CN103423111A - 蒸汽兰金循环太阳能设备和用于操作这样的设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蒸汽兰金循环太阳能设备10及其操作方法。设备10包括：用于用太阳热能产生蒸汽的蒸汽发生器20；连接到蒸汽发生器20的供给线32和多级涡轮30，其具有第一级和在第一级下游的中间级且通过供给线32连接到蒸汽发生器20。设备10进一步包括位于供给线32中的过载阀45。这个过载阀45配置和布置成在超过预定蒸汽涡轮入口压力时，通过将蒸汽的至少一部分引导到中间级中来限制第一级的蒸汽压力。

Description

蒸汽兰金循环太阳能设备和用于操作这样的设备的方法
技术领域
本公开通常涉及蒸汽兰金循环太阳能设备，并且更具体而言，涉及优化这样的太阳能设备的蒸汽循环内的涡轮的性能。
背景技术
在其最基本的形式中，太阳热发电设备由具有镜子的太阳能集中器组成，其将太阳辐射集中到一个或多个接收器，其中，太阳辐射转化成高温热能。太阳热发电设备的一般构造基于传统的兰金-循环发电装备。一般而言，基于蒸汽兰金循环的太阳热应用典型地分为两种一般的捕捉技术类别：线性聚焦技术，诸如抛物线型槽和线性菲涅耳集中器；以及点聚焦集中器，诸如太阳能发电塔。
抛物线型槽是构建成长抛物线型镜的集中器的类型。在镜子的焦点处的是杜瓦管，热传递介质穿过杜瓦管，并且被加热。
线性菲涅耳集中器类似于抛物线型收集，因为它们沿着线聚焦太阳能。但是，它们的不同在于，镜子包括共同或单个地追踪太阳的、水平地安装的平面镜条。
太阳能发电塔（也被称为“中心塔”发电设备或“定日镜”发电设备或只是发电塔）是使用塔来接收聚焦的太阳光的一类太阳炉。太阳能发电塔典型地使用成阵列的可移动平面镜(定日镜)来将太阳的光线聚焦在收集塔上。在蒸汽兰金循环太阳能设备中，用在塔的顶部处的集中的能量，或者直接地通过位于塔中的太阳炉，或者另外通过因为其高热容而选择的热传递介质，来产生蒸汽。通过具有高热容，热传递介质可适于用于在太阳强度低的期间存储能量供稍后在热循环中使用的间接目的。适当的热传递介质的示例包括液态钠和熔盐(40%的硝酸钾、60%的硝酸钠)。
太阳能供应的特性中的一个在于其可变的性质。太阳能设备不仅需要应付白天/夜晚变化和季节变化，而且还要应付阻挡或消耗太阳辐射的其它因素，诸如云、大气灰尘和污染。因此，对系统的要求非常高，这意味着装备必须能够在比传统系统所经历的运行条件远远更大的各种各样的运行条件下运行。
因此，可为过热器或再热器的蒸汽发生器可产生蒸汽数量以及蒸汽温度的对应地大的变化。不仅设备的蒸汽涡轮必须设计成应付相对较罕见的高峰条件，而且还必须对其它辅助装备进行同样的设计，该其它辅助装备包括蒸汽发生器、流通蒸汽管线和其它流通蒸汽路径构件。这个意味着，虽然典型地针对不寻常的“100%负载情况”来优化设计，但由于选择参数的裕度，典型地以较低的效率在“一般条件”下运行。
一种解决办法是提供一种针对“一般条件”而优化的蒸汽涡轮，以及在高峰太阳活动期间，通过例如使太阳能发电塔的定日反射镜不聚焦，或者不用槽型设备的抛物线型镜追踪太阳，来减小太阳收集容量。这导致潜在能量生产的损失。
特别地用于利用热传递介质回路的太阳能发电塔的另一个备选方案是转移经加热的热传递介质中的一些，以在曝晒高峰期间存储，供稍后在太阳热强度低的期间（例如在晚上或夜间）使用。这需要大型存储系统。
另外的备选方案是提供多个蒸汽涡轮，其中，涡轮配置成使得投入使用的蒸汽涡轮的数量基于太阳负载。这会增加安装的复杂性和成本两者。
发明内容
公开一种蒸汽兰金循环太阳能设备，其使得能够相对于一般条件下的效率优化太阳能设备的多级涡轮，同时仍然具有高峰容量。
实施例试图借助于独立权利要求的主题来解决这个问题。在从属权利要求中给出有利的实施例。
根据示例性实施例的一方面，提供一种蒸汽兰金循环太阳能设备，其包括用于产生蒸汽的蒸汽发生器、连接到蒸汽发生器的供给线，以及通过供给线而连接到蒸汽发生器的多级涡轮，其中，涡轮具有第一级和在第一级下游的中间级。位于供给线中的过载阀配置和布置成通过将蒸汽的至少一部分引导到中间级中来限制第一级的蒸汽压力。照这样，蒸汽的一部分可绕过第一级，从而提供具有高峰容量的涡轮。
