CN103954054A - 熔融盐吸热器风致热防冻堵装置 - Google Patents

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Abstract

一种熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，包括：风机(1)、传动箱(2)、熔融盐罐(3)、叶轮(4)、熔融盐泵(5)、电动阀门(6a～6e)、熔融盐管道(8)、液位传感器(11)、温度传感器(12a～12b)和控制器(13)。风机(1)与传动箱(2)相连；传动箱(2)与叶轮(4)相连；叶轮(4)和熔融盐泵(5)安装在熔融盐罐(3)内；电动阀门(6a～6d)安装在熔融盐管道(8)上，位于熔融盐吸热器(7)、熔融盐罐(3)及下游设备之间。电动阀门(6e)安装在上升管与进口(10)之间的熔融盐管道(8)上；在熔融盐罐(3)上安装液位传感器(11)和温度传感器(12a)；在熔融盐吸热器(7)上安装温度传感器(12b)；控制器(13)控制装置运行。

Description

熔融盐吸热器风致热防冻堵装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能热发电熔融盐吸热器防冻堵装置，特别涉及到熔融盐吸热器风致热防冻堵装置。
背景技术
熔融盐作为传热和储热工质已经广泛应用到太阳能热发电技术中。正是由于其本身低廉的成本以及吸热、储热一体化的特性，使得熔融盐塔式热发电技术成为最具商业前景并且能够实现基础负荷的一种可再生能源发电方式。但是，熔融盐的凝固点温度高，常规三元熔融盐的凝固点温度为140℃，常用的二元熔融盐(60％NaNO3、40％KNO3混合物)凝固点温度约为210℃，所以，熔融盐管道特别是熔融盐吸热器特别容易发生冻堵现象。早期的法国Themis和美国Solar Two电站都发生因熔融盐吸热器冻堵而导致电站停止运行的现象。所以，熔融盐吸热器在每天启动之前要预热，使吸热器管壁的温度达到凝固点温度以上，才能充入熔融盐工质。在云遮等运行工作条件下，需要对熔融盐吸热器进行保温，以防止熔融盐吸热器的管壁温度低于熔融盐凝固点温度，防止熔融盐在吸热器内凝固；另外，在吸热器晚间停止工作时，需要将熔融盐吸热器内的熔融盐排空，使熔融盐不会因为吸热器一晚上的冷却而冻堵在吸热器内。这些措施提高了熔融盐太阳能热发电站的自耗电，延长了电站的启动时间，从而导致发电成本高。商业的熔融盐太阳能塔式热发电站为了实现上述功能，通常需要使用电伴热的方式。美国桑迪亚国家实验室在《Receiver System:Lessons Learned from Solar Two》报告中就报道了这种熔融盐吸热器的保温和预热方式。采用炉罩将吸热器管板联箱包住，内置辐射式电加热器通电加热联箱。这种方式的主要问题是成本高(约24万美元)，而且炉罩在溢出的太阳辐射的照射下容易挠曲变形导致管板与炉罩间产生缝隙，风会顺着缝隙进入炉罩，导致保温和预热失效，从而导致吸热器管板冻堵。
专利201110139329.2提出了一种空气和熔融盐复合吸热器，利用空气吸热器产生的高温空气对熔融盐管路进行预热，该发明部分解决了熔融盐吸热器的预热问题，但是在夜间没有高温空气时，对于熔融盐吸热器的保温仍然无法完全解决。而且上述发明中，一旦吸热器发生冻堵，就没有很好的化冻措施，只能采用聚光太阳能直接照射吸热器表面慢慢化冻，不但热应力大，而且化冻效果差。
专利201210376125.5提出了一种新型的熔融盐吸热器预热保温防冻堵装置，在塔式电站采光口的周围加装光伏电池板，利用溢出采光口的太阳能发电并存储在蓄电池内。在需要的时候将电能释放出来加到熔融盐吸热器的电伴热系统中，保证熔融盐吸热器管壁的温度高于熔融盐凝固点温度。该发明充分利用了溢出的太阳能，但是为了保证充足的太阳能供应，需要较大的光伏电池板面积及较大的蓄电池容量，从而提高了系统成本。
总之，对于熔融盐吸热器尤其是目前商业化程度最高的管板式熔融盐吸热器的保温预热防冻堵问题仍然没有很好的解决。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的以下缺点，提出一种熔融盐吸热器风致热防冻堵装置：
