CN110030538A - 一种用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，包括由管道连接的蒸发器、分离器和过热再热器且不包括汽包和预热器，所述蒸发器和过热再热器均为立式布置的螺旋缠绕管式换热器，蒸发器和过热再热器中的传热介质走壳侧且水和/或蒸汽走管侧，来自分离器的蒸汽的加热和来自汽轮机的冷再热蒸汽的加热均在所述过热再热器进行。本发明不设置汽包和预热器，减少了换热器的台数，所有换热器均为立式设备，停机时传热介质可依靠重力从下部自动排出提高了系统的启停和变负荷速度；流程紧凑合理，将过热器和再热器合并为一台设备，降低了设备投资和运维费用；各换热器内部的换热管为缠绕布置具有很好的柔性，不需要设置膨胀节就可以解决管壳侧温差应力问题。

Description

一种用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统
技术领域
本发明涉及太阳能光热电站的技术领域，更具体地讲，涉及一种用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统。
背景技术
光热发电是太阳能的新型利用方式，具有通过储热实现提供良好品质电源的优势。常规的光热电站蒸发系统大多包括预热器、蒸发器、汽包、过热器、再热器等设备，其启停及变负荷速度慢，而光热电站蒸发系统又有每天启停的需求，因启停速度慢降低光资源利用效率的问题就更加突出。因此，有必要设计一种直流式光热电站蒸发系统，提高启停速率。
另一方面，随着传热介质性能的进一步提升，以及全厂热力利用的优化，终将使得提高蒸发系统参数提升效率成为现实。随着蒸发系统的压力和容量的提高，也有必要设计一种直流式蒸发系统。
为了解决传热介质排净和设备管壳侧温差应力的问题，以前的解决方案有立式直管换热器设置膨胀节的方案和卧式U形管换热器方案。对于前一方案，膨胀节始终是薄弱环节；对于后一方案，由于部分设备设置了壳侧隔板，导致难以排净。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种既能解决排净问题，还能在未设置膨胀节的前提下解决温差应力问题的用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统。
本发明提供了一种用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，所述直流式蒸发系统包括由管道连接的蒸发器、分离器和过热再热器且不包括汽包和预热器，所述蒸发器和过热再热器均为立式布置的螺旋缠绕管式换热器，其中，所述蒸发器和过热再热器中的传热介质走壳侧且水和/或蒸汽走管侧，来自分离器的蒸汽的加热和来自汽轮机的冷再热蒸汽的加热均在所述过热再热器进行。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述直流式蒸发系统还包括给水泵和电加热器，所述给水泵设置在蒸发器的给水管道上，所述电加热器设置在分离器与蒸发器之间的分离水返回管道上，所述分离水返回管道还设置有疏水支管。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述过热再热器的管侧设置有蒸汽入口和再热蒸汽入口以及分别通过换热管与所述蒸汽入口和再热蒸汽入口相连的蒸汽出口和再热蒸汽出口，若干层所述换热管绕着过热再热器中心的轴芯螺旋缠绕布置在过热再热器的筒体中，相邻层换热管的螺旋方向相反，其中，蒸汽入口与蒸汽出口之间的换热管走来自分离器的蒸汽，再热蒸汽入口与再热蒸汽出口之间的换热管走来自汽轮机的冷再热蒸汽。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述轴芯由固定限位单元固定在过热再热器的筒体上，相邻层换热管之间设置有控制间距的垫条，所述蒸汽入口和再热蒸汽入口以及蒸汽出口和再热蒸汽出口均设置有与换热管连接的管板。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述过热再热器的壳侧设置有传热介质入口和传热介质出口，所述传热介质入口与高温传热介质储罐连接，所述传热介质出口通过传热介质管道与蒸发器连接。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述蒸发器的管侧设置有给水入口和通过换热管与给水入口连接的汽水出口，若干层所述换热管绕着蒸发器中心的轴芯螺旋缠绕布置在蒸发器的筒体中，相邻层换热管的螺旋方向相反，所述给水入口通过给水管道和给水泵与给水源连接并且通过分离水返回管道和电加热器与分离器连接，所述汽水出口通过汽水输送管道与分离器连接。