CN102943287A - 风光互补电解铝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风光互补电解铝装置，其特征在于，该装置包括电解铝装置（A），太阳能集热产生蒸汽装置（1）、蓄热多级利用装置（2）、热能利用装置（3）、循环辅助装置（4）、第一阀门（5-1）、第二阀门（5-2）、第三阀门（5-3）、第四阀门（5-4）、第五阀门（5-5）、循环管路（6）、混合箱（7）、循环泵（8）。该系统采用了以风电、太阳能热发电和网电三者联合为电解铝提供电能的方式，可以保证电解铝装置能够安全稳定的运行。该系统的设计可以针对各种天气情况下，满足各装置热利用的需求，并使得该水蒸气循环油合适的管道通路。本发明能够将风能以非并网的形式与太阳能互补利用，同时解决电解铝高能耗问题、实现太阳能高效率利用。

Description

风光互补电解铝装置

技术领域

本发明涉及一种有关电解铝的能源综合利用装置，特别是一种将风能与太阳能互补利用的能源利用装置，属于能源利用技术领域。

背景技术

随着近年来电解铝规模的快速扩张，面临居高不下的用电成本，如何降低供电系统设备的能量消耗已成为众多同行业面对的共同问题。

太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用被认为是世界能源战略的重要组成部分。太阳能热利用是太阳能利用中最主要的方式，其利用形式具有多样性，按照其介质所达到的温度，分为低、中、高温利用。太阳能热发电是一种替代常规能源的方法，是各国科学家和政府关注的重点之一。按照聚光方式的不同，其主要有塔式、槽式、碟式三种方式，其中槽式太阳能热发电是商业化水平较高、技术较为成熟的一种，集热效率可达到60%以上，但发电效率一般在20%左右，大量的光热转化能量没得到应用，因而成本较高，推广难度较大。

风电并网是目前世界上大规模风电场的唯一应用方式。风能的利用主要按照“风轮—发电机—电网—用户(负载)”这个路线来进行，其中电网是风电的负载和用户的电源，电网的存在保证了风电的利用。但是由于风电的不稳定性和波动特性，大规模风电上网还存在着现阶段难以克服的技术障碍，风电对电网贡献率难以超过10％已成为一个世界性难题。同时，风电上网对风力机提出了满足电网稳频、稳压和稳相的要求，由此大幅度增加了风力机制造成本和风电价格，使风电的大规模应用受到限制。应对这一难题，提出大规模非并网风电理论。非并网风电是指风电系统的终端负荷不再是传统的单一电网，而是直接应用于一系列能够适应风电特性的高载能产业及其他特殊领域。目前主要应用于以电解铝为重点的有色冶金工业、盐化工氯碱产业、大规模海水淡化、规模化制氢和以非金属为原料的精深加工产业链等。电解工业是其中比较理想的用户之一，这是因为：①电解工业使用直流电，风力机向负载直接供应直流电，不需要研究频率和相位控制等技术，也省去了整流、变频(逆变)等复杂设备；②电解工业热容量大，只要控制电解过程的热平衡，负载就能较好地适应风电电流的波动；③电解工业耗电量大、用电集中的特点，有利于大量应用风电替代化石能源，实现大规模节能减排。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于克服上述电解铝高能耗、风电不能直接并网和太阳能热发电效率不高这三个缺陷，提供了一种能够将风能以非并网的形式与太阳能互补利用，同时解决电解铝高能耗问题、实现太阳能高效率利用的风光互补电解铝装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种风光互补电解铝装置，该装置包括电解铝装置、太阳能集热产生蒸汽装置、蓄热多级利用装置、热能利用装置、循环辅助装置、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、循环管路、混合箱、循环泵。

电解铝装置的出口通过循环管路与蓄热多级利用装置的第一入口相接，蓄热多级利用装置的第一出口通过循环管路与混合箱的第一入口相接，蓄热多级利用装置的第二出口通过循环管路连接循环泵并与电解铝装置的入口相接，混合箱的出口通过循环管路与热能利用装置的入口相接，热能利用装置的出口通过循环管路与循环辅助装置的入口相接，其中热能利用装置产生的电能直接供应于电解铝装置。

循环辅助装置的出口分成三路，其中一路通过第一阀门与太阳能集热产生蒸汽装置的入口相接，另一路通过第二阀门与太阳能集热产生蒸汽装置的出口相接，还有一路通过第三阀门与蓄热多级利用装置第二入口相接。

