CN103292485A - 用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，包括熔盐储热系统、熔盐换热系统，所述熔盐储热系统包括低温储罐和高温储罐，在低温储罐的底部管道上设有用于调节进入太阳能加热器熔盐流量的低温熔盐泵，在高温储罐的底部设有用于调节进入换热系统熔盐流量的高温熔盐泵；低温熔盐泵和高温熔盐泵均采用罐底卧式安装，且其安装位置低于地平面；熔盐换热系统的设备采用蛇形换热管结构。本发明避免了采用高成本的长轴液下泵；在经济上节约了较大成本，减小了热应力限制，加快了启动速度，更适合于太阳能热发电站机组的频繁启停和变负荷运行需求；蒸汽发生设备采用外置汽包结构，携带水份要少，蒸汽品质更高。

Description

用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，适用于塔式太阳能热发电，属于太阳能热发电技术领域。
 
背景技术
采用熔盐作为传热和储热工质的太阳能热发电系统作为大规模开发利用太阳能的一项重要技术，由于其运行温度高、效率高、成本较低而越来越受到各国的关注。对于太阳能热发电系统来说，早期的技术一般采用导热油、水蒸汽或空气等作为传热工质，但水蒸汽和空气在高温下存在传热系数低，系统压力高，导热油最高使用温度受到限制等缺点，这很大程度上降低了系统的可靠性，提高了系统的投资。同时，对于太阳能利用来说，由于太阳辐射的波动性和间歇性，使其存在着不可控及不连续的技术缺陷，为克服这一缺陷，对于低成本大规模储热技术的研发也日益重要。
目前，国内外太阳能热发电站采用的储热介质主要包括有熔盐、导热油、水蒸汽、混凝土等几种。其中，对熔盐而言，由于其自身具备以下优势：①、熔盐侧基本属于无压运行、部件壁厚较薄；②、无相变，热容大，承受较高热流密度；③、工质参数较高，提高电站效率；④、系统传热、储热可共用同一工质，简化系统等；因此，使其在太阳能热发电领域得到了广泛的应用。
对于熔盐储热及换热系统，目前多采用的是双罐式储热，储罐顶部布置有长轴液下泵，换热系统横跨于储罐间的高空钢结构平台上，蒸发器为“釜式U型管-管板”结构等。单就系统本身而言，技术已十分成熟，且积累了丰富的操作经验，但是仍存在部分问题，比如随着储热时间的延长，储罐体积必然增大，在满足其合理设计的前提下，储罐深度会随之增加，如此泵的加工制造难度增大，其单价必然大幅上升，如所需数量愈多，初始投资愈大；其次，换热设备采用较厚的管板结构，受热应力限制较大，无法较好地适应太阳能电站的频繁启停和负荷变化要求。
 
发明内容
本发明的目的在于：提供一种用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，解决现有熔盐储热及换热系统制造成本高，受热应力限制大，无法较好地适应太阳能发电站使用上要求的技术问题，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：一种用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，包括熔盐储热系统、熔盐换热系统、熔盐排放回收系统，以及与熔盐储热系统相连的太阳能加热器，所述熔盐储热系统采用双罐式布置结构，其包括用于储存低温熔盐的低温储罐和用于储存高温熔盐的高温储罐，在低温储罐的底部管道上设有用于调节进入太阳能加热器熔盐流量的低温熔盐泵，在高温储罐的底部设有用于调节进入换热系统熔盐流量的高温熔盐泵；低温熔盐泵和高温熔盐泵均采用罐底卧式安装，且其安装位置低于地平面；熔盐换热系统的设备采用蛇形换热管结构，熔盐换热系统内的蒸汽发生设备采用外置汽包的结构型式。