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述轴芯由固定限位单元固定在蒸发器的筒体上，相邻层换热管之间设置有控制间距的垫条，所述给水入口和汽水出口均设置有与换热管连接的管板。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，所述蒸发器的壳侧设置有传热介质入口和传热介质出口，所述传热介质入口通过传热介质管道与过热再热器连接，所述传热介质出口与低温传热介质储罐连接。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，传热介质从上部进入过热再热器的壳侧并与管侧的蒸汽逆流换热后从下部流出，传热介质从上部进入蒸发器的壳侧并与管侧的水逆流换热后从下部流出。
根据本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的一个实施例，给水从下部进入蒸发器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热被加热成汽水混合物后从上部流出，汽水混合物从上部进入分离器后分离得到的蒸汽从顶部排出后从下部进入过热再热器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热后从上端排出去往汽轮机，来自汽轮机的冷再热蒸汽从下部进入过热再热器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热后被加热成热再热蒸汽后从上部排出去往汽轮机。
与现有技术相比，本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统具有以下有益效果：
1)提高了系统的启停和变负荷速度，流程紧凑合理，将过热器和再热器合并为一台设备，降低了设备投资和运维费用；
2)减少了换热器的台数，所有换热器均为立式设备，停机时传热介质可依靠重力从下部自动排出；
3)由于各换热器内部的换热管为缠绕布置具有很好的柔性，不需要设置膨胀节就可以解决管壳侧温差应力问题。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的结构流程图。
图2示出了根据本发明示例性实施例的用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统中过热再热器的结构示意图。
附图标记说明：
1-过热再热器、10a-蒸汽出口、10b-再热蒸汽出口、11-轴芯、12-筒体、13a-饱和蒸汽入口、13b-再热蒸汽入口、14-管板、15-固定限位单元、16-换热管、17-垫条；
2-蒸发器、3-分离器、4-给水泵、5-电加热器、6a-给水管道、6b-汽水输送管道、6c-分离水返回管道、6d-蒸汽输送管道、6e-疏水支管、7-传热介质管道。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
下面对本发明的太阳能光热电站立式蒸发系统进行具体描述和说明。
图1示出了根据本发明示例性实施例的用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的结构流程图。
如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述太阳能光热电站立式蒸发系统包括由管道连接的蒸发器2、分离器3和过热再热器1且不包括汽包和预热器。其中，本发明中的蒸发器2为一台立式螺旋缠绕管式换热器，它起着常规蒸发系统中预热器和蒸发器的作用；过热再热器1为一台多股流立式螺旋缠绕管式换热器，其管束被分成了两部分，其中一部分管子走再热蒸汽，其余走来自分离器的蒸汽，具体可根据过热器和再热器所需换热面积进行分配，过热再热器1具备了普通系统中的过热器和再热器的功能；分离器3为一圆柱形容器，汽水混合物从切向进入后进行分离，蒸汽从顶部排出且水从底部排出。
并且，本发明的过热再热器1和蒸发器2中的传热介质走壳侧且水和/或蒸汽走管侧，其中的传热介质优选为熔盐。根据本发明，蒸发系统的传热介质均走壳侧，由于传热介质熔盐的工作压力比水和/或蒸汽的压力低很多，所以与水和/或蒸汽走壳侧的方案相比，本发明可降低设备金属耗量并降低电伴热的耗电量，从而降低电站运行费用并提高经济性
并且，由于本蒸发系统的所有换热器均为立式设备，停机时传热介质熔盐可依靠重力从下部自动排出，传热介质熔盐走壳侧也不存在堵管的风险，即便有少量传热介质熔盐留存在壳侧也不会对设备造成损伤。并且，各换热器中的换热管为缠绕布置且具有很好的柔性，不需要设置膨胀节就可以解决管壳侧膨胀差引起的问题
