CN102889694A - 塔式太阳能锅炉 - Google Patents

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汉京晓
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Abstract

本发明属于太阳能领域，涉及一种塔式太阳能锅炉，由太阳能镜场及三段式分级分区的集热塔组成，太阳能反射镜场从内到外由三个扇面状的定日镜场组成，三个定日镜场分别将太阳辐射反射到三级吸热器，产生饱和水、干饱和蒸汽以及过热蒸汽。本发明采用小型定日镜，一方面，提高了光斑能流密度的均匀性和可控性，使效率大大提高。另一方面降低了定日镜跟踪控制系统的精度要求，降低了成本。本发明根据水和水蒸气在不同吸热过程中的热力特性将吸热器分为三段，同时按照各吸热器的能流分布要求设计镜场，解决单级或双级吸热器内两相流引起的换热不稳定及吸热器表面热应力分布不均的问题；适用于太阳能电站。

Description

塔式太阳能锅炉
技术领域
本发明属于太阳能领域，特别涉及一种塔式太阳能锅炉。 
背景技术
常见的燃煤锅炉中，采用朗肯循环，利用水/水蒸气作为工质，经历三个阶段（水加热，汽化，过热）、五种状态（未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽）的热力过程，产生高温高压的过热蒸汽，进入汽轮机做功用于发电。塔式太阳能锅炉，利用太阳能替代燃煤锅炉中煤燃烧所放出的热量来加热工质，是一种具有极高商业前景的技术。 
当前，塔式太阳能电站大多采用大面积的定日镜反射太阳辐射到吸热器加热传热工质，如熔融盐，导热油等，再通过二次换热加热水产生干饱和蒸汽或者过热蒸汽，用于送入汽轮机中做功发电。这种发电方式，需要解决吸热器受热面能流分布不均匀、不稳定，换热过程复杂以及定日镜装置控制精度要求高，因而投资成本高的问题。 
在太阳能电站运行过程中，为保证定日镜能够实时跟踪太阳位置并可将太阳辐射精确反射到吸热器上的指定位置，因此控制系统成本较高。由于现有技术普遍使用的大型定日镜，其长宽都接近10m，虽然对相同的功率所需的定日镜数较少，但每面定日镜反射的太阳辐射在吸热器上产生的光斑面积较大。多面大型定日镜将太阳辐射反射到同一个吸热器中，多个光斑叠加后容易在吸热器局部区域出现能流密度分布严重不均衡的现象，从而影响吸热器的安全运行。 
采用非水/水蒸气工质的太阳能锅炉，要想产生干饱和蒸汽或者过热蒸汽来 发电，需要将工质通入换热器中进行二次换热，但是二次换热损失的存在大大地降低了锅炉效率。 
采用水/水蒸气工质的太阳能锅炉，大多采用单级或者双级吸热器，用以产生干饱和蒸汽或者过热蒸汽。如果要在单级吸热器中产生过热蒸汽，吸热器中就必须要经历三个阶段（水加热，汽化，过热）、五种状态（未饱和水，饱和水，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽）的热力过程，不仅有温度的剧烈变化，还有水和水蒸汽两相流所引起的传热性能的改变，对于单级吸热器的制造加工以及运行都是一个极大地挑战。即便是仅仅产生干饱和蒸汽，也必须经历剧烈地温升和工质相变带来的传热性能改变。而双级吸热器，也仅仅考虑了换热温差对效率的影响，没有根据工质热力过程的性质去解决上述问题。 
发明内容
本发明目的在于解决背景技术中所述的、在以水/水蒸气为工质的太阳能锅炉中，吸热器受热面能流分布不均匀、不稳定，吸热器中热力过程复杂导致的传热性能改变以及定日镜装置控制精度要求高的问题。提供一种塔式太阳能锅炉，如将多个这样的太阳能锅炉并联，可用于组合成大规模大容量塔式太阳能电站。塔式太阳能锅炉的技术方案为： 