1.熔融盐吸热器采用电伴热系统防止冻堵，会大大提高熔融盐太阳能热发电站的寄生电力，延长系统的启动时间，以及因温度不均匀引起的热应力，导致熔融盐吸热器的安全性降低发电成本提高；
2.使用现有的复合方式，比如：空气和熔融盐复合吸热器、吸热器采光口周围布置光伏电池板，都依赖于太阳辐照才能实现对吸热器的预热和防冻堵，当夜间或者连阴天的时候，无法实现对于熔融盐吸热器的防冻堵。
本发明技术方案为：
本发明熔融盐吸热器风致热防冻堵装置主要包括风机、传动箱、叶轮、熔融盐罐、熔融盐泵、电动阀门、熔融盐管道、液位传感器、温度传感器和控制器。风机安装在吸热塔上，通过传动箱与叶轮相连，叶轮安装在熔融盐罐内浸泡在熔融盐工质中。熔融盐泵安装在熔融盐罐内，熔融盐泵通过熔融盐管道和电动阀门连接到吸热器上。吸热器出口的熔融盐管道可以通过电动阀门连接至熔融盐罐，也可以通过熔融盐管道和电动阀门连接至下游设备。在熔融盐罐上安装有液位传感器和第一温度传感器，在熔融盐吸热器上安装有第二温度传感器，温度传感器和液位传感器返回的温度信号和液位信号传到控制器内，由控制器控制熔融盐吸热器风致热防冻堵装置的运行。控制器与电站集散控制系统DCS相连。
第一电动阀门和第二电动阀门安装在熔融盐管道上，位于熔融盐泵与熔融盐吸热器之间；第三电动阀门安装在熔融盐管道上，位于熔融盐吸热器与下游设备之间；第四电动阀门安装在熔融盐管道上，位于熔融盐吸热器与熔融盐罐的入口之间；第五电动阀门安装在熔融盐管道上，位于上升管和熔融盐罐的进口之间。
本发明的工作过程为：安装在吸热塔上的风机在风力的作用下转动，将风能转化为机械能，风机连接到传动箱，将水平轴方向的旋转转变为垂直轴方向的旋转，带动叶轮旋转。叶轮安装在熔融盐罐内浸泡在熔融盐中。熔融盐罐安装在吸热塔内。叶轮在熔融盐罐内高速转动与熔融盐工质发生剧烈的摩擦和撞击，从而将机械能转化为热能，提高熔融盐工质的温度。高温的液态熔融盐工质保存在熔融盐罐内。当安装在熔融盐吸热器上的温度传感器探测到需要对吸热器进行预热保温的时候，熔融盐泵将熔融盐工质从熔融盐罐泵出，流入到熔融盐吸热器内，然后流回到熔融盐罐中。当需要释放熔融盐罐内储存的热量时，熔融盐泵将熔融盐工质从熔融盐罐泵出，流入到熔融盐吸热器内，然后流入到下游设备中。熔融盐工质流动途径的调控，由控制器根据温度传感器和液位传感器反馈的信号执行控制。
本发明的特点是：
1.利用太阳能塔式热发电站的吸热塔作为风机塔架，将风机直接安装在吸热塔上；
2.风机通过传动箱带动叶轮旋转。叶轮安装在熔融盐罐内。高速旋转的叶轮与熔融盐工质发生摩擦和碰撞，提升熔融盐工质的温度；
3.熔融盐罐安装在吸热塔上，用来存储高温熔融盐工质也就是风能转化的热能；
4.利用熔融盐罐上安装的液位传感器和温度传感器以及熔融盐吸热器上装有温度传感器传递温度信号和液位信号到控制器中，由控制器对熔融盐吸热器风致热防冻堵装置的运行模式进行控制。
本发明的有益效果是：太阳能与风能往往是互补的，通常情况下太阳辐照不好的时候，比如：夜间、连阴天、冬季等风资源会比较好。而且在我国适合建设太阳能热发电站的广大西北部地区，风资源都比较充足。利用太阳能塔式电站上的风机旋转产生的机械能，搅动熔融盐储罐中熔融盐摩擦生热，将机械能转化为热能提高熔融盐工质的温度。高温熔融盐工质可以流入熔融盐吸热器进行预热、防结冻，并可以起到储能的作用。因此，有益效果为：1)利用太阳能塔式电站的吸热塔直接做风机塔架，风机将风能转化为机械能。使整个装置具有太阳能与风能互补利用的优点；2)该装置不需要在熔融盐吸热器上加装电伴热装置，大大简化了系统结构；3)在熔融盐罐能将风能转化为热能，提升熔融盐工质的温度。高温熔融盐工质流入吸热器进行预热和保温，具有更好的温度均匀性，减小了对吸热器的热应力；4)吸热塔上的熔融盐罐也可以作为储热装置，当白天太阳辐照不充足的时候，将储存的热量释放出来，满足发电的需求。
附图说明
图1熔融盐吸热器风致热防冻堵装置系统结构示意图；
图2熔融盐吸热器风致热防冻堵装置运行控制逻辑图；
