CN103470461A - 碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，包括碟式太阳能系统和燃气-蒸汽联合循环发电系统。所述碟式太阳能系统包括碟式太阳能集热场和中央热交换器；所述燃气-蒸汽联合循环发电系统包括：燃气轮发电机组、余热锅炉和蒸汽轮发电机组。本发明充分利用了碟式高参数带来的高效率，从而提高系统整体效率，节约能源，减少环境污染。

Description

碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统

技术领域

本发明属于发电领域，特别涉及一种碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统。 

背景技术

太阳能热发电因其节能、环保而被广泛重视，但是单纯太阳能热发电系统因其高额的初投资和较低的热力性能一直阻碍着它进一步的商业化进程。太阳能与化石能源相结合的复合热发电系统利用化石燃料机组功率调整范围大的优势，省去独立光热电站中昂贵的蓄热系统与蒸汽透平系统，从而达到降低发电成本、实现连续稳定发电的双重目的。同时太阳能热发电系统以热作为中间能量载体，相对容易通过热量与化石燃料发电方式相耦合。 

太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统（Integrated Solar Combined Cycle,ISCC）包括太阳能集热系统和燃气蒸汽联合循环系统，燃气轮发电机组通过压气机将空气吸入并压缩后在燃烧室与燃料（这里使用天然气）混合燃烧，产生的高温高压气体进入燃气透平内做功，带动发电机发电。排出的高温烟气进入余热锅炉加热给水，产生的高压过热蒸汽进入蒸汽轮发电机组的蒸汽透平内做功，再次带动发电机发电。太阳能集热装置正常运行时加热给水取代一部分燃气量或者增加发电量。 

目前的太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统通常采用槽式太阳能集热技术，聚光比不高，一般仅在50左右，运行温度一般不超过400℃，产生蒸汽品质较低，将给水加热至饱和温度后需再送往余热锅炉继续加热至过热蒸汽。此外，槽式太阳能所用工作介质导热油还存在高温分解、腐蚀、低温凝固等问题。 

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于提供了一种碟式太阳能-燃气蒸汽 联合循环发电系统，该系统利用具有高转换效率高参数的碟式太阳能集热技术与燃气蒸汽联合循环发电系统集成，解决单独太阳能热发电高成本，常规槽式太阳能联合循环发电系统热力性能不足、效率低等问题。提高了系统整体效率，节约能源，减少污染物排放，为太阳能的高效利用提供了新的低成本选择。 

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案： 

一种碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，包括：碟式太阳能系统和燃气-蒸汽联合循环发电系统，所述碟式太阳能系统包括碟式太阳能集热场和中央热交换器；所述燃气-蒸汽联合循环发电系统包括：燃气轮发电机组、余热锅炉和蒸汽轮发电机组；其中：所述余热锅炉，设有用于接收来自所述燃气轮发电机组的高温烟气的进口和用于排出释放热量后的低温烟气的出口，利用所述高温烟气加热来自所述蒸汽轮发电机组的给水以产生过热蒸汽，还利用所述高温烟气加热来自所述蒸汽轮发电机组做功后的排气以产生再热蒸汽；所述燃气轮发电机组，用于将压缩空气与燃料燃烧以产生高温高压气体，并通过所述高温高压气体的做功带动所述燃气轮发电机组的发电机发电，做功后排出的高温烟气送至所述余热锅炉的高温烟气进口；所述蒸汽轮发电机组，用于接收来自所述余热锅炉和所述中央热交换器的过热蒸汽，还用于接收来自所述余热锅炉的所述再热蒸汽，并通过所述过热蒸汽和所述再热蒸汽的做功带动所述蒸汽轮发电机组的发电机发电；所述碟式太阳能集热场，用于接收太阳辐射能以加热工作介质；所述中央热交换器，用于将来自所述余热锅炉的部分饱和水与所述碟式太阳能集热场加热后的工作介质换热，以产生过热蒸汽。 

在上述碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统中，作为一种优选实施方式，所述蒸汽轮发电机组包括：第二发电机；高压缸，接收来自所述余热锅炉和所述中央热交换器的过热蒸汽，并将做完功后的高压缸排汽送往所述余热锅炉中再热；中低压合缸，接收经所述余热锅炉再热后的再热蒸汽，并通过做功带动所述第二发电机发电；冷凝器，接收所述中低压合缸做功后的排气并冷却成凝结水；以及给水泵，接收来自冷凝器的凝结水，并将所述冷凝水等熵压缩后送至所述余热锅炉。 

