CN108626083B - 槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统 - Google Patents

槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于太阳能热发电技术领域的一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统。以第一槽式太阳能集热镜场与通过燃气发电系统和余热锅炉的高压蒸发器集成的系统为基础系统；在基础系统基础上通过改变系统中太阳能集热镜场的集成位置与集成方式，通过高、中、低三个给水泵和高、中、低压汽包与传统的热互补联合循环系统集成新的太阳能互补联合循环系统；本发明提出将部分太阳能分别与低压省煤器和高压蒸发器集成的新型集成方案，其中通过替代低压省煤器热负荷能够缓解排烟温度过低的限制，避免太阳能资源的浪费，从而增加在太阳能集热换热器中蒸发的高压给水的质量流量，进一步增加余热锅炉吸收的太阳能热量以及太阳能发电量。

Description

槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，特别涉及一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统。
背景技术
随着化石能源的不断枯竭和大量使用化石能源利用带来的严峻的环境问题不断加剧，发展可再生能源得到世界各国的高度重视。太阳能相对于传统化石能源具有开发潜力大、清洁环保、可持续利用的优势，能有效解决开发利用化石能源带来的化石能源短缺、环境污染和温室效应等问题。单独太阳能热发电系统存在着太阳能发电效率低以及由于具有蓄热系统导致的投资大等问题，将太阳能集成在燃气蒸汽联合循环中组成太阳能热互补发电系统(ISCC)，不仅可以解决太阳能波动、不稳定的问题，而且取消了蓄热系统，降低了太阳能热发电成本，成为当前研究的热点。其中太阳能发电方式分为光伏发电和光热发电，从技术难度和造价角度出发，光热发电方式相比光伏发电具有显著的发展优势。槽式聚光太阳能热发电技术相对于高成本的塔式太阳能热发电技术以及尚处于研究阶段的蝶式、菲涅尔式等太阳能热发电技术来说，槽式太阳能热发电技术是目前最具商业化的发电方式。将太阳能热发电技术与成熟的常规发电技术相结合，实现多能源互补发电，可降低开发利用太阳能的技术和经济风险，并且还能有效解决太阳能利用不稳定和蓄热技术投资高等问题。但在传统的太阳能热互补联合循环系统当中，对于较大面积的槽式太阳能镜场，在太阳直射辐射较好时能够提供较多的太阳能热量，由于余热锅炉排烟温度的影响燃气-蒸汽联合循环余热锅炉存在着最大的太阳能吸热量限制，会造成太阳能资源的浪费。本发明提出将太阳能分别与低压省煤器和高压蒸发器集成的新型集成方案，不仅可以高效的利用高温太阳能热资源，而且将部分槽式太阳能系统替代低压省煤器热负荷还可以缓解排烟温度的限制，避免太阳能资源的浪费，增加余热锅炉吸收的太阳能热量以及太阳能发电量。
发明内容
本发明的目的是提供一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统，其特征在于，以第一槽式太阳能集热镜场1与通过燃气轮机发电系统3和余热锅炉4的高压蒸发器集成的热互补联合循环系统为基础系统；在基础系统基础上通过改变系统中太阳能集热镜场的集成位置与集成方式，即将第二太阳能集热镜场2同时与低压省煤器LPE连接和同时分三路：第一路通过低压汽包连接低压蒸发器LPB、低压过热器LPS、低压缸LT和发电机1；第二路通过中压给水泵与余热锅炉4中的中压省煤器IPE、中压汽包、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS、RH1再热器、RH2再热器和中压缸IT依次连接；中压缸IT与低压缸LT和发电机1连接；第三路通过高压给水泵与余热锅炉4中的第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压汽包、高压蒸发器HPB连接，高压汽包并联第一槽式太阳能集热镜场1后与SH1高压过热器、SH2高压过热器、高压缸HT、中压缸IT、低压缸LT和发电机1依次连接；由此实现了一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统，其中，基础系统为通用技术，这里不必详细描述。
所述燃气轮机选择GE公司的PG9351FA型燃气轮机。
所述余热锅炉采用高、中、低三压再热类型。
所述槽式太阳能同时与低压省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统的互补方法，其特征在于，给水经低压给水泵加压后成为工质，工质分成两部分，其中一部分工质进入槽式太阳能镜场2进行加热成蒸汽；另一部分进入低压省煤器LPE被预热，然后与从槽式太阳能镜场2出来的蒸汽混合，混合之后的出口工质再分成三股，其中第一股工质经低压汽包进入低压蒸发器LPB，吸热后变成饱和蒸汽，再在低压过热器LPS中吸热变成过热蒸汽，然后与中压缸IT排汽混合通入低压缸LT,做功，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工质经中压给水泵加压，依次流经中压省煤器IPE、中压汽包、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS，完成未饱和水到饱和水、饱和蒸汽、过热蒸汽的转化过程，最终和高压缸HT排汽混合依次进入再热器RH1、RH2，工质再热后进入中压缸IT做功；第三股工质经高压泵加压后依次进入第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压汽包、高压蒸发器HPB后，从第二级高压省煤器HPE2、高压汽包中流出的高压工质再被分为两部分，一部分进入槽式太阳能系统1进行蒸发，另一部分继续进入余热锅炉的高压蒸发器HPB完成蒸发过程，然后与从槽式太阳能镜场1侧的蒸汽混合后，依次进入SH1高压过热器、SH2高压过热器，吸收排烟热量成为过热蒸汽排入高压缸HT做功；实现了将部分太阳能热量替代低压省煤器LPE热负荷，缓解余热锅炉排烟温度的限制，由此增加高压给水以及总给水的质量流量，从而进一步增加余热锅炉吸收的太阳能热量以及太阳能发电量。