图中：1风机，2传动箱，3熔融盐罐，4叶轮，5熔融盐泵，6a、6b、6c、6d、6e电动阀门，7熔融盐吸热器，8熔融盐管道，9排盐口，10进口，11液位传感器，12a、12b温度传感器，13控制器。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为熔融盐吸热器风致热防冻堵装置系统结构示意图。本发明熔融盐吸热器风致热防冻堵装置主要包括：风机1、传动箱2、熔融盐罐3、叶轮4、熔融盐泵5、电动阀门6、熔融盐管道8、液位传感器11和温度传感器12。风机1安装在熔融盐塔式太阳能热发电站的吸热塔上，风机1与传动箱2相连，传动箱2与叶轮4相连，将风机1水平方向的转动转变为叶轮4垂直方向的转动。叶轮4安装在熔融盐罐3内，浸泡在熔融盐工质中。熔融盐罐3的上端有进口10和排盐口9。熔融盐罐3安装在吸热塔上。熔融盐泵5安装在熔融盐罐3内。通过熔融盐管道8联通熔融盐罐3和熔融盐吸热器7。在熔融盐泵5与熔融盐吸热器7之间的熔融盐管道8上安装有第一电动阀门6a和第二电动阀门6b。熔融盐工质由下向上流出熔融盐吸热器7，熔融盐吸热器7的出口安装两根并联的熔融盐管道8，分别通入熔融盐罐3的进口10和下游设备。在熔融盐吸热器7上端与熔融盐罐3的进口10之间的熔融盐管道8上安装有第四电动阀门6d，在熔融盐吸热器7上端与下游设备之间的熔融盐管道8上安装有第三电动阀门6c。上升管与熔融盐罐3的之间的熔融盐管道8上安装第五电动阀门6e。在熔融盐罐3上安装液位传感器11和第一温度传感器12a。在熔融盐吸热器7上安装第二温度传感器12b。第一温度传感器12a、第二温度传感器12b以及液位传感器11反馈的温度信号和液位信号反馈到控制器中，由控制器控制熔融盐吸热器风致热防冻堵装置的运行。控制器与熔融盐塔式电站的集散控制系统DCS相连。
图2所示为熔融盐吸热器风致热防冻堵装置运行控制逻辑图。本发明的运行控制逻辑为：
系统的初始化状态为：第一电动阀门6a、第四电动阀门6d、第五电动阀门6e为关闭状态，第二电动阀门6b、第三电动阀门6c为开启状态，熔融盐泵为关闭状态。
熔融盐罐3设定温度为T1和T2，T1<T2。熔融盐罐3设定为液位L1、L2，L1>L2。熔融盐吸热器7设定温度为T3，T3<T1。
a)首先判断电动阀门6是否处于初始化状态，如果电动阀门6没有处于初始化状态，那么调节阀门6至初始化状态；
b)如果电动阀门6处于初始化状态，那么控制器13通过温度熔融盐罐3上的第一温度传感器12a反馈回来的温度信号，判断熔融盐罐3的温度是否大于设定值T1。如果熔融盐罐3的温度小于设定值T1，那么由熔融盐塔式电站集散控制系统DCS接着判断熔融盐塔式电站是否停止运行，如果电站停止运行了，那么电站集散控制系统DCS发出控制信号关闭熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，熔融盐罐3内的熔融盐工质从排盐口9排出，使熔融盐罐3排空。如果电站没有停止运行，那么控制器13发出控制信号打开第五电动阀门6e，使熔融盐从上升管经过第五电动阀门6e，通过熔融盐罐3的进口10进入熔融盐罐3。在进盐的过程中，控制器13通过熔融盐罐3上的液位传感器11反馈回来的液位信号，判断熔融盐罐3的液位是否达到设定值L1。如果没有达到设定值L1，那么持续进盐，直至达到液位设定值L1。如果达到了液位设定值L1，那么控制器13发出控制信号关闭第五电动阀门6e，打开风机1并保持运转，使熔融盐罐3内的熔融盐工质温度逐渐升高。然后进入步骤c)。