在上述碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统中，作为一种优选实施方式，所述余热锅炉包括：省煤器，用于将来自所述冷凝器并经所述给水泵压缩后的冷凝水加热为饱和水；锅筒，用于接收来自所述省煤器的饱和水，所述来自所述省煤器的饱和水与所述锅筒内的饱和水混合后进入所述锅筒的下降管；蒸发器，用于将来自所述下降管的部分饱和水加热，加热后的汽水混合物通过锅筒上升管送回所述锅筒内并通过设置于所述锅筒内的汽水分离器进行汽水分离；过热器，用于将所述汽水分离器分离出来的饱和蒸汽变成过热蒸汽，所述过热蒸汽被送至所述蒸汽轮发电机组的高压缸；以及再热器，用于接收所述高压缸做功后的排气，并通过流动于所述再热器外的高温烟气加热所述高压缸做功后的排气以产生再热蒸汽并送往所述中低压合缸；来自所述省煤器的部分饱和水经所述中央热交换器换热后产生过热蒸汽后将所述过热蒸汽输送至所述高压缸。 

在上述碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统中，作为一种优选实施方式，所述燃气轮发电机组包括：压气机，用于吸入并压缩空气；燃烧室，接收来自所述压气机的压缩空气，并使所述压缩空气与燃料燃烧以产生高温高压气体；第一发电机；以及燃气轮机，接收来自所述燃烧室的高温高压气体，并通过做功带动所述第一发电机发电。 

在上述碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统中，作为一种优选实施方式，所述碟式太阳能集热场由多个并列的碟式装置组成，各碟式装置包括：碟式聚光器，包含能汇聚低密度太阳辐射能的接收面板；跟踪控制系统，用于使所述蝶式聚光器的接收面板与太阳光线垂直；以及吸热器，利用汇集的太阳辐射能加热内部的工作介质。 

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果： 

一、碟式太阳能系统产生的过热蒸汽直接并入主蒸汽管道以进入蒸汽轮发电机组的高压缸，保证了能源的高品质利用； 

二、碟式太阳-燃气蒸汽联合循环发电系统将太阳能与常规循环发电机组集成，当太阳能充足时，采用太阳能-燃气蒸汽联合循环运行模式，当太阳能不足时采用常规燃气蒸汽联合循环模式，提高了能源利用效率，降低了独立太阳能热发电的发电成本。 

三、碟式太阳-燃气蒸汽联合循环发电系统利用太阳能产生的热量来取代 部分燃料产生的热量，可以高效的利用太阳能，节约燃料量，减少环境污染，具备较好的经济效益和社会效益。 

总之，该系统利用了具有高转换效率高参数的碟式太阳能集热技术与燃气蒸汽联合循环发电系统集成，解决了单独太阳能热发电高成本，常规槽式太阳能联合循环发电系统热力性能不足、效率低等问题。提高了系统整体效率，节约能源，减少污染物排放。 

