术方案在燃料高效利用(以及因此避免CO2)和经济参数(发电成本)方面并不是最佳的。然而，这些方面对于诸如此类的新技术的接受和实施而言例如在集成式太阳能联合循环发电站的情况中是特别重要的。
正如所述，现有技术是基于补燃，从而匹配发电站上的负荷和/或增加输出功率。然而，补燃涉及到附加燃料在热回收蒸汽发电机中(例如借助于通道燃烧器)的燃烧(图1中的补燃34)，从而借助于蒸汽涡轮机产生用于发电的附加蒸汽。尽管这毫无疑问地增加了输出功率 与运行的灵活性，但是热力学的考虑表明这减少了发电站的总效率(这是因为附加的热量以相对低的温度被产生)。这意味着具体的CO2排放量和燃料成本都没有被最小化。补燃确实地可以增加发电大约10％；然而，同时，来自传统的集成式太阳能联合循环发电站的CO2具体输出也增加了大约3％(没有补燃的350kgCO2/MW，具有补燃的360kgCO2/MW)。
现有技术要求超标设计热回收蒸汽发电机(HRSG)和蒸汽涡轮机(最大50％)，以便能够处理来自太阳能电池阵的附加的蒸汽和补燃。这导致了更高的投资成本。此外，在发电站并不满功率运转时(也就是说，在补燃和/或太阳能加热并未达到完全100％时)，总效率降低，这是因为运行并未在标称运作点上实现。
已经提到的美国专利公开文献US2008/0127647(A1)实际上提出了现有发电站的转换，其中现有的发电站已经具有大量的补燃(15至50％)并利用了超标设计的热回收蒸汽发电机以及超标设计的蒸汽涡轮机(也就是说，热回收蒸汽发电机和蒸汽涡轮机被设置成利用来自气轮机的100％废气热量以及附加地太阳能热量和补燃运行)。
图2示出了针对这种情况的总输出电功率(总输出MWel)针对气轮机上的相对负荷(GT相对负荷％)的曲线图。虚线包围了所期望的设计空间DS1。尽管发电站必须被设计成消耗来自太阳能电池阵(+110MW)和补燃(+110MW)的峰值功率(图2中的运作点A′)，但是发电站(由于白天与夜晚之间的变化以及大气与天气状况之间的变化)将仅仅很少地接收100％的太阳能热量。这种设计意味着每当提供低于100％的太阳能热量时，发电站被超标设计并且远离所期望的运作点(也就是说在A′与C′之间)地运行。
尽管太阳能本身并不值钱，但是太阳能所应用的设备、基础设施、土地以及其它需求(例如用于清洁太阳能电池阵中的镜的水)是非常昂贵的。因此，仅仅最大化集成式太阳能联合循环发电站的太阳能系统并不必然地体现针对环境保护、性能与经济方面之间平衡的最佳技术方案。在对应的方式中，之前叙述的发电站并没有最大化效率同时最小化经济与环境成本，并且因此并没有最大潜力地利用太阳能。实 际上，以前的技术方案仅仅试图最大化太阳能部分。
发明内容
本发明的目的因此在于提供一种集成式太阳能联合循环发电站的运作方法，其避免了已知的方法的不足并且特征尤其在于对经济性、性能和环境方面提供了同等的重要性，并且本发明的目的还在于提供一种用于实现所述方法的集成式太阳能联合循环发电站。
该目的通过权利要求1和7的全部特征来实现。对于根据本发明的方法重要的是，水/蒸汽回路仅仅针对气轮机上的满负荷被设计，并且在将来自太阳能电池阵的附加的功率供入到水/蒸汽回路中时，气轮机上的负荷基于自太阳能电池阵附加地被供入的功率相应地被减小，以使得集成式太阳能联合循环发电站的总输出功率维持大致恒定。
根据本发明的方法的一个改型其特征在于，在所述集成式太阳能联合循环发电站下降至部分负荷地运行时，自所述太阳能电池阵附加地供入的功率被维持，并且所述气轮机上的负荷相应地被减小。
优选地，太阳能电池阵上的满负荷相应地被供入到所述水/蒸汽回路中，在这种情况中，在白天的过程中可用的平均功率自所述太阳能电池阵有利地提取出作为所述太阳能电池阵的满负荷。
根据本发明的方法的另一改型其特征在于，补燃被提供以便在所述水/蒸汽回路内产生蒸汽，并且所述补燃仅仅暂时地在过渡阶段中使用。
优选地，在根据本发明的方法的情况中，具有连续燃烧/连续燃烧器的气轮机被用作为所述气轮机，这是因为该气轮机本身是高效的，尤其在部分负荷时是高效的。
