CN106989431B - 一种塔式太阳能热发电热电联供系统 - Google Patents

一种塔式太阳能热发电热电联供系统 Download PDF

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Abstract

一种塔式太阳能热发电热电联供系统，由聚光吸热系统、一级储热系统、二级储热系统、发电系统、发电辅燃系统、发电水处理系统、余热回收系统，以及监测与自控系统组成。聚光吸热系统中的塔式吸热器与发电系统的汽轮机相连通，发电辅燃系统与聚光吸热系统并联；吸收式热泵与发电水处理系统连接；余热回收系统与供热管网相连；监测与自控系统控制泵和阀门的开闭，实现全场热工自控。

Description

一种塔式太阳能热发电热电联供系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能热电联供系统。
背景技术
太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。太阳能热发电系统中，约有20％的热量通过冷却塔排掉，如果能够有效回收其发电余热，实现太阳能热电联产，是提高太阳能热发经济性、实现能量梯级利用的有效途径，也是今后实现太阳能区域供能(包括供电和供热)的重要技术支撑之一。
专利201510794969.5《一种塔式太阳能热电联产印染热能动力系统》涉及一种塔式太阳能热电联产印染热能动力系统，定日镜系统实时跟踪，将太阳光反射到吸热器中，将其转化为工质的高温热能，利用吸热器将热能转换并储存在传热熔盐介质中，传热给高温换热器，由熔盐泵驱动工作流体循环，吸热器、高温换热器、熔盐泵组成闭式循环，从高温换热器出来的蒸汽驱动汽轮机转动，汽轮机排气加热蒸汽发生器中的水，蒸汽冷却成水，通过给水泵送到高温换热器；印染用水从蓄水池通过印染水泵被蒸汽发生器加热成蒸汽，分别输送到各印染设备，回水全部收集到污水处理系统。该发明专利没有涉及二类吸收式热泵技术的应用。
专利201410493832.1《一种可控水温的太阳能热电联产系统》提供一种可控水温的太阳能热电联产系统，包括热源侧循环回路和冷却水循环回路，所述热源侧循环回路和冷却水循环回路之间设置温度控制装置，通过温度控制装置的控制电磁阀门实现对热源侧循环回路和冷却水循环回路的温度控制；本发明可以实现对较低品位热量的利用，从而降低化石能源消耗和污染排放，使用有机工作介质的有机朗肯循环热电联产系统可以从温度为80℃到370℃的中低温热源中输出电能的同时为用户输出热能，从而使系统的整体经济性得到提高。
专利200410009780.2《一种太阳能热电联供系统》提出蝶式聚光和光伏耦合的热电联产系统：包括旋转抛物面碟式聚光镜、旋转双曲面光谱控制系统、聚光光伏电池组、热管式热水器。旋转双曲面光谱控制系统的旋转双曲面的基体的凸面涂有光谱选择性涂层，背面平面涂有减反射涂层。聚光光伏电池组以回形水管冷却，冷却管和光伏电池组一起封装在壳体里面，形成整体封装结构，顶部的玻璃下面涂有高频光选择性吸收涂层。热管式热水器以热管换热器作为热管式热水器的主体，热管换热器上面被涂有低频光选择性吸收涂层的玻璃覆盖。
专利201510133166.5《热电联供塔式太阳能温差发电站》提出一种热电联供塔式太阳能温差发电站，包括塔架、反射镜场、吸热器、发电机、温差发动机、换热器、保温储水罐。所述的温差发动机的冷却器封闭在一个密封的箱体内，该箱体至少有一个进口和一个出口，供冷却液流动。所述的换热器，至少包含有一个冷却液进口和一个冷却液出口，供冷却液流动；同时包含一个冷水进口和一个热水出口，供水流动。该发明提出的是一种热电联供的塔式太阳能温差发电站。