本发明中不设置汽包和预热器，仅通过蒸发器2来实现预热和蒸发的作用。其中，为了避免传热介质凝固，在传热介质进入系统前，优选地预先将水工质加热至设定温度。因此，本发明的直流式蒸发系统还可以包括给水泵4和电加热器5，给水泵4设置在蒸发器2的给水管道6a上，电加热器5设置在分离器3与蒸发器2之间的分离水返回管道6c上。此时，给水泵4、蒸发器2、分离器3和电加热器7通过管道连接形成一个回路，由给水泵4提供给水的循环动力，使用电热器7不断加热循环水使其汽化，加热后分离得到的蒸汽进入过热再热器1，将过热再热器1出口管道的阀门关闭，则蒸汽的压力和温度会逐步升高，直到温度达到设定温度。随后传热介质开始进入系统，关闭电加热器5后系统进入正常工作工况。此外，分离水返回管道6c还设置有疏水支管6e，以在不需要利用电加热器7时进行分离器排水的疏水处理。
本蒸发系统中采用的过热再热器1是将过热器和再热器的功能集成至一台设备来实现，大大降低了设备、管道、电伴热、仪表、阀门等的投资和运维费用，具有很好的经济性。该过热再热器为一台多股流立式螺旋缠绕管式换热器，它的换热管管束被分成了两部分，让某几层或某层的换热管走再热蒸汽，其余换热管走来自分离器的蒸汽，具体可根据过热器和再热器所需换热面积进行分配。虽然在不同工况下过热器和再热器的热负荷比值略有不同，但差异较小，蒸汽出口温度在可接受的范围内。
图2示出了根据本发明示例性实施例的用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统中过热再热器的结构示意图。
如图2所示，以过热再热器1为例进行螺旋缠绕管式换热器的结构说明。过热再热器1的管侧设置有蒸汽入口13a和再热蒸汽入口13b以及分别通过换热管16与蒸汽入口13a和再热蒸汽入口13b相连的蒸汽出口10a和再热蒸汽出口10b，若干层换热管16绕着过热再热器1中心的轴芯11螺旋缠绕布置在过热再热器1的筒体12中。优选地，相邻层换热管的螺旋方向相反，由此形成多个以轴芯为圆心且不同圈径的换热管束。
其中，过热再热器1的换热管管束可以根据传热需要分为两部分，一部分走来自分离器3的蒸汽，承担过热器的功能，另一部分走来自汽轮机的冷再热蒸汽，承担再热器的功能。因此，蒸汽入口13a与蒸汽出口10a之间的换热管16走蒸汽，再热蒸汽入口13b与再热蒸汽出口10b之间的换热管16走再热蒸汽，蒸汽入口13a通过蒸汽输送管道6d与分离器3连接。
轴芯11由固定限位单元15固定在过热再热器1的筒体12上，相邻层换热管16之间设置有控制间距的垫条17，蒸汽入口13a和再热蒸汽入口13b以及蒸汽出口10a和再热蒸汽出口10b均设置有与换热管16连接的管板14。
过热再热器1的壳侧设置有传热介质入口和传热介质出口，传热介质入口与高温传热介质储罐(未示出)连接，传热介质出口通过传热介质管道7与蒸发器3连接。
蒸发器2的结构与过热再热器1基本类似，只是除传热介质出入口外分别仅设置一个汽水进出口。并且，蒸发器2内的传热介质与水之间也为逆流换热。
具体地，蒸发器2的管侧设置有给水入口和通过换热管与给水入口连接的汽水出口，若干层换热管绕着蒸发器2中心的轴芯螺旋缠绕布置在蒸发器2的筒体中，相邻层换热管的螺旋方向相反，给水入口通过给水管道6a和给水泵4与给水源连接并且通过分离水返回管道6c和电加热器5与分离器3连接，汽水出口通过汽水输送管道6b与分离器3连接。类似地，其轴芯也由固定限位单元固定在蒸发器2的筒体上，相邻层换热管之间设置有控制间距的垫条，给水入口和汽水出口均设置有与换热管连接的管板。蒸发器2的壳侧设置有传热介质入口和传热介质出口，传热介质入口通过传热介质管道7与过热再热器1连接，传热介质出口与低温传热介质储罐(未示出)连接。
本发明提高了系统的启停和变负荷速度，流程紧凑合理，将过热器和再热器合并为一台设备，降低了设备投资和运维费用；减少了换热器的台数，所有换热器均为立式设备，停机时传热介质可依靠重力从下部自动排出。
下面对本发明用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统的传热介质流程和水汽流程进行描述。
传热介质从上部进入过热再热器1的壳侧并与管侧的蒸汽逆流换热后从下部流出，传热介质从上部进入蒸发器2的壳侧并与管侧的水逆流换热后从下部流出。其中，进入过热再热器1的传热介质为储存有太阳能的高温熔盐，从蒸发器2流出的传热介质为换热后的低温熔盐。
给水从下部进入蒸发器2的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热被加热成汽水混合物后从上部流出，汽水混合物从上部进入分离器3后分离得到的蒸汽从顶部排出后从下部进入过热再热器1的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热后从上端排出去往汽轮机，来自汽轮机的冷再热蒸汽从下部进入过热再热器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热后被加热成热再热蒸汽后从上部排出去往汽轮机。