塔式太阳能锅炉由集热塔1、太阳能反射镜场和循环水泵2组成，在所述集热塔1的内部，下部为预热吸热段，中部为蒸汽发生吸热段，顶部为蒸汽过热吸热段，所述太阳能反射镜场的设置区域为集热塔1的背阳方向的圆心角为100°～120°扇形区域的地面，太阳能反射镜场由定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11组成，在太阳能反射镜场的扇形区域内，从内到外依次为定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11；在太阳能反射镜场的扇形区域内，定 日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11的分布区域都是以集热塔1的地基中心为圆心的扇面状区域，定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11都由小型定日镜12组成，小型定日镜12设置在定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11的扇面状区域中； 
所述的塔式太阳能锅炉中，所述预热吸热段的吸热部件为预热吸热器3，蒸汽发生吸热段由吸热部件蒸汽发生吸热器4和汽水分离器5组成，蒸汽过热吸热段的吸热部件为过热吸热器6，预热吸热器3的预热吸热器热水出口和蒸汽发生吸热器4的蒸汽发生吸热器进口连接，蒸汽发生吸热器4的蒸汽发生吸热器出口和汽水分离器5的汽水分离器进口连接，汽水分离器5的汽水分离器溢出水出口和蒸汽发生吸热器进口连接，汽水分离器5的汽水分离器蒸汽出口和过热吸热器6的过热吸热器蒸汽进口连接，过热吸热器6的过热吸热器过热蒸汽出口和汽轮机入口7连接，循环水泵2的水泵进水口和循环水源出口8连接，循环水泵2的水泵出水口和预热吸热器3的预热吸热器冷水进口连接； 
所述的塔式太阳能锅炉中，定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10、定日镜场Ⅲ11的扇面状区域中心的圆弧曲率半径分别为r1、r2、r3，其中，r1<r 2<r3； 
所述的塔式太阳能锅炉在工作状态下，入射到定日镜场Ⅰ9中的小型定日镜12上的入射阳光13经小型定日镜镜面反射的定日镜场Ⅰ反射光 14的靶面为预热吸热器3的受热面，入射到定日镜场Ⅱ10中的小型定日镜12上的入射阳光13经小型定日镜镜面反射的定日镜场Ⅱ反射光15的靶面为蒸汽发生吸热器4的受热面，入射到定日镜场Ⅲ11中的小型定日镜12上的阳光光线13经小型定日镜镜面反射的定日镜场Ⅲ反射光16的靶面为预热吸热器3的受热面； 
所述预热吸热器3为塔式太阳能电站用腔体式吸收器； 
所述蒸汽发生吸热器4为塔式太阳能电站用腔体式吸收器； 
所述过热吸热器6为塔式太阳能电站用腔体式吸收器； 
所述预热吸热器3中的吸热器工质为水； 
所述蒸汽发生吸热器4中的吸热器工质为水； 
所述过热吸热器6中的吸热器工质为蒸汽； 
所述小型定日镜12的反射面尺寸，长为1.5～2.0m，宽为1.5～2.0m； 
所述定日镜场Ⅰ9中，小型定日镜12按圆弧分排设置； 
所述定日镜场Ⅱ10中，小型定日镜12按圆弧分排设置； 
所述定日镜场Ⅲ11中，小型定日镜12按圆弧分排设置； 
所述的塔式太阳能锅炉，预热吸热器3与蒸汽发生吸热器4所需热功率之比为1:1.17，预热吸热器3与过热吸热器6所需热功率之比为1:0.67。 
本发明的太阳能反射镜场分成定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11三部分，定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11都采用小型定日镜12反射阳光，分别加热安装在集热塔1上的三段式分级分区的吸热器。定日镜场Ⅰ9的反射光入射到预热吸热器3的受热面，加热预热吸热器3中的吸热工质，定日镜场Ⅱ10的反射光入射到蒸汽发生吸热器4的受热面，加热蒸汽发生吸热器4中的吸热工质，定日镜场Ⅲ11的反射光入射到过热吸热器6的受热面，加热过热吸热器6中的吸热工质。预热吸热器3中的吸热工质为水，蒸汽发生吸热器4中的吸热工质为水，过热吸热器6中的吸热工质为蒸汽。 
