CN103727687B - 一种双熔盐太阳能热发电传热蓄热系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双熔盐的太阳能热发电传热蓄热系统，属于热力装置技术领域。该专利包括：本发明利用低熔点的熔融盐作为太阳能聚光集热系统的传热工质，同时在蓄热及蒸汽发生器换热结构中采用普通廉价的二元盐直接作为蓄热、传热工质，这样就形成了新型的基于双熔盐的双罐盐盐蓄热、传热系统。本发明专利的特点是利用低熔点的熔融盐取代常规系统合成油，同时降低了吸热器冻堵几率。在蓄热及蒸汽发生器换热结构中直接采用普通廉价的熔融盐作为工质，形成了新型的盐盐蓄热、传热系统。该系统提高了热发电效率，设计结构简洁，减少了熔盐泵，阀门，管路的用量，增加了系统的可靠性，节约了投资成本，简化了系统运行方式，减少了系统运行维护量。

Description

一种双熔盐太阳能热发电传热蓄热系统

技术领域

本发明专利是一种用于聚光太阳能热发电系统的传热蓄热系统，是一种间接蓄热，直接传热的新型基于聚光太阳能热发电的传热蓄热系统，所实现的功能满足太阳能热发电系统有关传热蓄热的要求，同时提高了系统效率、减小系统安全隐患，特别适合大规模太阳能热利用领域，尤其是基于熔盐的聚光太阳能热发电系统。

背景技术

由于能源危机及大气污染，世界各国加大了对太阳能研究开发的投入，太阳能热水、太阳能建筑、太阳能光伏发电、太阳能热发电等项目发展迅速，规模逐渐扩大。太阳能热发电系统主要有4种类型：槽式、塔式、碟式以及线性菲涅耳形式。目前，常规太阳能热发电系统是利用反射镜将太阳光反射聚焦至集热器上，由集热器将聚集的太阳辐射能转变为热能并传至集热器内工质，被加热的工质可以直接蒸发(如水)产生动力来推动发电设备发电或通过相应的换热设备将热能传至蓄热系统和蒸汽动力系统。

由于直接用水作为传热做功工质存在系统水力动力设计上的复杂性，以及蓄热方面的困难，所以当前太阳能热发电系统一般用合成油或熔盐作为传热蓄热工质，再通过与蒸汽发生器换热产生适合相应汽轮发电机组的动力蒸汽。由此可以看出，太阳能热发电系统的中间传热蓄热系统的设计至关重要。

用合成油作为传热蓄热工质是常用的方法，但是合成油价格昂贵，寿命短，使用的上限温度低于400℃，不利于整体系统性能的提高，并且管路还将承受十几个大气压的压力，这些不利因素导致新型工质的研发与使用。

熔融盐作为传热蓄热工质是一种很好的选择，可以将镜场输出温度提高到450-500℃，使动力循环效率大于40％，蓄热温差大于2.5倍。但是目前该类应用的是常规的二元盐(NaNO₃,KNO₃)，该盐熔点高，易凝结冻堵，给系统带来了巨大的安全隐患。

发明专利内容

针对现有的传热蓄热系统的缺点，本发明提出了利用低温熔点的熔融盐作为聚光镜场集热器的传热工质，利用廉价的二元盐作为蓄热以及蒸汽发生传热工质这样一种系统设计结构，可以使整体系统安全、廉价、高效。

本发明专利的目的在于提供了一种用于太阳能热发电系统的传热蓄热设计结构，可用于当前槽式、塔式、线性菲涅耳等聚光太阳能热发电系统，可以提高系统的安全性、改善系统的性能、兼顾系统成本问题。

本发明专利设计了基于低熔点熔融盐的新颖的盐盐蓄热传热系统，在蓄热及蒸汽发生器换热结构中直接采用普通廉价的二元盐作为工质，这样就形成了新型的盐盐蓄热、传热系统。

本发明采用如下技术方案：

一种双熔盐太阳能热发电传热蓄热系统，其包括有基于低熔点熔盐的镜场传热装置和基于廉价熔盐的直接双罐蓄热传热装置；

所述的基于低熔点熔盐的镜场传热装置中，缓冲罐9设有注入低熔点熔盐的注盐口，缓冲罐9内置有将低熔点熔盐进行加热融化的电加热，融化后的低熔点熔盐经高温熔盐泵Ⅰ从缓冲罐9抽出，通过阀门V11进入聚光镜场，在聚光镜场中吸收太阳能后，低熔点熔盐升温至500℃，经由阀门V12，阀门V15进入盐盐换热器，与普通二元盐在盐盐换热器中换热降温后流入缓冲罐9，完成工质的集热，传热循环；所述阀门V12为双向阀，所述阀门V15为止回阀。