本发明的有益效果为通过改变太阳能的集成方式与集成位置，将太阳能分别与低压省煤器和高压蒸发器集成，由于部分太阳能用于替代了余热锅炉的低压省煤器热负荷，使新的集成系统有更高的热力学优势和经济性优势。同时也有效缓解了由于高压流量的增加而导致的排烟温度较低的问题。
附图说明
图1为槽式太阳能同时与低压省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统示意图；其中包含第一槽式太阳能集热镜场1、燃气轮机发电系统3和余热锅炉4的高压蒸发器集成的热互补联合循环基础系统。
具体实施方式
本发明提供一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统；，下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1所示为槽式太阳能同时与低压省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统示意图。以第一槽式太阳能镜场1与通过燃气发电系统3和余热锅炉4的高压蒸发器集成的热互补联合循环系统为基础系统；在基础系统基础上通过改变系统中太阳能镜场的集成位置与集成方式，即将第二太阳能镜场2同时与低压省煤器LPE连接和同时分三路：第一路通过低压汽包连接低压蒸发器LPB、低压过热器LPS、低压缸LT和发电机1；第二路通过中压给水泵与余热锅炉4中的中压省煤器IPE、中压汽包、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS、RH1再热器、RH2再热器和中压缸IT依次连接；中压缸IT与低压缸LT和发电机1连接；第三路通过高压给水泵与余热锅炉4中的第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压汽包、高压蒸发器HPB连接，高压汽包并联第一槽式太阳能镜场1后与SH1高压过热器、SH2高压过热器、高压缸HT、中压缸IT、、低压缸LT和发电机1依次连接；由此实现了一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统，其中，基础系统为通用技术，这里不必详细描述。所述燃气轮机选择GE公司的PG9351FA型燃气轮机。所述余热锅炉采用高、中、低三压再热类型。
图1所示的一种槽式太阳能同时与低压省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统的互补原理：给水经低压给水泵加压后成为工质，工质分成两部分，其中一部分工质进入槽式太阳能镜场2进行加热成蒸汽；另一部分进入低压省煤器LPE被预热，然后与从槽式太阳能镜场2出来的蒸汽混合，混合之后的出口工质再分成三股，其中第一股工质经低压汽包进入低压蒸发器LPB，吸热后变成饱和蒸汽，再在低压过热器LPS中吸热变成过热蒸汽，然后与中压缸IT排汽混合通入低压缸LT,做功，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工质经中压给水泵加压，依次流经中压省煤器IPE、中压汽包、中压蒸发器IPB、中压过热器IPS，完成未饱和水到饱和水、饱和蒸汽、过热蒸汽的转化过程，最终和高压缸HT排汽混合依次进入再热器RH1、RH2，工质再热后进入中压缸IT做功；第三股工质经高压泵加压后依次进入第一级高压省煤器HPE1、第二级高压省煤器HPE2、高压汽包、高压蒸发器HPB后，从第二级高压省煤器HPE2、高压汽包中流出的高压工质再被分为两部分，一部分进入槽式太阳能系统1进行蒸发，另一部分继续进入余热锅炉的高压蒸发器HPB完成蒸发过程，然后与从槽式太阳能镜场1侧的蒸汽混合后，依次进入SH1高压过热器、SH2高压过热器，吸收排烟热量成为过热蒸汽排入高压缸HT做功；实现了将部分太阳能热量替代低压省煤器LPE热负荷，缓解余热锅炉排烟温度的限制，由此增加高压给水以及总给水的质量流量，从而进一步增加余热锅炉吸收的太阳能热量以及太阳能发电量。系统运行中始终维持节点温差、接近点温差、热端端差不变。下面结合实施例对本发明的效果做一下说明。
实施例
以基础系统为参考系统，本发明为新系统，通过计算，准确衡量不同集成方式下系统的热力性能，定义两个参数：
Figure BDA0001602425940000051
Figure BDA0001602425940000061
ηsol-e为太阳能的光电转换效率，定义为集成系统相比于参考系统多发的电与投入的太阳能辐射的比值。ηfield为太阳能镜场效率，是指得到的太阳能热量与投入的太阳能辐射之比，也就是镜场的光学效率与集热器的热效率之积。
式中，ΔE为多发的电量，Rsolar为投入的太阳能辐射，Acoll为太阳能镜场面积，DNIinc为投射到镜场的太阳直射辐射，ηfield为得到的太阳能热量。表1为燃气-蒸汽联合循环设计参数；
表1燃气-蒸汽联合循环设计参数
Figure BDA0001602425940000062
参考系统和新系统在第一季度和第四季度由于太阳直射辐射低，某些天镜场无法正常工作，导致其发电量和光电转换效率远远低于第二季度和第三季度。同时由于在第二季度和第三季度，新系统利用了全部可利用的太阳能资源，太阳能发电量和光电转换效率比只与高压蒸发器集成下的发电量和光电效率要高，在第二季度，新系统的太阳能光电转换效率比参考系统高5.75％。表2为一年四个季度的太阳能发电量和光电效率，
表2一年四个季度的太阳能发电量和光电效率
Figure BDA0001602425940000071
表3为参考系统和新系统的全年热力特性，新系统中镜场的年平均光电效率为21.57％，比参考系统光电效率高出3.57％，多发电3.26×106kW·h，在不改变镜场面积的情况下，带来了巨大的环保效益和经济效益；
表3系统的全年热力特性
Figure BDA0001602425940000072
综上所述，本发明提出的将太阳能分别与低压省煤器和高压蒸发器集成的新型集成方式，较传统仅与高压蒸发器集成的热互补联合循环系统，具有显著的热力学集成优势和经济性优势。