专利201010210181.2《多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统》提供的是一种多级蓄热式太阳能热电联供系统，包括塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统、热电联供子系统，通过中温耦合蓄热器与低温耦合蓄热器，塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统与平板式吸热蓄热传热子系统形成耦合，热电联供子系统包括供电模式、供热模式、热电联供模式，与三种吸热蓄热传热子系统联合运行。
发明内容
本发明的目的是提出一种塔式太阳能热发电热电联供系统，以提高塔式太阳能热发电系统经济性，实现太阳能光热能量梯级利用。本发明通过合理的系统设计，有效回收热发电余热，实现热电联产，为今后在我国北方地区建造区域太阳能供能站(供电和供热)奠定技术基础。
本发明的技术方案如下：
所述的塔式太阳能热发电热电联供系统主要由聚光吸热系统、一级储热系统、二级储热系统、发电系统、发电辅燃系统、发电水处理系统、余热回收系统，以及监测与自控系统组成。
其中：
所述的聚光吸热系统由定日镜和塔式吸热器组成，用于产生高温高压蒸汽；
所述的一级储热系统由沿储热工质流动方向布置的第一换热器、高温储热器、第四泵、第二换热器、第三泵及低温储热器依次连接组成，用于储存发电用高品位热量；
所述的二级储热系统由蒸汽蓄热器和第十二泵相连组成，用于储存发电用低品位热量；
所述的发电系统由相连通的汽轮机和发电机组成，以实现发电；
所述的发电辅燃系统由第一阀门、第二泵，以及发电辅助热源依次相连组成，确保无太阳能资源时实现连续发电；
所述的发电水处理系统由凝汽器、第六泵、除氧器，以及第一泵依次相连接组成，保障循环水质满足相关工业锅炉水质要求；
所述的余热回收系统2由吸收式热泵、供热缓冲水箱、供热辅助热源和第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十四阀门，以及第五泵、第八泵、第九泵、第十泵和第十一泵组成，实现发电余热回收供热或太阳能储热系统直接供热；
所述的聚光吸热系统中的塔式吸热器的出口可直接通过第十五阀门与发电系统的汽轮机入口相连通，也可以通过第三阀门与一级储热系统中的第一换热器相连；第一换热器与二级储热系统的蒸汽蓄热器的入口相连通，蒸汽蓄热器的出口通过第十阀门与一级储热系统的第二换热器相连通；发电系统中的汽轮机出口与发电水处理系统中的凝汽器相连通，经过处理后的水工质通过第一泵和第二阀门与塔式吸热器相连通；发电辅燃系统与聚光吸热系统并联连接；
所述的吸收式热泵与发电水处理系统中的凝汽器通过第七泵和第五阀门相连，为吸收式热泵的低温热源。同时，吸收式热泵与二级储热系统中的蒸汽蓄热器通过第五泵和第四阀门相连，为吸收式热泵的高温热源。吸收式热泵通过第八泵和第六阀门，与供热缓冲水箱相连，实现发电余热供热。二级储热系统中的蒸汽蓄热器出口也可通过第八泵和第六阀门、第十一阀门直接与供热缓冲水箱相连，实现太阳能储热系统直接供热。为确保供热稳定性，供热辅助热源通过第九泵和第九阀门与供热缓冲水箱相连。供热缓冲水箱通过第十泵和第七阀门与供热管网相连，实现供热；
所述的监测与自控系统与第一至第十二泵、第一至第十五阀门相连，实现全场热工自控；
所述的一级储热系统工质为熔融盐、导热油等耐温储热工质。
本发明所述的系统工作原理如下：
当太阳能资源条件较好时，定日镜通过发射将太阳能辐照量送入塔式吸热器内，第二阀门开启，第一阀门关闭，加热流经其中的水工质后，产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机，进而带动发电机发电。蒸汽做功后的乏汽通过第六泵的输送，依次进入凝汽器、除氧器后，再通过第一泵进入塔式吸热器中继续被加热成高温高压的蒸汽。此时，如果发电量超过需求量，则将塔式吸热器产生的高温高压蒸汽通过第一换热器，依次将热量储存至高温储热器和低温储热器中。经过第一换热器换热后的低温蒸汽，储存至蒸汽蓄热器中。