太阳能集热产生蒸汽装置的出口通过第四阀门与蓄热多级利用装置的第三入口相接，还通过第五阀门与混合箱的第二入口相接。

太阳能集热产生蒸汽装置和蓄热多级利用装置通过第四阀门和第五阀门的调节使得循环工质经混合箱混合后输出的工质工况符合热能利用装置的要求；循环辅助装置用于保证系统循环顺利的进行。

所述的太阳能集热产生蒸汽装置包括：预热装置，为生物质能加热装置或电加热装置或燃烧加热装置；太阳能集热装置，为槽式太阳能集热装置或塔式太阳能集热装置或碟式太阳能集热装置；第六阀门；第七阀门；循环管路。

预热装置的入口为太阳能集热装置的入口，预热装置的出口分成两路，其中一路通过第六阀门与太阳能集热装置的入口相接，另一路通过第七阀门与太阳能集热装置的出口相接，太阳能集热装置的出口为太阳能集热产生蒸汽装置的出口。

所述的蓄热多级利用装置包括：预热装置、蒸发装置、过热装置、第八阀门，第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十四阀门、第十五阀门、循环管路。

蓄热多级利用装置的第一入口分成两路，其中一路通过第八阀门接预热装置的第一入口，另一路通过第九阀门分别与蒸发装置和过热装置的第一入口相接，并通过第十阀门来调节以达到所需要的工况要求。

预热装置的出口通过第十一阀门接蒸发装置的入口，蒸发装置的出口通过第十二阀门与过热装置的入口相接，过热装置的出口分成两路，一路通过第十三阀门与混合箱的第一入口相连，另一路通过第十四阀门与分别与预热装置和蒸发装置的第二入口相接，并通过第十五阀门来调节以达到所需要的工况要求。

所述的热能利用装置包括：多级抽气式蒸汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、第十六阀门、第十七阀门、循环管路；多级抽气式蒸汽轮机包括汽轮机一级抽气口、汽轮机二级抽汽口、汽轮机乏汽口。

多级抽气式蒸汽轮机的入口为热能多级利用装置的入口，汽轮机一级抽气口通过第十六阀门与汽轮机二级抽汽口相接，并通过第十六阀门、第十七阀门与蓄热多级利用装置中的第十五阀门相接后同时接于预热装置的第二入口。

汽轮机乏汽口的出口接凝汽器的入口，凝汽器的出口与凝结水泵的入口相接，凝结水泵的出口为热能利用装置的出口；多级抽气式蒸汽轮机通过转轴与发电机连接；进入热能利用装置的蒸汽经过蒸汽轮机进行发电，并两级抽气来补充提供蓄热多级利用装置运行所需要的热量。

所述的循环辅助装置包括：储水箱、循环泵、补水泵、除氧器、循环管路。

除氧器的入口为循环辅助装置的入口，除氧器的出口通过循环管路与储水箱第一入口相接，补水泵通过循环管路与储水箱的第二入口相接，储水箱的出口通过循环管路与循环水泵的入口相接，循环水泵的出口为循环辅助装置的出口。

循环的回水经除氧器处理后进入储水箱并在其中油液分离和储存，补水通过补水泵进入储水箱，储水箱输出的水循环水泵进行加压。

有益效果：

（1）该系统实现了风能与太阳能的互补利用，采用了以风电、太阳能热发电和网电三者联合为电解铝提供电能的方式，可以保证电解铝装置能够安全稳定的运行。通过对这三者的有效调节，最大可能性地降低电解铝对网电的依赖。

（2）该系统充分了利用电解铝的余热，提高了系统的热利用能力，降低了系统能耗。

（3）以非并网的形式解决了风电因不稳定性和波动特性而无法大规模并网的难题，以更有效的形式利用了风电。

（4）该系统充分利用了电解铝过程中产生的能量，电解铝余热起到蓄热的作用，克服了太阳能热发电不稳定的缺点，可以保证在各种天气条件下汽轮机的正常运行，通过对阀门的调节，可以保证汽轮机稳定的工质工况和流量，同时提高了太阳能热发电系统的热利用效率。

（5）利用汽轮机中做过一部分功的蒸汽（抽气）来加热预热装置中的给水，提高了系统的热利用效率。

（6）太阳能加热段分成了预热段和产生蒸汽段，预热段利用了低成本的加热源，增加了系统的经济性。

（7）该系统的设计可以针对各种天气情况下，满足各装置热利用的需求，并使得该水蒸气循环有合适的管道通路。

附图说明

图1是风光互补电解铝装置的结构示意图。

图中有：电解铝装置0、太阳能集热产生蒸汽装置1、蓄热多级利用装置2、热能利用装置3、循环辅助装置4、第一阀门5-1、第二阀门5-2、第三阀门5-3、第四阀门5-4、第五阀门5-5、循环管路6、混合箱7、循环泵8。

