CN110220177B - 太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统及运行方法，水侧系统包括预热器、汽包、蒸发器、过热器、再热器和启动单元，所述启动单元包括启动循环泵和电加热器，启动循环泵串联设置在启动循环管中，电加热器设置在与预热器进口管或预热器出口管并联设置的电加热器管路中；所述再热器进口管通过第一管路与过热器进口管或过热器出口管相连，再热器出口管通过第二管路与冷凝器或除氧器相连。所述运行方法具体为冷态启动方法。本发明在实现系统预热功能、保证系统安全可靠运行的前提下简化了系统构成和系统运行方式、降低了系统成本，同时系统的预热也保证了进入系统的熔盐不会发生凝固，也可以减小设备热应力和热冲击。

Description

太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统及运行方法

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电的技术领域，更具体地讲，涉及一种太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统及启动运行方法。

背景技术

以熔盐为传热储热介质的塔式太阳能光热发电技术，具有工作温度高，热传递路程短、热损耗少，综合效率高，适合于大规模、大容量商业化应用的优点，正逐渐成为太阳能光热发电的主流技术。以熔盐为传热介质的蒸汽发生系统(以下简称熔盐蒸汽发生系统)在塔式太阳能光热发电站中有着至关重要的作用，其启动和运行关系到系统过热蒸汽的产出质量和稳定性，从而影响到整个电站的运行性能。

由于熔盐凝固点较高，熔盐蒸汽发生系统冷态启动时需要专门的预热过程，以防止进入系统的熔盐发生凝固。系统盐侧的预热可通过电伴热带或蒸汽加热器加热完成，而系统水侧的预热则需要专门的系统设置和运行方案来实现。

目前，熔盐蒸汽发生系统水侧的启动预热主要通过外置电加热器来提供热量，但在系统的设计如管路、阀门设置上存在系统复杂且无统一规范等诸多问题，设计和运维成本高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，可实现冷态启动过程中水侧系统的预热及各工况下蒸汽发生系统的正常运行，并对其预热运行方法进行了方案设计。

本发明的一方面提供了太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，所述水侧系统包括预热器、汽包、蒸发器、过热器、再热器和启动单元，预热器通过预热器进口管与给水单元相连并通过预热器出口管与汽包相连，汽包通过汽包下降管与蒸发器相连并通过过热器进口管与过热器相连，蒸发器通过汽包上升管与汽包相连并通过启动循环管与预热器进口管相连，过热器通过过热器出口管与汽轮机高压缸的进汽管相连，再热器通过再热器进口管与汽轮机高压缸的排汽管相连并通过再热器出口管与汽轮机中压缸相连，

其中，所述启动单元包括启动循环泵和电加热器，启动循环泵串联设置在启动循环管中，电加热器设置在与预热器进口管或预热器出口管并联设置的电加热器管路中；所述再热器进口管通过第一管路与过热器进口管或过热器出口管相连，再热器出口管通过第二管路与冷凝器或除氧器相连。

根据本发明太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的一个实施例，当再热器进口管与过热器进口管相连时，所述第一管路为第一连接管路，所述第二管路为第二连接管路；当再热器进口管与过热器出口管相连时，所述第一管路为高压旁路，所述第二管路为低压旁路。

根据本发明太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的一个实施例，当电加热器并联设置在预热器进口管上时，所述预热器进口管上还设置有与电加热器并联设置的预热器进口管路关断阀；当电加热器并联设置在预热器出口管上时，所述预热器出口管上还设置有与电加热器并联设置的预热器出口管路关断阀。

根据本发明太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的一个实施例，所述启动循环泵的前端和后端设置有启动循环管路关断阀，所述电加热器的前端和后端设置有电加热器管路关断阀。

根据本发明太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的一个实施例，所述过热器出口管上设置有过热器出口管路关断阀，所述再热器进口管上设置有再热器进口管路关断阀，所述再热器出口管上设置有再热器出口管路关断阀。

本发明的另一方面提供了上述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的运行方法，当冷态启动时，先由给水单元上水至汽包并使水工质充满预热器、蒸发器以及预热器、蒸发器和汽包之间的管路，由启动循环水泵提供动力使水工质在预热器、汽包、蒸发器之间形成闭式循环，控制电加热器持续加热闭式循环中的水工质并利用提升温度后的水工质预热预热器、蒸发器、汽包及相关管路；