Claims (3)

1.一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统，其特征在于，以第一槽式太阳能集热镜场(1)与通过燃气发电系统(3)和余热锅炉(4)的高压蒸发器集成的热互补联合循环系统为基础系统；在基础系统基础上通过改变系统中槽式太阳能集热镜场的集成位置与集成方式，即将第二槽式太阳能集热镜场(2)与低压省煤器(LPE)连接，并分三路：第一路通过低压汽包连接低压蒸发器(LPB)、低压过热器(LPS)、低压缸(LT)和发电机(1)；第二路通过中压给水泵与余热锅炉(4)中的中压省煤器(IPE)、中压汽包、中压蒸发器(IPB)、中压过热器(IPS)、RH1再热器、RH2再热器和中压缸(IT)依次连接；中压缸(IT)与低压缸(LT)和发电机(1)连接；第三路通过高压给水泵与余热锅炉(4)中的第一级高压省煤器(HPE1) 、第二级高压省煤器(HPE2)、高压汽包、高压蒸发器(HPB)连接，高压汽包并联第一槽式太阳能集热镜场(1)后与SH1高压过热器、SH2高压过热器、高压缸(HT)、中压缸(IT)、低压缸(LT)和发电机(1)依次连接；由此实现了一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统。
2.根据权利要求1所述一种槽式太阳能与省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统，其特征在于，所述余热锅炉采用高、中、低三压再热类型。
3.一种槽式太阳能同时与低压省煤器、高压蒸发器集成互补联合循环系统的互补方法，其特征在于，给水经低压给水泵加压后成为工质，工质分成两部分，其中一部分工质进入第二槽式太阳能集热镜场(2)进行加热成蒸汽；另一部分进入低压省煤器(LPE)被预热，然后与从第二槽式太阳能集热镜场(2)出来的蒸汽混合，混合之后的出口工质再分成三股，其中第一股工质经低压汽包进入低压蒸发器(LPB)，吸热后变成饱和蒸汽，再在低压过热器(LPS)中吸热变成过热蒸汽，然后与中压缸(IT)排汽混合通入低压缸(LT)做功，做功后的蒸汽流入冷凝器；第二股工质经中压给水泵加压，依次流经中压省煤器(IPE)、中压汽包、中压蒸发器(IPB)、中压过热器(IPS)，完成未饱和水到饱和水、饱和蒸汽、过热蒸汽的转化过程，最终和高压缸(HT)排汽混合依次进入RH1再热器、RH2再热器，工质再热后进入中压缸(IT)做功；第三股工质经高压泵加压后依次进入第一级高压省煤器(HPE1)、第二级高压省煤器(HPE2)、高压汽包、高压蒸发器(HPB)后，从第二级高压省煤器(HPE2)、高压汽包中流出的高压工质再被分为两部分，一部分进入第一槽式太阳能集热镜场(1)进行蒸发，另一部分继续进入余热锅炉的高压蒸发器(HPB)完成蒸发过程，然后与从第一槽式太阳能集热镜场(1)侧的蒸汽混合后，依次进入SH1高压过热器、SH2高压过热器，吸收排烟热量成为过热蒸汽排入高压缸(HT)做功；实现了将部分太阳能热量替代低压省煤器(LPE)热负荷，缓解余热锅炉排烟温度的限制，由此增加高压给水以及总给水的质量流量，从而进一步增加余热锅炉吸收的太阳能热量以及太阳能发电量。
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