CN108590989A - 塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于太阳能与燃气联合热发电技术领域的一种塔式太阳能集热与燃气‑蒸汽联合循环集成的互补系统。该互补系统由塔式太阳能集热场和燃气‑蒸汽联合循环基准系统通过两个换热器连接组成；本发明采用塔式太阳能集热场，以熔盐为导热介质，与联合循环系统中的工质进行换热。在太阳直射辐射强度较高时，加热压缩空气，以提高燃烧效率，然后将换热后仍有较高温度的熔盐引入余热锅炉中加热高压给水使其蒸发，起到替代部分高压蒸发器热负荷的作用；在太阳直射辐射强度较低时，只用以加热高压给水。有效利用了较低能流密度时段的太阳能，降低了随时间波动的太阳辐照强度对系统的影响。提高太阳能的利用率和系统的稳定性，并能节约天然气消耗量。
Description
技术领域
本发明属于太阳能与燃气联合热发电技术领域，特别涉及一种塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统。
背景技术
长期以来，世界能源利用结构中化石能源占据主要部分。然而随着化石能源的过量消耗以及日趋突出的环境污染等问题的突显，太阳能作为储藏量最大的可再生能源，其大规模高效利用已经成为调整世界能源利用结构以及实现可持续发展的必然要求。由于受到太阳能自身特性以及工作介质温度的限制，独立太阳能电站的热效率低、需要添加储热单元，建造成本较高，因此将太阳能与常规化石燃料电站耦合集成已成为当前的研究热点。
太阳热能与燃气-蒸汽互补的联合循环(ISCC)系统是太阳能与化石燃料电站耦合集成的一种较为高效的应用方式，可根据太阳能在系统中集成的位置分为两种：集成于布雷顿循环(燃气轮机)和集成于朗肯循环(余热锅炉)。集成于布雷顿循环是利用太阳热能加热燃气轮机压气机出口的高压空气，吸收太阳能加热后的高温高压空气再通入燃烧室中参与燃烧，由于提高了高压空气初温，可达到减少天然气输入量的效果。集成于朗肯循环则是利用太阳能热加热余热锅炉中的给水或蒸汽，可增大蒸汽轮机的净出功。太阳能热互补的燃气-蒸汽联合循环系统能够提高太阳能的光电转化效率、减少天然气消耗量，且能克服独立太阳能发电系统自身不稳定的缺点。
目前已经运行的ISCC电站大多采用槽式集热方式。而塔式太阳能集热技术是另一种能大规模将太阳能转换为热能的集热方式，由于其采用中央集热方式，其集热温度、聚光比等要高于槽式集热技术，必然会在未来得到更广泛的应用。本发明提出集成塔式太阳能的新型ISCC系统方案，分时段将太阳能集成于不同位置，有效利用了低能流密度的太阳能，从而能节约天然气耗量，极大地提高太阳能的利用率和系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提出一种塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统，其特征在于，该互补系统由塔式太阳能集热场和燃气-蒸汽联合循环基准系统通过X1换热器2、X2换热器3连接组成；其中，塔式太阳能集热器1输出和第一节流阀a1、第二节流阀a2的输入端连接在一起，第二节流阀a2的输出端与串联的X1换热器2、X2换热器3的太阳能导热介质管连通，第一节流阀a1的输出端连接在X1换热器2、X2换热器3的节点处；X2换热器3的太阳能热水管出口经过熔盐罐4、c1泵连接到塔式太阳能集热场1的集热器的输入；X1换热器2的换热管与燃烧室6、燃气轮机7、压气机5连接成回路；燃气轮机7的抽气接到基准系统余热锅炉的蒸汽入口，X2换热器3的换热管两端分别接到基准系统的高压蒸发器HPB和第二级高压省煤器HPE2的蒸汽入口。
所述余热锅炉的蒸汽入口与基准系统的余热锅炉的各个受热面串联，各个受热面包括HPS和RH、HPB、IPS、HPE2、LPS、IPB、IPE、HPE1、LPB、LPE的受热面。