在另一方面，该设备进一步包括配置和布置成测量通往涡轮的供给线中的压力的传感器。另外，设备还包括与传感器测量通信且与过载阀控制通信的控制器。控制器配置成基于传感器的测量来调节过载阀。
另一方面包括太阳能设备，该太阳能设备包括热传递介质循环和蒸汽兰金循环两者。蒸汽发生器配置和布置成在两个循环中，将热从热传递介质循环传递到蒸汽兰金循环。
在另一方面，太阳能设备包括配置和布置成存储来自热传递介质循环的太阳热能供稍后在蒸汽发生器中使用的太阳热能存储装置。
另一方面提供一种用于控制蒸汽兰金循环太阳能蒸汽设备的方法。该方法包括以下步骤：
·  为蒸汽兰金循环提供多级涡轮
·  将蒸汽供给到涡轮；
·  测量通往涡轮的供给线中的压力；以及
· 基于测得压力，改变直接供给到涡轮的中间级的蒸汽的比例。
在一方面，测量步骤包括在蒸汽供给到涡轮时，测量蒸汽兰金循环中的蒸汽。
在另一方面，方法包括为设备提供热传递介质循环，以及借助于蒸汽发生器，将太阳热能从热传递介质循环传递到蒸汽兰金循环。
本发明的进一步的目标是克服或至少改善现有技术的缺点或缺陷，或者提供有用的备选方案。
根据结合附图得到的以下描述，本公开的其它方面和优点将变得显而易见，该附图以示例的方式示出本发明的示例性实施例。
附图说明
以示例的方式，参照附图，在下文中更加全面地描述本公开的实施例，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的具有控制系统的示例性蒸汽兰金循环太阳能设备的示意图；以及
图2是具有再热涡轮的图1的示例性蒸汽兰金循环太阳能设备的示意图；以及
图3是具有热传递介质循环的图1的示例性蒸汽兰金循环太阳能设备的示意图。
部件列表：
10蒸汽兰金循环太阳能设备
12蒸汽兰金循环
14热传递介质循环
20蒸汽发生器
25太阳能集中器
30多级涡轮
32供给线
37再热涡轮
40控制器
42传感器
45过载阀。
具体实施方式
现在参照附图来描述本公开的示例性实施例，其中，相同附图标记始终用来指示相同要素。在以下描述中，为了说明，阐述了许多具体细节，以提供本公开的详尽理解。但是，可在没有这些具体细节的情况下实践本公开，而且本公开不限于本文公开的示例性实施例。
在整个说明书中，关于各种示例性实施例，术语蒸汽发生器20的含义是包含锅炉、过热器和再热器或它们的任何组合。
图1显示示例性蒸汽兰金循环太阳能设备10，其包括：用于产生蒸汽的蒸汽发生器20；多级涡轮30，其具有第一级和在第一级下游的中间级；以及蒸汽发生器20和多级涡轮30之间的供给线32，其将蒸汽发生器29流体地连接到涡轮30。可选地，从涡轮30的出口对涡轮30下游的第二涡轮37进行供给。
多级涡轮30的各个级被定义为相邻的成对的静叶片和旋转叶片排，其中，第一级在涡轮的入口端处，最后一级在涡轮的出口端处，而中间级则位于第一级和最后一级之间。
都在图1中显示的示例性实施例包括位于通往涡轮30的供给线32中的过载阀45。过载阀45可包括一个或多个阀，该过载阀45配置和布置成将来自蒸汽发生器20的蒸汽的一部分直接转移到在第一级下游并且但在最后一级上游的涡轮30的中间级中。照这样，来自蒸汽发生器20的蒸汽的至少一部分绕过涡轮30的第一级。
都在图1中显示的示例性实施例包括位于太阳能集中器25的出口和涡轮30的入口之间的传感器42。传感器42配置成测量通往涡轮30的供给流的压力，即，在供给线32中的压力。与传感器42测量通信的控制器40使用算法来解释来自传感器42的压力测量，并且产生输出信号，该输出信号被传输到过载阀45。该算法配置成在超过临界压力时，打开过载阀45，从而限制涡轮30的第一级中的压力。
在图2中显示的示例性实施例中，将过载阀45和控制器40应用于具有再热涡轮37的太阳兰金循环12。