当产生饱和蒸汽后，由汽包汽水分离后的蒸汽依次通过过热器、再热器及相关管路进行预热，放热后的蒸汽排入冷凝器或除氧器且凝结水通过疏水单元排出；控制电加热器持续加热并配合压力调节不断产生饱和蒸汽并提升饱和蒸汽的温度，将系统预热至预定温度；

当太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的盐侧系统达到预定温度后，向太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统中引入熔盐逐渐产生汽轮机所需过热蒸汽，在过热蒸汽达到允许进入汽轮机的参数之前，将产生的过热蒸汽排入冷凝器。

根据本发明所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的运行方法的一个实施例，当太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统正常运行时，停运启动循环水泵并切断启动循环管路，停止运行电加热器并切断电加热器管路，控制水工质进入预热器而后进入汽包；

控制汽包中的饱和水通过汽包下降管进入蒸发器，在蒸发器中蒸发后形成的汽水混合物通过汽包上升管进入汽包并在汽包中进行汽水分离，控制分离后的蒸汽进入过热器进行再次加热；

切断第一管路和第二管路，控制过热器出口的过热蒸汽通过过热器出口管进入汽轮机高压缸做功并控制汽轮机高压缸排汽进入再热器进行再次加热后进入汽轮机中压缸做功。

与现有技术相比，本发明的系统设置在冷态启动阶段能够有效地实现系统水侧管道及设备预热，防止熔盐的凝固；系统在预热过程使水工质、蒸汽温度逐渐提升后再将熔盐引入系统，能够减小换热器设备管侧与壳侧的温差，减小热冲击并延长设备寿命；启动循环管路直接由蒸发器引出，与预热器进口给水管路相接，管路长度减小、流程简单，系统结构简单造价低；直接利用系统管道(汽包上升管、汽包下降管、预热器进出口连接管)作为预热水工质循环通路，无需设置其他水工质管路，节省管道及相应阀门附件，简化系统设置和运行；可以直接利用汽轮机高、低压旁路作为预热蒸汽通路，无需设置其他蒸汽管路，节省管道及相应阀门附件，简化系统设置和运行；水侧管道及设备预热采用水/蒸汽加热免除了电伴热带预热系统，可靠性高并降低了建造及运维成本。

附图说明

图1示出了根据本发明一个示例性实施例太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的结构示意图。

图2示出了根据本发明另一个示例性实施例太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的结构示意图。

附图标记说明：

a-启动循环泵、b-电加热器、c-预热器、d-蒸发器、e-汽包、f-过热器、g-再热器、h-过热器出口管路关断阀、i-再热器出口管路关断阀、j-再热器进口管路关断阀、k-启动循环管路关断阀、l-电加热器管路关断阀、m-预热器进口管路关断阀；

1-预热器进口管、2-预热器出口管、3-汽包上升管、4-汽包下降管、5-启动循环管、6-过热器进口管、7-过热器出口管、8-再热器进口管、9-再热器出口管、10-高压旁路、11-低压旁路、12-第一连接管路、13-第二连接管路。

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。

下面先结合附图对本发明的太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统进行具体说明。本发明主要对水侧系统进行结构和功能优化，盐侧系统的结构不作赘述。

图1示出了根据本发明示例性实施例太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的结构示意图，图2示出了根据本发明另一个示例性实施例太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的结构示意图。

如图1和图2所示，根据本发明的示例性实施例，所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统包括预热器c、汽包e、蒸发器d、过热器f、再热器g和启动单元，预热器c通过预热器进口管1与给水单元相连并通过预热器出口管2与汽包e相连，汽包e通过汽包下降管4与蒸发器d相连并通过过热器进口管6与过热器f相连，蒸发器d通过汽包上升管3与汽包e相连并通过启动循环管5与预热器进口管1相连，过热器f通过过热器出口管7与汽轮机高压缸的进气管相连，再热器g通过再热器进口管8与汽轮机高压缸的排气管相连并通过再热器出口管9与汽轮机中压缸相连。