作为优选，低温储罐的底部通过低温熔盐输送管道接入太阳能加热器，太阳能加热器将升温后的高温熔盐经高温熔盐输送管道后送入高温储罐内的熔盐分配集箱；高温储罐熔盐经高温熔盐泵后分别送入再热器和过热器，过热器依次与蒸汽发生设备和预热器相连后再与再热器的出口汇合，汇合后通过换热器出口连接管道接入低温储罐。
作为优选，所述过热器、蒸汽发生设备和预热器三者串联，与再热器并联。
作为优选，蒸汽发生设备包括汽包、蒸发器、汽水上升管道和分离水下降管道，所述蒸发器通过汽水上升管道与汽包相连，汽包中设有二级汽从分离装置。
作为优选，熔盐排放回收系统的底部设置有排放罐，排放罐置于地平面以下，预热器、蒸汽发生设备和过热器均通过排放连接管道与排放罐相连。
作为优选，排放罐中上部设置有熔盐液下泵，熔盐液下泵经回收管道和换热系统出口连接管道后接入低温熔盐储罐。
作为优选，在低温储罐和高温储罐上设有安全阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，整体结构优化，具备以下优点：
1.熔盐泵采用罐底卧式安装，避免了采用高成本的长轴液下泵；
2.熔盐换热系统就地布置，避免了支撑钢架及平台的搭建，既在经济上节约了较大成本，又便于系统的安装、运行和维护，具有较大的实用意义和推广价值；
3.以“蛇形管结构”换热器取代现有的“U型管-管板结构”换热器，减小了热应力限制，加快了启动速度，更适合于太阳能热发电站机组的频繁启停和变负荷运行需求；
4.蒸汽发生设备采用外置汽包结构，较釜式结构携带水份要少，蒸汽品质更高。
 
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明图1中蒸汽发生设备的结构示意图；
图3是图2的侧面结构示意图。
图中：低温储罐-1，  高温储罐-2，  预热器-3，  蒸汽发生设备-4，  过热器-5，  再热器-6，  排放罐-7，  低温熔盐泵-8，  高温熔盐泵-9，  电加热器-10，  熔盐分配集箱-11，   熔盐液下泵-12，   低温熔盐输送管道-13，  高温熔盐输送管道-14，  熔盐连接管道-15，   换热器出口连接管道-16，  排放连接管道-17，   回收管道-18，  充氮管道-19，      安全阀-20，   汽包-41，   蒸发器-42，   汽水上升管道-43，  分离水下降管道-44。
 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
实施例1 
如图1、图2和图3所示，一种用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，包括熔盐储热系统、熔盐换热系统和熔盐排放回收系统，以及与熔盐储热系统和熔盐换热系统相连的太阳能加热器，具体结构如下：
所述熔盐储热系统采用双罐式布置结构，其包括用于储存低温熔盐的低温储罐1和用于储存高温熔盐的高温储罐2，低温储罐1用于储存系统启动初期或运行期间经换热系统放热后的低温熔盐，高温储罐2用于储存经太阳能加热器加热升温后的高温熔盐；由于熔盐具有吸湿性，为防止熔盐吸附空气中水分，在低温储罐1和高温储罐2上设有与排放罐7相连接的充氮管道19，用以隔绝空气。此外，在低温储罐1和高温储罐2上还设有安全阀20，所述安全阀20及相关配套仪器仪表等能够对整个储罐起到安全控制的作用。在低温储罐1的底部上设有用于调节进入太阳能加热器熔盐流量的低温熔盐泵8，在高温储罐2的底部设有用于调节进入换热系统熔盐流量的高温熔盐泵9；低温熔盐泵8和高温熔盐泵9均采用罐底卧式安装，熔盐泵采用罐底卧式安装而非罐顶立式安装方式，避免了采用高成本的长轴液下泵，其次，熔盐换热系统的安装采用就地布置，即布置于水平地面上，避免了支撑钢架及平台的搭建，在节约成本的同时更便于系统的安装，运行及维护等，熔盐泵的安装位置低于水平面高度，主要目的是为了使泵的入口压力大于泵的必需汽蚀余量（NPSHr）避免其发生汽蚀，从而保证泵的正常工作，其次也可以降低储罐中的最低安全工作液位，使熔盐得到最大化利用，熔盐泵的具体安装高度根据泵的选型来确定。另外，对于大型熔盐储罐，通常设计为常压或微正压运行。
