CN107850053A

CN107850053A - 用于调整太阳能功率设备中的蒸汽发生器压力的方法

Info

Publication number: CN107850053A
Application number: CN201580082373.0A
Authority: CN
Inventors: A.埃尔萨姆; E.孔特
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: WO2017025124A1; ES2665330B2; CN107850053B; ES2665330R1; CL2018000294A1; ES2665330A2

Abstract

提供了一种用于调整蒸汽发生器压力的方法。该方法包括加热和存储热能存储流体。此外，存储的流体用于在蒸汽发生器布置(140)中从由给水供应(116)供应的给水产生蒸汽。布置(140)包括节热器(142)、蒸发器(144)和过热器(148)，其连通地构造成用于将给水加热至饱和温度以限定蒸汽发生器布置(140)的压力且进一步产生蒸汽。此外，取决于全负荷操作/部分负荷操作，可通过使由节热器区段(142)加热的给水围绕节热器区段(142)再循环或通过旁通节热器区段(142)调整蒸汽发生器布置(140)中的压力，而同时维持蒸发器(144)的入口(144a)和节热器(142)的出口(142b)处的流体的温度。

Description

用于调整太阳能功率设备中的蒸汽发生器压力的方法

技术领域

本公开内容通常涉及聚光太阳能功率的领域，且更特别地，涉及一种利用热能存储流体来改进聚光太阳能热功率设备的效率的方法，热能存储流体使用聚光太阳能功率来存储热能，且使用存储的热能来生成电。

背景技术

基于直接蒸汽中央接收器(DSCR)的太阳能热功率设备包括大片的日光反射装置以及放置在相当高的高度的塔上的太阳能接收器。日光反射装置将直射阳光集中到太阳能接收器上以产生蒸汽来用于使蒸汽涡轮运行从而产生电。典型地，太阳能热功率设备在晴朗日照时数期间按天循环操作，而在夜晚或多云季节关闭。然而，如果太阳能热功率设备要满足日益增加的电需求，则其需要不论太阳光的可用性如何(即，在夜晚或多云季节)都可操作。实现此太阳能热功率设备生成在白天期间存储太阳热能且在夜晚或多云季节使用其的需要。对于此需要，通常使用包括太阳能存储流体(诸如熔盐)的中央接收器。带有熔盐的中央接收器通常称为熔盐中央接收器(MSCR)。

在典型MSCR系统中，MSCR、热和冷存储罐以及熔盐蒸汽发生器(MSSG)循环布置成使用太阳能来产生电。在此布置中，在MSCR处加热的熔盐流体在大约565ºC的温度下存储在热存储罐中，且在其热能由MSSG循环使用之后，熔盐流体在大约290ºC的温度下存储在冷存储罐中，其从那里进一步发送至MSCR以被再加热。MSSG循环包括：通常具有节热器的蒸汽发生器布置，一起构造的蒸发器和过热器；再热器和多级涡轮。蒸汽发生器布置使用热熔盐的热量，且将来自给水罐的给水转变成蒸汽并将其发送至多级涡轮来通过发电机将热量转变成电。此外，蒸汽可在再热器中使用热熔盐再加热，以对于多级涡轮的另外的级供应再加热的蒸汽。各种蒸汽发生器技术可为了所述目的如此应用。节热器、蒸发器和过热器可在专用构件中分开，或所有三个区段可在一个单一构件中组合(称为单程蒸汽发生器)。在带有单独构件的布置的情况下，蒸发器可包括一个本体(通常称为釜锅炉)或分成蒸发器和汽鼓以用于蒸汽分离。此外，各个区段(像节热器、蒸发器和过热器)可分成串联或并联的多个本体。

不论这些变化的蒸汽发生器技术如何，蒸汽在MSSG循环中的压力通常由MSSG循环中的所谓的压力限制限制，典型地处于或低于115巴。MSSG循环中的压力限制由两个重要因素确定。第一，给水温度应当需要维持在最低水平(典型地240ºC)之上，以消除换热器(节热器、蒸发器和过热器(且如果包括的话，再热器)，可简单称为‘换热器’)内的熔盐凝固的风险。第二，离开MSSG的熔盐的温度应当保持得尽可能低来允许盐的安全操作，典型地在290°C下。此出口温度的增加降低热存储容量，且因此对于相同量的存储能量需要额外量的盐。在这两个条件下，水在节热器中加热，且在由系统的热平衡确定的压力下开始蒸发，典型地在115巴下或更低。来自上面提到的因素的蒸汽压力的限制对功率设备的效率具有负面影响。