根据本发明的太阳能联合循环发电站包括水/蒸汽回路，其中所述水/蒸汽回路具有蒸汽涡轮机以及热回收蒸汽发电机，来自气轮机的热的废气流经所述热回收蒸汽发电机，热量自太阳能电池阵被附加地供至所述水/蒸汽回路，其特征在于，所述水/蒸汽回路仅仅针对所述气轮机上的满负荷被设计，并且设置一用于所述气轮机的控制器，所述控制器基于自所述太阳能电池阵附加地被供入的功率而相应地控制所述 气轮机上的负荷，以使得所述集成式太阳能联合循环发电站的总输出功率维持大致恒定。
根据本发明的太阳能联合循环发电站的一个改型其特征在于，所述气轮机是具有连续燃烧器的气轮机。
优选地，所述水/蒸汽回路和所述太阳能电池阵被设置成使得，所述太阳能联合循环发电站的输出功率在所述气轮机上满负荷并且自所述太阳能电池阵没有任何附加的功率时的情况中与在所述太阳能电池阵上满负荷并且所述气轮机上仅满负荷的85至90％的情况中相比是相同的。
另一个改型其特征在于，所述太阳能电池阵由抛物槽集热器形成，并且设置增加所述水/蒸汽回路内的新蒸汽温度的装置。
附图说明
本发明将参照示意性实施例以及结合附图在以下更加详细地说明，其中：
图1示出了可应用于本发明基础的集成式太阳能联合循环发电站的基本设计；
图2示出了集成式太阳能联合循环发电站输出功率针对气轮机上的负荷的曲线图，从而说明针对具有补燃的传统发电站的运作点以及设计空间；
图3示出了可与图2比较的曲线图，其针对根据本发明的一个示意性实施例的方法与发电站；
图4示出了与图2对应的曲线图，以说明如图2和3所示的设计空间和运作点的对比；并且
图5示出了用于执行根据本发明的方法的气轮机控制系统的实例。
具体实施方式
本发明关注于集成式太阳能联合循环发电站的设计新方案，其最大化总效率(每MW最低的CO2排放量)，而同时最小化总成本(最 小化发电成本CoE)。
方案本质在于针对功率、效率和经济变量而言最高效地利用太阳能热量以及燃料(天然气)。这通过以下措施实现：
·在连续运行中总是避免利用补燃。补燃34至多在过渡阶段的过程中短暂使用。
·水/蒸汽回路20被设计成在气轮机11上的负荷为100％(例如大约120巴或标准全载压力的75％)时在热回收蒸汽发电机26中出现较低峰值压力。相应的运作点在图3中由符号A表示。总之，这对应于非常低程度的超标设计。然而，发电机、轴、蒸汽涡轮机、变压器和高压开关面板被使用，也就是说这些部件并未被超标设计。
·如图3所示的水/蒸汽回路20针对100％的太阳能热量以及气轮机上的85至95％的负荷被设计。这对应于图3中由C表示的运作点(其针对88％气轮机功率示出)。
·太阳能电池阵33并没有被设计用于最高级别，但是最小化由太阳能装置所发电的成本。
·由太阳能装置所产生的功率以及来自气轮机/蒸汽涡轮机联合循环发电站(CCPS)的功率被设定成导致了全负荷的大致恒定的输出功率(输出功率在图3中的点C与A之间是大致恒定的，也就是说，联合循环发电站在点A处为满负荷输出(cc，基本负荷)，在C点处具有集成式太阳能电池阵输出(太阳能+cc，部分负荷)的联合循环发电站的输出功率以及在点A与C之间的气轮机负荷点处输出的输出功率(太阳能+cc，部分负荷)是大致相同的，如虚线所示)。由太阳能装置(太阳能电池)所产生的功率输出中的变化适当地由气轮机上的负荷变化补偿。在极端的情况中(例如在夜晚并且没有存储器)，发电站以气轮机100％负荷的方式运行。如果本发明是要以仅仅部分负荷的方式运行发电站，则太阳能部件被维持至其满负荷状态，并且仅仅来自气轮机的功率被减小。这种技术方案可以被称为“气轮机调节”。
·太阳能满负荷并不必对应于太阳能电池阵的最大可能的太阳能功率。实际上，它对应于白天时可获得的平均功率。太阳能电池阵的最大可能的太阳能功率仅仅针对总时间的受限的时间段被达到。利用 平均功率作为基准变量，发电站在较长时间段内更加接近其标称运作点地运作。
根据本发明的技术方案的优点从图3可以明显看出：
·通过简单调节气轮机可以总是获得恒定的输出功率。