其中，上述启动单元包括启动循环泵a和电加热器b，启动循环泵a串联设置在启动循环管5中，电加热器b设置在与预热器进口管1或预热器出口管2并联设置的电加热器管路中；再热器进口管8通过第一管路与过热器进口管6或过热器出口管7相连，再热器出口管9通过第二管路与冷凝器或除氧器相连。

本系统实际还包括各设备间的连接管道及各管道上的相关阀门附件等，其中预热器、蒸发器、汽包、过热器、再热器、电加热器、启动循环水泵均可以采用现有技术中的相关设备。

本发明的系统能够在冷态启动预热阶段由启动循环泵提供动力使水工质在预热器、汽包、蒸发器间通过连接管路形成闭式循环，电加热器为系统预热提供热量。启动循环泵所在的启动循环管直接与蒸发器相连，而非由汽包引出，缩短了管道长度及工质流程，可提高循环水泵选型的经济性，系统管道布置上也更加简单；并且直接利用预热器进出口管路、汽包上升管和汽包下降管作为水循环通路，能够简化系统构成和系统运行方式、降低了系统成本。同时，系统的预热也保证了进入系统的熔盐不会发生凝固，也可以减小设备热应力和热冲击。

如图1所示，当再热器进口管8与过热器出口管7相连时，第一管路为高压旁路10，第二管路为低压旁路11；如图2所示，当再热器进口管8与过热器进口管6相连时，第一管路为第一连接管路12，第二管路为第二连接管路13。

当采用汽轮机的高、低压旁路作为蒸汽预热通路时，无需增设其他水工质及蒸汽管路，也减少了相应阀门附件，在实现系统预热功能、保证系统安全可靠运行的前提下简化了系统构成和系统运行方式、降低了系统成本。

但根据实际机组情况，在高、低压旁路不能作为启动预热蒸汽通路时，可在汽包e出口设置第一连接管路12，接至再热器进口管8，再热器出口管9设置第二连接管路13接至除氧器或冷凝器。此时，从汽包e分离出的预热蒸汽一路经过热器进口管6预热过热器f及后端管道，一路经连接管路12预热再热器g后再经第二连接管路13排出。系统正常运行时，第一连接管路、第二连接管路切断即可。

其中，电加热器b可以设置在预热器c进口前，也可设置在预热器出口后。当电加热器b并联设置在预热器进口管1上时，预热器进口管1上还设置有与电加热器b并联设置的预热器进口管路关断阀m；当电加热器b并联设置在预热器出口管2上时，预热器出口管2上还设置有与电加热器b并联设置的预热器出口管路关断阀m。由此，可以通过预热器进/出口管路关断阀m对流路进行控制，控制来自给水单元的水工质是否需要经过电加热器的加热。

此外，本发明中启动循环泵a的前端和后端还设置有启动循环管路关断阀k，电加热器b的前端和后端也设置有电加热器管路关断阀l，以实现各管路的控制。

优选地，过热器出口管7上设置有过热器出口管路关断阀h，再热器进口管8上设置有再热器进口管路关断阀j，再热器出口管9上设置有再热器出口管路关断阀j。根据实际机组情况，也可以不设置过热器出口关断阀h、再热器进口关断阀j、再热器出口关断阀i，而利用汽轮机高、中压缸汽门实现冷态启动时对蒸汽进入汽轮机的阻断。

本发明的水侧系统既可用于自然循环也可用于强制循环，既适用于二元熔盐系统也适用于三元熔盐系统。

本发明还提供了上述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的运行方法。具体地，当冷态启动时，先由给水单元上水至汽包并使水工质充满预热器、蒸发器以及预热器、蒸发器和汽包之间的管路，由启动循环水泵提供动力使水工质在预热器、汽包、蒸发器之间形成闭式循环，控制电加热器持续加热闭式循环中的水工质并利用提升温度后的水工质预热预热器、蒸发器、汽包及相关管路；当产生饱和蒸汽后，由汽包汽水分离后的蒸汽依次通过过热器、再热器及相关管路进行预热，放热后的蒸汽排入冷凝器或除氧器且凝结水通过疏水单元排出；控制电加热器持续加热并配合压力调节不断产生饱和蒸汽并提升饱和蒸汽的温度，将系统预热至预定温度；当太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的盐侧系统达到预定温度(可以通过电伴热等方式)后，向太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统中引入熔盐逐渐产生汽轮机所需过热蒸汽，在过热蒸汽达到允许进入汽轮机的参数之前，将产生的过热蒸汽排入冷凝器。

