CN105814309A - 通过聚光太阳能热站和传热系统的工艺流体的受控加热方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
一种通过聚光式太阳能热站和载热体系统的工艺流体的受控加热方法，其中来自太阳能热站的可用太阳热能被传递给由空气组成的载热体流，然后它最终被并入后燃烧燃料流；由热空气和后燃烧烟气流组成的载热体流通过管道回路被循环经过含工艺流体的换热器，从而允许达到最终要求的工艺流体温度；后燃烧贡献由自动控制系统确定，该控制系统连续地控制工艺流体温度并在聚光式太阳能热站不同的运行阶段期间修正燃烧贡献。
Description
技术领域
本发明涉及聚光太阳能热站的领域以及它们在传统炼油和石化部门中用于加热服务目的的应用。在炼油和石化部门中的加热服务通常是通过消耗燃料和向大气排放燃烧产物的燃烧加热器实现的。像石油这样的炼油流体，或者它的馏分或衍生物，或者需要被加热到受控工艺温度的石化工艺流体可以被由聚光太阳能热站(优选是基于抛物线槽型的集热器和接收器以及熔盐循环和存储的类型)吸收并存储的太阳热能加热，太阳能热站节省大量燃料并减少排放(CO2、SOx、NOx、灰尘和未燃烧化合物)。太阳能热站的主要优点是减少了化石燃料的全面使用，这不仅仅是经济上的节约，而应当是正忍受工业活动造成的严重环境污染且试图将经济向更多地使用可再生能源转型的工业国家的一个可持续发展目标。在常规工业部门中引入太阳能应用以形成规模经济是战略性的，由此允许更广更快地普及热太阳能系统。
使用太阳能取代化石燃料在全球变暖问题上有两个好处，第一是直接减少化石燃料的消耗和相关温室气体的排放，第二是减少以红外线方式被地球所反射的太阳能，后者是温室效应的主要贡献者之一。
发明背景
聚光式太阳能热站采用“辐射聚光集热器”，它通过使用镜面将太阳辐射聚焦在较小区域上使太阳辐射集中。在该系统中，反射器，通常是抛物线形的，接收输入的太阳辐射并将其反射(聚焦)进入到被形成为管的辐射吸收器。管辐射吸收器通常被处理过的玻璃外壳管包围从而限制热损失，同时管辐射吸收器与玻璃外壳管之间的空间处于真空。
管辐射吸收器由带涂层的金属制造，该涂层具有高太阳辐射吸收系数，从而使来自反射离开反射器的太阳辐射的能量传递最大化。构成热传输介质的热流体(导热油或熔盐；熔盐混合物在这种情况下是优选的，因为热流体在太阳能集热场中能达到更高温度)在管辐射吸收器中流动并利用常规的钠和钾氮化物基的熔盐混合物达到高达580℃温度。
热能通过热流体被朝向终端用户(最常见的是用于发电的蒸汽发生器和过热器)传递，并被部分的存储在存储罐系统中，从而延长运行时间。存储系统最少由两个存储罐构成，一个冷流体存储器和一个热流体存储器。被吸收并被存储在CSP系统中的太阳热能能以不同方式被运输，有不同的用途，以及在被分配给指定用户之前，最后能与燃烧过程结合以补偿太阳能系统变动。
聚光式太阳能系统的主要应用已经在发电领域中被实现，所述发电是通过使用热油随后产生高压蒸汽并过热，然后蒸汽在汽轮机中膨胀。最近熔盐的使用被作为提高朗肯循环效率(参见2012年5月10日提交的专利申请号为N°EP12167509.4)，且减少了热能存储器(TES)的成本的一种方式被引入。
由EC资助的最新试点项目应用包括在其中产生电能、海水和冷能的Mats项目，以及在其中利用熔盐加热并结合膜分离的低温蒸汽重整工艺来产生氢的Comethy项目(2012年3月16日提交的专利申请N°EP12159998.9)。
聚光式太阳能系统现在投资成本高，但在通过燃烧燃料流产生所需的热的那些应用中能显著地降低运行成本，比如炼油和石化运行中的常规加热服务。
作为本发明的背景，还存在加热炼油流体的热回收单元(HRU)的已知应用，基于燃气轮机排气流的使用。在这种情况下，在热回收之后，排气流被完全排到烟囱，其温度取决于加热服务的温度水平，通常在150℃-300℃的范围内，非常多的热量被散发。
通过本发明避免上述问题，因为加热服务下游的大部分载热流被循环回到载热体循环，同时对应于后燃烧的入口燃料和新鲜燃烧空气，只有总流的一部分被送到烟囱。
