CN102828925A - 一种二元工质塔式太阳能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的二元工质塔式太阳能发电系统，包括：水工质吸热器、熔盐吸热器、蒸发器、熔盐过热器以及汽轮发电机组，熔盐参与饱和蒸汽的生成及过热过程，给水分别进入水工质吸热器和蒸发器，进入水工质吸热器的给水在其中吸热升温，产生饱和蒸汽；熔盐在熔盐吸热器中吸热升温后进入熔盐过热器换热，再进入蒸发器，与其内的水换热产生饱和蒸汽。熔盐过热器中的高温熔盐对水工质吸热器及蒸发器产生的饱和蒸汽进行过热，产生过热蒸汽以驱动汽轮发电机组发电。本发明所提供系统既保留了水工质系统运营简单、技术成熟度高、建设成本低等优点，又能利用熔盐蓄热能力强的特点提高发电稳定性。

Description

一种二元工质塔式太阳能发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能热应用领域，具体涉及一种二元工质塔式太阳能发电系统。

技术背景

塔式太阳能热发电系统具有聚光比高、易于实现较高的工作温度、系统容量大、效率高的特点，其传热工质主要有空气、水（蒸汽）及熔盐。多数国内外电站将水（蒸汽）或熔盐作为传热工质，以这两种物质作为传热工质的系统各有其优缺点：（1）以水为传热工质，由于水无毒、无腐蚀、易于运输，因此其在塔式太阳能系统中得到广泛应用。但是水工质系统没有蓄热功能，无法保证连续稳定供气，变工况条件下的适应性差，系统经济性差；（2）以熔盐为传热工质，熔盐在吸热器中吸热升温后通过蒸汽发生装置产生满足需要的蒸汽，熔盐系统无压运行，无相变，熔盐热容大，吸热器可承受较高的热流密度，产生的蒸汽参数高，有利于提高系统效率；但熔盐系统管路复杂，且由于熔盐凝固点较高，为防止熔盐凝固堵管，系统对管道预热、设备保温、运行维护等要求严格，因此系统控制难度大；此外，熔盐系统所需熔盐循环量大，熔盐成本在系统运营成本中占较大比例。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明突破在一系统中单纯使用水或熔盐作为吸热器传热工质的传统思路，提出一种二元工质塔式太阳能发电系统，在同一系统中同时使用水工质吸热器和熔盐吸热器，充分发挥这两种传热工质的优势，在提高系统效率、增强蓄热能力、提高系统供气稳定性的同时，降低了系统控制维护难度及运行成本。

一种二元工质塔式太阳能发电系统，包括：水工质吸热器、熔盐吸热器、蒸发器、熔盐过热器以及汽轮发电机组，其特征在于，水工质吸热器与熔盐过热器连接，熔盐吸热器分别与蒸发器和熔盐过热器连接，蒸发器与熔盐过热器连接，熔盐参与饱和蒸汽的生成及过热过程，给水分别进入水工质吸热器和蒸发器，进入水工质吸热器的给水在其中吸热升温，产生饱和蒸汽；熔盐在熔盐吸热器中吸热升温后进入蒸发器，与其内的水换热产生饱和蒸汽。熔盐过热器中的高温熔盐对水工质吸热器及蒸发器产生的饱和蒸汽进行过热，产生过热蒸汽以驱动汽轮发电机组发电。

优选地，所述二元工质塔式太阳能发电系统，还包括除氧器、给水泵、凝汽器、凝结水泵、高温熔盐罐、低温熔盐罐、高压加热器。

该二元工质塔式太阳能发电系统的具体流程为：汽轮机排汽在凝汽器内冷凝成水，经凝结水泵流入加热器加热升温后进入除氧器除氧，从除氧器出来的给水由给水泵加压，分别进入水工质吸热器和蒸发器，进入水工质吸热器的给水在其中吸热升温，产生饱和蒸汽。其中，水工质吸热器数量不限于一个，进入各水工质吸热器及蒸发器的水量分配根据实际情况进行设定。低温熔盐罐中的熔盐进入熔盐吸热器吸热后温度迅速升高，经过高温熔盐罐后进入熔盐过热器，与饱和蒸汽换热后熔盐进入蒸发器。为了提高给水温度，防止蒸发器熔盐出口温度过低导致熔盐凝固，给水先由高压加热器加热升温，之后进入蒸发器与熔盐换热形成饱和蒸汽，换热后的低温熔盐流入低温熔盐罐后进入熔盐吸热器重新吸热升温。熔盐过热器中的高温熔盐对蒸发器及水工质吸热器产生的饱和蒸汽进行过热，产生高温高压的过热蒸汽以驱动汽轮发电机组发电。蒸发器及水工质吸热器产生的饱和蒸汽可汇合后进入熔盐过热器，其中蒸发器及水工质吸热器产生的饱和蒸汽的温度、压力相等；也可分别进入各自相应的熔盐过热器，其中各熔盐过热器产生等温度、压力的过热蒸汽，熔盐过热器还可根据需要设置若干级。

