CN105518384B - 用于防止塔型聚焦太阳能电站的锅炉中蒸干的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

蒸汽循环发生方法，用于通过带有接收约600kW/m2的入射阳光流的太阳能接收器的功率高于100MW的工业蒸汽发生器，产生压力约为200bar及温度约为600℃的蒸汽循环，该方法至少包括以下相继阶段：通过转移来自入射到蒸发器上的阳光流的热量而在蒸发器(2)中产生水‑蒸汽混合物；水‑蒸汽混合物在分离球形体(4)中分离为饱和水与饱和蒸汽，饱和蒸汽的压力在160‑200bar之间，饱和蒸汽的温度在347‑366℃之间；将供应水注入到混合球形体(5)中，在其中，供应水与来自分离球形体(4)的饱和水混合，然后混合水通过配有循环泵(3)的回流管道(9)返回到蒸发器(2)，使得进入蒸发器(2)中的混合水的温度比饱和蒸汽的温度低在5‑15℃之间的值。

Description

用于防止塔型聚焦太阳能电站的锅炉中蒸干的方法和装置
技术领域
本发明涉及大功率锅炉、特别是功率大大超过100MW并且蒸汽压力接近200bar(巴)、蒸汽温度接近600℃的锅炉的技术领域。
特别是，本发明涉及简单蒸汽循环式的聚焦太阳能电站的领域，电站包括只具有一个蒸发器和一个过热器(没有再过热器)的太阳能接收器。
背景技术
已知塔式聚焦太阳能电站，其中太阳辐射通过一系列被称为定日镜的镜子向电站的太阳能接收器反射，接收器将太阳辐射能转换为可用于发电的热流体。
定日镜设有无论当前季节和白天时刻如何都可以跟随太阳并始终将阳光流送往给定点的两个转动机构。
太阳能接收器安装在塔顶部，以便从所有定日镜接收太阳辐射，而一个给定的定日镜不会妨碍到从相邻定日镜的阳光流反射。
太阳能接收器中产生的热流体可以是利用供给水产生的高压高温蒸汽。则蒸汽可以直接用于带动发电机的蒸汽涡轮机中。
此类太阳能电站的安装成本比较高，因此要考虑所有用于降低该成本的方案。
在所考虑的方案中，通过阶梯效应增加功率是一个重要因素。
另一种方案是提高循环效率：当效率增加时，可以对于相同的输出功率减少定日镜的数量，因此降低塔的高度，因此降低费用。当蒸汽循环压力和蒸汽温度增加时，蒸汽循环的效率增加。
现今考虑的功率大大超过100MW，蒸汽压力接近200bar，并且蒸汽温度接近600℃。对于这些性能水平，太阳能接收器可以只包括一个蒸发器和一个过热器：因此可以有利地避免再过热，从而避免其相关的成本。
太阳能接收器由从定日镜接收阳光流并把热传递给容纳在管中的水和/或蒸汽的管壁构成。两个不同的交换器形成该太阳能接收器：把供应水转换为饱和蒸汽的蒸发器、和将饱和蒸汽的温度增加到希望值的过热器。
作为锅炉的重要储存器的球形体位于两个交换器之间。球形体通过泵系统给蒸发器提供水。实际上，在这些高压下，由于水与蒸汽之间的密度差太小，因而不再可能有自然循环。需要另外保证足够的循环率，以避免蒸发器由于水中所含的盐而结垢堵塞，而且也以便避免管的内表面蒸干。
管内表面的蒸干(Dry-out)也是蒸发器的重要数据：如果管内表面的蒸干发生，则水或水-蒸汽混合物与管之间的交换系数突然下降，管不再被冷却，因此管不再能排出以辐射形式接收的热量。则出现可能导致管破坏的过热。同样根据某些被称为DNB(Departurefrom nucleate boiling：偏离泡核沸腾)的蒸发规律也存在这种效应。
球形体接收供应水，供应水的流量等于蒸发器产生的蒸汽的流量，蒸汽被输出到球形体的出口。输入的供应水与容纳在球形体中的饱和水相混合。
球形体使来自蒸发器的蒸汽与水分离：水重新流向蒸发器，蒸汽在干燥后被输出到为此设置在球形体内的设备中。
在上面描述的构型中，通过循环系统送往蒸发器的水处于饱和温度。对可接收的最大临界流的估算导致了由于极高压力所造成的涉及蒸干(Dry-Out/DNB)的主要困难。