当太阳能资源较差，而此时有发电需求时，如果高温储热器和低温储热器内储热量足够，则蒸汽蓄热器内的低温蒸汽，通过泵十二输送至第二换热器内被加热至高温高压蒸汽，驱动汽轮机，进而带动发电机发电。如果高温储热器和低温储热器内没有足够的储热量，则关闭第二阀门，开启第一阀门，启动发电辅助热源，产生高温高压蒸汽，以驱动汽轮机，带动发电机发电。
当汽轮机工作时，采用吸收式热泵来回收发电余热，实现热电联产。该吸收式热泵为二类吸收式热泵。开启第五阀门，凝汽器的凝结热通过第七泵送入吸收式热泵的低温端，开启第四阀门和第十四阀门，关闭第十一阀门和第十二阀门，通过第五泵，将蒸汽蓄热器内的热量送入吸收式热泵的高温端。进而，开启第六阀门和第十三阀门，通过第八泵将吸收式热泵出口热量送入供热缓冲水箱中。
当汽轮机不工作，蒸汽蓄热器内有足够热量进行供热时，则开启第四阀门、第十一阀门、第十二阀门和第六阀门，关闭第十三阀门和第十四阀门，通过第八泵将蒸汽蓄热器内的热量直接送入供热缓冲水箱内，并开启第四阀门，通过第五泵将供热缓冲水箱内冷水送入蒸汽蓄热器内加热。
当汽轮机不工作且蒸汽蓄热器内没有足够蓄热量可以使用时，开启第九阀门和第九泵，启动供热辅助热源，循环加热供热缓冲水箱内的水，实现供热。
本发明提高了塔式太阳能热发电系统经济性，实现太阳能光热能量梯级利用。通过合理的系统设计，有效回收热发电余热，实现热电联产，为今后在我国北方地区建造区域太阳能供能站(供电和供热)奠定技术基础。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。
附图说明
图1本发明塔式太阳能热发电热电联供系统的结构示意图；
图中：1定日镜，2塔式吸热器，3高温储热器，4低温储热器，5蒸汽蓄热器，6汽轮机，7发电机，8发电用补水箱，9除氧器，10吸收式热泵，11供热缓冲水箱，12凝汽器，13发电辅助热源，14监测与自控系统，15供热辅助热源，H-1、H-2换热器，P-1至P-12泵，V-1至V-15阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步的说明本发明。
如图1所示，所述的塔式太阳能热发电热电联供系统主要由聚光吸热系统、一级储热系统、二级储热系统、发电系统、发电辅燃系统、发电水处理系统、余热回收系统，以及监测与自控系统14组成。
其中：
所述的聚光吸热系统由定日镜1和塔式吸热器2组成；
所述的一级储热系统由沿储热工质流动方向布置的第一换热器H-1、高温储热器3、第四泵P-4、第二换热器H-2、第三泵P-3及低温储热器4依次连接组成；
所述的二级储热系统由蒸汽蓄热器5和泵P-12相连组成；
所述的发电系统由汽轮机6和发电机7组成，汽轮机6和发电机7相连通；
所述的发电辅燃系统由依次相连的阀门V-1、泵P-2和发电辅助热源13组成；
所述的发电水处理系统由凝汽器12、第六泵P-6、除氧器9和第一泵P-1依次相连组成；
所述的余热回收系统由吸收式热泵10、供热缓冲水箱11、供热辅助热源15，以及阀门V-4、V-5、V-6、V-7、V-8、V-11、V-12、V-13、V-14和水泵P-5、P-8、P-9、P-10、P-11组成。
所述的聚光吸热系统中的塔式吸热器2的出口可直接通过第十五阀门V-15与发电系统的汽轮机6入口相连通，也可以通过第三阀门V-3与一级储热系统中的第一换热器H-1相连；第一换热器H-1与二级储热系统的蒸汽蓄热器5的入口相连通，蒸汽蓄热器5的出口通过第十阀门V-10与一级储热系统的第二换热器H-2相连通；发电系统中的汽轮机6出口与发电水处理系统中的凝汽器12相连通，经过处理后的水工质通过第一泵P-1和第二阀门V-2与塔式吸热器2相连通；发电辅燃系统与聚光吸热系统并联连接。
