CN103089558A - 一种太阳能与化石燃料电站互补循环的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能与化石燃料电站互补循环的方法及其装置，属于太阳能热利用领域，采用由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成的联合循环方式，太阳能热力系统采用带储热装置的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，整个太阳能热力系统与化石燃料热力系统的锅炉给水加热系统并联，太阳能换热装置与化石燃料锅炉给水加热装置之间采用串联，且当太阳能辐射较低时，工质先进入储热装置储存，待太阳辐射满足化石燃料热力系统的锅炉连续运行的要求时，再进入换热装置与锅炉给水换热；当太阳能辐射降低到不能满足最低的循环要求时，工质全部保留在太阳能热力系统内，本发明是一种能够提高太阳能的有效利用时间，太阳能光热侧效率更高，能够满足化石燃料机组的安全、可实施运行的太阳能与化石燃料电站互补循环的方法及其装置。

Description

一种太阳能与化石燃料电站互补循环的方法及其装置
技术领域
本发明属于太阳能热利用领域。
背景技术
由于太阳能具有间歇性和不确定性等特点，采用太阳能光热发电技术的电站，通常需要采用与化石燃料联合循环或依靠储热的方式确保光热电站的稳定运行。目前，太阳能与化石燃料联合循环方式通常按如下方式进行：将太阳能光热系统作为整个电站的一级加热设备，当有太阳时，工质先经过将太阳能加热器进行升温，再进入到化石燃料锅炉中继续加热升温，然后进入汽轮机做功发电，当没有太阳时，则切掉太阳能全部采用化石燃料发电，这种联合循环方式通常称之为互补发电方式。在太阳能与化石燃料电站的实际运行中，存在太阳能光热侧效率不高的问题，而且，通常会由于太阳每天日照时间有限性、日照强度不稳定性和不可控性等原因导致联合循环系统中的化石燃料电站锅炉等设备因为应对太阳能光热系统较大的波动起伏，而系统调节频繁，存在安全性等问题。
常规的互补循环方式如图1所示。常规互补方案中为了保证化石燃料机组的快速调节性，通常与燃油或燃气电站互补运行，由于太阳能的波动性和不可控制性，使这种设计方案在实际项目中难具有可操作性；由于化石燃料机组对补入的太阳能功率有一定的限制，当太阳能辐射较低补入化石燃料机组的功率不能满足最低要求，使太阳能侧不能被利用，当太阳辐射能超过最高补入功率时，此时这些太阳能就被浪费了。同时在运行中，常规的太阳能热力系统从完全冷却到恢复运行，为避免厚壁热力装置的热应力过大，其加热速度缓慢，使得太阳能热力系统启动时间增加，降低了有效利用时间，不利于提高太阳能利用效率。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种能够提高太阳能的有效利用时间，太阳能光热侧效率更高，能够满足化石燃料机组的安全、可实施运行的太阳能与化石燃料电站互补循环的方法及其装置。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，采用由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成的联合循环方式，所述太阳能热力系统采用带储热装置的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，该进行换热的换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联，且：
当太阳能辐射较低，所述太阳能热力系统补入所述化石燃料热力系统的功率不能满足最低要求时，所述太阳能热力系统内的全部热工质先进入所述储热装置储存，待太阳能辐射满足要求时，所述热工质再进入所述换热装置与所述化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射较高，所述太阳能热力系统补入所述化石燃料热力系统的功率能满足最低要求时，所述太阳能热力系统内的全部工质经所述储热装置缓冲后进入所述换热装置与所述化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射太高，所述太阳能热力系统补入所述化石燃料热力系统的功率超过最高要求时，所述太阳能热力系统内的部分工质由所述储热装置截留储存，其余工质经所述储热装置进入所述换热装置与所述化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，所述太阳能热力系统所有设备停运备用，且在此备用期间，所述工质全部保留在所述太阳能热力系统内，直至太阳能辐射满足最低循环要求后所述太阳能热力系统重新启动。
作为优选方式，所述储热装置采用蒸汽储热方式。
作为优选方式，当太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，所述工质全部保留并注满在所述太阳能热力系统的厚壁热力设备内。