图2是太阳能集热产生蒸汽装置的结构示意图。

图中有：太阳能集热装置1-1、预热装置1-2、第六阀门5-6、第七阀门5-7、循环管路6。

图3是蓄热多级利用装置的结构示意图。

图中有：预热装置2-1、蒸发装置2-2、过热装置2-3、第八阀门5-8、第九阀门5-9、第十阀门5-10、第十一阀门5-11、第十二阀门5-12、第十三阀门5-13、第十四阀门5-14、第十五阀门5-15、循环管路6。

图4是热能利用装置的结构示意图。

图中有：多级抽气式蒸汽轮机3-1、发电机3-2、汽轮机一级抽气口3-3、汽轮机二级抽汽口3-4、汽轮机乏汽口3-5、凝汽器3-6、凝结水泵3-7、第十六阀门5-16、第十七阀门5-17、循环管路6。

图5是循环辅助装置的结构示意图。

图中有：储水箱4-1、循环泵4-2、补水泵4-3、除氧器4-4、循环管路6。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

风光互补电解铝装置包括：电解铝装置A；太阳能集热产生蒸汽装置1；蓄热多级利用装置2；热能利用装置3；循环辅助装置4；第一阀门5-1；第二阀门5-2；第三阀门5-3；第四阀门5-4；第五阀门5-5；循环管路6；混合箱7；循环泵8。电解铝装置A由风电、太阳能热发电和网电三者联合提供电源，当风电和太阳能热发电两者联合能够满足负载要求时，电解铝装置的供电全部由它们来提供，当这两者不足时再由网电来补充，以保证电解铝装置的正常运行；电解铝装置中的电解槽用导热介质（如导热油）来冷却，经换热后导热油可以达到很高的温度，这就相当于将电解铝过程中产生的热量以导热油的形式储存了起来(蓄热)，可以对这部分热量进行再利用，从而达到进一步降低能耗的目的。电解铝装置A的出口通过循环管道6与蓄热多级利用装置2的第一入口相接，蓄热多级利用装置2的第一出口通过循环管道6与混合箱7的第一入口相接，蓄热多级利用装置2的第二出口通过循环管路6连接循环泵8并与电解铝装置A的入口相接，混合箱7的出口通过循环管路6与热能利用装置3的入口相接，热能利用装置3的出口通过循环管路6与循环辅助装置4的入口相接，其中热能利用装置3产生的电能直接供应于电解铝装置A，循环辅助装置4的出口分成三路，其中一路通过第一阀门5-1与太阳能集热产生蒸汽装置1的入口相接，另一路通过第二阀门5-2与太阳能集热产生蒸汽装置1的出口相接，还有一路通过第三阀门5-3与蓄热多级利用装置2的第二入口（预热装置）相接，太阳能集热产生蒸汽装置1的出口通过第四阀门5-4与蓄热多级利用装置2的第三入口（过热装置）相接，还通过第五阀门5-5与混合箱7的第二入口相接；太阳能集热产生蒸汽装置1和蓄热多级利用装置2通过第四阀门5-4和第五阀门5-5的调节使得循环工质经混合箱7混合后输出的工质工况符合热能利用装置3的要求；循环辅助装置4是为了系统循环能够顺利的进行。

太阳能集热产生蒸汽装置1包括：太阳能集热装置1-1，可以为槽式太阳能集热装置或塔式太阳能集热装置或碟式太阳能集热装置；预热装置1-2，可以为生物质能加热装置或电加热装置或燃烧加热装置；第六阀门5-6；第七阀门5-7；循环管路6。预热装置1-2的入口为太阳能集热产生蒸汽装置1的入口，预热装置1-2的出口分成两路，其中一路通过第六阀门5-6与太阳能集热装置1-1的入口相接，另一路通过第七阀门5-7与太阳能集热装置1-1的出口相接，太阳能集热装置1-1的出口为太阳能集热产生蒸汽装置1的出口。