本系统包括水/蒸汽循环回路和熔盐循环回路，给水从除氧器出来后经给水泵分别进入水工质吸热器及蒸发器产生饱和蒸汽，饱和蒸汽进入熔盐过热器形成过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组作功发电，作功后的乏汽经凝汽器重新凝结成水后再分别进入水工质吸热器及蒸发器，其中所涉及的除氧器、水工质吸热器、蒸发器、熔盐过热器、汽轮发电机组、凝汽器及装置间的连接管道构成水/蒸汽循环回路；低温熔盐罐中的熔盐进入熔盐吸热器吸热后温度迅速升高，经过高温熔盐罐后进入熔盐过热器，对其内的饱和蒸汽进行过热后熔盐进入蒸发器与给水进行换热，换热后的低温熔盐流入低温熔盐罐再进入熔盐吸热器重新吸热，熔盐在熔盐吸热器、高温熔盐罐、熔盐过热器、蒸发器、低温熔盐罐之间循环，其中所涉及的熔盐吸热器、高温熔盐罐、熔盐过热器、蒸发器、低温熔盐罐及装置间的连接管道构成熔盐循环回路。

由于水工质吸热器没有蓄热功能，因此光照无法满足要求时，如夜间或阴雨天，本系统采用纯熔盐运行。此时，高温熔盐罐中储存的高温熔盐经过熔盐过热器、蒸发器回到低温熔盐罐，给水仅进入蒸发器与熔盐进行换热产生饱和蒸汽，饱和蒸汽进入熔盐过热器生成过热蒸汽。

本发明的有益效果是：

（1）本发明既保留了以水为吸热器工质的太阳能热发电系统可靠性高、运行维护难度低、技术成熟度高、建设成本低等优点，又能利用熔盐工质产生高参数蒸汽，提高系统效率及发电稳定性；

（2）相比纯熔盐工质系统，本发明能显著节约熔盐循环量，降低电站初投资，此外系统启动前不需要电伴热，厂用电量低；同时，由于水工质吸热器及其连接管路可选用常规材料，而不用选用耐高温、耐腐蚀、价格昂贵的不锈钢材料，因而可以有效降低电站建造成本；

（3）相比纯水工质发电系统及仅利用熔盐对饱和蒸汽进行过热的二元工质发电系统，本发明在夜间或阴雨天，可采用纯熔盐工作，克服了由于水工质发电系统无法蓄热而在无太阳能可利用时无法发电的缺陷，增加了系统在变工况条件下的适应性。