发明内容
本发明涉及一种基于熔盐循环和存储的聚光式太阳能热站的特殊应用，其中被集热器和接收器吸收并被存储在存储系统中的太阳热能被传递给被用作载热体的空气流，它最终在连续负载控制功能下被并入/被后燃烧取代，并且其最后被传递给换热器，在那给工艺流体传热。现实中通过燃烧式加热器所实现对炼油流体、石化工艺流体、用于蒸汽产生和蒸汽过热的去矿物水/锅炉给水的任何加热服务适合应用本发明。
聚光式太阳能热站的一个普遍问题是由于随日照时间、天气条件、季节和地理而变化的太阳辐射所造成的变化的可用热含量。如果太阳热能在温度受控条件下被用于加热服务，它必须结合能以受控且可变的方式提供补充热量的可变热产生系统。
本发明的目标是通过中间载热体循环给炼油或工艺流体提供太阳热能的架构和方法，中间载热体循环具有通过后燃烧整合工艺加热服务所需要的可变热量的能力。为此，被用作熔盐和终端用户之间的载热体的空气流，在直接太阳辐射在加热熔盐的“激活阶段”(阶段1)期间以及在热熔盐从热存储罐取出然后排入冷存储罐的“存储阶段”(阶段2)期间，被从太阳能热站流出的热熔盐加热到480℃到550℃的范围内，通常是500℃。在太阳能集热场的“未激活阶段”(阶段3)，载热体空气流被改为通过后燃烧加热，通过管式燃烧器燃烧合适的燃料(炼油气体、天然气、生物燃料或它们的任意混合物)被实现。
后燃烧在所有的三个阶段中都是激活的，但是在阶段1和2期间只为了控制工艺流体温度而提供最少的燃烧贡献，在阶段3期间它提供工艺加热服务所需要的全部热负荷。在任何阶段中必要的后燃烧贡献应当由自动控制系统确定，该系统的主要功能是控制流体服务温度，从而在不同的运行阶段适应性改变燃烧贡献。
热空气/烟气流被传递从而与工艺流体换热，然后它被再循环回到回路中以与熔盐和受控后燃烧换热。
与燃烧贡献一起，自动控制系统还确定燃料燃烧所需要的新鲜空气流和扫气流，在质量上等于入口燃料和新鲜空气流的扫气流被送到烟囱，以避免燃烧产物积聚。在太阳能集热场的未激活阶段，控制系统也将允许通过合适的控制阀抽出被传递以与冷熔盐换热的第二热空气流，从而最终避免熔盐冷却到安全温度以下(保险地，高于冷凝温度)。
这里所描述的架构和加热工艺流体直到所需温度的方法适合于替换任何温度高达550℃或稍高的流体加热服务。
本发明的优点是相比常规加热系统有意义地减少了燃料消耗(大约65％)和温室气体排放。
在参考了附图阅读了本发明优选实施例的详细描述之后，本发明的这些和其他特征和优点将对本领域技术人员变得明显。
附图说明
图1是通过根据本发明的基于熔盐循环和存储的聚光式太阳能热站的工艺流体的受控加热系统的示意图。
主要项目：
10聚光式太阳能吸热场
11热熔盐存储器
12冷熔盐存储器
20换热器(熔盐到载热体，反之亦然)
30后燃烧管式燃烧器
40换热器(载热体到工艺流体)
50载热体循环风扇
60新鲜空气入口风扇
70烟囱
80自动控制系统
81入口流体温度测量
82流体流速测量
83出口流体温度测量
84燃料流速控制回路
85新鲜空气流速控制回路
86扫气流流速控制回路
87冷熔盐温度
88载热体第二流阀
流体：
100÷105熔盐
200新鲜空气入口
201÷210载热流体(空气/烟气)
300送到后燃烧的燃料
400÷401待加热的工艺流体
具体实施方式
如图1之中所示，本发明的整个架构的主要部件由聚光式太阳能热站10、在熔盐和载热体之间的换热器20、以及在载热体和工艺流体之间的换热器40构成。
基于熔盐循环和存储的聚光式太阳能集热场10和存储系统11和12被设计用于吸收并存储在激活阶段和存储阶段(大约是所需工艺加热的连续运行时间的2/3)所需要的热量。
太阳能集热系统10包括一个或多个管辐射吸收器和多个直通集热器，比如单轴抛物线型反射器。
替代地，任何适合于聚光式太阳能辐射的装置，比如Fresnel集热器，可以被提供。在暴露于直接的且聚光的太阳能辐射时，热流体在接收器管内被加热。