所述的吸收式热泵10与发电水处理系统中的凝汽器12通过第七泵P-7和第五阀门V-5相连，为吸收式热泵10的低温热源。同时，吸收式热泵10与二级储热系统中的蒸汽蓄热器5通过第五泵P-5和第四阀门V-4相连，为吸收式热泵10的高温热源。吸收式热泵10通过第八泵P-8和第六阀门V-6与供热缓冲水箱11相连，实现发电余热供热。二级储热系统中的蒸汽蓄热器5出口也可通过第八泵P-8和第六阀门V-6、第十一阀门V-11直接与供热缓冲水箱11相连，实现发电储热供热。为确保供热稳定性，供热辅助热源15通过第九泵P-9和第九阀门V-9与供热缓冲水箱11相连。供热缓冲水箱11通过第十泵P-10和第七阀门V-7与供热管网相连，实现供热。
所述的监测与自控系统14与第一泵P-1、第二泵P-2、第三泵P-3、第四泵P-4、第五泵P-5、第六泵P-6、第七泵P-7、第八泵P-8、第九泵P-9、第十泵P-10、第十一泵P-11、第十二泵P-12，以及第一阀门V-1、第二阀门V-2、第三阀门V-3、第四阀门V-4、第五阀门V-5、第六阀门V-6、第七阀门V-7、第八阀门V-8、第九阀门V-9、第十阀门V-10、第十一阀门V-11、第十二阀门V-12、第十三阀门V-13、第十四阀门V-14，以及第十五阀门V-15相连，实现全场热工自控。
本发明所述的系统工作原理及工作过程如下：
当太阳能资源条件较好时，定日镜1通过发射将太阳能辐照量送入塔式吸热器2内，第二阀门V-2开启，第一阀门V-1关闭，加热流经其中的水工质后，产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机6，进而带动发电机7发电。蒸汽做功后的乏汽通过第六泵P-6的输送，依次进入凝汽器12、除氧器9后，再通过第一泵进入塔式吸热器2中继续被加热成高温高压的蒸汽。此时，如果发电量超过需求量，则将塔式吸热器2产生的高温高压蒸汽通过第一换热器，依次将热量储存至高温储热器3和低温储热器4中。经过第一换热器H-1换热后的低温蒸汽，储存至蒸汽蓄热器5中。
当太阳能资源较差，而此时有发电需求时，如果高温储热器3和低温储热器4内储热量足够，则蒸汽蓄热器5内的低温蒸汽，通过十二泵P-12输送至第二换热器H-2内被加热至高温高压蒸汽，驱动汽轮机6，进而带动发电机7发电。如果高温储热器3和低温储热器4内没有足够的储热量，则关闭第二阀门V-2，开启第一阀门V-1，启动发电辅助热源13，产生高温高压蒸汽，以驱动汽轮机6，带动发电机7发电。
当汽轮机6工作时，采用吸收式热泵10来回收发电余热，实现热电联产。该吸收式热泵为二类吸收式热泵。开启第五阀门V-5，凝汽器12的凝结热通过第七泵P-7送入吸收式热泵10的低温端，开启第四阀门V-4和第十四阀门V-14，关闭第十一阀门V-11和第十二阀门V-12，通过第五泵P-5，将蒸汽蓄热器5内的热量送入吸收式热泵的高温端。进而，开启第六阀门V-6和第十三阀门V-13，通过第八泵P-8将吸收式热泵10出口热量送入供热缓冲水箱11中。
当汽轮机6不工作，蒸汽蓄热器5内有足够热量进行供热时，则开启第四阀门V-4、第十一阀门V-11、第十二阀门V-12和第六阀门V-6，关闭第十三阀门V-13和第十四阀门V-14，通过第八泵P-8将蒸汽蓄热器5内的热量直接送入供热缓冲水箱11内，并通过第五泵P-5将供热缓冲水箱11内冷水送入蒸汽蓄热器5内加热。
当汽轮机6不工作且蒸汽蓄热器5内没有足够蓄热量可以使用时，开启第九阀门V-9和第九泵P-9，循环加热缓冲水箱11内的水，实现供热。
本发明的优点在于：提高了塔式太阳能热发电系统经济性，实现太阳能光热能量梯级利用。通过合理的系统设计，有效回收热发电余热，实现热电联产，为今后在我国北方地区建造区域太阳能供能站(供电和供热)奠定技术基础。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。

Claims (4)