·总效率仅仅作为气轮机上的负荷的函数而稍微变化。例如，在点B处的效率η(cc，部分负荷)比在点A处的效率η(cc，基本负荷)低仅仅大约0.1％。在满太阳能功率被使用时，发电站的效率增加。例如，在点C处的效率η(太阳能+cc，部分负荷)比在点A处的效率η(cc，基本负荷)高6.5％。
根据本发明的技术方案的优点在与传统的技术方案直接对比时甚至是更加明显的。图4示出了尽管传统类型的水/蒸汽回路针对设计空间DS1中的点A′被设计(也就是说，100％气轮机负荷+100％太阳能+100％补燃)，但实际上它仅仅在点B′运作一大部分时间(大约50％)，这是因为缺少太阳能。即使降低效率的补燃也被停止，传统的发电站也在点C′处运作，这由于较高的发电站成本而导致了更高的发电成本。
相反地，本发明提出了一种覆盖较窄输出功率范围(图4中的设计空间DS2)的发电站设计，但是其导致了更高的总效率以及更低的发电成本。
所提出的新颖的技术方案的另一优点在于——在利用具有连续燃烧的气轮机时，如图1所示，在气轮机上的负荷从100％减少至88％时，第二燃烧室(图1中的16)下游的涡轮机入口温度TIT降低。这意味着燃烧室上的以及涡轮机(图17中的17)上的热负荷被减小，并且它们的寿命在如图3所述太阳能热量被逐渐引入到过程中时延长。
图5示出了用于执行根据本发明的方法的气轮机控制系统的实例：水/蒸汽回路20接收来自气轮机11和来自太阳能电池阵33的热量，并且在出口处输出电能。具有发电机的气轮机11同样产生电能。这两处电能都由功率传感器36测量，并且它们的值被送至用于气轮机11的控制器35。同时，控制器35从传感器接收由太阳能电池阵33所产生的太阳能热量的值。控制器35现在确认，由于太阳能热量增加，所以气轮机11上的负荷被减少，并且反之亦然，而输出功率总体上被 大致保持恒定。
取决于太阳能发电的大部分成本可以归于换热器(图1中的32)，其形成了太阳能电池阵与水/蒸汽回路之间的连接元件。在分析太阳能发电成本时，也就是说在分析由于为了太阳能热回收和处理的附加发电站部件所导致的成本时，必须记得由于针对换热器的快速增加的成本而应当限制太阳能针对集成式太阳能联合循环发电站的份额。这种限制明显低于现有技术中提出的技术方案的情况。
在抛物槽集热器37被用于太阳能电池阵(图1中的33)中时，随着热学油流经太阳能回路30中的抛物槽集热器37，太阳能蒸气可以以380℃的温度被供到热回收蒸汽发电机26的高压过热器中。然而，结果，在蒸汽涡轮机21入口处的新的蒸汽的温度减少了超过80℃，因而减少了发电站的效率，并且增加了发电成本。因此，有利的是将新的蒸汽温度增加至580℃。为了实现这一点，热回收蒸汽发电机的高压部分的表面面积应该相应地被增加。
同样有利的是在具有连续燃烧的气轮机被使用时在夜晚将发电站运行在低负荷区域(低负荷运行方案LLOC)中。这避免了在电的销售价低时为了发电而消耗燃料。然后，只要太阳能再次可用(在白天的时候)，则可以非常迅速地增加输出功率。
此外，还可以针对气轮机/蒸汽涡轮机联合循环发电站部件上的100％的负荷加上附加的太阳能(“太阳能增强(Solar Boost)”)设计发电站。发电站部件(发电机、轴、变压器、高压开关面板)然后针对更高的功率被设计。
除了如图3所示的气轮机调节以外，补燃也可以被调节，而这两种调节之间具有平滑的过渡。
附图标记列表
10          集成式太阳能联合循环(ISCC)发电站
11          气轮机
12          空气入口
13a、13b    压缩器
14、16      燃烧室
15、17      涡轮机
18          轴
19、25      发电机
20          水/蒸汽回路
21          蒸汽涡轮机
22          冷凝器
23          供水泵
24          供水锅炉
26          热回收蒸汽发电机(HRSG)
27          废气烟囱件