系统运行时，由循环水泵2将循环水（未饱和水）输送到预热吸热器3，根据太阳在天空中的位置，位于定日镜场Ⅰ9中的小型定日镜12将光线反射到预热吸热器3的受热面，加热预热吸热器3中未饱和水；预热吸热器3中的循环水被加热后，温度升高至临界蒸发温度以下，成为饱和水；接近临界蒸发温度 的饱和水被送入到蒸汽发生吸热器4继续吸热，这一部分的能量由位于太阳能反射镜场中部定日镜场Ⅱ10的小型定日镜12反射的太阳辐射提供。蒸汽发生吸热器4中的饱和水吸热后，部分汽化产生湿饱和蒸汽；湿饱和蒸汽向上流动，进入汽水分离器5，一部分蒸汽冷凝分离后成为饱和水，经过汽水分离器5的汽水分离器溢出水出口流出汽水分离器5，经侧路回送到蒸发吸热器4继续吸热；经过汽水分离后的干饱和蒸汽被送入过热吸热器6，吸收定日镜场Ⅲ11反射的太阳辐射，达到蒸汽进行汽轮机所需的工作温度和压力，成为过热蒸汽，被送入汽轮机中做功。 
这种太阳能锅炉采用分段分区的方式设置吸热器，并且采用小型定日镜组成太阳能镜场，提高反射光斑热流密度的均匀性及可控性，实现节约成本和提高经济效益， 
本发明的有益效果为：本发明采用分段分区的方式设置吸热器，并且采用小型定日镜组成太阳能镜场，一方面可提高反射光斑热流密度的均匀性、可控性，另一方面可大大降低对单个定日镜跟踪控制系统的精度要求；将吸热器按照从未饱和水到过热蒸汽不同阶段的换热特点将其分成预热吸热器，蒸汽发生吸热器、过热吸热器，并分别布置于集热塔的下部、中部和顶部不同位置，能很好地克服吸热器受热面光斑波动、能流分布不均匀的问题，同时能根据不同阶段的吸热工质换热特点设计不同受热面的能流分布，解决了吸热器吸收热流密度过大，吸热器内热力过程复杂的问题，使得系统的集热效率大大提高，既节约成本，又提高电站运行安全性。 
附图说明
图1为塔式太阳能锅炉的定日镜场及其吸收级布置示意图；
图2为定日镜场和集热塔的俯视图。 
图中，1--集热塔，2--循环水泵，3--预热吸热器，4--蒸汽发生吸热器，5--汽水分离器，6--过热吸热器，7--汽轮机入口，8--循环水源出口，9--定日镜场Ⅰ，10--定日镜场Ⅱ，11--定日镜场Ⅲ，12--小型定日镜，13--入射阳光，14--定日镜场Ⅰ反射光，15--定日镜场Ⅱ反射光，16--定日镜场Ⅲ反射光。 
具体实施方式
下面结合附图及具体实例对本发明作进一步说明。 
本实施例为一个20MW级塔式太阳能锅炉。图1为塔式太阳能锅炉的定日镜场及其吸收级布置示意图，图2为定日镜场和集热塔的俯视图。
太阳能反射镜场的设置区域为集热塔1的背阳方向的圆心角为100°～120°扇形区域的地面，太阳能反射镜场由定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11组成，在太阳能反射镜场的扇形区域内，从内到外依次为定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11。 
集热塔1的内部，下部为预热吸热段，中部为蒸汽发生吸热段，顶部为蒸汽过热吸热段，预热吸热段的吸热部件为预热吸热器3，蒸汽发生吸热段由吸热部件蒸汽发生吸热器4和汽水分离器5组成，蒸汽过热吸热段的吸热部件为过热吸热器6。循环水泵2的水泵进水口和循环水源出口8连接，循环水泵2的水泵出水口和预热吸热器3的预热吸热器冷水进口连接，循环水泵2用于抽取循环水，将循环水（未饱和水）首先送入预热吸热器3中。预热吸热器3的预热吸热器热水出口和蒸汽发生吸热器4的蒸汽发生吸热器进口连接，用于将预热后的工质（饱和水）送入蒸汽发生吸热器4中继续加热。蒸汽发生吸热器4的蒸汽发生吸热器出口和汽水分离器5的汽水分离器进口连接，用于将湿饱和蒸汽送入汽水分离器5中进行汽水分离。汽水分离器5的汽水分离器溢出水出口和蒸汽发生吸热器进口连接，用于溢出在汽水分离器5中冷凝成的饱和水，经 过蒸汽发生吸热器进口，重新送回蒸汽发生吸热器4，以节约能量，提高循环效率。汽水分离器5的汽水分离器蒸汽出口和过热吸热器6的过热吸热器蒸汽进口连接，用于将分离出的干饱和蒸汽进一步加热。过热吸热器6的过热吸热器过热蒸汽出口和汽轮机入口7连接，用于将过热蒸汽送入汽轮机中做功来发电。 