当太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统正常运行时，停运启动循环水泵并切断启动循环管路，停止运行电加热器并切断电加热器管路，控制水工质进入预热器而后进入汽包；控制汽包中的饱和水通过汽包下降管进入蒸发器，在蒸发器中蒸发后形成的汽水混合物通过汽包上升管进入汽包并在汽包中进行汽水分离，控制分离后的蒸汽进入过热器进行再次加热；切断第一管路和第二管路，控制过热器出口的过热蒸汽通过过热器出口管进入汽轮机高压缸做功并控制汽轮机高压缸排汽进入再热器进行再次加热后进入汽轮机中压缸做功。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

如图1所示，系统主要设备包括启动循环泵a、电加热器b、预热器c、蒸发器d、汽包e、过热器f和再热器g；阀门包括过热器出口关断阀h、再热器出口关断阀i、再热器进口关断阀j、启动循环管路关断阀k、电加热器管路关断阀l和预热器进口管路关断阀m，需要说明的是，图中所示阀门仅为本专利实施例描述需要特别指出的阀门，系统实际还包括其他必要的各类阀门及仪器仪表；管道包括预热器进口管1、预热器出口管2、汽包上升管3、汽包下降管4、启动循环管5、过热器进口管6、过热器出口管7(即主蒸汽管)、再热器进口管8(即低温再热蒸汽管)、再热器出口管9(即高温再热蒸汽管)、高压旁路10、低压旁路11。启动循环管5一端与蒸发器d连接，另一端与预热器进口管1连接。

当冷态启动时，阀门k和l打开，阀门m、h、i、j均关闭，给水单元上水直至汽包e中的液位达到规定的高度，此时预热器c、蒸发器d、预热器进口管1、预热器出口管2、汽包上升管3、汽包下降管4、启动循环管5中充满水工质。

运行启动循环水泵a，使水工质在预热器c、汽包e、蒸发器d间形成闭式循环，运行电加热器b加热循环水工质直至产生饱和蒸汽；蒸汽经过热器进口管6进入过热器f，而后依次经过高压旁路10、再热器g和低压旁路11预热过热器f、再热器g及相关管路，并排入冷凝器。设备和管道中的凝结水通过设备和管道的疏水装置排出。电加热器b持续加热水工质，配合压力调整，不断产生并提升饱和蒸汽温度为系统预热至预定温度，以二元熔盐为例，预热水侧系统温度至约270℃。

当盐侧系统加热达到预热温度(通过电伴热或其他预热方式)，即约290℃(以二元熔盐为例)后，系统预热过程完成，此时可为系统引入熔盐逐渐产生汽轮机所需过热蒸汽，在达到允许进入汽轮机的参数之前，产生的蒸汽通过汽机高10、低压旁路11排入冷凝器。

当系统正常运行时，停运启动循环水泵a并关断阀门k切断启动循环管5，停止运行电加热器b并通过关闭阀门l切断电加热器管路，打开阀门m，给水通过主管路进入预热器c而后进入汽包e，汽包e中的饱和水通过汽包下降管4进入蒸发器d，在蒸发器d中蒸发后的汽水混合物通过汽包上升管3进入汽包e并在汽包e中进行汽水分离，得到的蒸汽进入过热器f被再次加热；汽轮机的高压旁路10、低压旁路11切断，过热器f出口的过热蒸汽通过过热器出口管路7(即主蒸汽管路)进入汽轮机高压缸做功，高压缸排汽经再热器进口管8(即低温再热蒸汽管)进入再热器g被再次加热后经再热器出口管9(即高温再热蒸汽管)进入汽轮机中压缸完成做功。