熔盐换热系统的设备采用蛇形换热管结构，相对U型管-管板结构来说，由于取消了厚度较大的管板，所受热应力限制较小，启动速度更快，更适合于太阳能热发电站机组的频繁启停和变负荷运行需求。
低温储罐1的底部通过低温熔盐输送管道13接入太阳能加热器，太阳能加热器将升温后的高温熔盐经高温熔盐输送管道14后接入高温储罐2内的熔盐分配集箱11；高温储罐2的熔盐经高温熔盐泵9后分别送入再热器6和过热器5，过热器5后方依次接入蒸汽发生设备4和预热器3后再与再热器6的出口汇合，汇合后通过换热器出口连接管道16接入低温储罐1。其中所述蒸汽发生设备4采用外置汽包结构；蒸汽发生设备4包括汽包41、蒸发器42、汽水上升管道43和分离水下降管道44，所述蒸发器42通过汽水上升管道43与汽包41相连，汽包41中设有二级汽从分离装置，其产生的饱和蒸汽较釜式蒸发器携带水分要少，品质更高；所述过热器5、蒸汽发生设备4和预热器3三者串联后，与再热器6并联。在熔盐换热系统中，熔盐与水/蒸汽进行逆流换热，将水/蒸汽加热成高参数的过热蒸汽。
在低温储罐1和高温储罐2的底部设有能对其加热的电加热器10。
熔盐排放回收系统主要用于系统事故时的熔盐排放及停运时管道系统内的熔盐回收。熔盐排放回收系统的底部设置有排放罐7，排放罐7置于地平面以下，预热器3、蒸汽发生设备4和过热器5均通过排放连接管道17与排放罐7相连。排放罐7上部设置有熔盐液下泵12，熔盐液下泵12经回收管道18和换热系统出口连接管道16后接入低温熔盐储罐1。
另外，熔盐换热设备均采用熔盐走壳侧，高压水/蒸汽走管侧的布置方式，由此可以较大程度上减薄壳壁，节约成本，同时也利于系统事故时的熔盐排放。
本发明的工作原理和实现过程如下：
1.熔盐储热系统采用双罐式布置结构，其中低温储罐用于储存低温熔盐，高温储罐用于储存高温熔盐。系统运行时，低温熔盐由位于低温储罐底部的低温熔盐泵抽出，经熔盐输送管道送入太阳能加热器进行加热升温，当变为高温熔盐后再经由输送管道和熔盐分配集箱注入高温储罐中，从而实现熔盐的热储存过程。根据太阳辐射强度，进入太阳能加热器的熔盐流量大小可通过低温熔盐泵进行变频调节。
2.低温储罐和高温储罐靠近底部设置有电加热器，数量可为单个或多个，当太阳辐射较低致使系统长时间无法正常运行或停机期间，为避免储罐中熔盐降温凝结，开启电热器对其进行加热，以维持罐内熔盐温度不低于其凝结温度。
3.低温储罐和高温储罐设置有氮气管道，主要用于隔绝空气，防止高温熔盐吸附空气中的水分。
4.熔盐泵采用罐底卧式安装，为避免其发生气蚀，熔盐泵安装位置低于水平面高度，具体安装高度根据泵的必需汽蚀余量（NPSHr）来确定。
5.系统方案设置有熔盐排放回收系统, 主要用于系统事故时的熔盐排放及停运时管道系统内的熔盐回收。其中，排放罐布置于系统的最底位置，水平面以下。各熔盐设备通过排放连接管道与其相连；当排放罐中存满熔盐时，通过熔盐液下泵将其抽出，并经回收管道和换热系统出口连接管道，最终送入低温熔盐储罐中以回收利用。
6. 对于熔盐换热系统，过热器，蒸汽发生设备和预热器三者串联运行，与再热器整体并联；
7.换热系统运行时，高温熔盐由高温熔盐泵抽出，分别送入再热器和过热器中，其中送入过热器中的熔盐在依次流过蒸汽发生设备和预热器后与再热器出口的熔盐实现汇合，并经由换热器出口连接管道送入低温储罐中，从而实现熔盐的换热放热过程。
8.由于熔盐泵的罐底卧式安装，熔盐换热系统采用就地布置，即节约成本又方便安装、运行和维护。