如图2所示，在太阳能反射镜场的扇形区域内，定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11的分布区域都呈扇面状，定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11都由小型定日镜12组成，定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11呈扇面状的区域都以集热塔1的地基中心为圆心，小型定日镜12设置在定日镜场Ⅰ9、定日镜场Ⅱ10和定日镜场Ⅲ11的扇面状区域中，定日镜场Ⅰ9的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r1最小，定日镜场Ⅱ10的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r2大于定日镜场Ⅰ9的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r1，定日镜场Ⅲ11的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r3大于定日镜场Ⅱ10的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r2。 
在工作状态下，定日镜场Ⅰ9中的小型定日镜12把入射阳光13反射为定日镜场Ⅰ反射光14，定日镜场Ⅰ反射光14入射到预热吸热器3的受热面，用于把预热吸热器3中的温度为30℃、压力8.8MPa的未饱和水定压加热成为300℃的饱和水。定日镜场Ⅱ10中的小型定日镜12把入射阳光13反射为定日镜场Ⅱ反射光15，定日镜场Ⅱ反射光15入射到蒸汽发生吸热器4的受热面，用于加热蒸汽发生吸热器4中的饱和水，使部分饱和水汽化，产生300℃的湿饱和蒸汽。定日镜场Ⅲ11中的小型定日镜12把入射阳光13反射为定日镜场Ⅲ反射光16，定日镜场Ⅲ反射光16入射到预热吸热器3的受热面，用于加热过热吸热器6中的干饱和蒸汽，使之成为温度为565℃压力为8.8MPa的过热蒸汽。 
本20MW级塔式太阳能锅炉实施例中，预热吸热器3、蒸汽发生吸热器4 和过热吸热器6都为塔式太阳能电站用腔体式吸热器。小型定日镜12的反射面尺寸，长为1.5～2.0m，宽为1.5～2.0m。定日镜场Ⅰ9的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r1为100～310m，定日镜场Ⅱ10的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r2为310～440m，定日镜场Ⅲ11的扇面状区域中心的圆弧曲率半径r3为440～500m。定日镜场Ⅰ9中由10500～10600面按圆弧分排的小型定日镜12组成，定日镜场Ⅱ10由12400～12500面按圆弧分排的小型定日镜12组成，定日镜场Ⅲ11由7000～7100面按圆弧分排的小型定日镜12组成。集热塔1的总高度为90m，预热吸热段设置在集热塔总高度的50～60%处，蒸汽发生吸热段设置在集热塔总高度的70～80%处，蒸汽过热吸热段设置在集热塔总高度的90～100%处。 
本发明适用于年太阳能辐射量在1800 kWh/m2以上的地区，如我国西藏、新疆、内蒙古、甘肃西部、青海部分地区，太阳能计算强度为1000W/m2，热电转化效率35～40%，能建设20MW级塔式太阳能电站。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (13)

1.一种塔式太阳能锅炉，其特征在于，塔式太阳能锅炉由集热塔（1）、太阳能反射镜场和循环水泵（2）组成，在所述集热塔（1）的内部，下部为预热吸热段，中部为蒸汽发生吸热段，顶部为蒸汽过热吸热段，所述太阳能反射镜场的设置区域为集热塔（1）的背阳方向的圆心角为100°～120°扇形区域的地面，太阳能反射镜场由定日镜场Ⅰ（9）、定日镜场Ⅱ（10）和定日镜场Ⅲ（11）组成，在太阳能反射镜场的扇形区域内，从内到外依次为定日镜场Ⅰ（9）、定日镜场Ⅱ（10）和定日镜场Ⅲ（11）；在太阳能反射镜场的扇形区域内，定日镜场Ⅰ（9）、定日镜场Ⅱ（10）和定日镜场Ⅲ（11）的分布区域都是以集热塔（1）的地基中心为圆心的扇面状区域，定日镜场Ⅰ（9）、定日镜场Ⅱ（10）和定日镜场Ⅲ（11）都由小型定日镜（12）组成，小型定日镜（12）设置在定日镜场Ⅰ（9）、定日镜场Ⅱ（10）和定日镜场Ⅲ（11）的扇面状区域中。