所述塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统的互补方法，其特征在于，由塔式太阳能集热场的集热器1接受太阳的辐射热量，将热量传给中间导热介质熔盐，被加热后的熔盐参与互补系统的热力循环，根据不同时段的太阳能直射辐射强度DNI值的高低分为两种情况:
(一)在上午与下午DNI较低的时段，吸收太阳能热量的熔盐流经第一节流阀a1流入X2换热器3中加热余热锅炉第二级高压省煤器HPE2中引出的部分高压给水,并使其蒸发，得到饱和蒸汽送入余热锅炉中，经高压过热器HPS加热为过热蒸汽，进入蒸汽轮机高压缸HP做功带动第二同轴发电机b2转动发电，而换热后的熔盐流回熔盐罐4继续进行热力循环；
(二)当DNI较高时，即大于280W/m2，被太阳能加热后的熔盐流经第二节流阀a2，进入X1换热器2，加热由压气机5压缩后的空气，使空气温度从405℃提升至523℃，之后引入燃烧室6与天然气混合燃烧；受热后的空气与天然气在燃烧室6中混合燃烧得到高温燃气，送入燃气轮机7做功，带动第一同轴发电机b1发电，燃气轮机的排烟作为热源送入余热锅炉中加热各个受热面；与空气换热后的熔盐进入X2换热器3中，加热余热锅炉第二级高压省煤器HPE2中引出的部分高压给水并使其蒸发，后续流程与DNI较低时的情况相同，即得到饱和蒸汽送入余热锅炉中，经高压过热器HPS加热为过热蒸汽，进入蒸汽轮机高压缸HP做功带动第二同轴发电机b2转动发电，而换热后的熔盐流回熔盐罐4继续进行热力循环；另外，汽轮机低压缸LP的排汽经过凝汽器8、c4泵进入中压省煤器IPE，被余热锅炉的饱和蒸汽余热加热后，一部分进入低压蒸发器LPB，另一部分分别通过c3泵进入中压省煤器IPE和c2泵进入第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2返回到X2换热器3的管中，与被太阳能加热的熔盐流换热，被加热的蒸汽进入余热锅炉中的高压蒸发器HPB继续进行热力循环；由此达到塔式太阳能集热场与燃气-蒸汽联合循环集成系统互补的目的。
本发明的集成单元包括PG9351FA型号燃气轮机、三压再热余热锅炉系统、西班牙Gemasolar独立光热电站的塔式太阳能集热系统。
本发明的有益效果为：本集成方案解决了独立太阳能不稳定性、传统ISCC电站存在某些时段太阳能不被利用的问题，具有如下特点：
本发明系统根据太阳能直射辐射强度DNI随时间变化的特点，基于DNI随时间变化的情况将塔式太阳能集热场的热量集成到燃气-蒸汽联合循环的不同位置，合理利用了不同能流密度的太阳能，使新系统能利用更低能流密度的太阳能，提高了太阳能利用率，实现了系统的稳定、高效运行。
利用太阳能加热压气机出口的空气，提高了燃烧的平均温度，减少燃烧损失，从而提高系统效率，增加燃气轮机的出功。
利用太阳能加热高压给水，使其蒸发，起到了替代部分高压蒸发器热负荷的作用，以减少燃料量的手段使系统的净出功变化更为平稳，一定程度上消除了太阳能本身波动性对系统带来的影响。
附图说明
图1为塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统组成示意图，包括塔式太阳能集热场和燃气-蒸汽联合循环基准系统。
图中：1-塔式太阳能集热器；2-X1换热器；3-X2换热器；4-熔盐罐；5-压气机；6-燃烧室；7-燃气轮机；8-凝汽器；HP为汽轮机高压缸；IP为汽轮机中压缸；LP为汽轮机低压缸；LPE为低压省煤器；LPB为低压蒸发器；LPS为低压过热器；IPE为中压省煤器；IPB为中压蒸发器；IPS为中压过热器；HPE1为第一级高压省煤器；HPE2为第二级高压省煤器；HPB为高压蒸发器；HPS为高压过热器；RH为再热器；a1为第一节流阀；a2为第二节流阀；b1为第一发电机,b2为第二发电机；c1,c2,c3,c4为泵。
图2为夏至日DNI变化图。