9.熔盐换热设备均采用熔盐走壳侧，高压水/蒸汽走管侧的布置方式，其中熔盐与水/蒸汽进行逆流换热，将水/蒸汽加热成高参数的过热蒸汽。
10.熔盐换热设备均采用蛇形管换热器结构，启动速度更快，更适合于太阳能热发电站机组的频繁启停和变负荷运行需求。
11.蒸汽发生设备采用外置的汽包结构，水工质在换蒸发器中与高温熔盐进行换热，产生的饱和蒸汽经由汽水上升管道送入汽包中进行汽水分离，汽包中设置有二级汽从分离装置；汽包分离出的合格蒸汽送入过热器中继续过热，而分离出来的水分则和预热器过来的给水进行混合，经由下降管道重新进入蒸发器中进行换热，由此在蒸汽发生设备中形成汽水自然循环。
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 (7)

1.一种用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，包括熔盐储热系统、熔盐换热系统、熔盐排放回收系统，以及与熔盐储热系统相连的太阳能加热器，所述熔盐储热系统采用双罐式布置结构，其包括用于储存低温熔盐的低温储罐（1）和用于储存高温熔盐的高温储罐（2），在低温储罐（1）的底部管道上设有用于调节进入太阳能加热器熔盐流量的低温熔盐泵（8），在高温储罐（2）的底部设有用于调节进入换热系统熔盐流量的高温熔盐泵（9）；其特征在于：低温熔盐泵（8）和高温熔盐泵（9）均采用罐底卧式安装，且其安装位置低于地平面；熔盐换热系统的设备采用蛇形换热管结构，熔盐换热系统内的蒸汽发生设备（4）采用外置汽包的结构型式。
2.如权利要求1所述的用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，其特征在于：低温储罐（1）的底部通过低温熔盐输送管道（13）接入太阳能加热器，太阳能加热器将升温后的高温熔盐经高温熔盐输送管道（14）后送入高温储罐（2）内的熔盐分配集箱（11）；高温储罐（2）熔盐经高温熔盐泵（9）后分别送入再热器（6）和过热器（5），过热器（5）依次与蒸汽发生设备（4）和预热器（3）相连后再与再热器（6）的出口汇合，汇合后通过换热器出口连接管道（16）接入低温储罐（1）。
3.如权利要求2所述的用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，其特征在于：所述过热器（5）、蒸汽发生设备（4）和预热器（3）三者串联，与再热器（6）并联。
4.如权利要求1所述的用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，其特征在于：蒸汽发生设备（4）包括汽包（41）、蒸发器（42）、汽水上升管道（43）和分离水下降管道（44），所述蒸发器（42）通过汽水上升管道（43）与汽包（41）相连，汽包（41）中设有二级汽从分离装置。
5.如权利要求1所述的用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，其特征在于：熔盐排放回收系统的底部设置有排放罐（7），排放罐（7）置于地平面以下，预热器（3）、蒸汽发生设备（4）和过热器（5）均通过排放连接管道（17）与排放罐（7）相连。
6.如权利要求5所述的用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，其特征在于：排放罐（7）中上部设置有熔盐液下泵（12），熔盐液下泵（12）经回收管道（18）和换热系统出口连接管道（16）后接入低温熔盐储罐（1）。
7.如权利要求1所述的用于太阳能热发电的熔盐储热及换热系统，其特征在于：在低温储罐（1）和高温储罐（2）上设有安全阀（20）。
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