CN102980169A - 一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，主要包括如下基本部件：定日镜、太阳能汽包、吸热器、蓄热器、低限负荷锅炉、汽轮机、发电机、冷凝器、凝结水泵、除氧器、给水泵等；而低限负荷锅炉主要包括了燃烧器、水冷壁、辅助汽包、过热器、空预器、省煤器等。本发明降低太阳能高温热发电的技术难度，并提升系统的可靠性及利用率，便于太阳能热发电技术的应用推广。

Description

一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，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。由于太阳能塔式聚焦热发电具有高参数、大容量等优点而受到各国的关注。太阳能热发电的介质有多种：水、熔盐、空气、液态金属、有机工质等，由于熔盐具有热容高、液相温度范围宽、流动性好、蓄热特性强等特点，用其作为载热介质的研究受到各国学者的重视。但熔盐系统也具有管路复杂、凝固点很高特点，因此熔盐系统对管路预热、设备保温、运行维护等要求严格，这在一定程度上限制了太阳能熔盐系统的发展。以水为吸热介质的热力系统具有工质廉价、传热效果好、使用安全等显著优点，但由于水蒸汽的传热性能相对较低，因此用它作为吸热介质也可能会导致吸热器超温等安全问题的发生；同时由于水蒸汽蓄热能力差，这个因素也限制了以水为吸热介质的太阳能高温热利用技术发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，以降低太阳能高温热发电的技术难度，并提升系统的可靠性及利用率，便于太阳能热发电技术的应用推广。

本发明的技术解决方案是：一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，该热力系统包括定日镜、太阳能汽包、吸热器、蓄热器、低限负荷锅炉、汽轮机、发电机、冷凝器、凝结水泵、除氧器、给水泵；所述的低限负荷锅炉包括了燃烧器、水冷壁、辅助汽包、过热器、空预器、省煤器，其中：

定日镜反射太阳光至吸热器，被吸热器吸收后产生蒸汽，并汇集在吸热器上部的太阳能汽包中；从太阳能汽包出来的饱和蒸汽被引至蓄热器，汇集到蓄热器的另一路饱和蒸汽来源于低限负荷锅炉，从除氧器过来的锅炉给水，进入到辅助汽包，在水冷壁中产生蒸汽，并汇集在辅助汽包的上部，然后引至蓄热器；

从蓄热器出来的饱和蒸汽在过热器中吸热、升温，产生的过热蒸汽被引入到汽轮机膨胀做功，带动发电机产生电能，从汽轮机出来的低参数蒸汽在冷凝器中被冷却凝结，凝结水经凝结水泵输送到省煤器，省煤器对凝结水进行适当预热，并可以降低低限负荷锅炉的排烟温度，提升其热效率，空预器能够对进入低限负荷锅炉的空气进行预热，高温的空气有助于燃烧过程的控制及稳定；空预器同样起到烟气余热回收的用途，提升低限负荷锅炉的热效率，凝结水从省煤器出来后进入到除氧器，经除氧后的水被给水泵输送到太阳能汽包及辅助汽包中，完成工质的一次循环过程。

其中，通常情况下，太阳能热力系统产生的蒸发量占总蒸发量的比例较高，大于70%，而低限负荷锅炉产生的蒸发量较少，小于30%；根据发电系统的设计目标、汽轮发电系统的变工况运行特性等因素，上述的比例会有所不同。

本发明的原理在于：

在太阳能吸热塔的顶部构建以水为工质的吸热装置，该装置主要包括了太阳能吸热器及相关配套设备；对于采用自然循环的系统，该装置还包括了汽包等热力设备。在本发明中，除上述太阳能热力装置外，还包括了低限负荷锅炉等热力设备：低限负荷锅炉能够产生一定容量的蒸发量（约15%-30%，该比例会根据不同的设计方案而有所不同），并在低限负荷锅炉中对全部饱和蒸汽完成过热过程，同时为了提高低限负荷锅炉的热效率，在低限负荷锅炉的尾部烟道布置有空预器、省煤器等热回收装置。

本发明的太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，主要包括如下基本部件：定日镜、太阳能汽包、吸热器、蓄热器、低限负荷锅炉、汽轮机、发电机、冷凝器、凝结水泵、除氧器、给水泵等；而低限负荷锅炉主要包括了燃烧器、水冷壁、辅助汽包、过热器、空预器、省煤器等。