28          连接装置
29          废气管线
30          太阳能回路
31          泵
32          换热器
33          太阳能电池阵
34          补燃
35          控制器
36          功率传感器
37          抛物槽集热器
DS1、DS2    设计空间。

Claims (10)

1.一种集成式太阳能联合循环发电站(10)的运作方法，其中所述集成式太阳能联合循环发电站包括水/蒸汽回路(20)，其中所述水/蒸汽回路具有蒸汽涡轮机(21)以及热回收蒸汽发电机(26)，来自气轮机(11)的热的废气流经所述热回收蒸汽发电机，所述水/蒸汽回路(20)附加地供应有来自太阳能电池阵(33)的热量，其特征在于，所述水/蒸汽回路(20)仅仅针对所述气轮机(11)的满负荷被设计，并且在将附加的能量从所述太阳能电池阵(33)供应到所述水/蒸汽回路(20)中时，所述气轮机(11)上的负荷基于自所述太阳能电池阵(33)附加地被供入的功率相应地被减少，以使得所述集成式太阳能联合循环发电站(10)的总输出功率维持大致恒定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述集成式太阳能联合循环发电站(10)下降至部分负荷地运行时，自所述太阳能电池阵(33)附加地供入的功率被维持，并且所述气轮机(11)上的负荷相应地被减小。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述太阳能电池阵(33)上的满负荷相应地被供入到所述水/蒸汽回路(20)中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在白天的过程中可用的平均功率自所述太阳能电池阵(33)提取出作为所述太阳能电池阵(33)的满负荷。
5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，补燃(34)被提供以便在所述水/蒸汽回路(20)内产生蒸汽，并且所述补燃(34)仅仅暂时地在过渡阶段中使用。
6.根据权利要求1至5任一所述的方法，其特征在于，具有连续燃烧器(14至17)的气轮机被用作为所述气轮机(11)。
7.一种用于实现根据权利要求1至6任一所述的方法的太阳能联合循环发电站(10)，所述太阳能联合循环发电站(10)包括水/蒸汽回路(20)，其中所述水/蒸汽回路具有蒸汽涡轮机(21)以及热回收蒸汽发电机(26)，来自气轮机(11)的热的废气流经所述热回收蒸汽发电机，热量自太阳能电池阵(33)被附加地供至所述水/蒸汽回路(20)，其特征在于，所述水/蒸汽回路(20)仅仅针对所述气轮机(11)上的满负荷被设计，并且设置一用于所述气轮机(11)的控制器(35)，所述控制器(35)基于自所述太阳能阵列(33)附加地被供入的功率而相应地控制所述气轮机(11)上的负荷，以使得所述集成式太阳能联合循环发电站(1)的总输出功率维持大致恒定。
8.根据权利要求7所述的太阳能联合循环发电站，其特征在于，所述气轮机(11)是具有连续燃烧器(14至17)的气轮机。
9.根据权利要求7或8所述的太阳能联合循环发电站，其特征在于，所述水/蒸汽回路(20)和所述太阳能电池阵(33)被设置成使得，所述太阳能联合循环发电站(10)的输出功率在所述气轮机(11)上满负荷并且自所述太阳能电池阵(33)没有任何附加的功率时的情况中与在所述太阳能电池阵上满负荷并且所述气轮机(11)上仅满负荷的85至90％的情况中相比是相同的。
10.根据权利要求7或8所述的太阳能联合循环发电站，其特征在于，所述太阳能电池阵(33)由抛物槽集热器(37)形成，并且设置增加所述水/蒸汽回路(20)内的新蒸汽温度的装置。
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