蓄热多级利用装置2包括：预热装置2-1；蒸发装置2-2；过热装置2-3；第八阀门5-8；第九阀门5-9；第十阀门5-10；第十一阀门5-11；第十二阀门5-12；第十三阀门5-13；第十四阀门5-14；第十五阀门5-15；循环管路6。蓄热多级利用装置2的第一入口分成两路，其中一路通过第八阀门5-8接预热装置2-1的第一入口，另一路通过第九阀门5-9分别于与蒸发装置2-2和过热装置2-3第一入口相接，并通过第十阀门5-10来调节以达到所需要的工况要求；预热装置2-1的出口通过第十一阀门5-11接蒸发装置2-2的入口，蒸发装置2-2的出口通过第十二阀门5-12与过热装置5-3的入口相接，过热装置5-3的出口分成两路，一路通过第十三阀门5-13与混合箱7的第一入口相连，即蓄热多级利用装置2的出口，另一路通过第十四阀门5-14与分别与预热装置2-1和蒸发装置2-2的第二入口相接，并通过第十五阀门5-15来调节以达到所需要的工况要求。当太阳能充足时，由太阳能集热装置1-1产生的蒸汽直接进入过热装置2-3过热；当没有太阳能或太阳能不足时，由第三阀门5-3进入蓄热多级利用装置2的循环工质分别经预热装置2-1、蒸发装置2-2、过热装置2-3产生过热蒸汽进入混合箱7以满足系统的正常运行，同时产生的部分过热蒸汽经第十四阀门5-14返回预热装置2-1和蒸发装置2-2，以加热和蒸发工质，提高了循环利用率。

热能利用装置3包括：多级抽气式蒸汽轮机3-1；发电机3-2、；汽轮机一级抽气口3-3；汽轮机二级抽汽口3-4；汽轮机乏汽口3-5；凝汽器3-6；凝结水泵3-7；第十六阀门5-16；第十七阀门5-17；循环管路6。多级抽气式蒸汽轮机3-1的入口为热能多级利用装置3的入口，汽轮机一级抽气口3-3通过第十六阀门5-16与汽轮机二级抽汽口3-4相接，并通过第十六阀门5-16、第十七阀门5-17与蓄热多级利用装置2中的第十五阀门5-15相接后同时接于预热装置2-1的第二入口；汽轮机乏汽口3-5的出口接凝汽器3-6的入口，凝汽器3-6的出口与凝结水泵3-7的入口相接，凝结水泵3-7的出口为热能利用装置3的出口；多级抽气式蒸汽轮机3-1通过转轴与发电机3-2连接。进入热能利用装置3的蒸汽经过蒸汽轮机3-1进行发电，并两级抽气来补充提供蓄热多级利用装置2中预热装置2-1运行所需要的热量。

循环辅助装置4包括：储水箱4-1；循环泵4-2；补水泵4-3；除氧器4-4；循环管路6。除氧器4-4的入口为循环辅助装置4的入口，除氧器4-4的出口通过管道6与储水箱4-1第一入口相接，补水泵4-3通过管道6与储水箱4-1的第二入口相接，储水箱4-1的出口通过管道6与循环水泵4-2的入口相接，循环水泵4-2的出口为循环辅助装置4的出口。循环的回水经除氧器4-4处理后进入储水箱4-1并在其中油液分离和储存，补水通过补水泵4-3也进入储水箱4-1，储水箱4-1输出的水循环水泵进行加压。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风光互补电解铝装置，其特征在于，该装置包括：电解铝装置（A）、太阳能集热产生蒸汽装置（1）、蓄热多级利用装置（2）、热能利用装置（3）、循环辅助装置（4）、第一阀门（5-1）、第二阀门（5-2）、第三阀门（5-3）、第四阀门（5-4）、第五阀门（5-5）、循环管路（6）、混合箱（7）、循环泵（8）；

电解铝装置（A）的出口通过循环管路（6）与蓄热多级利用装置（2）的第一入口相接，蓄热多级利用装置（2）的第一出口通过循环管路（6）与混合箱（7）的第一入口相接，蓄热多级利用装置（2）的第二出口通过循环管路（6）连接循环泵（8）并与电解铝装置（A）的入口相接，混合箱（7）的出口通过循环管路（6）与热能利用装置（3）的入口相接，热能利用装置（3）的出口通过循环管路（6）与循环辅助装置（4）的入口相接，其中热能利用装置（3）产生的电能直接供应于电解铝装置（A），

循环辅助装置（4）的出口分成三路，其中一路通过第一阀门（5-1）与太阳能集热产生蒸汽装置（1）的入口相接，另一路通过第二阀门（5-2）与太阳能集热产生蒸汽装置（1）的出口相接，还有一路通过第三阀门（5-3）与蓄热多级利用装置（2）第二入口相接，

太阳能集热产生蒸汽装置（1）的出口通过第四阀门（5-4）与蓄热多级利用装置（2）的第三入口相接，还通过第五阀门（5-5）与混合箱（7）的第二入口相接，

太阳能集热产生蒸汽装置（1）和蓄热多级利用装置（2）通过第四阀门（5-4）和第五阀门（5-5）的调节使得循环工质经混合箱（7）混合后输出的工质工况符合热能利用装置（3）的要求；循环辅助装置（4）用于保证系统循环顺利的进行。