在一定数量的专利、有时是非常老旧的专利中，出于这些文献中明确阐述的原因，提出带有互相连接、例如叠置的两个球形体的锅炉的布置。
例如：
－在FR 678 909的蒸汽发生器中，方便水/蒸汽分离以便输出干燥蒸汽。在文献DE285 489中也遇到这种考虑；
－在文献GB 529 444的双球管式锅炉中，具有更好的循环特征；
－在WO 2012/148656 A1的热回收蒸汽发生器中，减小球形体直径并因此减小球形体厚度，并增加运行的灵活性(启动时间更短，更快达到蒸发器的运行温度)；
－在WO 2012/129195 A2的热回收蒸汽发生器中，也减小球形体直径，因此减小球形体厚度，因而启动时穿过球形体壁的温度梯度减小，温度梯度会增加球形体热疲劳，而热疲劳又导致裂隙形式的球形体磨损。球形体厚度减小还可降低制造成本。在文献EP 1 526331 A1中也可看到这些考虑。
－文献US 2010/0236293 A1描述了对于使用太阳辐射的涡轮发电站产生蒸汽的方法和发生器。太阳辐射被导引到太阳能接收器上。太阳能接收器包括第一部分，该第一部分具有供应水入口，太阳能接收器布置用于加热输入的供应水，以便利用导引的太阳辐射产生蒸汽。供应水穿过用于在接收器第一部分的入口输入供应水的供应水容器流动。水在蒸汽分离容器中与蒸汽分离，蒸汽分离容器与接收器第一部分的出口流体连通。可以通过太阳能以外的预热源、尤其是电预热源选择性地预热输入的供应水，以在太阳照射时间或电能供应时间(tarif horaire)响应系统运行条件。强制循环泵可以使流体穿过预热器。入射到太阳能接收器上的阳光流在最大太阳模式至多在130-230kW/m2的范围内。另外，过热蒸汽所达到的温度为540-560℃，压力在100-140bar的范围内。这些运行条件太低，而不会使蒸汽发生管的蒸干现象出现。该文献对蒸汽发生器应面对与极高压力(180bar到超过200bar)相关的困难的情况没有教导任何的解决方案。
总之，双球形体式蒸汽发生器长时间以来已为人所知，目的是产生更干燥的可用蒸汽，或降低材料疲劳，或甚至降低系统成本。
在任何情况下都没有提到过蒸干(dry-out/DNB)问题。在设想的所有情况下，这些专利的目标锅炉实际上比起本发明设想的情况都在低得多的压力下工作并且热流也低得多，因此不存在任何蒸干风险。
发明内容
发明目的
本发明旨在提出一种可以克服高压锅炉的蒸汽发生器中可能发生的蒸干和过热问题的解决方案。
特别是，本发明旨在在聚焦太阳能电站用的锅炉的情况下防止这些问题。
本发明的目的还在于提供一种具有提高的运行灵活性和较低成本的高压高温锅炉。
本发明还旨在提供一种具有独创布置及独创用途的双球形体式锅炉。
发明的主要特征元素
本发明的第一方面涉及一种蒸汽发生方法，用于通过带有接收约600kW/m2的入射流的太阳能接收器的工业蒸汽发生器，产生在高压即压力超过160bar、优选超过180bar、甚至更优选地约为200bar并且在高温即在过热器处温度约为600℃下的蒸汽。工业蒸汽发生器的功率高于100MW，典型地功率为250MW。所述工业蒸发发生器包括：蒸发器；蒸发器后是过热器；位于蒸发器与过热器之间的被称为分离球形体的第一球形体，第一球形体沿竖向叠置于被称为混合球形体的第二球形体之上，分离球形体设有用于把饱和蒸汽送往过热器的出口，混合球形体设有用于供应水输入的入口，混合球形体与使水向蒸发器返回的回流管道连接，所述回流管道设有循环泵，分离球形体和混合球形体通过至少一个连接管道连通。所述蒸汽发生方法至少包括以下相继阶段：
－通过转移来自入射到蒸发器上的阳光流的热量而在蒸发器中产生水-蒸汽混合物；