附图说明

图1是本发明的实施例提供的碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统的结构示意图； 

其中，图中符号说明如下： 

1、碟式太阳能系统，11、碟式太阳能集热场，12、中央热交换器； 

2、余热锅炉，21、省煤器，22、蒸发器；23、锅筒，24、再热器，25、过热器，26、高温烟气进口，27、低温烟气出口； 

3、蒸汽轮发电机组，31、高压缸，32、中低压合缸，33、冷凝器，34、第二发电机，35、给水泵； 

4、燃气轮发电机组，41、压气机，42、燃烧室，43、燃气轮机，44、第一发电机； 

5、汽水分离器。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

参见图1，一种碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，该碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统包括：碟式太阳能系统1和燃气-蒸汽联合循环发电系统，碟式太阳能系统1包括碟式太阳能集热场11和中央热交换器12；燃气-蒸汽联合循环发电系统包括：燃气轮发电机组4、余热锅炉2和蒸汽轮发电机组3。余热锅炉2，设有用于接收来自燃气轮发电机组4的高温烟气的进口26和用于排出释放热量后的低温烟气的出口27，通过高温烟气加热来自蒸汽轮发电机组3的给水以产生过热蒸汽，还利用所述高温烟气加热来自蒸汽 轮发电机组3做功后的排气以产生再热蒸汽；燃气轮发电机组4，用于将压缩空气与燃料燃烧以产生高温高压气体，并通过所述高温高压气体的做功带动燃气轮发电机组4的发电机发电，做功后排出的高温烟气送至余热锅炉2的高温烟气进口26；；蒸汽轮发电机组3，用于接收来自余热锅炉2和中央热交换器12的过热蒸汽，还用于接收来自余热锅炉2的再热蒸汽，并通过过热蒸汽和再热蒸汽的做功带动蒸汽轮发电机组3的发电机发电；碟式太阳能集热场11，用于接收太阳辐射能以加热工作介质；所述中央热交换器12，用于将来自余热锅炉2的部分饱和水与所述碟式太阳能集热场11加热后的工作介质换热，以产生过热蒸汽。为了进一步提高整个发电系统的热能利用率，余热锅炉2利用了高温烟气再热来自蒸汽轮发电机组3高压缸做功后的排气，蒸汽轮发电机组3高压缸做功后的排气经余热锅炉2再热后得到的再热蒸汽被送回蒸汽轮发电机组3中低压合缸继续膨胀做功。下面进行具体说明。 

碟式太阳能集热场11由多个并列设置的碟式装置组成，各碟式装置包括：碟式聚光器，用于将太阳辐射能汇聚，其是碟式装置的基本光学单元，包含能汇聚低密度太阳辐射能的接收面板；跟踪控制系统，用于使所述蝶式聚光器的接收面板与太阳光线垂直，在实际中，该跟踪控制系统采用双轴跟踪，能够实现在方位角360°和高度角180°范围内实时对太阳进行跟踪，以使接收面板始终与太阳光线垂直，增加了太阳辐射能的利用，光热转换效率可以高达25%，由于采用二维跟踪，聚光器的接收面板始终正对太阳，聚光比可以达到2000；以及吸热器，利用汇集的太阳辐射能加热内部的工作介质，本发明的内部工作介质为空气，该吸热器是碟式装置的核心部件之一，位于抛物面型聚光接收面板（反射镜）的焦点处。 

中央热交换器12用于将碟式太阳能集热场11产生的高温空气与来自余热锅炉2的部分饱和水进行热交换，以产生过热蒸汽，该过热蒸汽被送至蒸汽轮发电机组3。 

燃气轮发电机组4包括：压气机41，用于吸入并压缩空气，；燃烧室42，接收来自压气机41的压缩空气，并使压缩空气与燃料燃烧以产生高温高压气体；第一发电机44；以及燃气轮机43，接收来自燃烧室42的高温高压气体，并通过做功带动第一发电机44发电。 

具体的可以描述为，压气机41从外界大气环境吸入空气，并经过压缩使 之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室42与喷入其中的燃料混合燃烧生成高温高压的燃气；然后高温高压的气体进入到燃气轮机43中膨胀做功，推动燃气轮机带动压气机41和外负荷转子一起高速旋转，实现了燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从燃气轮机43中排出的乏气（即高温烟气）送至余热锅炉2进口26。 

蒸汽轮发电机组3，用于接收来自余热锅炉2和中央热交换器12的过热蒸汽，还用于接收来自余热锅炉2的再热蒸汽，并通过过热蒸汽和再热蒸汽的做功带动蒸汽轮发电机组3的发电机发电，蒸汽轮发电机组3包括：第二发电机34；高压缸31，接收来自余热锅炉2和中央热交换器12的过热蒸汽膨胀做功，并将做完功后的高压缸排汽送往余热锅炉2中再热；中低压合缸32，接收经余热锅炉2再热后的再热蒸汽，并通过做功带动第二发电机34发电；冷凝器33，接收中低压合缸32做功后的排气并冷却成凝结水；给水泵，接收来自冷凝器33的凝结水，并将所述冷凝水等熵压缩后送至余热锅炉2的省煤器21。 