作为优选方式，在太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求之前，所述储热装置开始截留部分工质，使得太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，所述太阳能热力系统的厚壁热力设备内已注满工质。
作为优选方式，所述太阳能热力系统重新启动前，对其中太阳能吸热器受热面进行干烧预热。
一种太阳能与化石燃料电站互补循环装置，由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成，所述太阳能热力系统采用带储热装置及其储热调节控制装置的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，该进行换热的换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联。
作为优选方式，所述太阳能热力系统包括太阳能吸热器、储热装置和换热装置，其内工质沿太阳能吸热器、储热装置和换热装置方向构成闭式循环，所述储热调节控制装置为设于所述储热装置与所述太阳能吸热器、换热装置之间的储热装置自动调节阀，所述换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水换热。
作为优选方式，所述太阳能热力系统还包括为所述太阳能吸热器提供太阳能辐射的太阳能聚光镜场，所述太阳能吸热器和换热装置之间还设有太阳能闭式循环水箱，其通过太阳能吸热器给水泵与所述太阳能吸热器连通。
作为优选方式，所述太阳能热力系统还包括日用水箱和太阳能除氧器，所述日用水箱经所述太阳能除氧器，由闭式循环补水泵与所述太阳能闭式循环水箱连通。
作为优选方式，所述储热装置为蒸汽蓄热器。
本申请采用的太阳能与化石燃料电站的联合循环方式通过对太阳能热力系统的结构和运行方式进行改进，考虑到化石燃料锅炉、汽机对太阳能光热参数的要求和其自身调节特性等因素的影响，采用了前述技术方案：
为了尽量不对原有的化石燃料电站产生影响而又有效利用收集到的太阳能，整个太阳能热力系统与化石燃料热力系统的锅炉给水加热系统并联，太阳能热力系统换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联结构设计，在利用太阳能加热锅炉给水时，锅炉原有加热装置仅作为锅炉给水通路，在利用化石燃料加热锅炉给水时，太阳能换热器仅作为锅炉给水通路，这样就避免了两种加热方式在切换运行时对设备产生热冲击而造成损害的危险，并将太阳能热力系统设计为闭式循环，当晚上没有太阳辐射时，并不将太阳能热力系统热力设备内的工质排空，而是将其保持在热力设备中，到下一次启动时可以根据参数情况开始热态或极热态启动。在一年中的大多数天中，太阳能热力系统由于具有良好的保温能力，都具备热态启动条件，这样可以大大提高太阳能热力系统的有效运行时间。同时，采用带储热装置的太阳能热力系统，在太阳能热力系统负荷较低时，太阳能热力系统产生出的高温工质先进入到储热装置中备用，太阳能热力系统的负荷升到较高时送入到化石燃料热力系统中，此时储热装置则对太阳能产生的波动参数工质起着缓冲作用，太阳能热力系统可以为化石燃料机组输出稳定的高温工质，避免了化石燃料机组的频繁调节，也保证了其安全和可实施的运行。当太阳辐射降低到不能满足太阳能吸热器最低负荷要求乃至晚上完全没有辐射时，太阳能热力系统停止向化石燃料机组供高温工质，太阳能热力系统所有设备停运备用。在此备用期间，将太阳能热力系统的厚壁热力设备充满高温工质，利用其良好的保温可以在下次启动中显著缩短启动时间，这样可以大大提高太阳能侧的有效利用时间。同时，为了减少启动时对不能保温的受热面所产生的热冲击，启动前通过对吸热器受热面进行“干烧”预热，由于受热面内无工质，受热面管壁较薄，可在很短时间内达到所需温度有不会对其寿命产生额外损耗。
本发明的有益效果：本发明将太阳能这一清洁能源和利用化石能源作为燃料的电站有机结合，在太阳能热力系统设计、运行和与化石燃料热力系统结构设计和运行方式上进行创新，一方面通过对太阳能热力系统运行方式的创新，能够提高太阳能的有效利用时间；另一方面通过对接入化石燃料电站的太阳能热力系统运行方式的创新，能够满足化石燃料机组的安全、可实施运行；采用这种可实施的技术方案，具有如下有益效果：可以有效降低化石燃料的消耗量，可以代替光热电站的庞大储热系统，降低电站投资和运行维护难度，避免太阳能和化石燃料加热锅炉给水两种方式切换运行对装置的热冲击，与化石燃料电站公用发电机组等设施可以有效降低光热利用成本。
1、解决太阳能光热发电技术中由于太阳能的间歇性、不可控性对化石燃料电站锅炉、汽轮机等主设备安全性的影响；
2、解决太阳能光热发电技术中采用熔盐等储能方式所导致的运行、维护方面存在的问题，直接采用蒸汽储热方式，在有太阳时将太阳能作为化石燃料电站的补充，没有太阳时采用化石燃料发电，相当于利用化石燃料储能；
3、解决太阳能光热与化石燃料电站运行时的切换对设备造成热冲击等问题；
4、解决纯太阳能光热电站在没有太阳时的运行维护和电网调度问题；