铂电阻温度传感器T1，铂电阻温度传感器T2安装于镜场的入口和出口处用于检测镜场进出口的温度，根据镜场进出口的温度来调节高温熔盐泵Ⅰ的转速，流量计F1安装于阀门V12和阀门V15之间；流量计F1作为熔盐泵1转速控制的反馈，流量计F1最终精确控制镜场出口熔盐的温度；缓冲罐9中安装有液位传感器L1和温度传感器铂电阻T3，用于检测缓冲罐9的液位与温度；缓冲罐9通过阀门V13与真空泵11相连，阀门V13与缓冲罐9之间还安装有用于限制缓冲罐9加热过程中的压力的限压阀V14，真空泵11与阀门V13用于缓冲罐9的检测排空。

基于廉价熔盐的直接双罐蓄热传热装置，其采用双罐直接蓄热传热设计，冷盐罐6设置有二元盐注入的注盐口，所述的冷盐罐6含有加热融化二元盐的电加热丝，冷盐罐6的出口连接到高温熔盐泵Ⅱ2，高温熔盐泵Ⅱ2的出口经过阀门V21连接到盐盐热交换器4的二元盐的输入口，盐盐热交换器4的二元盐输出口通过阀门V22连接到热熔盐罐5，热熔盐罐5通过高温熔盐泵Ⅲ3及阀门V26连接到蒸汽发生器8中，蒸汽发生器8的出口经过缓冲罐Ⅰ7中。在盐盐热交换器4的二元盐入口设置铂电阻温度传感器T4,在盐盐热交换器4的出口设置铂电阻温度传感器T5，在热熔盐罐Ⅱ5、蒸汽发生器8的入口分别设置有熔盐流量传感器F2和熔盐流量传感器F3，在热熔盐罐Ⅱ5中设置有液位传感器L3和铂电阻温度传感器T7,在冷熔盐罐6中设置有液位传感器L2和铂电阻温度传感器T6。真空泵Ⅰ10与冷熔盐罐6相连用于给冷熔盐罐6排真空，真空泵Ⅰ10与冷熔盐罐6之间还连接有用于限制冷熔盐罐6内压力的限压阀V24和阀门V23。

在镜场出口温度达到设置值后，由熔盐泵Ⅱ2抽出，经阀门V21流入盐盐换热器4，换热后温度升高，经阀门V22流入热熔盐罐Ⅱ5，当热熔盐罐Ⅱ5内温度、液位均达到要求值后，高温熔盐经高温熔盐泵Ⅲ3抽出，经阀门V26进入蒸汽发生器8，换热后温度下降，由缓冲罐Ⅰ7流入冷熔盐罐6，完成传热、蓄热工质的循环。图3中T4，T5用于检测盐盐换热器二元盐侧的进出口温度，通过调节熔盐泵2的转速来调节工质的流速，以使T5维持相对恒定的温度。图中F2，F3用于流速调节的反馈与系统检测，V24，V25用于冷热熔盐罐内的压力限制，L2、L3、T6、T7分别用于冷热盐罐的温度与液位的检测与控制。真空泵10与V23用于冷盐罐9的检测排空。

上述结构无需专用的放热、蓄热通道，使蒸汽发生传热回路的设计结构简洁，减少了熔盐泵，阀门，管路的用量，增加了系统的可靠性，节约了投资成本，简化了系统运行方式，减少了系统运行维护量。

附图说明

图1本发明专利的结构示意图；

图2本发明专利的镜场集热传热结构图；

图3本发明专利的蓄热、蒸汽发生传热结构图；

图4本发明专利的系统启动流程图；

图5短时云遮，蓄热充分运行过程流程图；

图6短时云遮，蓄热不足运行过程流程图；

图7夜间运行方式流程图；

图中：1高温熔盐泵Ⅰ,2高温熔盐泵Ⅱ,3高温熔盐泵Ⅲ，4盐盐热交换器，5热熔盐罐，6冷熔盐罐，7缓冲罐Ⅰ、8蒸汽发生器，9缓冲罐Ⅱ，10真空泵Ⅰ，11为真空泵Ⅱ；

T1～T7为铂电阻温度传感器，F1～F3为熔盐流量传感器，V11～V13为阀门，V14为限压阀，V15为止回阀，V21～V23、V26为阀门，V24、V25为限压阀，L1～L3液位传感器。