发明内容

本公开内容公开了一种方法，其将在以下简化概述中提出，以提供本公开内容的一个或多个方面的基本理解，这些方面意在克服论述的缺点但包括其所有优点以及提供一些额外优点。该概述不是本公开内容的广泛综述。其既不意在标识本公开内容的关键或关键性元件，也不意在叙述本公开内容的范围。而是，该概述的仅有目的在于以简化形式提出本公开内容的概念、其方面和优点作为后面提出的更加详细的描述的序言。

本公开内容的目的是描述一种方法，其能够升高或降低蒸汽发生器布置中的蒸汽压力，同时防止熔盐的凝固，从而改进太阳能热功率系统的效率。

在本公开内容的一个方面，描述了一种用于调整太阳能热功率系统的蒸汽发生器压力以实现本公开内容的一个或多个目的的方法。该方法包括以下步骤：

加热太阳能接收器中的热能存储流体；

将加热的热能存储流体存储在热能存储布置中；

使用热能存储流体的热量在蒸汽发生器布置中从由给水供应供应的给水产生蒸汽以操作涡轮，其中蒸汽发生器布置包括：用于将给水加热至饱和温度以限定蒸汽发生器布置的压力的节热器区段，用于从给水生成蒸汽的蒸发器区段，以及用于使来自蒸发器的蒸汽过热的过热器区段；

通过使由节热器区段加热的给水围绕节热器区段再循环或至少通过部分地旁通节热器区段来调整蒸汽发生器布置中的压力，同时，

维持蒸发器区段的入口处和节热器区段的出口处的热能存储流体的温度。

在一个实施例中，在全负荷操作期间，通过使由节热器区段加热的给水围绕节热器区段再循环，蒸汽发生器布置中的压力调整成升高。加热的水的此再循环提供至节热器区段的入口。

在示例性实施例中，加热的水可从节热器区段的出口再循环至节热器区段的入口。在另外的示例性实施例中，加热的水可从蒸发器区段再循环至节热器区段的入口。在又一示例性实施例中，加热的水可从构造至蒸发器区段的汽鼓再循环至节热器区段的入口。

在一个实施例中，在部分负荷操作期间，通过部分地旁通节热器区段来将来自给水供应的水直接供应至蒸发器区段，蒸汽发生器布置中的压力调整成降低。

该方法还可进一步包括通过构造至蒸汽发生器布置的再加热组件再加热蒸汽的步骤。

这些与本公开内容的其他方面一起连同表征本公开内容的各种新颖特征在本公开内容中以特性指出。为了对本公开内容、其操作优点和其使用的更好理解，将对示出了本公开内容的示例性实施例的描述性内容和附图进行参照。

附图说明

本公开内容的优点和特征参照结合附图的以下详细描述和权利要求将更好理解，其中相似元件利用相似符号标识，且在附图中：

图1示出根据本公开内容的一个示例性实施例的使用请求保护的方法操作的太阳能热功率系统的总体视图；

图2是根据本公开内容的一个示例性实施例的使用请求保护的方法操作的太阳能热功率系统的示意图；

图3是根据本公开内容的另一个示例性实施例的使用请求保护的方法操作的太阳能热功率系统的示意图；

图4是根据本公开内容的另一个示例性实施例的使用请求保护的方法操作的包括汽鼓的太阳能热功率系统的示意图；

图5A和5B分别示出本系统相对于常规系统的改进的图形表示。

相似参照标号贯穿附图的若干视图的描述表示相似的部分。

具体实施方式

为了对本公开内容的透彻理解，结合上述附图对包括所附权利要求的以下详细描述进行参照。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供对本公开内容的透彻理解。然而，对本领域的技术人员将明显的是，本公开内容可在没有这些特定细节的情况下实践。在其他情形下，仅以框图形式示出结构和装置，以便避免使本公开内容不清楚。在说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“另一个实施例”、“各种实施例”的参照意思是结合实施例描述的具体特征、结构或特点包括在本公开内容的至少一个实施例中。在说明书的各处出现的短语“在一个实施例中”不一定指相同实施例，单独或备选实施例也不与其他实施例互斥。此外，描述了各种特征，其由一些实施例展示且不由其他实施例展示。类似地，描述了各种需求，其可为用于一些实施例的需求但可不是其他实施例的需求。

