CN104963776A - 一种太阳能热互补联合循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于太阳能与燃气轮机联合发电技术领域的一种太阳能热互补联合循环发电系统。第五调节阀门、气-水换热器、冷空气压气机、槽式聚光集热镜场组成槽式太阳能子系统；以燃机压缩空气作为换热工质，集成温度不再受换热工质物性限制；工作于中压集成方式下时，中压给水泵出口处的给水分成两股，一股流进中压省煤器，另一股通过第二调节阀门和第四调节阀门控制；工作于高压集成方式下时，高压给水泵出口处的给水分成两股，一股流进第一级高压省煤器，另一股通过第一调节阀门和第三调节阀门控制；集热后的空气注回燃机燃烧室，可保证较高的太阳能热转电效率。与传统太阳能热互补联合循环发电系统相比，具有较高的热力学优势和经济性优势。

Description

一种太阳能热互补联合循环发电系统
技术领域
本发明属于太阳能与燃气轮机联合发电技术领域，特别涉及一种太阳能热互补联合循环发电系统。
背景技术
一次能源的大量消耗，不仅造成了诸如雾霾等环境污染，同时还产生了大量温室气体CO2，面对环境污染以及温室效应等全球性环境问题，各国在制定能源发展路线时，均将可再生能源作为发展重点。将太阳能热发电技术与成熟的常规发电技术整合，进行多能源互补发电，可降低开发利用太阳能的技术风险和经济风险，有效解决太阳能利用不稳定和蓄热技术不成熟等技术瓶颈问题，实现高效、低成本地利用太阳能，是太阳能热发电技术可持续发展的近中期阶段。
传统太阳能热互补联合循环系统以导热油或熔盐作为其槽式太阳能子系统的换热工质，槽式太阳能子系统集成温度受换热工质物性的限制；在槽式太阳能子系统启动运行时，需对换热工质进行电加热或抽汽加热以达到换热工质的最低启动运行温度；同时，换热工质长时间运行可分解产生氢气等气体，直接影响集热器的热效率。本发明提出了一种新型的太阳能热互补联合循环发电系统，与传统太阳能热互补联合循环系统相比，具有较高的热力学优势和经济性优势。
发明内容
本发明的目的在于提出一种太阳能热互补联合循环发电系统，其特征在于，燃机压气机1通过燃机燃烧室3与燃机透平2连接；燃机压气机1、燃机透平2、 第二发电机31共轴连接；燃机压气机1的出口经第五调节阀门29、气-水换热器32、冷空气压气机33、槽式聚光集热镜场34与燃机燃烧室3的入口连接；燃机透平2的出口与三压再热余热锅炉35的入口连接；汽轮机低压缸6的出口经冷凝器7、低压给水泵8、低压省煤器11、低压汽包22、低压蒸发器12、低压过热器16与汽轮机低压缸6的入口连接；低压省煤器11的出口经高压给水泵10、第一级高压省煤器13、第二级高压省煤器17、高压汽包24、高压蒸发器19、高压过热器21与汽轮机高压缸4的入口连接；高压给水泵10的出口经第一调节阀门25、气-水换热器32、第三调节阀门27与高压过热器21的入口连接；低压省煤器11的出口经中压给水泵9、中压省煤器14、中压汽包23、中压蒸发器15、中压过热器18与再热器20的入口连接；中压给水泵9的出口经第二调节阀门26、气-水换热器32、第四调节阀门28与再热器20的入口连接；汽轮机高压缸4的出口与再热器20的入口连接；再热器20的出口与汽轮机中压缸5的入口连接；汽轮机中压缸5的出口与汽轮机低压缸6的入口连接；汽轮机高压缸4、汽轮机中压缸5、汽轮机低压缸6、第一发电机30共轴连接。 
所述第五调节阀门29、气-水换热器32、冷空气压气机33、槽式聚光集热镜场34组成槽式太阳能子系统；槽式太阳能子系统以燃机压缩空气作为换热工质；燃机压气机1出口的燃机压缩空气通过第五调节阀29控制抽气流量，流经气-水换热器32放热冷却，在冷空气压气机33中升压后流经槽式聚光集热镜场34，吸收太阳能热量后回注到燃机燃烧室3中与燃料混合燃烧。