－水-蒸汽混合物在分离球形体中分离为饱和水与饱和蒸汽，饱和蒸汽的压力在160-200bar之间，饱和蒸汽的温度在347-366℃之间；
－将供应水注入到混合球形体中，在混合球形体中，供应水与来自分离球形体的饱和水混合，然后混合水通过配有循环泵的回流管道返回到蒸发器，
使得进入蒸发器中的混合水的温度比饱和蒸汽的温度低在5-15℃之间的值。
根据本发明的一优选实施方式，进入蒸发器中的混合水的温度比饱和蒸汽的温度低在5-10℃之间的值。
本发明的第二方面涉及一种工业蒸汽发生器，工业蒸汽发生器带有接收约600kW/m2的入射阳光流的太阳能接收器，工业蒸汽发生器的功率高于100MW，，典型地约为250MW，工业蒸汽发生器为蒸汽压力超过160bar、优选超过180bar、甚至更优选地约为200bar并且在过热器处蒸汽温度约为600℃的辅助流通型简单蒸汽循环式的发生器，工业蒸汽发生器包括：
－蒸发器形式的太阳能接收器，用于产生水-蒸汽混合物，蒸发器后是用于增加饱和蒸汽的温度的过热器；
－位于蒸发器与过热器之间的第一球形体，第一球形体被称为分离球形体，用于分离饱和蒸汽与饱和水，分离球形体设有用于将温度在347-366℃之间的饱和蒸汽送往过热器的出口；
－第二球形体，第二球形体被称为混合球形体，分离球形体沿竖向叠置于混合球形体之上，混合球形体设有用于温度明显低于饱和水温度的供应水输入的入口，混合球形体与使水返回蒸发器的回流管道连接，所述回流管道设有循环泵，分离球形体和混合球形体通过至少一个连接管道连通，以便使来自分离球形体的饱和水与注入混合球形体的供应水混合，使得这样混合过的并送到蒸发器的入口的混合水是过冷却的，即混合水的温度比饱和蒸汽的温度低几度。
附图说明
图1示意性地表示按照本发明的直接蒸汽发生式的太阳能接收器。
具体实施方式
本发明提出一种用于防止聚焦太阳能电站用的锅炉中发生蒸干(即dry-out)的方法。
本发明中使用的蒸汽发生器可以产生高压(大约200bar)和高温(在过热器处大约600℃)下的简单蒸汽循环。这里作为例子举的设备输送一般为250MW的功率。
锅炉回路1包括蒸发器2、循环泵3、配有用于输出饱和蒸汽的出口8的被称为水/蒸汽分离球形体4的第一球形体、配有供应水的入口7的被称为混合球形体5的第二球形体。第一球形体和第二球形体沿竖向叠置，并通过一条或多条连接管道6互相连接，连接管道6可以使饱和水从为上球形体的分离球形体4流向为下球形体的混合球形体5。然后饱和蒸汽在分离球形体4的出口被送到过热器，在过热器中被过热到600℃，然后被送到涡轮机中。然后膨胀和冷却过的蒸汽在冷凝器(未示出)中转化为水。然后该水通过混合球形体5由循环泵3送回蒸发器2，这就形成环形循环。
例如，在塔型聚焦太阳能电站(CSP Tower：太阳能发电塔)的情况下，蒸发器包括一个或多个热交换器，热交换器能够把通过定日镜反射的入射阳光流的能量转移给锅炉的水，以便产生蒸汽。
看来通过采用单一球形体来产生饱和蒸汽，则考虑蒸干和DNB标准的理论计算结果表明：蒸发器的交换器上可接收的热流会是非常弱的。然而，对此类设备，应能接收到例如大约600kW/m2的入射阳光流。
发明人已经发现，为了能够接收这种入射流，必须把循环水只冷却几度，一般5-10度。
例如，对于压力为195bar并且温度为364℃的输出饱和蒸汽，为满足蒸干/DNB标准，循环水的温度应为359℃，而不是364℃。这种水的过冷却允许得到作为无过冷值的大约为10、而不是6的真实循环率并满足蒸干标准。
根据本发明，借助具有两个球形体的构型实现循环水的适当过冷却：为上球形体的分离球形体4，其接收来自蒸发器的水-蒸汽混合物并输出干燥后的蒸汽；和为下球形体的混合球形体5，其接收供应水并把与来自上球形体的饱和水混合后的水送往循环系统。