尽管以下描述为了说明的目的而包含许多细节，但本领域技术人员将了解，对这些细节的许多变形和/或改变处于本公开内容的范围内。类似地，尽管本公开内容的许多特征关于彼此或结合彼此描述，但本领域技术人员将了解，这些特征中许多可独立于其他特征提供。因此，阐述了本公开内容的该描述，而不失去本公开内容的任何一般性，且不在本公开内容上施加限制。此外，诸如“第一”、“第二”等的相对用语在本文中不表示任何顺序、高度或重要性，而是用于使一个元件与另一个元件区别开。此外，用语“一个”、“一种”和“多个”在本文中不表示量的限制，而是表示存在所参照的项目中的至少一者。

参照图1，其为根据本公开内容的示例性实施例绘出的用于使用请求保护的方法操作的太阳能热功率系统100的示例性示意图。太阳能热功率系统100(后文称为‘系统100’)包括太阳能接收器110，其可放置在相当高的高度的塔112上且由大片的日光反射装置114围绕。太阳能接收器110从设计成从太阳‘S’引导太阳能的日光反射装置114接收太阳能以被加热。系统100还包括热能存储布置120(后文称为‘热存储布置120’)(虚线)，其具有将循环通过太阳能接收器110以在其中存储热能的热能存储流体(后文称为‘热存储流体’)。热存储流体通常可为熔盐，硝酸钠和硝酸钾(NaNO₃和KNO₃)的混合物。然而，在不脱离本公开内容的范围的情况下，可使用任何其他热存储流体(诸如其他盐或液体金属成分)，如发现适合于所述目的的那样。热存储布置120可包括第一存储罐122和第二存储罐124。在白天期间，当太阳能通过日光反射装置114入射在太阳能接收器110上，从其流过的热存储流体被加热。来自太阳能接收器110的加热的热存储流体可供应和存储在第一存储罐122中。在夜晚时，使用第一存储罐122中的加热的热存储流体来生成电功率，且所得的冷的热存储流体可供应成存储在第二存储罐124中。进一步在白天期间，来自第二存储罐124的冷的热存储流体供应至太阳能接收器110以被再加热。

系统100还包括蒸汽涡轮130(其可为多级涡轮)以及蒸汽发生器布置140，以使用热存储布置120的热存储流体的热量来驱动电力发电机150产生电功率。蒸汽涡轮130可包括高压蒸汽涡轮132、中压涡轮134以及低压涡轮136，其可适于利用由蒸汽发生器布置140生成的蒸汽或可变压蒸汽操作(通过利用来自热存储布置120的热存储流体)。蒸汽发生器布置140可经由泵在高压下从给水供应116接收水，以生成和供应蒸汽至蒸汽涡轮130。特别地，高压给水由来自热存储布置120的热存储流体初始地转变成具有期望压力(优选170巴)和545ºC的温度的高压蒸汽。由于系统100的结构和布置，各种相关联的元件对本领域技术人员众所周知，为了获取对本公开内容的理解，认为没有必要在本文中叙述所有结构细节及其解释。相反，认为简单地提到如图1至图5B中示出的那些就足够了，在系统100中，仅示出对于本公开内容的各种实施例的描述相关的那些构件。

参照结合图1描述的图2、3和4，根据本公开内容的各种实施例绘出了蒸汽发生器布置140的详细线路图。如图2和3中所示，蒸汽发生器布置140(由虚线界定)可包括节热器区段142、蒸发器区段144和过热器区段148，它们可连通地构造成使用热的热存储流体(在蒸发器区段144的入口处从第一存储罐122接收)的热量来从接收自给水供应116的水生成所述高压蒸汽。节热器区段142构造成用于将给水加热至饱和温度来限定蒸汽发生器布置140的压力。此外，蒸发器区段144从给水生成蒸汽，且过热器区段148构造成使从蒸发器区段(144)接收的蒸汽过热。在图2和3中，为了容易识别，水-蒸汽供应线绘出为实线，而热的热存储流体供应线以与实线相反的箭头方向绘出为虚线。当其热量由蒸汽发生器布置140使用时，热的热存储流体变成冷的热存储流体，且所得的冷的热存储流体从蒸汽发生器布置140直接供应至第二存储罐124以存储在其中。所述高压蒸汽供应至过热器区段148且进一步至蒸汽涡轮130的高压涡轮132来驱动其。在供应其能量之后，蒸汽可从高压涡轮132下游的涡轮级释放。

蒸汽发生器布置140可还包括再加热组件160。来自第一存储罐122的热的热存储流体可通过再加热组件160供应至蒸汽发生器布置140以生成压力蒸汽(例如中压蒸汽)，以供应至中压涡轮134。再加热组件160还可用于通过热的热存储流体再加热从高压涡轮132下游的涡轮级接收的压力蒸汽。来自中压涡轮134的蒸汽供应至低压涡轮136以用于驱动蒸汽涡轮130。