当太阳能热互补联合循环发电系统工作于中压集成方式下时，关闭第一调节阀门25和第三调节阀门27，中压给水泵9出口处的给水分成两股，一股流进中压省煤器14；另一股通过第二调节阀门26和第四调节阀门28控制，流经气-水换热器32吸收燃机压缩空气热量，达到与中压过热器18出口蒸汽相同温度 后，与中压过热器18的出口蒸汽、汽轮机高压缸4的排汽混合后进入再热器20再热。
当太阳能热互补联合循环发电系统工作于高压集成方式下时，关闭第二调节阀门26和第四调节阀门28，高压给水泵10出口处的给水分成两股，一股流进第一级高压省煤器13；另一股通过第一调节阀门25和第三调节阀门27控制，流经气-水换热器32吸收燃机压缩空气热量，达到与高压汽包24出口饱和蒸汽相同干度后，与高压汽包24出口饱和蒸汽混合后进入高压过热器21过热。
本发明的有益效果是针对传统太阳能热互补联合循环系统热力学优势和经济性优势不足的现状，提出了一种太阳能热互补联合循环发电系统，以燃机压缩空气作为换热工质，槽式太阳能子系统的集成温度不再受换热工质物性限制；避免了以导热油或熔盐作为换热工质时，槽式太阳能子系统启动需对换热工质加热而带来的能量损失；省去了膨胀箱等设备，简化了槽式太阳能子系统；集热后的空气注回燃机燃烧室，可保证较高的太阳能热转电效率；与传统太阳能热互补联合循环系统相比，具有较高的热力学优势和经济性优势。
附图说明
图1为本发明提出的太阳能热互补联合循环发电系统示意图。
图中标号：1-燃机压气机、2-燃机透平、3-燃机燃烧室、4-汽轮机高压缸、5-汽轮机中压缸、6-汽轮机低压缸、7-冷凝器、8-低压给水泵、9-中压给水泵、10-高压给水泵、11-低压省煤器、12-低压蒸发器、13-第一级高压省煤器、14-中压省煤器、15-中压蒸发器、16-低压过热器、17-第二级高压省煤器、18-中压过热器、19-高压蒸发器、20-再热器、21-高压过热器、22-低压汽包、23-中压汽包、24-高压汽包、25-第一调节阀门、26-第二调节阀门、27-第三调节阀门、28-第四调节阀门、29-第五调节阀门、30-第一发电机、31-第二发电机、32-气-水换热器、 33-冷空气压气机、34-槽式聚光集热镜场、35-三压再热余热锅炉。
具体实施方式
本发明提出一种太阳能热互补联合循环发电系统，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
图1所示为本发明提出的太阳能热互补联合循环发电系统示意图，燃机压气机1通过燃机燃烧室3与燃机透平2连接；燃机压气机1、燃机透平2、第二发电机31共轴连接；燃机压气机1的出口经第五调节阀门29、气-水换热器32、冷空气压气机33、槽式聚光集热镜场34与燃机燃烧室3的入口连接；燃机透平2的出口与三压再热余热锅炉35的入口连接；汽轮机低压缸6的出口经冷凝器7、低压给水泵8、低压省煤器11、低压汽包22、低压蒸发器12、低压过热器16与汽轮机低压缸6的入口连接；低压省煤器11的出口经高压给水泵10、第一级高压省煤器13、第二级高压省煤器17、高压汽包24、高压蒸发器19、高压过热器21与汽轮机高压缸4的入口连接；高压给水泵10的出口经第一调节阀门25、气-水换热器32、第三调节阀门27与高压过热器21的入口连接；低压省煤器11的出口经中压给水泵9、中压省煤器14、中压汽包23、中压蒸发器15、中压过热器18与再热器20的入口连接；中压给水泵9的出口经第二调节阀门26、气-水换热器32、第四调节阀门28与再热器20的入口连接；汽轮机高压缸4的出口与再热器20的入口连接；再热器20的出口与汽轮机中压缸5的入口连接；汽轮机中压缸5的出口与汽轮机低压缸6的入口连接；汽轮机高压缸4、汽轮机中压缸5、汽轮机低压缸6、第一发电机30共轴连接。 