余热锅炉2，设有用于接收来自燃气轮发电机组4的高温烟气的进口26和用于排出释放热量后的低温烟气的出口27，通过高温烟气加热来自蒸汽轮发电机组3的给水以产生过热蒸汽，还利用高温烟气加热来自蒸汽轮发电机组3做功后的排气以产生再热蒸汽。余热锅炉2包括：省煤器21，用于将来自所述冷凝器并经所述给水泵35压缩后的冷凝水加热为饱和水；锅筒23，用于接收来自省煤器21的饱和水，来自所述省煤器21的饱和水与锅筒23内的饱和水混合后进入锅筒23的下降管；蒸发器22，用于将来自下降管的部分饱和水加热，加热后的汽水混合物通过锅筒23上升管送回锅筒23内并通过设置于锅筒23内的汽水分离器5进行汽水分离；过热器25，用于将汽水分离器5分离出来的饱和蒸汽变成过热蒸汽，所述过热蒸汽被送至蒸汽轮发电机组3的高压缸31；以及再热器24，用于接收高压缸31做功后的排气，并通过流动于再热器24外的高温烟气加热高压缸31做功后的排气以产生再热蒸汽并送往所述中低压合缸；来自所述省煤器的部分饱和水经所述中央热交换器换热后产生过热蒸汽后将所述过热蒸汽输送至所述高压缸。 

具体的可以描述为，余热锅炉2进口26与燃气轮机43的高温烟气出口连通，从燃气轮机43排出的高温烟气依次经过热器25、再热器24、蒸发器 22和省煤器21释放热量后变成低温烟气从出口27排入大气。来自蒸汽轮发电机组3的给水经余热锅炉2的省煤器21升温到略低于汽包压力下的饱和温度得到饱和水，在太阳充足的情况下，该饱和水分为两部分，一部分进入中央热交换器12，一部分进入锅筒23，与锅筒23内的饱和水混合后进入锅筒23下方的下降管进入蒸发器22，蒸发器22将来自锅筒23下降管的一部分水加热变成饱和蒸汽，再通过锅筒23上升管送回锅筒23内并通过设置于锅筒23内的汽水分离器5进行汽水分离。经汽水分离器分离出来的饱和蒸汽被送入过热器25，经过热器25后变成过热蒸汽，再送往蒸汽轮发电机组3高压缸31膨胀做功。该实施例中，余热锅炉2不仅可以通过高温烟气加热来自蒸汽轮发电机组3的冷凝水以及锅炉给水以产生过热蒸汽，而且还可以利用高温烟气再热来自蒸汽轮发电机组3的高压缸31做功后的排气，高压缸31做功后的排气经余热锅炉2的再热器24再热后得到的再热蒸汽被送回蒸汽轮发电机组3的中低压合缸32，并通过做功带动第二发电机发电34。中低压合缸32做功后的排气送至冷凝器33，经冷却形成凝结水，所述冷凝水经给水泵等熵压缩后被送至余热锅炉2的省煤器21。 

该实施例的碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统的工作原理如下：碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统是将碟式太阳能系统与常规的联合循环发电系统集成。当太阳能充足时，按照太阳能-联合循环方式运行，燃气轮发电机组通过压气机将空气吸入并压缩后在燃烧室与燃料（天然气等）混合燃烧，产生的高温高压气体进入燃气轮机内做功，带动第一发电机发电或带动压气机工作。排出的高温烟气经烟道输送至余热锅炉入口，再流经过热器、蒸发器和省煤器，最后经烟囱排入大气，排烟温度一般为150～180℃，烟气温度从高温降到排烟温度所释放出的热量用来使水变成蒸汽。蒸汽轮发电机组的给水首先进入省煤器加热至饱和水，一部分送往碟式太阳能系统的中央热交换器，与碟式太阳能集热场产生的高温空气换热，将来自省煤器的饱和水加热至过热蒸汽，另一部分送往锅筒，进入锅筒的水与锅筒内的饱和水混合后，沿锅筒下方的下降管进入蒸发器吸收热量开始产汽，通常只有一部分水变成汽，所以在蒸发器内流动的是汽水混合物，汽水混合物离开蒸发器进入上部锅筒并通过设置于锅筒内的汽水分离设备进行分离，水落到锅筒内水空间进入下降管继续吸热产汽，而分离出的饱和蒸汽从锅筒上部进入过热器， 吸收热量后饱和蒸汽变成过热蒸汽。来自中央热交换器和过热器的两部分过热蒸汽混合进入蒸汽轮发电机组的高压缸内做功，从高压缸出来的排汽送往余热锅炉再热器再热产生再热蒸汽后再送往中低压合缸做功，以带动第二发电机发电，从中低压合缸出来的排气送至冷凝器，经冷却形成凝结水，冷凝水经给水泵等熵压缩后再被送至省煤器进行预热得到饱和水。在太阳光不足或夜间时，则按常规的燃气—蒸汽联合循环方式运行，锅炉省煤器预热后的饱和水全部送往余热锅炉的蒸发器和过热器加热至过热蒸汽再送往汽轮发电机组，以带动发电机发电。该发明大大提高能源利用效率。常规碟式太阳能发电站光电效率约为18%—25%，常规燃气—蒸汽联合循环发电站全厂总效率约为45%—50%，而碟式太阳能—燃气联合循环发电站全厂总效率可达70%—80%。 