附图说明

图1为实施例一所述二元工质塔式太阳能发电系统示意图；

图2为实施例一所述光照强度满足要求时，系统熔盐、水、蒸汽循环流程示意图；

图3为实施例一所述光照强度无法满足要求时的纯熔盐运行工质流程示意图；

图4为实施例二所述二元工质塔式太阳能发电系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明。

实施例一：

图1为本实施例一所述二元工质塔式太阳能发电系统示意图。本实施例所包括的各部件为：汽轮机1；凝汽器2；冷却塔3；循环水泵4；凝结水泵5；除氧器6；给水泵7、8；高压加热器9；水工质吸热器10、12；水工质吸热器汽包11、13；熔盐吸热器14；高温熔盐罐15；熔盐过热器16；蒸发器17；低温熔盐罐18；发电机19。由图1可见，汽轮机1排汽在凝汽器2内冷凝成水，凝汽器2与冷却塔3、循环水泵4形成冷却水回路，凝结水经凝结水泵5流入除氧器6，从除氧器出来的给水分成三路，一路由给水泵7分别进入水工质吸热器10的汽包11及水工质吸热器12的汽包13，另一路由给水泵8进入蒸发器17。给水进入汽包11、13后，通过汽包下降管分别进入水工质吸热器10、12，在其内吸热升温后产生饱和蒸汽并通过上升管进入汽包上部，由汽包11、13出来的饱和蒸汽并汽后与蒸发器17产生的饱和蒸汽汇合。熔盐在熔盐吸热器14中吸热后温度急剧升高，高温熔盐经过高温熔盐罐15后进入熔盐过热器16，再进入蒸发器17。为了提高给水温度，防止蒸发器熔盐出口温度过低导致熔盐凝固，给水先由高压加热器9加热升温，之后进入蒸发器17，与熔盐换热形成与水工质吸热器所产生饱和蒸汽等温度、压力的饱和蒸汽，换热后的低温熔盐流入低温熔盐罐后进入熔盐吸热器重新吸热升温，熔盐在熔盐吸热器14、高温熔盐罐15、熔盐过热器16、蒸发器17、低温熔盐罐18之间循环，形成熔盐循环回路。蒸发器产生的饱和蒸汽与水工质吸热器产生的饱和蒸汽汇合后被引入熔盐过热器，与其内的高温熔盐换热产生高温高压的过热蒸汽以驱动汽轮机1带动发电机19发电，熔盐过热器可根据需要设为若干级。本实施例采用两个水工质吸热器并联，但并不限于此，也可采用单个水工质吸热器或多个水工质吸热器并联。    由于水工质吸热器没有蓄热功能，因此光照无法满足要求时，如夜间或阴雨天，本系统采用纯熔盐运行。高温熔盐罐中储存的高温熔盐经过熔盐过热器16、蒸发器17回到低温熔盐罐；从除氧器6出来的给水仅通过给水泵8进入蒸发器17，与熔盐工质进行换热产生饱和蒸汽进入熔盐过热器16生成过热蒸汽。

图2为光照强度满足要求时，本系统熔盐、水、蒸汽循环流程示意图。如图2所示，对于熔盐流程，熔盐在熔盐吸热器14中吸热升温成为565℃的高温熔盐，经过熔盐过热器16后熔盐温度降至404℃，在蒸发器17内换热后成为300℃的低温熔盐，本实施例所示系统熔盐循环量为602t/h。而若采用纯熔盐系统，以熔盐为吸热、过热工质，则要产生等温度、压力的过热蒸汽，系统所需熔盐循环量为1285t/h，大约为本实施例所提供系统的两倍，由此可见采用本二元工质系统可显著减少熔盐投入，降低电站运营成本；对于水流程，给水分别进入水工质吸热器10、12及蒸发器17，经高压加热器9加热升温后，蒸发器17入口水温为220℃；对于蒸汽流程，水工质吸热器10、12及蒸发器17产生等温度、压力的饱和蒸汽，饱和温度为310℃，经熔盐过热器16过热后形成530℃的过热蒸汽。

图3为光照强度无法满足要求时的纯熔盐运行工质流程示意图。由图可见，水工质吸热器10、12及熔盐吸热器14不再投入使用，仅熔盐循环回路运行，由于熔盐罐的蓄热作用，高温熔盐在熔盐过热器16、蒸发器17中与水进行换热，产生所需蒸汽。考虑晚上满负荷蓄热两小时，若使用纯熔盐系统，熔盐循环量为1606t/h，而采用本发明所提供二元工质系统，熔盐循环量为923t/h，本发明系统熔盐循环量约为纯熔盐系统熔盐循环量的57%，由此可见采用本发明可显著降低熔盐投入，降低电站运营成本。

考虑到换热设备的互换性，光照强度无法满足要求时可减负荷运行。

实施例二：

图4为本实施例二所述二元工质塔式太阳能发电系统示意图。由图可见，本实施例与实施例一的差别仅在于水工质吸热器10、12与熔盐过热器161串联连接，蒸发器17与熔盐过热器162串联连接，分别采用熔盐过热器161、162对水工质吸热器10、12及蒸发器17所产生的饱和蒸汽进行过热。现仅对熔盐流程进行说明：熔盐在熔盐吸热器14中吸热后温度急剧升高，高温熔盐经过高温熔盐罐15后分别进入熔盐过热器161及162，水工质吸热器10、12产生的饱和蒸汽在熔盐过热器161中与高温熔盐进行换热形成过热蒸汽，蒸发器17所产生的饱和蒸汽在熔盐过热器162中进行换热形成等温度、压力的过热蒸汽，由熔盐过热器161、162产生的两路过热蒸汽汇合后进入汽轮机1，熔盐过热器161、162出口熔盐汇合后进入蒸发器17。本实施例所示系统，不要求水工质吸热器10、12及蒸发器17产生等温度、压力的饱和蒸汽。光照无法满足要求时，高温熔盐罐15中储存的高温熔盐仅进入熔盐过热器162，并经蒸发器17回到低温熔盐罐18；从除氧器6出来的给水仅通过给水泵8进入蒸发器17，与熔盐进行换热产生饱和蒸汽进入熔盐过热器162生成过热蒸汽。