具体实施方式

结合图2～3，对本专利的具体实施作进一步说明：

1系统启动过程

太阳能热发电系统对太阳辐照度的要求较高，所以整个系统启动前，需要较好的天气条件，如果预测天气条件满足要求，便可以提前准备系统运行。系统启动的流程图如图4所示。系统运行准备主要有如下步骤，首先将图2中的缓冲罐9与图3中的冷盐罐6注入各自所需的相应量的熔盐，启动各自的电加热系统，通过对温度传感器T3与T6的检测，使其达到各自的熔点温度，继续加热，最终使其达到相应的可靠运行温度，例如T3达到150℃，T6达到290℃。此时，启动管路及聚光集热器的伴热系统，对管路进行预热，以免高温熔盐流动时带来管路热应变损坏以及熔盐散热量过大凝结。当各项温度指标达到要求，开启所有系统管路阀门，准备启动熔盐泵1。熔盐泵1启动的条件是当地太阳辐照度达到设计指标，如辐照度大于300W/m²或太阳高度角大于15°。当气象天满足要求，便可以启动熔盐泵1，此时需检测管路流量是否合适，流量太小容易引起集热器出口温度过高，超过系统耐受的极限温度将造成设备损坏，极端条件下若管路堵塞不通，可能直接造成熔盐泵的损毁，这时，应有相应的应对措施，如调节流量或故障停机检修。

通过对1泵的流量调节，使镜场集热器的出口温度满足要求，这时便可以启动蓄热回路的熔盐泵2，与镜场集热回路一样，必须时刻监视管路流动情况，防止管路堵塞引起的设备损坏。通过对熔盐泵2的流量调节，使热盐罐的熔盐温度满足系统设计要求，如达到450℃～500℃，在温度达到要求的前提下，需要判断热盐罐的熔盐液位是否达到系统设计安全运行要求，液位过低时禁止启动蒸汽传热通道的循环流动回路。

在热盐罐5温度、液位均满足要求的条件下，开启蒸汽传热系统的旁路管道，然后启动熔盐泵3，使得蒸汽传热部分首先在旁路管道内循环，确保系统流动正常的情况下，在需要时便可以启动蒸汽发生器换热通路，关闭旁路，启动汽轮机组，运行发电。

熔盐泵2与3的运行即独立，又相关，独立性取决于各自的控制点在于各自回路的温度与负荷情况，相关性在于冷热盐罐的液位相关，在极限液位的条件下必须保证熔盐泵2与3的流速相同，才能维系不中断运行。例如，当太阳辐照度较高时，2泵的流速将增加，若3泵流速保持不变，则冷盐罐内的容量将越来越少，若冷盐罐内液位下降到下限也为时，必须增大3流速，或减少2流速。采取何种方式，取决于电站的类型。当然，在上述条件下，若要减少2流速，还需通过调整聚光集热面积予以配合，否则将会带来系统升温。

2短时云遮，蓄热充分运行过程

在太阳被短时云雾遮挡时，太阳辐照度急剧下降，若此时系统蓄热量充分，即热盐罐内熔盐较多或液位满足要求时，应转换运行方式，即降低1熔盐泵流速，减少集热回路热损失，同时确保集热器进出口温度符合要求，主要是通过1泵的流量调节，使集热器出口温度低于系统允许的上限，及集热器进口温度高于熔融盐的防冻结安全温度。2，3熔盐泵维持正常运行。云遮过去后恢复1泵的正常运行，具体的流程图如图5所示。

3短时云遮，蓄热不足运行方式

这种情况较为极端，出现云遮时，首先1泵低速运行，但是在低辐照度的条件下仍不能保证出口温度，同时由于蓄热量不够，会导致热盐罐温度下降，当下降到某一临界值时，应降低2，3熔盐泵的流速，为保证系统正常发电，应启动相应辅助加热系统。若无辅助加热系统，则需要停止系统发电部分，传热蓄热系统应启动管路伴热以防管路冻结。这种运行方式转换非常的不经济，切换复杂且利用时间短，所以系统运行中应避免这种情况的出现，即系统正式运行前应有足够的蓄热量，该类过程应对流程图如图6所示。

4夜间运行方式

系统夜间运行方式与短时云遮，蓄热不足运行方式相似，当太阳高度角低于15°或到达某一时刻，镜场恢复初始位置，不再聚光集热。此时，为减少聚光集热回路的热损失，传热工质应低速运行，有条件的系统如塔式系统可以将传热工质排空至续盐罐。蓄热与蒸汽发生传热部分的运行取决于电站的设计与运行类型，在蓄热量足够的条件下，维持正常运行方式。具体流程图如图7所示。