在所有以上描述中，关于生成蒸汽来使系统100平稳且经济地工作，而没有热存储流体的凝固和盐出口温度的增加，蒸汽压力由系统的热平衡限制。这是因为，在水在蒸汽发生器布置140的节热器区段142中加热至饱和温度之后，蒸发开始，从而自然地设定蒸发压力。蒸汽压力对蒸汽循环的效率具有直接影响。

为了改进效率，系统100可构造成使得，可取决于其全负荷操作或部分负荷操作而调整(即，升高或降低)蒸汽发生器布置140中的蒸汽压力，同时将进入节热器区段142的水的温度维持在盐凝固温度以上，且将离开MSSG的盐的温度维持在凝固以上的用于安全操作的可能的最低水平。为此目的，在系统100的全负荷操作期间，系统100包括再循环线170。再循环线170构造成围绕节热器区段142以使加热的水再循环至节热器区段142的入口142a。加热的水在再循环线170中的再循环可通过适合容量的泵完成。以此方式，通过适当设定再循环水的量，给水温度可降低，但到节热器区段142的入口温度可保持到期望水平以避免盐凝固的风险。结果是节热器区段142上的热负荷的净增加。在一个实施例中，如图2中所示，再循环线170构造成从节热器区段142的出口142b至节热器区段142的入口142a。在另一个实施例中，如图3中所示，再循环线170构造成从蒸发器区段144至节热器区段142的入口142a。在又一个实施例中，如图4中所示，蒸发器区段144还可包括汽鼓146，且在该实施例中，再循环线170可构造成从汽鼓146至节热器区段142的入口142a。

图2、3和4的再循环线170的这些所述布置允许升高蒸汽发生器布置140中的蒸汽的压力水平，继而增加蒸汽循环的效率，同时将蒸发器区段144的入口144a处和节热器区段142的出口142b处的热能存储流体的温度以及到节热器区段142的给水温度维持在期望值。图5A和5B分别绘出了说明本发明(图5A)相对于常规系统(图5B)的改进的T-Q图的图形表示。增加再循环的加热的水同时降低到节热器区段142的给水温度减小了水加热线的斜率，这在对应于较高蒸发压力的点限制(pinch)热存储流体(熔盐)线。

围绕节热器区段142的此再循环线170的额外效果在于，通过将水与适当量的再循环的热水混合，进入节热器区段142的水可在系统100的全负荷操作时保持在期望水平，即240°C。

在本公开内容的另一个实施例中，除了再循环线170，系统100还可包括旁通线180。旁通线180构造成旁通节热器区段142以使来自给水供应116的水直接供应至蒸发器区段144，如图2、3和4中所示。除了图2、3和4之外，用于再循环线170和旁通线180的工作条件可结合除图2、3和4之外其他的图1和图5A-B解释。取决于操作负荷条件(全负荷和部分负荷)，可选择再循环线170和旁通线180以用于操作。

例如，在部分负荷条件期间，旁通线180可为重要的。在一个实施例中，在系统100的部分负荷期间，再循环线170可停用且旁通线180启用。通常，在全负荷条件下，从节热器区段142离开的热存储流体(熔盐)的温度对应于第二存储罐124(冷罐)的大约290°C的温度。因此，在部分负荷条件下，热存储流体(熔盐)的温度通常可倾向于降低到低于290°C。再循环线170可调整成使到节热器区段142的水入口温度增加至高于240°C，因此将热存储流体(熔盐)的温度控制在290°C。然而，所需的再循环流可增加且可很快由再循环线170的最大能力限制，典型地由再循环线170中的泵的容量限制。当达到该点时，热存储流体(熔盐)的出口温度可能需要滑到290°C以下。在较低部分负荷条件下，如果热存储流体(熔盐)的温度达到低于其存在凝固风险的水平，则可采取措施来克服它。通过安装旁通线180，来自给水供应116的水的部分可直接发送至蒸发器区段144，而非发送至节热器区段142，从而减少节热器区段142上的热负荷且避免热存储流体(熔盐)在发送至第二存储罐124存储时变得太冷。这允许系统100在部分负荷条件期间的较高效率。