5、解决太阳能光热有效利用时间短的问题；
6、解决化石燃料机组因为太阳辐射能的变化而频繁调节的问题。
附图说明
图1是现有技术的装置流程示意图；
图2是本发明实施例的装置流程示意图；
其中化石燃料锅炉1、蒸汽轮机2、发电机3、太阳能除氧器4、日用水箱5、太阳能聚光镜场6、太阳能吸热器7、太阳能闭式循环水箱8、蒸汽蓄热器9、太阳能换热器10、太阳能吸热器给水泵11、闭式循环补水泵12、蒸汽蓄热器自动调节阀13、燃气轮机21、汽轮机22、膨胀罐23、蒸发器24、除氧器25、低加26、凝汽器27。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
如图2所示，一种太阳能与化石燃料电站互补循环装置，由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成，整个太阳能热力系统与化石燃料热力系统的锅炉给水加热系统并联，太阳能热力系统采用带储热装置（优选蒸汽蓄热器9）及其储热调节控制装置的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，该进行换热的换热装置（优选太阳能换热器10）与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联。整个系统主要化石燃料锅炉1、蒸汽轮机2、发电机3、太阳能除氧器4、日用水箱5、太阳能聚光镜场6（包含槽式或塔式太阳能聚光器）、太阳能吸热器7、太阳能闭式循环水箱8、蒸汽蓄热器9、太阳能换热器10、太阳能吸热器给水泵11、闭式循环补水泵12、蒸汽蓄热器自动调节阀13等几个关键的设备组成。太阳能热力系统包括太阳能吸热器7、储热装置（蒸汽蓄热器9）、换热装置（太阳能换热器10）、日用水箱5和太阳能除氧器4，以及为太阳能吸热器7提供太阳能辐射的太阳能聚光镜场6，太阳能吸热器7和太阳能换热器10之间还设有太阳能闭式循环水箱8，其通过太阳能吸热器给水泵11与太阳能吸热器7连通。日用水箱5经太阳能除氧器4，由闭式循环补水泵12与太阳能闭式循环水箱8连通。太阳能热力系统内工质沿太阳能吸热器7、蒸汽蓄热器9和太阳能换热器10方向构成闭式循环，储热调节控制装置为设于蒸汽蓄热器9与太阳能吸热器7、太阳能换热器10之间的蒸汽蓄热器自动调节阀13，太阳能换热器10与化石燃料热力系统的锅炉给水换热。如图2所示，代替化石燃料机组原有的给水加热器，同时根据太阳辐射能强度和系统运行要求，可以替代一台或多台给水加热器，实现对进入化石燃料机组的太阳能热力系统功率的梯级调节。
太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，采用由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成的联合循环方式，太阳能热力系统采用带蒸汽蓄热器9的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，该进行换热的太阳能换热器10与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联。首先通过太阳能聚光镜场6将低密度的太阳辐射能收集，汇聚成高密度的辐射能，由太阳能吸热器7将高密度太阳辐射能转换为太阳能工质的热能，当太阳能辐射较低太阳能热力系统补入化石燃料热力系统的功率不能满足最低要求时，太阳能热力系统内的全部工质先进入蒸汽蓄热器9储存，待太阳能辐射满足要求时，工质再进入太阳能换热器10与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，释放热量后的太阳能侧工质回到太阳能闭式循环水箱8中由太阳能给水泵11将工质送到太阳能吸热器7中继续吸收太阳辐射能，太阳能侧闭式循环系统工质由于排污或蒸发等原因减少时，储存在日用水箱5中的软水经化学除氧水箱4、补水泵12进入到闭式循环水箱8中进行补水。
当太阳能辐射较高太阳能热力系统补入化石燃料热力系统的功率能满足最低要求时，太阳能热力系统内的全部工质经蒸汽蓄热器9缓冲后进入太阳能换热器10与化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射太高太阳能热力系统补入化石燃料热力系统的功率超过最高要求时，太阳能热力系统内的部分工质由蒸汽蓄热器9截留储存，其余工质经蒸汽蓄热器9进入太阳能换热器10与化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射降低到太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，太阳能热力系统所有设备停运备用，且在此备用期间，工质全部保留在太阳能热力系统内，优选工质全部保留并注满在太阳能热力系统的厚壁热力设备内，即太阳能吸热器7的汽包、太阳能闭式循环水箱8、蒸汽蓄热器9等设备中，直至太阳能辐射满足最低循环要求后太阳能热力系统重新启动。