1.一种塔式太阳能热发电热电联供系统，其特征在于：所述的塔式太阳能热发电热电联供系统由聚光吸热系统、一级储热系统、二级储热系统、发电系统、发电辅燃系统、发电水处理系统、余热回收系统，以及监测与自控系统(14)组成；
所述的聚光吸热系统由定日镜(1)和塔式吸热器(2)组成；
所述的一级储热系统由沿储热工质流动方向布置的第一换热器(H-1)、高温储热器(3)、第四泵(P-4)、第二换热器(H-2)、第三泵(P-3)和低温储热器(4)依次连接组成；
所述的二级储热系统由蒸汽蓄热器(5)和第五泵(P-12)相连组成；
所述的发电系统由相连通的汽轮机(6)和发电机(7)组成；
所述的发电辅燃系统由第一阀门(V-1)、第二泵(P-2)，以及发电辅助热源(13)依次相连组成；
所述的发电水处理系统由凝汽器(12)、第六泵(P-6)、除氧器(9)，以及第一泵(P-1)依次相连组成；
所述的余热回收系统由吸收式热泵(10)、供热缓冲水箱(11)、供热辅助热源(15)，以及第四阀门(V-4)、第五阀门(V-5)、第六阀门(V-6)、第七阀门(V-7)、第八阀门(V-8)、第十一阀门(V-11)、第十二阀门(V-12)、第十三阀门(V-13)、第十四阀门(V-14)、第五水泵(P-5)、第八水泵(P-8)、第九水泵(P-9)、第十水泵(P-10)，以及第十一水泵(P-11)组成；
所述的聚光吸热系统中的塔式吸热器(2)的出口通过阀门(V-15)与发电系统的汽轮机(6)入口相连通；第一换热器(H-1)与二级储热系统的蒸汽蓄热器(5)的入口相连通，蒸汽蓄热器(5)的出口通过第十阀门(V-10)与一级储热系统的第二换热器(H-2)相连通；发电系统中的汽轮机(6)的出口与发电水处理系统中的凝汽器(12)相连通，经过处理后的水工质通过第一泵(P-1)和第二阀门(V-2)与塔式吸热器(2)相连通；发电辅燃系统与聚光吸热系统并联；
所述的吸收式热泵(10)与发电水处理系统中的凝汽器(12)通过第七泵(P-7)和第五阀门(V-5)相连，为吸收式热泵(10)的低温热源；同时，吸收式热泵(10)与二级储热系统中的蒸汽蓄热器(5)通过第五泵(P-5)和第四阀门(V-4)相连，为吸收式热泵(10)的高温热源；吸收式热泵(10)通过第八泵(P-8)和第六阀门(V-6)与供热缓冲水箱(11)相连；为确保供热稳定性，供热辅助热源(15)通过第九泵(P-9)和第九阀门(V-9)与供热缓冲水箱(11)相连；供热缓冲水箱(11)通过第十泵(P-10)和第七阀门(V-7)与供热管网相连，实现供热；
所述的监测与自控系统(14)与第一泵(P-1)、第二泵(P-2)、第三泵(P-3)、第四泵(P-4)、第五泵(P-5)、第六泵(P-6)、第七泵(P-7)、第八泵(P-8)、第九泵(P-9)、第十泵(P-10)、第十一泵(P-11)、第十二泵(P-12)，以及第一阀门(V-1)、第二阀门(V-2)、第三阀门(V-3)、第四阀门(V-4)、第五阀门(V-5)、第六阀门(V-6)、第七阀门(V-7)、第八阀门(V-8)、第九阀门(V-9)、第十阀门(V-10)、第十一阀门(V-11)、第十二阀门(V-12)、第十三阀门(V-13)、第十四阀门(V-14)，以及第十五阀门(V-15)相连，实现全场热工自控。
2.按照权利要求1所述的塔式太阳能热发电热电联供系统，其特征在于：所述的聚光吸热系统中的塔式吸热器(2)的出口通过阀门(V-3)与一级储热系统中的换热器(H-1)相连。
3.按照权利要求1所述的塔式太阳能热发电热电联供系统，其特征在于：所述的二级储热系统中的蒸汽蓄热器(5)出口通过第八泵(P-8)和第六阀门(V-6)、第十一阀门(V-11)与供热缓冲水箱(11)相连，实现发电储热直接供热。
4.按照权利要求1所述的塔式太阳能热发电热电联供系统，其特征在于：所述的一级储热系统工质为熔融盐、导热油等耐高温储热工质。
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