实施例2：

如图2所示，本实施例中在汽包e出口设置第一连接管路12，接至再热器进口管8，在再热器出口管9设置第二连接管路13接至冷凝器或除氧器。此时，从汽包e分离出的预热蒸汽一路经过热器进口管6预热过热器f及后端管道，一路经第一连接管路12预热再热器g并经第二连接管路13排出。正常运行时，第一连接管路12和第二连接管路13切断。其他流程与实施例1一致。

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 (7)

1.一种太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，其特征在于，所述水侧系统包括预热器、汽包、蒸发器、过热器、再热器和启动单元，预热器通过预热器进口管与给水单元相连并通过预热器出口管与汽包相连，汽包通过汽包下降管与蒸发器相连并通过过热器进口管与过热器相连，蒸发器通过汽包上升管与汽包相连并通过启动循环管与预热器进口管相连，过热器通过过热器出口管与汽轮机高压缸的进汽管相连，再热器通过再热器进口管与汽轮机高压缸的排汽管相连并通过再热器出口管与汽轮机中压缸相连，

其中，所述启动单元包括启动循环泵和电加热器，启动循环泵串联设置在启动循环管中，电加热器设置在与预热器进口管或预热器出口管并联设置的电加热器管路中；所述再热器进口管通过第一管路与过热器进口管或过热器出口管相连，再热器出口管通过第二管路与冷凝器或除氧器相连。

2.根据权利要求1所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，其特征在于，当再热器进口管与过热器进口管相连时，所述第一管路为第一连接管路，所述第二管路为第二连接管路；当再热器进口管与过热器出口管相连时，所述第一管路为高压旁路，所述第二管路为低压旁路。

3.根据权利要求1所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，其特征在于，当电加热器并联设置在预热器进口管上时，所述预热器进口管上还设置有与电加热器并联设置的预热器进口管路关断阀；当电加热器并联设置在预热器出口管上时，所述预热器出口管上还设置有与电加热器并联设置的预热器出口管路关断阀。

4.根据权利要求1所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，其特征在于，所述启动循环泵的前端和后端设置有启动循环管路关断阀，所述电加热器的前端和后端设置有电加热器管路关断阀。

5.根据权利要求1所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统，其特征在于，所述过热器出口管上设置有过热器出口管路关断阀，所述再热器进口管上设置有再热器进口管路关断阀，所述再热器出口管上设置有再热器出口管路关断阀。

6.如权利要求1至5中任一项所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的运行方法，其特征在于，

当冷态启动时，先由给水单元上水至汽包并使水工质充满预热器、蒸发器以及预热器、蒸发器和汽包之间的管路，由启动循环水泵提供动力使水工质在预热器、汽包、蒸发器之间形成闭式循环，控制电加热器持续加热闭式循环中的水工质并利用提升温度后的水工质预热预热器、蒸发器、汽包及相关管路；

当产生饱和蒸汽后，由汽包汽水分离后的蒸汽依次通过过热器、再热器及相关管路进行预热，放热后的蒸汽排入冷凝器或除氧器且凝结水通过疏水单元排出；控制电加热器持续加热并配合压力调节不断产生饱和蒸汽并提升饱和蒸汽的温度，将系统预热至预定温度；

当太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的盐侧系统达到预定温度后，向太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统中引入熔盐逐渐产生汽轮机所需过热蒸汽，在过热蒸汽达到允许进入汽轮机的参数之前，将产生的过热蒸汽排入冷凝器。

7.根据权利要求6所述太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统的水侧系统的运行方法，其特征在于，当太阳能光热发电熔盐蒸汽发生系统正常运行时，停运启动循环水泵并切断启动循环管路，停止运行电加热器并切断电加热器管路，控制水工质进入预热器而后进入汽包；

控制汽包中的饱和水通过汽包下降管进入蒸发器，在蒸发器中蒸发后形成的汽水混合物通过汽包上升管进入汽包并在汽包中进行汽水分离，控制分离后的蒸汽进入过热器进行再次加热；

切断第一管路和第二管路，控制过热器出口的过热蒸汽通过过热器出口管进入汽轮机高压缸做功并控制汽轮机高压缸排汽进入再热器进行再次加热后进入汽轮机中压缸做功。