5连阴天运行方式

连阴天的判断一般来自现场天气预报站，在连阴天气条件下，电站应启动连阴天气运行方式，一般应进行现场手动或远程遥控切换。连阴天运行方式与夜间运行方式的最大不同在于聚光集热镜场启动与否，连阴天气条件下，不需启动跟踪镜场，其它与夜间运行方式相似。

6其它说明

系统管路中有相应温度、压力、流量传感器及相应的控制子系统用于系统状态检测与自动控制，管路阀门用于方式切换以及便于维护检修，限压阀用于限制熔盐罐内压力，真空泵用于对管路的排空。

Claims (1)

1.一种双熔盐太阳能热发电传热蓄热系统，其包括有基于低熔点熔盐的镜场传热装置和基于廉价熔盐的直接双罐蓄热传热装置；其特征在于：

所述的基于低熔点熔盐的镜场传热装置中，缓冲罐Ⅱ(9)设有注入低熔点熔盐的注盐口，缓冲罐Ⅱ(9)内置有将低熔点熔盐进行加热融化的电加热，融化后的低熔点熔盐经高温熔盐泵Ⅰ(1)从缓冲罐Ⅱ(9)抽出，通过第一阀门(V11)进入聚光镜场，在聚光镜场中吸收太阳能后，低熔点熔盐升温至500℃，经由第二阀门(V12)，止回阀(V15)进入盐盐换热器，与普通二元盐在盐盐换热器中换热降温后流入缓冲罐Ⅱ(9)，完成工质的集热，传热循环；所述第二阀门(V12)为双向阀；

第一铂电阻温度传感器(T1)，第二铂电阻温度传感器(T2)安装于镜场的入口和出口处用于检测镜场进出口的温度，根据镜场进出口的温度来调节高温熔盐泵Ⅰ(1)的转速，第一熔盐流量传感器(F1)安装于第二阀门(V12)和止回阀(V15)之间；第一熔盐流量传感器(F1)作为高温熔盐泵Ⅰ(1)转速控制的反馈，第一熔盐流量传感器(F1)最终精确控制镜场出口熔盐的温度；缓冲罐Ⅱ(9)中安装有第一液位传感器(L1)和第三温度传感器铂电阻(T3)，用于检测缓冲罐Ⅱ(9)的液位与温度；缓冲罐Ⅱ(9)通过第三阀门(V13)与真空泵Ⅱ(11)相连，第三阀门(V13)与缓冲罐Ⅱ(9)之间还安装有用于限制缓冲罐Ⅱ(9)加热过程中的压力的限压阀(V14)，真空泵Ⅱ(11)与第三阀门(V13)用于缓冲罐Ⅱ(9)的检测排空；

所述的基于廉价熔盐的直接双罐蓄热传热装置采用双罐直接蓄热传热设计，冷熔盐罐(6)设置有二元盐注入的注盐口，所述的冷熔盐罐(6)含有加热融化二元盐的电加热丝，冷熔盐罐(6)的出口连接到高温熔盐泵Ⅱ(2)，高温熔盐泵Ⅱ(2)的出口经过第四阀门(V21)连接到盐盐热交换器(4)的二元盐的输入口，盐盐热交换器(4)的二元盐输出口通过第五阀门(V22)连接到热熔盐罐Ⅱ(5)，热熔盐罐Ⅱ(5)通过高温熔盐泵Ⅲ(3)及第七阀门V(26)连接到蒸汽发生器(8)中，蒸汽发生器(8)的出口经过缓冲罐Ⅰ(7)中；在盐盐热交换器(4)的二元盐入口设置第四铂电阻温度传感器(T4),在盐盐热交换器(4)的出口设置第五铂电阻温度传感器(T5)，在热熔盐罐Ⅱ(5)、蒸汽发生器(8)的入口分别设置有第二熔盐流量传感器(F2)和第三熔盐流量传感器(F3)，在热熔盐罐Ⅱ(5)中设置有第三液位传感器(L3)和第七铂电阻温度传感器(T7),在冷熔盐罐(6)中设置有第二液位传感器(L2)和第六铂电阻温度传感器(T6)；真空泵Ⅰ(10)与冷熔盐罐(6)相连用于给冷熔盐罐(6)排真空，真空泵Ⅰ(10)与冷熔盐罐(6)之间还连接有用于限制冷熔盐罐(6)内压力的限压阀(V24)和第六阀门(V23)；

在热熔盐罐Ⅱ(5)温度、液位均满足要求的条件下，开启蒸汽传热系统的旁路管道，然后启动高温熔盐泵Ⅲ(3)，使得蒸汽传热部分首先在旁路管道内循环，确保系统流动正常的情况下，在需要时便启动蒸汽发生器换热通路，关闭旁路，启动汽轮机组，运行发电。