2.根据权利要求1所述的风光互补电解铝装置，其特征在于，太阳能集热产生蒸汽装置（1）包括：

预热装置（1-2），为生物质能加热装置或电加热装置或燃烧加热装置；

太阳能集热装置（1-1），为槽式太阳能集热装置或塔式太阳能集热装置或碟式太阳能集热装置；

第六阀门（5-6）；第七阀门（5-7）；循环管路（6）；

预热装置（1-2）的入口为太阳能集热装置（1）的入口，预热装置（1-2）的出口分成两路，其中一路通过第六阀门（5-6）与太阳能集热装置（1-1）的入口相接，另一路通过第七阀门（5-7）与太阳能集热装置（1-1）的出口相接，太阳能集热装置（1-1）的出口为太阳能集热产生蒸汽装置（1）的出口。

3.根据权利要求1所述的风光互补电解铝装置，其特征在于，蓄热多级利用装置（2）包括：预热装置（2-1）、蒸发装置（2-2）、过热装置（2-3）、第八阀门（5-8）、第九阀门（5-9）、第十阀门（5-10）、第十一阀门（5-11）、第十二阀门（5-12）、第十三阀门（5-13）、第十四阀门（5-14）、第十五阀门（5-15）、循环管路（6）；

蓄热多级利用装置（2）的第一入口分成两路，其中一路通过第八阀门（5-8）接预热装置（2-1）的第一入口，另一路通过第九阀门（5-9）分别与蒸发装置（2-2）和过热装置（2-3）的第一入口相接，并通过第十阀门（5-10）来调节以达到所需要的工况要求；

预热装置（2-1）的出口通过第十一阀门（5-11）接蒸发装置（2-2）的入口，蒸发装置（2-2）的出口通过第十二阀门（5-12）与过热装置（2-3）的入口相接，过热装置（2-3）的出口分成两路，一路通过第十三阀门（5-13）与混合箱（7）的第一入口相连，另一路通过第十四阀门（5-14）与分别与预热装置（2-1）和蒸发装置（2-2）的第二入口相接，并通过第十五阀门（5-15）来调节以达到所需要的工况要求。

4.根据权利要求1所述的风光互补电解铝装置，其特征在于；热能利用装置（3）包括：多级抽气式蒸汽轮机（3-1）、发电机（3-2）、凝汽器（3-6）、凝结水泵（3-7）、第十六阀门（5-16）、第十七阀门（5-17）、循环管路（6）；多级抽气式蒸汽轮机（3-1）包括汽轮机一级抽气口（3-3）、汽轮机二级抽汽口（3-4）、汽轮机乏汽口（3-5）；

多级抽气式蒸汽轮机（3-1）的入口为热能多级利用装置（3）的入口，汽轮机一级抽气口（3-3）通过第十六阀门（5-16）与汽轮机二级抽汽口（3-4）相接，并通过第十六阀门（5-16）、第十七阀门（5-17）与蓄热多级利用装置（2）中的第十五阀门（5-15）相接后同时接于预热装置（2-1）的第二入口；

汽轮机乏汽口（3-5）的出口接凝汽器（3-6）的入口，凝汽器（3-6）的出口与凝结水泵（3-7）的入口相接，凝结水泵（3-7）的出口为热能利用装置（3）的出口；多级抽气式蒸汽轮机（3-1）通过转轴与发电机（3-2）连接；进入热能利用装置（3）的蒸汽经过蒸汽轮机（3-1）进行发电，并两级抽气来补充提供蓄热多级利用装置（2）运行所需要的热量。

5.根据权利要求1所述的风光互补电解铝装置，其特征在于，循环辅助装置（4）包括：储水箱（4-1）、循环泵（4-2）、补水泵（4-3）、除氧器（4-4）、循环管路（6）；

除氧器（4-4）的入口为循环辅助装置（4）的入口，除氧器（4-4）的出口通过循环管路（6）与储水箱（4-1）第一入口相接，补水泵（4-3）通过循环管路（6）与储水箱（4-1）的第二入口相接，储水箱（4-1）的出口通过循环管路（6）与循环水泵（4-2）的入口相接，循环水泵（4-2）的出口为循环辅助装置（4）的出口；

循环的回水经除氧器（4-4）处理后进入储水箱（4-1）并在其中油液分离和储存，补水通过补水泵（4-3）进入储水箱（4-1），储水箱（4-1）输出的水循环水泵进行加压。

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