c)控制器13通过熔融盐罐3上的第一温度传感器12a判断熔融盐罐3内的温度是否小于设定值T2。如果熔融盐罐3的温度不小于设定值T2，那么控制器13发出控制信号打开第一电动阀门6a以及熔融盐泵5，使熔融盐工质从熔融盐罐3流经第一电动阀门6a、第二电动阀门6b进入熔融盐吸热器7，然后流经第三电动阀门6c，进入下游设备。在此过程中控制器13通过熔融盐罐3上的液位传感器11反馈回来的液位信号，判断熔融盐罐3的液位是否小于设定值L2，如果没有达到设定值L2，那么继续放盐直至液位达到设定值L2。如果达到设定值L2，那么控制器13发出可控制信号关闭第一电动阀门6a和熔融盐泵5，打开第五电动阀门6e，使熔融盐从上升管经过第五电动阀门6e，通过熔融盐罐3的进口10进入熔融盐罐3。在此过程中，控制器13判断熔融盐罐3的液位是否达到设定值L1。如果没有达到设定值L1，那么一直进盐，直至液位达到设定值L1。熔融盐罐3的液位达到设定值L1后，控制器13发出可控制信号关闭第五电动阀门6e。然后进入步骤c)，继续判断熔融盐罐3内的温度是否小于设定值T2。如果熔融盐罐3的温度小于设定值T2，那么进入步骤d)。
d)熔融盐罐3内的温度小于设定值T2。控制器13通过安装在熔融盐吸热器7上的第二温度传感器12b反馈回来的温度信号，判断熔融盐吸热器7的表面温度是否小于设定值T3。如果熔融盐吸热器7的表面温度小于设定值T3，那么，控制器13发出可控制信号关闭第三电动阀门6c，打开第一电动阀门6a、第四电动阀门6d和熔融盐泵5，使熔融盐罐3内的熔融盐工质经过熔融盐泵5，第一电动阀门6a、第二电动阀门6b，熔融盐吸热器7，第四电动阀门6d，通过熔融盐罐3的进口10，流入到熔融盐罐3中。然后进入步骤b)判断熔融盐罐3的温度是否大于设定值T1，然后，顺序执行步骤b)、c)和d)。如果熔融盐吸热器7的表面温度不小于设定值T3，维持风机1的运行状态，持续提升熔融盐罐3内的熔融盐工质温度。然后，进入步骤c)判断熔融盐罐3内的温度是否小于设定值T2。然后顺序执行步骤c)和d)。

Claims (5)

1.一种熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，其特征是：所述的熔融盐吸热器风致热防冻堵装置包括风机(1)、传动箱(2)、熔融盐罐(3)、叶轮(4)、熔融盐泵(5)、电动阀门(6a、6b、6c、6d、6e)、熔融盐管道(8)、液位传感器(11)、温度传感器(12a、12b)和控制器(13)；风机(1)与传动箱(2)相连；传动箱(2)与叶轮(4)相连；叶轮(4)安装在熔融盐罐(3)内；熔融盐泵(5)安装熔融盐罐(3)内；第一电动阀门(6a)和第二电动阀门(6b)安装在熔融盐管道(8)上，位于熔融盐泵(5)与熔融盐吸热器(7)之间；第四电动阀门(6d)安装在熔融盐管道(8)上，位于熔融盐吸热器(7)与熔融盐罐(3)的入口(10)之间；第三电动阀门(6c)安装在熔融盐管道(8)上，位于熔融盐吸热器(7)与下游设备之间；第五电动阀门(6e)安装在熔融盐管道(8)上，位于上升管和熔融盐罐(3)的进口(10)之间；在熔融盐罐(3)上安装有液位传感器(11)和第一温度传感器(12a)；在熔融盐吸热器(7)上安装有第二温度传感器(12b)；控制器(13)接收温度传感器(12a、12b)以及液位传感器(11)反馈的温度信号和液位信号，发送控制信号至熔融盐吸热器风致热防冻堵装置；控制器(13)与电站集散控制系统相连。
2.按照权利要求1所述的熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，其特征是：所述的熔融盐罐(3)安装在吸热塔上；叶轮(4)安装在熔融盐罐(3)的内部；熔融盐泵(5)安装在熔融盐罐(3)内部；熔融盐罐(3)上安装有第一温度传感器(12a)和液位传感器(11)；熔融盐罐(3)设有入口(10)和排盐口(9)。
3.按照权利要求1所述的熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，其特征是：所述的风机(1)安装在吸热塔上。
4.按照权利要求1所述的熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，其特征是：所述的控制器(13)与所述的第一温度传感器(12a)相连，还和液位传感器(11)以及所述的第二温度传感器(12b)相连。
5.按照权利要求1所述的熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，其特征是：所述的熔融盐吸热器风致热防冻堵装置运行逻辑为：