综上所述，本发明的用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统为直流式蒸发系统且无汽包，提高了系统的启停和变负荷速度；所有换热器均为螺旋缠绕管式换热器且呈立式布置，停机时传热介质可依靠重力从下部自动排出；在所有换热器中传热介质均走壳侧且水和/或蒸汽走管侧，饱和蒸汽的过热和再热蒸汽的加热在同一台换热器内完成。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述直流式蒸发系统包括由管道连接的蒸发器、分离器和过热再热器且不包括汽包和预热器，所述蒸发器和过热再热器均为立式布置的螺旋缠绕管式换热器，其中，所述蒸发器和过热再热器中的传热介质走壳侧且水和/或蒸汽走管侧，来自分离器的蒸汽的加热和来自汽轮机的冷再热蒸汽的加热均在所述过热再热器进行。
2.根据权利要求1所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述直流式蒸发系统还包括给水泵和电加热器，所述给水泵设置在蒸发器的给水管道上，所述电加热器设置在分离器与蒸发器之间的分离水返回管道上。
3.根据权利要求1所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述过热再热器的管侧设置有蒸汽入口和再热蒸汽入口以及分别通过换热管与所述蒸汽入口和再热蒸汽入口相连的蒸汽出口和再热蒸汽出口，若干层所述换热管绕着过热再热器中心的轴芯螺旋缠绕布置在过热再热器的筒体中，相邻层换热管的螺旋方向相反，其中，蒸汽入口与蒸汽出口之间的换热管走来自分离器的蒸汽，再热蒸汽入口与再热蒸汽出口之间的换热管走来自汽轮机的冷再热蒸汽。
4.根据权利要求3所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述轴芯由固定限位单元固定在过热再热器的筒体上，相邻层换热管之间设置有控制间距的垫条，所述蒸汽入口和再热蒸汽入口以及蒸汽出口和再热蒸汽出口均设置有与换热管连接的管板。
5.根据权利要求3所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述过热再热器的壳侧设置有传热介质入口和传热介质出口，所述传热介质入口与高温传热介质储罐连接，所述传热介质出口通过传热介质管道与蒸发器连接。
6.根据权利要求2所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述蒸发器的管侧设置有给水入口和通过换热管与给水入口连接的汽水出口，若干层所述换热管绕着蒸发器中心的轴芯螺旋缠绕布置在蒸发器的筒体中，相邻层换热管的螺旋方向相反，所述给水入口通过给水管道和给水泵与给水源连接并且通过分离水返回管道和电加热器与分离器连接，所述汽水出口通过汽水输送管道与分离器连接。
7.根据权利要求6所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述轴芯由固定限位单元固定在蒸发器的筒体上，相邻层换热管之间设置有控制间距的垫条，所述给水入口和汽水出口均设置有与换热管连接的管板。
8.根据权利要求6所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，所述蒸发器的壳侧设置有传热介质入口和传热介质出口，所述传热介质入口通过传热介质管道与过热再热器连接，所述传热介质出口与低温传热介质储罐连接。
9.根据权利要求1所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，传热介质从上部进入过热再热器的壳侧并与管侧的蒸汽逆流换热后从下部流出，传热介质从上部进入蒸发器的壳侧并与管侧的水逆流换热后从下部流出。
10.根据权利要求1所述用于太阳能光热发电的直流式蒸发系统，其特征在于，给水从下部进入蒸发器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热被加热成汽水混合物后从上部流出，汽水混合物从上部进入分离器后分离得到的蒸汽从顶部排出后从下部进入过热再热器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热后从上端排出去往汽轮机，来自汽轮机的冷再热蒸汽从下部进入过热再热器的管侧并与壳侧的传热介质逆流换热后被加热成热再热蒸汽后从上部排出去往汽轮机。
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