       通过上述对本发明的介绍可知，本发明的一种二元工质塔式太阳能发电系统既保留了水工质系统运营简单、技术成熟度高、建设成本低等优点，又能利用熔盐蓄热能力强的特点提高发电稳定性。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，包括：水工质吸热器、熔盐吸热器、蒸发器、熔盐过热器以及汽轮发电机组，所述水工质吸热器与熔盐过热器连接，熔盐吸热器分别与蒸发器和熔盐过热器连接，蒸发器与熔盐过热器连接，熔盐参与饱和蒸汽的生成及过热过程，给水分别进入水工质吸热器和蒸发器，进入水工质吸热器的给水在其中吸热升温，产生饱和蒸汽，熔盐在熔盐吸热器中吸热升温后进入熔盐过热器换热，然后进入蒸发器，与其内的水换热产生饱和蒸汽，熔盐过热器中高温熔盐对水工质吸热器及蒸发器产生的饱和蒸汽进行过热，产生过热蒸汽以驱动汽轮发电机组发电。

2.根据权利要求1所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，包括水/蒸汽循环回路和熔盐循环回路，给水分别进入水工质吸热器及蒸发器产生饱和蒸汽，饱和蒸汽进入熔盐过热器形成过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机组作功发电，作功后的乏汽重新凝结成水后再分别进入水工质吸热器及蒸发器，其中所涉及的水工质吸热器、蒸发器、熔盐过热器、汽轮发电机组及装置间的连接管道构成水/蒸汽循环回路；熔盐在熔盐吸热器中吸热升温后进入熔盐过热器与饱和蒸汽换热，再进入蒸发器与水进行换热，完成热交换后的低温熔盐再回到熔盐吸热器吸热，熔盐在熔盐吸热器、熔盐过热器、蒸发器之间循环，其中所涉及的熔盐吸热器、熔盐过热器、蒸发器及装置间的连接管道构成熔盐循环回路。

3.根据权利要求2所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述水/蒸汽循环回路还包括蒸发器及水工质吸热器产生的饱和蒸汽汇合后进入同一熔盐过热器进行过热，水工质吸热器与蒸发器并联连接，再与熔盐过热器、汽轮发电机组串联连接。

4.根据权利要求1所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，蒸发器产生的饱和蒸汽与水吸热器产生的饱和蒸汽的温度、压力相等。

5.根据权利要求1所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，分别对蒸发器和水工质吸热器设置熔盐过热器，蒸发器与与之对应的熔盐过热器串联连接，水工质吸热器与与之对应的熔盐过热器串联连接，蒸发器及水工质吸热器产生的饱和蒸汽分别进入各自相应的熔盐过热器进行过热，产生等温度、压力的过热蒸汽后汇合进入汽轮发电机组。

6.根据权利要求1所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，所述水工质吸热器可设置多个，该些水工质吸热器并联设置。

7.根据权利要求2所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，熔盐循环回路还包括高温熔盐罐和低温熔盐罐，低温熔盐罐中的熔盐进入熔盐吸热器吸热后温度迅速升高，经过高温熔盐罐后进入熔盐过热器，对饱和蒸汽进行过热后熔盐进入蒸发器与给水进行换热，换热后的低温熔盐流入低温熔盐罐再进入熔盐吸热器重新吸热，熔盐在熔盐吸热器、高温熔盐罐、熔盐过热器、蒸发器、低温熔盐罐之间循环，形成所述熔盐循环回路。

8.根据权利要求7所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，还包括高压加热器，给水由高压加热器加热升温后进入蒸发器。

9.根据权利要求7所述的二元工质塔式太阳能发电系统，其特征在于，本系统仅利用熔盐循环回路运行，高温熔盐罐中储存的高温熔盐经过熔盐过热器、蒸发器回到低温熔盐罐，给水仅进入蒸发器，与熔盐进行换热产生饱和蒸汽进入熔盐过热器生成过热蒸汽。

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