注入到混合球形体中的水(在上述例子中为220-290℃)的温度低于饱和水温度(上述例子中为364℃)，混合这两者使得获得满足蒸干标准(Dry-out-DNB)的轻微过冷的水。
使用第二球形体来使饱和水与供应水相混合，这允许得到所需的过冷几度的水(359℃，而不是约为364℃)，因此对约600kW/m2的入射阳光流增加循环率(根据焓计算的标准值为10)。
附图标记列表：
1 锅炉回路
2 蒸发器
3 循环泵
4 水-蒸汽分离球形体
5 混合球形体
6 连接管道
7 供应水的入口
8 饱和蒸汽的出口
9 水的回流管道

Claims (7)

1.一种蒸汽循环发生方法，用于通过带有接收600kW/m2的入射阳光流的太阳能接收器的功率高于100MW的工业蒸汽发生器，产生蒸汽压力超过160bar并且蒸汽温度为600℃的蒸汽循环，所述工业蒸汽发生器包括：蒸发器(2)；蒸发器后是过热器；位于蒸发器(2)与过热器之间的被称为分离球形体(4)的第一球形体，第一球形体沿竖向叠置于被称为混合球形体(5)的第二球形体之上，分离球形体(4)设有用于把饱和蒸汽送往过热器的出口，混合球形体(5)设有用于供应水输入的入口，混合球形体与使水向蒸发器(2)返回的回流管道(9)连接，所述回流管道(9)设有循环泵(3)，分离球形体(4)和混合球形体(5)通过至少一个连接管道(6)连通，所述蒸汽循环发生方法至少包括以下相继阶段：
－通过转移来自入射到蒸发器(2)上的入射阳光流的热量而在蒸发器(2)中产生水-蒸汽混合物；
－水-蒸汽混合物在分离球形体(4)中分离为饱和水与饱和蒸汽，饱和蒸汽的压力在160-200bar之间，饱和蒸汽的温度在347-366℃之间；
－将供应水注入到混合球形体(5)中，在混合球形体中，供应水与来自分离球形体(4)的饱和水混合，然后混合水通过配有循环泵(3)的回流管道(9)返回到蒸发器(2)，
使得进入蒸发器(2)中的混合水的温度比饱和蒸汽的温度低在5-15℃之间的值。
2.如权利要求1所述的蒸汽循环发生方法，其特征在于，产生蒸汽压力超过180bar的蒸汽循环。
3.如权利要求1所述的蒸汽循环发生方法，其特征在于，产生蒸汽压力为200bar的蒸汽循环。
4.如前述权利要求中任一项所述的蒸汽循环发生方法，其特征在于，进入蒸发器(2)中的混合水的温度比饱和蒸汽的温度低在5-10℃之间的值。
5.一种工业蒸汽发生器，工业蒸汽发生器带有接收600kW/m2的入射阳光流的太阳能接收器，工业蒸汽发生器的功率高于100MW，工业蒸汽发生器为蒸汽压力超过160bar并且蒸汽温度为600℃的辅助流通型简单蒸汽循环式的发生器，工业蒸汽发生器包括：
－蒸发器(2)形式的太阳能接收器，用于产生水-蒸汽混合物，蒸发器后是用于增加饱和蒸汽的温度的过热器；
－位于蒸发器(2)与过热器之间的第一球形体，第一球形体被称为分离球形体(4)，用于分离饱和蒸汽与饱和水，分离球形体(4)设有用于将温度在347-366℃之间的饱和蒸汽送往过热器的出口；
－第二球形体，第二球形体被称为混合球形体(5)，分离球形体(4)沿竖向叠置于混合球形体之上，混合球形体(5)设有用于温度明显低于饱和水温度的供应水输入的入口，混合球形体与使水返回蒸发器(2)的回流管道(9)连接，所述回流管道(9)设有循环泵(3)，分离球形体(4)和混合球形体(5)通过至少一个连接管道(6)连通，以便使来自分离球形体(4)的饱和水与注入混合球形体(5)的供应水混合，使得这样混合过的并送到蒸发器(2)的入口的混合水是轻微过冷的水。
6.如权利要求5所述的工业蒸汽发生器，其特征在于，工业蒸汽发生器蒸汽压力超过180bar。
7.如权利要求5所述的工业蒸汽发生器，其特征在于，工业蒸汽发生器蒸汽压力为200bar。
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