定日镜通过二维控制方式跟踪太阳位置，把太阳光反射到吸热器上，被吸热器吸收，产生高参数的饱和蒸汽。饱和蒸汽在太阳能汽包的顶部汇集，然后被引导至蓄热器。通常情况下，为了尽量多地利用太阳能，该部分的蒸发量能达到系统总蒸发量的70%以上。同时低限负荷锅炉通过水冷壁产生同级参数的饱和蒸汽（根据汽轮机的工作特性，该部分饱和蒸汽最少可占到总蒸发量的15%-30%），然后与来自太阳能汽包的饱和蒸汽相混合，进入蓄热器。蓄热器出来的饱和蒸汽进入到过热器，产生的过热蒸汽被引到汽轮机，蒸汽经历膨胀做功的过程，带动发电机发电；从汽轮机排出的低参数蒸汽进入冷凝器变成凝结水。凝结水从凝结水泵出来后进入到低限负荷锅炉的尾部受热面省煤器，对凝结水进行适度预热后进入除氧器，除氧后的水经给水泵升压后分别送到太阳能汽包和辅助汽包中，完成水工质的一次循环。根据低限负荷锅炉的工作特性，还可以在尾部烟道内设置空预器。

正常工作的蓄热器中储存有高参数的饱和水（和系统的正常工作压力一致），该装置可以在镜场上空有云量的条件下，继续产生一定量的饱和蒸汽，使最终送往汽轮机的蒸汽参数变化幅度变小，从而有利于整个热力发电系统的工作。但蓄热器内的饱和水蓄热能力是有限的，在阴雨天或夜晚等长时间无太阳辐射的条件下，蓄热器难以满足热力系统连续运行的要求。这时，系统依靠低限负荷锅炉产生的蒸汽量能够保持整个热力系统的正常运行。

本系统具有如下显著特点：

（1）本发明将太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉进行了有机组合，在阴雨天或夜晚等无太阳辐射的条件下，低限负荷锅炉可以保持汽轮发电系统的正常运转，从而可以避免热力发电系统因频繁启停而带来的寿命及经济性损失。由于汽轮机等热力设备具有很大的热惯性，因此每次启停过程都要占用大量的时间，这在一定程度上减少了太阳能系统的有效利用时间；同时频繁的启停也会造成热力设备寿命的损失，也会降低上述设备的可靠性及安全性；因此低限负荷锅炉可以有效提高系统的利用效率，延长设备的使用寿命，提高系统的安全性。

（2）本系统在有太阳辐射的白天，工作模式为太阳能与低限负荷锅炉并联的方式，并且太阳能系统产生的蒸发量占绝大部分；而在夜晚或阴雨天，低限负荷锅炉工作，提供热力发电系统正常运转需要的能量，产生的发电量约为正常工作模式的15-30%，这种负荷变化规律与电网的需求一致，能起到较好的调峰效果。

（3）在本发明中，无论是太阳能水质吸热装置、还是低限负荷锅炉，比以熔盐为工质的太阳能热利用系统更为简单、实用；同时也省去了熔盐系统在运行维护时所必须消耗的大量能源（如熔盐系统启动前的电预热、保温等），因此大大降低了太阳能热发电系统的初投资；同时也降低了系统的运营成本。因此该技术更有利于太阳能热发电技术的应用推广。

附图说明

图1为本发明的组成结构图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明包括定日镜1、太阳能汽包2、吸热器3、蓄热器4、低限负荷锅炉5、汽轮机6、发电机7、冷凝器8、凝结水泵9、除氧器10、给水泵11等；而低限负荷锅炉5主要包括了燃烧器51、水冷壁52、辅助汽包53、过热器54、空预器55、省煤器56等。

本发明的正常工作流程包括如下：

定日镜1反射太阳光至吸热器3，被吸热器3吸收后产生蒸汽，并汇集在吸热器3上部的太阳能汽包2中。从太阳能汽包2出来的饱和蒸汽被引至蓄热器4。汇集到蓄热器4的另一路饱和蒸汽来源于低限负荷锅炉5：从除氧器10过来的锅炉给水，进入到辅助汽包53，在水冷壁52中产生蒸汽，并汇集在辅助汽包53的上部，然后引至蓄热器4。通常情况下，太阳能热力系统产生的蒸发量占总蒸发量的比例较高（大于70%），而低限负荷锅炉产生的蒸发量较少（小于30%）；根据发电系统的设计目标、汽轮发电系统的变工况运行特性等因素，上述的比例会有所不同。

