CN103712358B - 一种槽式真空集热管直流大电流熔盐解冻预热装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种槽式真空集热管直流大电流熔盐解冻预热装置，属于热力设备技术领域，由两部分组成：管路系统：包括限压阀V1，限压阀V2，用于连接吸热器支撑机构的陶瓷电绝缘结构，膨胀罐，限压阀V3。直接电加热系统：包括现场变压器，备用交流发电机，用于交直流转换的AC/DC模块，连接铜缆，接线端子以及用于控制的T1，T2，T3三个Pt100温度传感器；本发明利用真空集热管不锈钢内管的本体电阻作为电加热的发热体，解决了槽式系统真空集热管内熔盐冻堵、启动预热的难题，具有实施方便，节省真空集热管内空间，加热周向均匀，传热热阻小，解冻、预热时间短的特点。

Description

一种槽式真空集热管直流大电流熔盐解冻预热装置

技术领域

本发明专利是针对槽式聚光太阳能热发电系统，用于真空集热管内熔盐解冻、预热的一种装置。是基于熔融盐作为槽式太阳能聚光热发电系统的传热工质时的一种启动预热、冻堵排除装置。当熔融盐在真空集热管内发生冻堵现象时，可以快速方便的解冻，且不占用集热管内部空间。可以为熔盐作为集热传热工质的槽式太阳能热发电系统提供冻堵排除以及启动预热，提高系统的运行效率及安全性能。

背景技术

当前，世界各国加强了对清洁能源技术的研究开发，把太阳能与环境保护紧密结合在一起，使太阳能的开发利用逐步得到重视和加强，特别是对大规模太阳能聚光热发电的研究与应用。

大规模聚光太阳能热发电（CSP）技术的主要工作原理是利用光－热－电转换，即利用太阳辐射所产生的热能发电。这些系统中的工作介质，水、油或熔盐，吸收聚集后的太阳能，温度升高，直接或通过间壁换热后产生蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。

槽式系统是当前CSP技术中的一种，也是目前最为成熟的太阳能热发电技术，拥有最多的商业运行电厂。目前槽式系统中的传热工作介质以合成油为主，合成油价格昂贵、工作上限温度低，使用寿命短是制约该类系统减少成本、提高效率的瓶颈。以水作为工作介质的系统目前仍在实验研究阶段，主要困难在于直接用水作为传热做功工质存在系统水力动力装置上的复杂性以及蓄热方面的困难。所以，用熔融盐作为集热、传热、蓄热工质已经提上日程，可以解决低成本、高效率、系统装置简洁的问题，但是容易发生冻堵的安全问题也显得尤为重要。

熔融盐的冻堵问题在系统循环管路中可以通过电伴热装置予以解决，但是在槽式系统的应用中，由于使用玻璃-金属真空集热管，使得真空集热管路的熔盐解冻较为困难，目前一般使用陶瓷电加热管的装置解决，即在真空集热管熔盐流动腔内，同心布置具有外部电绝缘的电加热丝，当管内发生冻堵时，给电加热丝通以交流电，使电加热丝发热，然后将热量传递给熔盐，使其达到熔点温度解冻。这种装置虽然行之有效，但是给系统的设计、施工带来较大的困难，并且电加热系统布置在管内占据一定空间，减少了集热工质的容积，一旦损害，维修更换非常困难。

发明内容

针对上述现象，本发明专利直接利用玻璃-金属真空集热管的不锈钢金属管壁作为电加热元件，在整个槽式集热回路上加上低压大电流直流电，使金属管壁升温，解冻管内冻结的熔融盐。

本发明专利的目的在于提供一种用于槽式太阳能热发电系统真空集热管路解冻及预热的装置及具体组成结构。解决了槽式系统真空集热管内熔盐解冻问题，提供了一种真空集热管内防熔盐冻堵的技术手段，同时，由于系统充盐之前需要对集热器及其管路进行预热，以减少管路的热应力损坏，本发明也是真空集热管路充盐预热的技术装置。该发明可以提高系统的安全性、改善系统的性能、同时降低系统维护运行成本。