图3为夏至日环境温度变化图。
图4为敦煌地区全年DNI变化图。
具体实施方式
本发明提出一种塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统组成示意图，包括塔式太阳能集热场和燃气-蒸汽联合循环基准系统。
图中所示互补系统由塔式太阳能集热场和燃气-蒸汽联合循环基准系统通过X1换热器2、X2换热器3连接组成；其中，塔式太阳能集热器1输出和第一节流阀a1、第二节流阀a2的输入端连接在一起，第二节流阀a2的输出端与串联的X1换热器2、X2换热器3的太阳能导热介质管连通，第一节流阀a1的输出端连接在X1换热器2、X2换热器3的节点处；X2换热器3的太阳能热水管出口经过熔盐罐4、c1泵连接到塔式太阳能集热场1的集热器的输入；X1换热器2的换热管与燃烧室6、燃气轮机7、压气机5连接成回路；燃气轮机7的抽气接到基准系统余热锅炉的蒸汽入口，X2换热器3的换热管两端分别接到基准系统的高压蒸发器HPB和第二级高压省煤器HPE2的蒸汽入口。其中余热锅炉的蒸汽入口与基准系统的余热锅炉的各个受热面串联，各个受热面包括HPS和RH、HPB、IPS、HPE2、LPS、IPB、IPE、HPE1、LPB、LPE的受热面。图中所示GTCC基准系统就是燃气-蒸汽联合循环基准系统，为常规燃气发电系统，其结构组成不再具体描述。
图1所示的塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统的互补原理，塔式太阳能集热场的集热器1接受太阳的辐射热量，将热量传给中间导热介质熔盐，被加热后的熔盐参与互补系统的热力循环；根据不同时段的太阳能直射辐射强度DNI值(如图4所示的敦煌地区全年DNI变化图)的高低分为两种情况:
(一)在上午与下午DNI较低的时段，吸收太阳能热量的熔盐流经第一节流阀a1流入X2换热器3中加热余热锅炉第二级高压省煤器HPE2中引出的部分高压给水,并使其蒸发，得到饱和蒸汽送入余热锅炉中，经高压过热器HPS加热为过热蒸汽，进入蒸汽轮机高压缸HP做功带动第二同轴发电机b2转动发电，而换热后的熔盐流回熔盐罐4继续进行热力循环；
(二)当DNI较高时，即大于280W/m2，被太阳能加热后的熔盐流经第二节流阀a2，进入X1换热器2，加热由压气机5压缩后的空气，使空气温度从405℃提升至523℃，之后引入燃烧室6与天然气混合燃烧；受热后的空气与天然气在燃烧室6中混合燃烧得到高温燃气，送入燃气轮机7做功，带动第一同轴发电机b1发电，燃气轮机的排烟作为热源送入余热锅炉中加热各个受热面；与空气换热后的熔盐进入X2换热器3中，加热余热锅炉第二级高压省煤器HPE2中引出的部分高压给水并使其蒸发，后续流程与DNI较低时的情况相同，即得到饱和蒸汽送入余热锅炉中，经高压过热器HPS加热为过热蒸汽，进入蒸汽轮机高压缸HP做功带动第二同轴发电机b2转动发电，而换热后的熔盐流回熔盐罐4继续进行热力循环；另外，汽轮机低压缸LP的排汽经过凝汽器8、c4泵进入中压省煤器IPE，被余热锅炉的饱和蒸汽余热加热后，一部分进入低压蒸发器LPB，另一部分分别通过c3泵进入中压省煤器IPE和c2泵进入第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2返回到X2换热器3的管中，与被太阳能加热的熔盐流换热，被加热的蒸汽进入余热锅炉中的高压蒸发器HPB继续进行热力循环；由此达到塔式太阳能集热场与燃气-蒸汽联合循环系统互补集成的目的。
本发明的集成单元包括PG9351FA型号燃气轮机、三压再热余热锅炉系统、西班牙Gemasolar独立光热电站的塔式太阳能集热系统。
实施例