从蓄热器4出来的饱和蒸汽在过热器54中吸热、升温，产生的过热蒸汽被引入到汽轮机6膨胀做功，带动发电机7产生电能。从汽轮机6出来的低参数蒸汽在冷凝器8中被冷却凝结，凝结水经凝结水泵9输送到省煤器56，省煤器对凝结水进行适当预热，并可以降低低限负荷锅炉5的排烟温度，提升其热效率。空预器55能够对进入低限负荷锅炉5的空气进行预热，高温的空气有助于燃烧过程的控制及稳定；空预器55同样起到烟气余热回收的用途，提升低限负荷锅炉5的热效率。凝结水从省煤器56出来后进入到除氧器10，经除氧后的水被给水泵11输送到太阳能汽包2及辅助汽包53中，完成工质的一次循环过程。

蓄热器4中储存有较高参数的饱和水，在太阳辐射变化时（比如天空的云量增加时），饱和水通过压力变化释放其中的显热，产生额外的蒸发量，从而减缓系统参数（压力、温度、流量等）变化的速率，使整个热力系统的工作更稳定、电力输出更平稳。在阴雨天或夜晚无太阳辐射的条件下，系统的蓄热容量难以满足热力系统连续运行的要求，低限负荷锅炉5能够持续产生一定的蒸发量，使热力发电系统能够维持在低负荷运行状态，这样可以大大减少热力系统的启停次数，延长热力发电设备的使用寿命，提升系统的利用率，并减少机组负荷对电网的冲击。

太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，可以在云量变化、夜晚、阴雨天等天气变化的条件下，保持热力系统的正常运转，避免热力发电系统因频繁启停而带来的寿命及经济性损失，由此可以提高设备的利用率及可靠性、提升输出电能的质量。与太阳能熔盐吸热系统相比，该系统还具有技术难度相对较低、风险小、投资省等显著优点，在国家相关产业政策的支持下，应用前景光明。

Claims (2)

1.一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，其特征在于：该热力系统包括定日镜（1）、太阳能汽包（2）、吸热器（3）、蓄热器（4）、低限负荷锅炉（5）、汽轮机（6）、发电机（7）、冷凝器（8）、凝结水泵（9）、除氧器（10）、给水泵（11）；所述的低限负荷锅炉（5）包括了燃烧器（51）、水冷壁（52）、辅助汽包（53）、过热器（54）、空预器（55）、省煤器（56），其中：

定日镜（1）反射太阳光至吸热器（3），被吸热器（3）吸收后产生蒸汽，并汇集在吸热器（3）上部的太阳能汽包（2）中；从太阳能汽包（2）出来的饱和蒸汽被引至蓄热器（4），汇集到蓄热器（4）的另一路饱和蒸汽来源于低限负荷锅炉（5），从除氧器（10）过来的锅炉给水，进入到辅助汽包（53），在水冷壁（52）中产生蒸汽，并汇集在辅助汽包（53）的上部，然后引至蓄热器（4）；

从蓄热器（4）出来的饱和蒸汽在过热器（54）中吸热、升温，产生的过热蒸汽被引入到汽轮机（6）膨胀做功，带动发电机（7）产生电能，从汽轮机（6）出来的低参数蒸汽在冷凝器（8）中被冷却凝结，凝结水经凝结水泵（9）输送到省煤器（56），省煤器对凝结水进行适当预热，并可以降低低限负荷锅炉（5）的排烟温度，提升其热效率，空预器（55）能够对进入低限负荷锅炉（5）的空气进行预热，高温的空气有助于燃烧过程的控制及稳定；空预器（55）同样起到烟气余热回收的用途，提升低限负荷锅炉（5）的热效率，凝结水从省煤器（56）出来后进入到除氧器（10），经除氧后的水被给水泵（11）输送到太阳能汽包（2）及辅助汽包（53）中，完成工质的一次循环过程。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能水质吸热装置与低限负荷锅炉复合的热力系统，其特征在于：通常情况下，太阳能热力系统产生的蒸发量占总蒸发量的比例较高，大于70%，而低限负荷锅炉产生的蒸发量较少，小于30%；根据发电系统的设计目标、汽轮发电系统的变工况运行特性等因素，上述的比例会有所不同。

Images