2.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述预热吸热段的吸热部件为预热吸热器（3），蒸汽发生吸热段由吸热部件蒸汽发生吸热器（4）和汽水分离器（5）组成，蒸汽过热吸热段的吸热部件为过热吸热器（6），预热吸热器（3）的预热吸热器热水出口和蒸汽发生吸热器（4）的蒸汽发生吸热器进口连接，蒸汽发生吸热器（4）的蒸汽发生吸热器出口和汽水分离器（5）的汽水分离器进口连接，汽水分离器（5）的汽水分离器溢出水出口和蒸汽发生吸热器进口连接，汽水分离器（5）的汽水分离器蒸汽出口和过热吸热器（6）的过热吸热器蒸汽进口连接，过热吸热器（6）的过热吸热器过热蒸汽出口和汽轮机入口（7）连接，循环水泵（2）的水泵进水口和循环水源出口（8）连接，循环水泵（2）的水泵出水口和预热吸热器（3）的预热吸热器冷水进口连接。
3.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，定日镜场Ⅰ（9）、定日镜场Ⅱ（10）、定日镜场Ⅲ（11）的扇面状区域中心的圆弧曲率半径分别为r1、r2、r3，其中，r1<r2<r3。
4.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，在工作状态下，入射到定日镜场Ⅰ（9）中的小型定日镜（12）上的入射阳光（13）经小型定日镜镜面反射的定日镜场Ⅰ反射光（14）的靶面为预热吸热器（3）的受热面，入射到定日镜场Ⅱ（10）中的小型定日镜（12）上的入射阳光（13）经小型定日镜镜面反射的定日镜场Ⅱ反射光（15）的靶面为蒸汽发生吸热器（4）的受热面，入射到定日镜场Ⅲ（11）中的小型定日镜（12）上的入射阳光（13）经小型定日镜镜面反射的定日镜场Ⅲ反射光（16）的靶面为预热吸热器（3）的受热面。
5.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述预热吸热器（3）为塔式太阳能电站用腔体式吸收器。
6.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述蒸汽发生吸热器（4）为塔式太阳能电站用腔体式吸收器。
7.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述过热吸热器（6）为塔式太阳能电站用腔体式吸收器。
8.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述预热吸热器（3）中的吸热工质为水，所述蒸汽发生吸热器（4）中的吸热工质为水，所述过热吸热器（6）中的吸热器工质为蒸汽。
9.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述小型定日镜（12）的反射面尺寸，长为1.5～2.0m，宽为1.5～2.0m。
10.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述定日镜场Ⅰ（9）中，小型定日镜（12）按圆弧分排设置。
11.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述定日镜场Ⅱ（10）中，小型定日镜（12）按圆弧分排设置。
12.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述定日镜场Ⅲ（11）中设置按圆弧分排的小型定日镜（12）。
13.根据权利要求1所述的塔式太阳能锅炉，其特征在于，所述预热吸热器（3）与蒸汽发生吸热器（4）所需热功率之比为1:1.17，预热吸热器（3）与过热吸热器（6）所需热功率之比为1:0.67。
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