在图3中显示的示例性实施例中，将过载阀45和控制器40应用于太阳能设备10，在该太阳能设备中，蒸汽发生器20是独立的锅炉，通过热传递介质循环14来提供该锅炉的能量输入，该热传递介质循环的热能源包括至少太阳能集中器25。
另外的示例性实施例涉及控制蒸汽兰金循环太阳能设备的方法。在一个示例性实施例中，方法包括以下步骤，为蒸汽兰金循环12提供多级涡轮30，以及提供蒸汽发生器20，蒸汽发生器20从太阳能集中器25中得到其热能的至少一部分。在其中太阳能设备10如图1中显示的那样仅包括蒸汽兰金循环12的情况下，从太阳能集中器25产生的蒸汽直接供给到涡轮30，或者当太阳能设备10如图3中显示的那样包括额外的热传递介质循环14时，从太阳能集中器25产生的蒸汽间接地供给到涡轮30。另外，供给线32设有过载阀45，过载阀45能够分开通往涡轮30的供给，并且同时将其引导到涡轮30的第一级和中间级。
然后测量供给线32中的压力，并且将其提供给控制器40。然后控制器40使用算法来对过载阀45提供控制信号。控制器40及其算法使得基于测得压力通过限制涡轮30的第一级处的最大蒸汽压力，来改变首先直接通往中间级(即，绕过第一级)的蒸汽的比例。在示例性实施例中，这由过载阀45实现，在低于预定压力时，过载阀将所有蒸汽供给引导到涡轮30的第一级，以及在高于预定压力时，过载阀将至少一些蒸汽供给直接引导到中间级。
另一个示例性方法另外提供热传递介质循环14给太阳能设备10，其中，蒸汽发生器20是在热传递介质循环14和蒸汽兰金循环12之间交换太阳热能的热交换器。
虽然本文已经在被认为最实际的示例性实施例中显示和描述了本公开，但本领域技术人员将理解，本公开可体现为其它具体形式。因此，目前公开的实施例在各方面都应认为是说明性的，而非约束性的。本公开的范围由所附权利要求书规定，而非由前述描述规定，而且在所附权利要求书的含义和范围以及等同物之内的所有改变都被确定包含在所附权利要求书中。

Claims (6)

1. 一种蒸汽兰金循环太阳能设备(10)，其包括：
用于用太阳热能产生蒸汽的蒸汽发生器(20)；
连接到所述蒸汽发生器(20)的供给线(32)；以及
多级涡轮(30)，其具有第一级和在所述第一级下游的中间级，所述多级涡轮通过所述供给线(32)连接到所述蒸汽发生器(20)，
其特征在于，位于所述供给线(32)中的过载阀(45)配置和布置成通过将所述蒸汽的至少一部分引导到所述中间级中，来限制所述第一级的蒸汽压力。
2. 根据权利要求1所述的太阳能设备(10)，所述太阳能设备进一步包括：
在所述供给线(32)中的传感器(42)，其配置和布置成测量压力；以及
控制器(40)，其与所述传感器(42)测量通信，并且与所述过载阀(45)控制通信，
其中，所述控制器(40)配置成基于所述传感器(42)的测量来调节所述过载阀(45)。
3. 根据权利要求1或2所述的太阳能设备(10)包括热传递介质循环(14)和蒸汽兰金循环(12)两者，
其中，所述蒸汽发生器(20)配置和布置在两个循环(12，14)中，以将太阳热能从所述热传递介质循环(14)传递到所述蒸汽兰金循环(12)。
4. 一种用于控制蒸汽兰金循环太阳能设备(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
为蒸汽兰金循环(12)提供多级涡轮(30)；
测量通往所述涡轮(30)的供给线(32)中的压力；以及
基于所测得的压力，改变直接供给到所述涡轮(30)的中间级的蒸汽的比例。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，只有在超过预定的测得的压力之后，蒸汽才直接供给到所述涡轮(30)的中间级。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，所述方法包括：
为所述设备提供热传递介质循环(14)；以及
借助于蒸汽发生器(20)，将太阳热能从所述热传递介质循环(14)传递到所述蒸汽兰金循环(12)。
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