其中，第五调节阀门、气-水换热器、冷空气压气机、槽式聚光集热镜场组成槽式太阳能子系统；槽式太阳能子系统以燃机压缩空气作为换热工质；燃机压气机出口的燃机压缩空气，通过第五调节阀门控制抽气流量，燃机压缩空气 流经气-水换热器放热，冷却后的燃机压缩空气经冷空气压气机升压以弥补流程中的压力损失；升压后的冷却空气流经槽式聚光集热镜场，作为槽式太阳能子系统换热工质吸收太阳能热量后回注到燃机燃烧室与燃料混合燃烧。
本发明采用PG9351FA型燃气轮机；空气在燃机压气机中压缩，排入燃机燃烧室与燃料混合燃烧；生成的高温高压烟气流入燃机透平做功，之后排入三压再热余热锅炉进行烟气余热再利用。
汽轮机低压缸乏汽，经冷凝器冷凝以及低压给水泵初步升压后排入三压再热余热锅炉中，给水流经低压省煤器后分流：一股给水流经低压汽包、低压蒸发器以及低压过热器，从过冷水转变成过热蒸汽，并与汽轮机中压缸排汽混合进入汽轮机低压缸做功；另一股给水由中压给水泵升压后，流经中压省煤器、中压汽包、中压蒸发器、中压过热器，从过冷水转变成过热蒸汽并与汽轮机高压缸排汽混合后进入再热器再热，再热蒸汽流经汽轮机中压缸做功；最后一股给水由高压给水泵升压后，流经第一级高压省煤器、第二级高压省煤器、高压汽包、高压蒸发器以及高压过热器，从过冷态转变成过热态，并流经汽轮机高压缸做功。
汽轮机低压缸通过轴连接第一发电机，将机械能转变成电能；燃机压气机通过轴连接第二发电机，将机械能转变成电能。
当太阳能热互补联合循环发电系统工作于中压集成方式下时，关闭第一调节阀门和第三调节阀门，中压给水泵出口处的给水分成两股，一股流进中压省煤器；另一股通过第二调节阀门和第四调节阀门控制，流经气-水换热器吸收燃机压缩空气热量，达到与中压过热器出口蒸汽相同温度后，与中压过热器出口蒸汽、汽轮机高压缸排汽混合后进入再热器再热。
当太阳能热互补联合循环发电系统工作于高压集成方式下时，关闭第二调 节阀门和第四调节阀门，高压给水泵出口处的给水分成两股，一股流进第一级高压省煤器；另一股通过第一调节阀门和第三调节阀门控制，流经气-水换热器吸收燃机压缩空气热量，达到与高压汽包出口饱和蒸汽相同干度后，与高压汽包出口饱和蒸汽混合后进入高压过热器过热。
槽式聚光集热镜场中的槽式聚光集热器东西方向布置，燃料选用西气东输天然气，天气数据选用宁夏银川某一典型年数据；表1列出了热力学分析基础数据，表2列出了经济性分析基础数据。
表1 热力学分析基础数据
表2 经济性分析基础数据
针对30MW的设计容量，在不同压力集成方式下，将传统太阳能热互补联合循环发电系统与本发明提出的太阳能热互补联合循环发电系统进行对比，太阳能热发电效率和平准化发电成本数据如表3所示，两种太阳能热互补联合循 环发电系统均考虑了集成太阳能系统所造成的改造损失。
表3 30MW设计容量下，不同集成方案的热力学性能与经济性数据
由表3可以看出： 
(1)在中压集成方式下，以导热油为槽式太阳能子系统换热工质的传统太阳能热互补联合循环发电系统对应的太阳能热发电效率为8.7％，平准化发电成本为0.374€/kWh；以燃机压缩空气为槽式太阳能子系统换热工质的太阳能热互补联合循环发电系统，当集热温度为500℃时，对应最高的太阳能热发电效率12.0％(较传统太阳能热互补联合循环发电系统高出3.3％)和最低的平准化发电成本0.270€/kWh(较传统太阳能热互补联合循环发电系统节省0.104€/kWh)。
(2)在高压集成方式下，以导热油为槽式太阳能子系统换热工质的传统太阳能热互补联合循环发电系统对应的太阳能热发电效率为9.1％，平准化发电成本为0.360€/kWh；以燃机压缩空气为槽式太阳能子系统换热工质的太阳能热互补联合循环发电系统，当集热温度为450℃时，对应最高的太阳能热发电效率12.2％(较传统太阳能热互补联合循环发电系统高出3.1％)和最低的平准化发电成本0.266€/kWh(较传统太阳能热互补联合循环发电系统节省0.094€/kWh)。
因此，与传统太阳能热互补联合循环发电系统相比，本发明提出的太阳能热互补联合循环发电系统具有显著的热力学集成优势和经济性优势。