一种槽式真空集热管直流大电流熔盐解冻预热装置，其包括：

环路连接管路系统：包括阀门V1，阀门V2，真空集热器R，用于连接集热器与支撑机构的陶瓷电绝缘组件C1、陶瓷电绝缘组件C2、陶瓷电绝缘组件C3、陶瓷电绝缘组件C4，膨胀罐A1，限压阀V3，温度传感器T1，温度传感器T2，温度传感器T3;膨胀罐A1的输入口与低温熔融盐总管连接，膨胀罐A1的输出口与高温熔融盐总管连接，在膨胀罐A1与低温熔融盐总管之间、膨胀罐A1与低温熔融盐总管之间有真空集热管R,真空集热管R的两端的管路上分别套有陶瓷电绝缘组件C1、陶瓷电绝缘组件C2、陶瓷电绝缘组件C3和陶瓷电绝缘组件C4，与低温熔融盐总管和高温熔融盐总管连接处分别装有温度传感器T1,阀门V1和温度传感器T2、阀门V2。膨胀罐A1的入口处连接有温度传感器T2。管路在膨胀罐A1附近以及阀门V1和V2的前端分别设置有接线端。

直接电加热系统：包括现场变压器B，备用交流发电机G，用于交直流转换的AC/DC模块及控制系统P，所述的温度传感器T1，温度传感器T2，温度传感器T3分别连入到控制系统P的输入端，控制系统P的输出端连接到环路连接管路位于膨胀罐端A1处的接线端。现场变压器B，备用交流发电机G均与控制系统P连接。阀门V1和V2的前端的接线端分别接地。

所述的陶瓷电绝缘组件C1、瓷电绝缘组件C2、陶瓷电绝缘组件C3、陶瓷电绝缘组件C4和连接真空集热管吸热器相连，其所用材料除陶瓷材料外，也可采用其它耐高温电绝缘材料。

槽式系统的镜场通常由多个并联的闭合聚光集热环路系统组成，各个环路具有相同的特性。针对不同容量的槽式电站装置，环路的长度有所不同，真空集热管R与聚光系统支撑机构的连接之间，通过耐高温陶瓷组件C进行电绝缘，使整个环路的集热器金属内管与聚光器金属结构之间电绝缘。从环路中间到两端V1，V2由不锈钢内管R形成的电阻相等，这样就可以在环路中间的位置引出电接线端子，连接至低压直流电的正端，在集热环路的始末端，连接低压直流电的负端并同时接地。这样，就可以给回路的金属内管通以低压直流电，利用金属管路自身的电阻发热，同时通过两端接地的装置屏蔽总管路或其它环路。

加热电功率可由下式给出：

$\frac{{\mathrm{mc}}_p\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\τ}}=\frac{I^2\mathrm{\ρL}}{A}$

m为金属管路与熔盐的综合质量，c_p为金属管路与熔盐的综合比热，ΔT温度的变化量，τ为预热时间，I为电流，ρ金属管路的电阻率，L为吸热器长度m，A为金属横截面积。

槽式系统的一个环路通常由几个聚光集热模块(SCA)组成，每个SCA由多个聚光集热单元(HCE)组成。每个HCE长度为12m，其金属内管电阻为0.007欧姆。对于低熔点熔盐，当加热温度到100℃时，集热管的总热损失为30W/m，每个HEC需要加热电功率为360W，相应的电流为230A，电压降为1.6V。对于16V～80V的直流电，本专利可以处理120m～600m环路系统的解冻、预热问题。

对于高熔点熔盐，一般安全溶解温度在220℃以上，如普通的二元盐，安全温度一般设为290℃左右，此时集热管的总热损失为200W/m，每个HEC需要加热电功率为2400W，相应的电流为585A，电压降为4.1V，对于80V直流电压，只能处理19个HCE即228m。所以，对于高熔点熔盐，若要处理19个HCE以上的系统，可以采用对环路中每个SCA并联加热的方式解冻预热，