系统的初始化状态为：第一电动阀门(6a)、第四电动阀门(6d、)和第五电动阀门(6e)为关闭状态，第二电动阀门(6b)、第三电动阀门(6c)为开启状态，熔融盐泵为关闭状态；
熔融盐罐(3)的设定温度为T1和T2，T1<T2；熔融盐罐(3)的设定液位为L1和L2，L1>L2；熔融盐吸热器(7)的设定温度为T3，T3<T1；
a)首先判断电动阀门(6)是否处于初始化状态，如果电动阀门(6)没有处于初始化状态，则调节阀门(6)至初始化状态；
b)如果电动阀门(6)处于初始化状态，控制器(13)通过温度熔融盐罐(3)上的第一温度传感器(12a)反馈回来的温度信号，判断熔融盐罐(3)的温度是否大于设定值T1；如果熔融盐罐(3)的温度小于设定值T1，则由熔融盐塔式电站集散控制系统接着判断熔融盐塔式电站是否停止运行；如果熔融盐塔式电站停止运行，则电站集散控制系统发出控制信号关闭熔融盐吸热器风致热防冻堵装置，熔融盐罐(3)内的熔融盐工质从排盐口(9)排出，使熔融盐罐(3)排空；如果熔融盐塔式电站没有停止运行，则控制器(13)发出控制信号打开第五电动阀门(6e)，使熔融盐从上升管经过第五电动阀门(6e)，通过熔融盐罐(3)的进口(10)进入熔融盐罐(3)；在进盐的过程中，控制器(13)通过熔融盐罐(3)上的液位传感器(11)反馈回来的液位信号，判断熔融盐罐(3)的液位是否达到设定值L1，如果没有达到设定值L1，那么持续进盐，直至达到液位设定值L1；如果达到了液位设定值L1，则控制器(13)发出控制信号关闭第五电动阀门(6e)，打开风机(1)并保持运转，使熔融盐罐(3)内的熔融盐工质温度逐渐升高，然后进入步骤c)；
c)控制器(13)通过熔融盐罐(3)上的第一温度传感器(12a)判断熔融盐罐(3)内的温度是否小于设定值T2；如果熔融盐罐(3)的温度不小于设定值T2，那么控制器(13)发出控制信号打开第一电动阀门(6a)以及熔融盐泵(5)，使熔融盐工质从熔融盐罐(3)流经第一电动阀门(6a)和第二电动阀门(6b)进入熔融盐吸热器(7)，然后流经第三电动阀门(6c)，进入下游设备；在此过程中控制器13通过熔融盐罐(3)上的液位传感器(11)反馈回来的液位信号，判断熔融盐罐(3)的液位是否小于设定值L2，如果没有达到设定值L2，则继续放盐直至液位达到设定值L2；如果达到设定值L2，那么控制器(13)发出可控制信号关闭第一电动阀门(6a)和熔融盐泵(5)，打开第五电动阀门(6e)，使熔融盐从上升管经过第五电动阀门(6e)，通过熔融盐罐(3)的进口(10)进入熔融盐罐(3)；在此过程中，控制器(13)判断熔融盐罐(3)的液位是否达到设定值L1；如果没有达到设定值L1，那么一直进盐，直至液位达到设定值L1；熔融盐罐(3)的液位达到设定值L1后，控制器(13)发出可控制信号关闭第五电动阀门(6e)；然后进入步骤c)继续判断熔融盐罐(3)内的温度是否小于设定值T2；如果熔融盐罐(3)的温度小于设定值T2，那么进入步骤d)；
d)熔融盐罐(3)内的温度小于设定值T2；控制器(13)通过安装在熔融盐吸热器(7)上的第二温度传感器(12b)反馈回来的温度信号，判断熔融盐吸热器(7)的表面温度是否小于设定值T3；如果熔融盐吸热器(7)的表面温度小于设定值T3，那么，控制器(13)发出可控制信号关闭第三电动阀门(6c)，打开第一电动阀门(6a)、第四电动阀门(6d)和熔融盐泵(5)，使熔融盐罐(3)内的熔融盐工质经过熔融盐泵(5)，第一电动阀门(6a)、第二电动阀门(6b)，熔融盐吸热器(7)，第四电动阀门(6d)，通过熔融盐罐(3)的进口(10)，流入到熔融盐罐(3)中；然后进入步骤b)判断熔融盐罐(3)的温度是否大于设定值T1，然后，顺序执行步骤b)、c)和d)；如果熔融盐吸热器(7)的表面温度不小于设定值T3，维持风机(1)的运行状态，持续提升熔融盐罐(3)内的熔融盐工质温度；然后，进入步骤c)判断熔融盐罐(3)内的温度是否小于设定值T2；然后顺序执行步骤c)和d)。
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