本发明提出的太阳能热互补联合循环发电系统，以燃机压缩空气作为槽式 太阳能子系统换热工质，不仅节省成本，而且使槽式太阳能子系统的集成温度不再受换热工质物性限制；优化槽式聚光集热镜场，使燃机压缩空气压损降到可接受的范围内；避免了以导热油或熔盐作为换热工质时，槽式太阳能子系统启动需对换热工质加热而带来的能量损失；省去了膨胀箱等设备，简化了槽式太阳能子系统；集热后的空气注回燃机燃烧室，可保证较高的太阳能热转电效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种太阳能热互补联合循环发电系统，其特征在于，燃机压气机(1)通过燃机燃烧室(3)与燃机透平(2)连接；燃机压气机(1)、燃机透平(2)、第二发电机(31)共轴连接；燃机压气机(1)的出口经第五调节阀门(29)、气-水换热器(32)、冷空气压气机(33)、槽式聚光集热镜场(34)与燃机燃烧室(3)的入口连接；燃机透平(2)的出口与三压再热余热锅炉(35)的入口连接；汽轮机低压缸(6)的出口经冷凝器(7)、低压给水泵(8)、低压省煤器(11)、低压汽包(22)、低压蒸发器(12)、低压过热器(16)与汽轮机低压缸(6)的入口连接；低压省煤器(11)的出口经高压给水泵(10)、第一级高压省煤器(13)、第二级高压省煤器(17)、高压汽包(24)、高压蒸发器(19)、高压过热器(21)与汽轮机高压缸(4)的入口连接；高压给水泵(10)的出口经第一调节阀门(25)、气-水换热器(32)、第三调节阀门(27)与高压过热器(21)的入口连接；低压省煤器(11)的出口经中压给水泵(9)、中压省煤器(14)、中压汽包(23)、中压蒸发器(15)、中压过热器(18)与再热器(20)的入口连接；中压给水泵(9)的出口经第二调节阀门(26)、气-水换热器(32)、第四调节阀门(28)与再热器(20)的入口连接；汽轮机高压缸(4)的出口与再热器(20)的入口连接；再热器(20)的出口与汽轮机中压缸(5)的入口连接；汽轮机中压缸(5)的出口与汽轮机低压缸(6)的入口连接；汽轮机高压缸(4)、汽轮机中压缸(5)、汽轮机低压缸(6)、第一发电机(30)共轴连接。
2.根据权利要求1所述一种太阳能热互补联合循环发电系统，其特征在于，所述第五调节阀门(29)、气-水换热器(32)、冷空气压气机(33)、槽式聚光集热镜场(34)组成槽式太阳能子系统；槽式太阳能子系统以燃机压缩空气作为换热工质；燃机压气机(1)出口的燃机压缩空气通过第五调节阀(29)控制抽气流量，流经气-水换热器(32)放热冷却，在冷空气压气机(33)中升压后流经槽式聚光集热镜场(34)，吸收太阳能热量后回注到燃机燃烧室(3)中与燃料混合燃烧。
3.根据权利要求1所述一种太阳能热互补联合循环发电系统，其特征在于，当新型太阳能热互补联合循环发电系统工作于中压集成方式下时，关闭第一调节阀门(25)和第三调节阀门(27)，中压给水泵(9)出口处的给水分成两股，一股流进中压省煤器(14)；另一股通过第二调节阀门(26)和第四调节阀门(28)控制，流经气-水换热器(32)吸收燃机压缩空气热量，达到与中压过热器(18)出口蒸汽相同温度后，与中压过热器(18)的出口蒸汽、汽轮机高压缸(4)的排汽混合后进入再热器(20)再热。
4.根据权利要求1所述一种太阳能热互补联合循环发电系统，其特征在于，当新型太阳能热互补联合循环发电系统工作于高压集成方式下时，关闭第二调节阀门(26)和第四调节阀门(28)，高压给水泵(10)出口处的给水分成两股，一股流进第一级高压省煤器(13)；另一股通过第一调节阀门(25)和第三调节阀门(27)控制，流经气-水换热器(32)吸收燃机压缩空气热量，达到与高压汽包(24)出口饱和蒸汽相同干度后，与高压汽包(24)出口饱和蒸汽混合后进入高压过热器(21)过热。
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