以上仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，包括：碟式太阳能系统和燃气-蒸汽联合循环发电系统，所述碟式太阳能系统包括碟式太阳能集热场和中央热交换器；所述燃气-蒸汽联合循环发电系统包括：燃气轮发电机组、余热锅炉和蒸汽轮发电机组；其中：

所述余热锅炉，设有用于接收来自所述燃气轮发电机组的高温烟气的进口和用于排出释放热量后的低温烟气的出口，利用所述高温烟气加热来自所述蒸汽轮发电机组的给水以产生过热蒸汽，还利用所述高温烟气加热来自所述蒸汽轮发电机组做功后的排气以产生再热蒸汽；

所述燃气轮发电机组，用于将压缩空气与燃料燃烧以产生高温高压气体，并通过所述高温高压气体的做功带动所述燃气轮发电机组的发电机发电，做功后排出的高温烟气送至所述余热锅炉的高温烟气进口；

所述蒸汽轮发电机组，用于接收来自所述余热锅炉和所述中央热交换器的过热蒸汽，还用于接收来自所述余热锅炉的所述再热蒸汽，并通过所述过热蒸汽和所述再热蒸汽的做功带动所述蒸汽轮发电机组的发电机发电；

所述碟式太阳能集热场，用于接收太阳辐射能以加热工作介质；

所述中央热交换器，用于将来自所述余热锅炉的部分饱和水与所述碟式太阳能集热场加热后的工作介质换热，以产生过热蒸汽。

2.根据权利要求1所述的碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，

所述蒸汽轮发电机组包括：

第二发电机；

高压缸，接收来自所述余热锅炉和所述中央热交换器的过热蒸汽膨胀做功，并将做完功后的高压缸排汽送往所述余热锅炉中再热；

中低压合缸，接收经所述余热锅炉再热后的再热蒸汽，并通过做功带动所述第二发电机发电；

冷凝器，接收所述中低压合缸做功后的排气并冷却成凝结水；以及

给水泵，接收来自冷凝器的凝结水，并将所述凝结水等熵压缩后送往所述余热锅炉。

3.根据权利要求2所述的碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，所述余热锅炉包括：

省煤器，用于将来自所述冷凝器并经所述给水泵压缩后的冷凝水加热为饱和水；

锅筒，用于接收来自所述省煤器的饱和水，所述来自所述省煤器的饱和水与所述锅筒内的饱和水混合后进入所述锅筒的下降管；

蒸发器，用于将来自所述下降管的部分饱和水加热，加热后的汽水混合物通过锅筒上升管送回所述锅筒内并通过设置于所述锅筒内的汽水分离器进行汽水分离；

过热器，用于将所述汽水分离器分离出来的饱和蒸汽变成过热蒸汽，所述过热蒸汽被送至所述蒸汽轮发电机组的高压缸；以及

再热器，用于接收所述高压缸做功后的排气，并通过流动于所述再热器外的高温烟气加热所述高压缸做功后的排气以产生再热蒸汽并送往所述中低压合缸；

来自所述省煤器的部分饱和水经所述中央热交换器换热后产生过热蒸汽后将所述过热蒸汽输送至所述高压缸。

4.根据权利要求1-3任一所述的碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，所述燃气轮发电机组包括：

压气机，用于吸入并压缩空气；

燃烧室，接收来自所述压气机的压缩空气，并使所述压缩空气与燃料燃烧以产生高温高压气体；

第一发电机；以及

燃气轮机，接收来自所述燃烧室的高温高压气体，并通过做功带动所述第一发电机发电。

5.根据权利要求1-3任一所述的碟式太阳能-燃气蒸汽联合循环发电系统，其特征在于，所述碟式太阳能集热场由多个并列的碟式装置组成，各碟式装置包括：

碟式聚光器，包含能汇聚低密度太阳辐射能的接收面板；

跟踪控制系统，用于使所述碟式聚光器的接收面板与太阳光线垂直；以及

吸热器，利用汇集的太阳辐射能加热内部的工作介质。

Images