从太阳能集热场流出的热流体100被存储在热存储罐11中，然后被合适的泵(未示出)循环，从而给流过换热器20的中间载热体流201提供热源。换热器20在阶段1和2期间(激活和存储)，将热从熔盐传递给载热体，同时它也适合于在阶段3(未激活太阳能)期间将热传回熔盐，从而避免熔盐冷却低于安全温度(保险地高于冷凝温度)。
后燃烧30，通过位于空气管道内的管式燃烧器实现，能燃烧0％到100％的任意能力。
基于工艺流体400达到其最终受控温度83所需要的热量由控制系统80连续地计算热释放。燃烧贡献LHV在流动控制84下以烟气流300的形式在载热体流202中被传递，用于继续传递载热体流203给含工艺流体400的换热器40。
换热器40能将热从载热体203传递给工艺流体400，从而通过温度控制83达到最终温度。
载热体循环风扇50能给载热流体提供必要的能克服循环压降的压头。
新鲜空气风扇60能在流动控制85的自动控制下提供所需的新鲜空气流200。
流动控制回路86能控制被送到烟囱70的扫气流。控制阀88允许抽出载热体旁通流，从而允许在CSP未激活阶段中对循环的冷熔盐进行温度控制。
Claims (15)
1.一种通过聚光式太阳能热站和载热体系统的工艺流体的受控加热方法，其特征在于：
-来自太阳能热站的可用太阳热能被传递给由空气组成的载热体流；
-由太阳能热站提供给载热体空气流的可变热量被并入后燃烧燃料流；
-由热空气和后燃烧烟气流组成的载热体流通过管道回路被循环经过含工艺流体的换热器，从而允许达到最终要求的工艺流体温度；
后燃烧贡献由自动控制系统确定，该控制系统连续地控制工艺流体温度并在聚光式太阳能热站不同的运行阶段期间修正燃烧贡献。
2.权利要求1的受控加热方法，其中在太阳能热站激活阶段(直接辐射和存储周期)，第一换热器将热量从熔盐传递给载热体流。
3.权利要求1和2的受控加热方法，其中所述后燃烧贡献在0到全负荷需求之间变化。
4.权利要求1到3的每一个的受控加热方法，其中第二换热器将热从载热体传递给工艺流体直至受控最终温度。
5.权利要求1到4的每一个的受控加热方法，其中工艺流体是炼油流体、石化工艺流体、去矿物水、锅炉给水或蒸汽。
6.权利要求1到5的每一个的受控加热方法，其中在管道回路中的新鲜空气流速由自动控制器确定，并经相关控制阀由风扇送入。
7.权利要求1到6的每一个的受控加热方法，其中到烟囱的扫气流由自动控制器确定，并经相关控制阀被排到烟囱。
8.权利要求1到7的每一个的受控加热方法，其中在熔盐和载热体流之间的第一换热器能在太阳能热站未激活阶段中作为冷熔盐的加热器反向运行。
9.权利要求1到8的每一个的受控加热方法，其中载热体第二流经控制阀被自动地送给熔盐换热器，从而在太阳能热站未激活阶段避免冷熔盐凝固。
10.一种通过聚光式太阳能热站和载热体回路的工艺流体的受控加热设备，其特征在于：它包括
基于熔盐循环的聚光式太阳能热站(10)；
在太阳能热站激活阶段将热量从熔盐传递给载热体流体(201)的换热器(20)；
将热量传递给换热器(20)的输出中载热体流体(202)的后燃烧(30)；
将热从后燃烧(30)的输出中的载热体流体(203)传递给工艺流体(400)的换热器(40)；
后燃烧贡献由自动控制系统(80)计算，该控制系统控制出口(83)中的工艺流体的温度并且在太阳能热站(10)不同的运行阶段期间修正燃烧贡献。
11.根据权利要求10的设备，其特征在于后燃烧(30)通过位于空气管道内的管式燃烧器实现。
12.根据权利要求10和11的设备，其特征在于提供能给热载体流体提供克服回路压降的必要压头的载热体回路风扇(50)。
13.根据权利要求10-12的设备，其特征在于提供能通过流动控制器(85)在自动控制下将所需的新鲜空气流(200)送入热载体空气-烟气气体(201)中的新鲜空气风扇(60)。
14.根据权利要求10-13的设备，其特征在于提供能控制被送到烟囱(70)的扫气流的流动控制回路(86)。
15.根据权利要求10-14的设备，其特征在于提供允许抽出载热体旁通流(210)的控制阀(88)，该控制阀允许在CSP未激活阶段中对循环的冷熔盐进行温度控制。
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