具体操作为，在太阳能辐射降低到太阳能热力系统不能满足最低的循环要求之前，储热装置开始截留部分工质，使得太阳能辐射降低到太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，太阳能热力系统的厚壁热力设备内已注满工质。同时，为了减少启动时对不能保温的受热面所产生的热冲击，启动前通过对太阳能吸热器7的受热面进行“干烧”预热，由于受热面内无工质（工质充满汽包），受热面管壁较薄，可在很短时间内达到所需温度有不会对其寿命产生额外损耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，采用由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成的联合循环方式，其特征在于：所述太阳能热力系统采用带储热装置的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，该进行换热的换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联，且：
当太阳能辐射较低，所述太阳能热力系统补入所述化石燃料热力系统的功率不能满足最低要求时，所述太阳能热力系统内的全部热工质先进入所述储热装置储存，待太阳能辐射满足要求时，所述热工质再进入所述换热装置与所述化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射较高，所述太阳能热力系统补入所述化石燃料热力系统的功率能满足最低要求时，所述太阳能热力系统内的全部工质经所述储热装置缓冲后进入所述换热装置与所述化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射太高，所述太阳能热力系统补入所述化石燃料热力系统的功率超过最高要求时，所述太阳能热力系统内的部分工质由所述储热装置截留储存，其余工质经所述储热装置进入所述换热装置与所述化石燃料热力系统的锅炉给水换热；
当太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，所述太阳能热力系统所有设备停运备用，且在此备用期间，所述工质全部保留在所述太阳能热力系统内，直至太阳能辐射满足最低循环要求后所述太阳能热力系统重新启动。
2.如权利要求1所述的太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，其特征在于：所述储热装置采用蒸汽储热方式。
3.如权利要求1或2所述的太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，其特征在于：当太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，所述工质全部保留并注满在所述太阳能热力系统的厚壁热力设备内。
4.如权利要求3所述的太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，其特征在于：在太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求之前，所述储热装置开始截留部分工质，使得太阳能辐射降低到所述太阳能热力系统不能满足最低的循环要求时，所述太阳能热力系统的厚壁热力设备内已注满工质。
5.如权利要求3所述的太阳能与化石燃料电站互补循环的方法，其特征在于：所述太阳能热力系统重新启动前，对其中太阳能吸热器受热面进行干烧预热。
6.一种太阳能与化石燃料电站互补循环装置，由化石燃料热力系统和太阳能热力系统组成，其特征在于：所述太阳能热力系统采用带储热装置及其储热调节控制装置的闭式循环，并与化石燃料热力系统的锅炉给水换热，该进行换热的换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水加热装置串联。
7.如权利要求6所述的太阳能与化石燃料电站互补循环装置，其特征在于：所述太阳能热力系统包括太阳能吸热器、储热装置和换热装置，其内工质沿太阳能吸热器、储热装置和换热装置方向构成闭式循环，所述储热调节控制装置为设于所述储热装置与所述太阳能吸热器、换热装置之间的储热装置自动调节阀，所述换热装置与化石燃料热力系统的锅炉给水换热。
8.如权利要求7所述的太阳能与化石燃料电站互补循环装置，其特征在于：所述太阳能热力系统还包括为所述太阳能吸热器提供太阳能辐射的太阳能聚光镜场，所述太阳能吸热器和换热装置之间还设有太阳能闭式循环水箱，其通过太阳能吸热器给水泵与所述太阳能吸热器连通。
9.如权利要求8所述的太阳能与化石燃料电站互补循环装置，其特征在于：所述太阳能热力系统还包括日用水箱和太阳能除氧器，所述日用水箱经所述太阳能除氧器，由闭式循环补水泵与所述太阳能闭式循环水箱连通。
10.如权利要求6至9中任一权利要求中所述的太阳能与化石燃料电站互补循环装置，其特征在于：所述储热装置为蒸汽蓄热器。
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