除上文之外，再循环线170和旁通线180还可允许延伸蒸汽发生器布置140的‘滑动压力水平’。‘滑动压力’意思是，当水流减少时，蒸汽压力成比例降低。降低压力还具有降低热存储流体(熔盐)出口温度的效果，这是由于其降低蒸发器区段144中的蒸发温度，且因此导致已经在节热器区段142的入口142a处的较低水入口温度。旁通线180可用于维持热存储流体(熔盐)出口温度较高，且允许在‘滑动压力’下以比没有旁通线180的情况下低得多的负荷操作，同时避免热存储流体(熔盐)出口温度从其设计值(通常，大约290°C)降低。当对于部分负荷条件在滑动压力下操作蒸汽发生器布置140时，蒸汽涡轮130可在阀大开的情况下操作(涡轮是遵循滑动压力特性的容积式机器)。相比于涡轮需要在蒸汽发生器布置中维持较高压力且因此需要利用涡轮入口阀来节流压力的操作，这显著提高涡轮循环的效率。

本文中结合系统100描述和请求保护的方法在各种范围中(诸如上文描述的)是有利的。除了在本公开内容中在各种实施例中描述的以上有利特征之外，关于本发明升高蒸汽发生器布置中的蒸汽压力的能力同时防止熔盐的凝固改进太阳能热功率系统的效率。本发明还能够应用于蒸汽发生器技术和包括其中节热器区段、蒸发器区段和过热器区段在专有构件中分开、串联或并联组装或所有三个区段在一个单一构件中组合的实施例。

本公开内容的特定实施例的前述描述为了说明和描述的目的而展示。它们不意在为排他性的或将本公开内容限制成公开的确切形式，且明显，根据以上教导，许多修改和变型是可能的。实施例选择和描述成以便最好地解释本公开内容的原理及其实际应用，从而允许本领域技术人员最好地利用本公开内容以及适于构思的具体用途的带有各种修改的各种实施例。要理解的是，当情况可建议或使得有利时，构思了等同方案的替换和各种省略，但这些意在覆盖应用和实施方式，而不脱离本公开内容的权利要求的范围或精神。

参考标号列表

100 太阳能热功率系统；系统

110 太阳能接收器

112 塔

114 日光反射装置

116 给水供应

120 热能存储布置；热存储布置

122,124 第一和第二存储罐

130 多级蒸汽涡轮，蒸汽涡轮

132 高压蒸汽涡轮

134 中压涡轮

136 低压涡轮

140 蒸汽发生器布置

142 节热器区段

142a 节热器的入口

142b 节热器的出口

144 蒸发器区段

144a 蒸发器区段的入口

146 汽鼓

148 过热器区段

150 电力发电机

160 再加热组件

170 再循环线

180 旁通线。

Claims

1.一种用于调整太阳能功率设备中的蒸汽发生器压力的方法，所述方法包括：

加热太阳能接收器(110)中的热能存储流体；

将加热的热能存储流体存储在热能存储布置(120)中；

使用所述热能存储流体的热量在蒸汽发生器布置(140)中从由给水供应(116)供应的给水产生蒸汽以操作涡轮(130)，其中所述蒸汽发生器布置(140)包括：用于将所述给水加热至饱和温度以限定所述蒸汽发生器布置(140)的压力的节热器区段(142)，用于从所述给水生成蒸汽的蒸发器区段(144)，以及用于使来自所述蒸发器区段(144)的所述蒸汽过热的过热器区段(148)；

通过使由所述节热器区段(142)加热的给水围绕所述节热器区段(142)再循环或至少通过部分地旁通所述节热器区段(142)来调整所述蒸汽发生器布置(140)中的压力，同时，

维持所述蒸发器区段(144)的入口(144a)处和所述节热器区段(142)的出口(142b)处的所述热能存储流体的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使加热的水再循环包括：

使所述加热的水再循环至所述节热器区段(142)的入口(142a)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使加热的水再循环包括：

使所述加热的水从所述节热器区段(142)的出口(142b)再循环至所述节热器区段(142)的入口(142a)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使加热的水再循环包括：

使加热的水从所述蒸发器区段(144)再循环至所述节热器区段(142)的入口(142a)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使加热的水再循环包括：

使加热的水从构造至所述蒸发器区段144的汽鼓(146)再循环至所述节热器区段(142)的入口142a。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在全负荷操作期间，通过使由所述节热器区段(142)加热的给水围绕所述节热器区段(142)再循环升高所述蒸汽发生器布置(140)中的压力。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少部分地旁通所述节热器区段142包括：

至少部分地旁通所述节热器区段142以使来自所述给水供应116的水直接供应至所述蒸发器区段(144)，以降低所述蒸汽发生器布置(140)中的压力。

8.根据权利要求1或权利要求7所述的方法，其特征在于，在部分负荷操作期间，通过部分地旁通所述节热器区段142降低所述蒸汽发生器布置(140)中的压力。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过构造至所述蒸汽发生器布置(140)的再加热组件(160)再加热所述蒸汽。