在图1中，下边虚线框内的GTCC基准系统就是燃气-蒸汽联合循环基准系统，为常规燃气发电系统，空气经压气机5压缩后与天然气在燃烧室6中燃烧，生成的燃气进入燃气轮机7做功，带动第一同轴发电机b1转动发电；同时抽取部分压缩空气冷却透平叶片；做功后的高温烟气(609℃)进入余热锅炉中依次流经各受热面(HPS和RH、HPB、IPS、HPE2、LPS、IPB、IPE、HPE1、LPB、LPE)加热高、中、低压三段给水(蒸汽)；三段给水分别通过省煤器、蒸发器、过热器以及再热器与烟气进行不同程度的换热，最终将三段给水加热成指定温度的过热蒸汽引入汽轮机中做功，第二同轴发电机b2转动发电，余热锅炉排出的烟气最终排放至环境中。
参比系统为传统ISCC系统，其组成与图1中的太阳能集热场至高压蒸发器HPB部分相同；吸收太阳能热量的高温熔盐流经第一节流阀a1X2流入换热器3中加热余热锅炉的第二高压省煤器HPE2抽取的部分高压饱和水换热；太阳能光热仅被利用于加热底循环部分高压饱和水，其集热温度固定，通过改变熔融盐流量完成系统的正常运行。
本发明相对参比系统提出了图1所示的塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统(新系统)，工作流程如图1所示。太阳能的辐射热量由塔式太阳能集热场的集热器接受，并将热量传给中间导热介质熔盐，被加热后的熔盐参与系统热力循环，分为两种情况与上述工作原理相同。
上述基准系统、参比系统和本发明系统采用相同的地理位置和时间的气象数据值进行计算，即以敦煌夏至日整天的DNI和环境温度进行计算，结果如图2、图3所示。本发明系统选用的燃气轮机和余热锅炉的设计参数见表1、表2。
表1燃机模型设计参数
| 燃气模型 | GE-PG9351FA |
| 设计环境温度(℃) | 15 |
| 天然气输入量(kg/s) | 14.08 |
| 空气流量(kg/s) | 621.58 |
| 冷却空气量占比 | 0.21 |
| 压比 | 15.4 |
| 净发电量(MW) | 255.6 |
| 压缩空气温度(℃) | 404 |
| 燃机透平初温(℃) | 1327 |
| 排烟温度(℃) | 609.1 |
| 燃机热效率(％) | 36.9 |
表2余热锅炉模型设计参数
在模拟过程中，本发明系统、基准系统、参比系统中各参数随时间波动情况如表3所示：
表3本发明系统的模拟参数随时间波动情况
夏至日的计算结果对比如表4所示：
表4夏至日系统计算结果对比
由表3、表4可知，本发明系统相比于基准系统和参比系统在夏至日的总天然气输入量减少了3.3％，其太阳能净发电总量、太阳能发电份额以及光-电转换过程中的净效率和效率也均高于ISCC参比系统。由于发明系统中一部分太阳能光热引入顶循环，减少了天然气的输入量，导致新系统的总发电量要略低于参比ISCC系统(约为其98％)。从系统整体能源利用的角度讲，虽然发明系统的净效率和效率均略低于GTCC基准系统，但发明系统的净效率和效率均高于ISCC参比系统，可见本发明在能量综合利用方面比传统的ISCC参比系统更有优势。
全年的计算结果如表5所示：
表5全年系统热力性能参数
由表5可知，本发明系统除了总发电量略低于参比系统之外，其它热力性能参数均高于参比系统，充分体现了本发明系统的热力性能优势。
Claims (3)
1.一种塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统，其特征在于，该互补系统由塔式太阳能集热场和燃气-蒸汽联合循环基准系统通过X1换热器(2)、X2换热器(3)连接组成；其中，塔式太阳能集热器(1)输出和第一节流阀(a1)、第二节流阀(a2)的输入端连接在一起，第二节流阀(a2)的输出端与串联的X1换热器(2)、X2换热器(3)的太阳能导热介质管连通，第一节流阀(a1)的输出端连接在X1换热器(2)、X2换热器(3)的节点处；X2换热器(3)的太阳能热水管出口经过熔盐罐(4)、c1泵连接到塔式太阳能集热场的集热器(1)的输入；X1换热器(2)的换热管与燃烧室(6)、燃气轮机(7)、压气机(5)连接成回路；燃气轮机(7)的抽气接到基准系统余热锅炉的蒸汽入口，X2换热器(3)的换热管两端分别接到基准系统的高压蒸发器(HPB)和第二级高压省煤器(HPE2)的蒸汽入口。