槽式系统的真空集热管R一般通过金属支撑结构与聚光金属框架连接到一起，所以该装置必须将集热器与聚光器进行电绝缘处理，

本发明专利的特点是实施方便，节省真空集热管内空间，加热周向均匀，传热热阻小，解冻、预热时间短。

附图说明

图1本发明专利的槽式系统聚光集热回路直接电加热解冻、预热示意图

图2高熔点熔盐，SCA并联解冻预热方式示意图

图3真空集热管与聚光结构陶瓷环片电绝缘示意图

图4真空集热管与聚光结构陶瓷柱电绝缘结构图

具体实施方式

结合图1，对本专利的具体实施作进一步说明：

现场变压器B提供整个电厂集热器解冻、预热所需电源，备用发电机G仅在系统掉电或需特殊处理时提供单个回路集热器的解冻、预热所需的电源。

AC/DC变换模块及控制系统P负责提供低压大电流的直流电并可针对不同SCA长度调节输出电压值，以提供相应的电功率，直流最大输出电压80V。

根据AC/DC变换模块输出电流的能力决定其能够处理的环路数，每个AC/DC变换模块可处理1～2个环路。

T1，T2，T3作为回路头尾及中部的温度传感器，用于进行系统解冻及预热控制。

V1，V2阀门用于将集热管与总管路隔离。膨胀罐用于缓解熔盐热胀冷缩对集热管路的应力。

当系统检测到T1，T2，T3中有温度低于熔盐安全温度时，控制系统开启直接电加热系统，直到T1，T2，T3检测到温度正常，关闭电加热系统。

当系统需要启动运行，空的集热管路注盐时需要对管路进行预热，只有管路温度达到安全温度时，才可以充注，并对充注全过程进行防冻堵测控。

对于预热充注时，阀门V1，V2应打开。

对于集热管冻堵解冻时，阀门V1，V2应关闭，到完全解冻后再开启V1，V2。

如图2所示，图中集热系统由4个SCA模块组成，直流电源P用并联方式对每个SCA模块加热。

本发明装置采用耐高温陶瓷组件进行绝缘。附图3，4给出两种绝缘结构方式。图3中是耐高温陶瓷环片结构，环片C1内径与真空集热管R外径相同，图中H为与聚光器连接的金属支撑结构，L为集热器锁紧机构。图4为耐高温陶瓷柱结构，通过耐高温陶瓷柱与金属支撑结构电绝缘。

对于系统停电或单独对某一个故障环路解冻时，可以利用备用现场发电机G供电，将备用电源车停在环路终端，将电缆连接至固定的接线端，启动备用发电机，环路或SCA加电使其升温至安全解冻温度。

Claims (2)

1.一种槽式真空集热管直流大电流熔盐解冻预热装置，其特征在于：其包括：

环路连接管路系统：包括阀门V1，阀门V2，真空集热器R，用于连接集热器与支撑机构的陶瓷电绝缘组件C1、陶瓷电绝缘组件C2、陶瓷电绝缘组件C3、陶瓷电绝缘组件C4，膨胀罐A1，限压阀V3，温度传感器T1，温度传感器T2，温度传感器T3；膨胀罐A1的输入口与低温熔融盐总管连接，膨胀罐A1的输出口与高温熔融盐总管连接，在膨胀罐A1与低温熔融盐总管之间、膨胀罐A1与低温熔融盐总管之间有真空集热管R,真空集热管R的两端的管路上分别套有陶瓷电绝缘组件C1、陶瓷电绝缘组件C2、陶瓷电绝缘组件C3和陶瓷电绝缘组件C4，与低温熔融盐总管和高温熔融盐总管连接处分别装有温度传感器T1,阀门V1和温度传感器T2、阀门V2；膨胀罐A1的入口处连接有温度传感器T2；管路在膨胀罐A1附近以及阀门V1和V2的前端分别设置有接线端；

直接电加热系统：包括现场变压器B，备用交流发电机G，用于交直流转换的AC/DC模块及控制系统P，所述的温度传感器T1，温度传感器T2，温度传感器T3分别连入到控制系统P的输入端，控制系统P的输出端连接到环路连接管路位于膨胀罐端A1处的接线端；现场变压器B，备用交流发电机G均与控制系统P连接；阀门V1和V2的前端的接线端分别接地。

2.根据权利要求1所述的一种槽式真空集热管直流大电流熔盐解冻预热装置，其特征在于：所述的陶瓷电绝缘组件C1、瓷电绝缘组件C2、陶瓷电绝缘组件C3、陶瓷电绝缘组件C4和连接真空集热管吸热器相连，其所用材料除陶瓷材料外，也可采用其它耐高温电绝缘材料。