2.根据权利要求1所述一种塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统，其特征在于，所述余热锅炉的蒸汽入口与基准系统的余热锅炉的各个受热面串联，各个受热面包括HPS和RH、HPB、IPS、HPE2、LPS、IPB、IPE、HPE1、LPB、LPE的受热面。
3.一种权利要求1所述塔式太阳能集热与燃气-蒸汽联合循环集成的互补系统的互补方法，其特征在于，由塔式太阳能集热场的集热器(1)接受太阳的辐射热量，将热量传给中间导热介质熔盐，被加热后的熔盐参与互补系统的热力循环，根据不同时段的太阳能直射辐射强度DNI值的高低分为两种情况:
(一)在上午与下午DNI较低的时段，吸收太阳能热量的熔盐流经第一节流阀(a1)流入X2换热器(3)中,加热余热锅炉第二级高压省煤器(HPE2)中引出的部分高压给水,并使其蒸发，得到饱和蒸汽送入余热锅炉中，经高压过热器(HPS)加热为过热蒸汽，进入蒸汽轮机高压缸(HP)做功带动第二同轴发电机(b2)转动发电，而换热后的熔盐流回熔盐罐(4)继续进行热力循环；
(二)当DNI较高时，即大于280W/m2，被太阳能加热后的熔盐流经第二节流阀(a2)，进入X1换热器(2)，加热由压气机(5)压缩后的空气，使空气温度从405℃提升至523℃，之后引入燃烧室(6)与天然气混合燃烧；受热后的空气与天然气在燃烧室(6)中混合燃烧得到高温燃气，送入燃气轮机(7)做功，带动第一同轴发电机(b1)发电，燃气轮机的排烟作为热源送入余热锅炉中加热各个受热面；与空气换热后的熔盐进入X2换热器(3)中，加热余热锅炉第二级高压省煤器(HPE2)中引出的部分高压给水并使其蒸发，后续流程与DNI较低时的情况相同，即得到饱和蒸汽送入余热锅炉中，经高压过热器(HPS)加热为过热蒸汽，进入蒸汽轮机高压缸(HP)做功带动第二同轴发电机(b2)转动发电，而换热后的熔盐流回熔盐罐(4)继续进行热力循环；另外，汽轮机低压缸(LP)的排汽经过凝汽器(8)、c4泵进入中压省煤器(IPE)，被余热锅炉的饱和蒸汽余热加热后，一部分进入低压蒸发器(LPB)，另一部分分别通过c3泵进入中压省煤器(IPE)和c2泵进入第一级高压省煤器(HPE1)、第二级高压省煤器(HPE2)返回到X2换热器(3)中，与被太阳能加热的熔盐流换热，被加热的蒸汽进入余热锅炉中的高压蒸发器(HPB)继续进行热力循环；由此达到塔式太阳能集热场与燃气-蒸汽联合循环集成系统互补的目的。
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| CN109538355A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-29 | 国电环境保护研究院有限公司 | 塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备 |
| CN111306820A (zh) * | 2020-02-19 | 2020-06-19 | 西安交通大学 | 一种光煤互补系统变工况的发电功率寻优控制方法 |
| CN112922686A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-06-08 | 青岛科技大学 | 一种集成太阳能和mcfc的燃气-蒸汽联合循环复合发电系统 |
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2018
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