CN110332512A - 一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，包括过热器、蒸发器、汽包、下降管、上升管、补水阀、通气阀、过热蒸汽阀、吸热器放水阀，过热器还包括了实现蒸发、过热功能切换的多个隔离阀。该应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统在启动阶段，过热器承担蒸发器功能，由此可以提高吸热器内水的升温、升压过程，提高太阳能的利用率；过热器内由于有工质的蒸发冷却，消除了在启动阶段过热器超温的风险，提高了吸热器的可靠性；实现上述功能之间的切换便捷、快速，对吸热器系统的运行影响大大降低，几乎可以忽略。

Description

一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统

技术领域

本发明涉及聚光式太阳能热利用、工业加热领域，尤其涉及一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统。

背景技术

太阳能、风能是可再生能源中的重要组成部分，近年来为了解决环境污染问题，减少化石能源消耗，以太阳能、风能为核心的可再生能源替代正在世界各国兴起。我国是太阳能资源、风力资源丰富的国家。统计资料表明，截止到2018年底，我国的光伏累计装机容量为1.7亿千瓦（装机容量占比9%），风电累计装机容量为1.84亿千瓦（装机容量占比9.7%）。风能与太阳能在我国能源结构中的比重逐渐增加。

与光伏发电不同，聚光式光热发电是太阳能利用的另一种重要方式。由于熔盐具有沸点高，液相温度范围宽、比热容高、换热能力强等特点，因此是传热、储热的理想介质。与熔盐储热技术相结合，太阳能热发电具备热、电解耦的特性，可以使光热机组的发电时间大大延长，并根据电网调度灵活调节输出功率。这些特点使光热机组在未来的电网结构中可承担带基本负荷或调峰任务。

水/水蒸汽是电力工业最常用的工质，也可以直接用在光热发电上。这种以水为工质、利用太阳能在吸热器中直接产生蒸汽的技术被称为DSG（Direct Steam Generation）发电技术。DSG技术具有工质廉价、易得，技术相对成熟、初投资较低等优点，尤其是在与传统发电技术结合（如联合循环机组、燃煤机组等）、或用于稠油开采、或蒸汽供热等领域具有显著的成本优势。

DSG技术一般对蒸汽过热度有较高要求，过热度的提高可以提高蒸汽的焓值及做功能力，同时可以提高DSG技术的发电效率。但由于过热蒸汽的换热能力通常较低，再加上定日镜投射到吸热器上的光斑难以精确控制，因此容易导致吸热器上的过热区域超温。特别是在吸热器启动阶段，由于没有蒸发量或蒸汽流量较小，吸热器的过热器更容易导致超温、甚至损毁。因此对于带过热功能的DSG吸热器，解决好过热区在启动阶段的防护是吸热器设计的关键。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统。

本发明采用如下技术方案：

一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，包括过热器、蒸发器、汽包、下降管和上升管，蒸发器上端通过上升管连通汽包，过热器进口端和汽包蒸汽侧连通有蒸汽管，过热器进口端和汽包间另有蒸汽管接管，蒸汽管接管上依次连接有两隔离阀，过热器出口端连接过热蒸汽排放管，蒸汽管接管位于两隔离阀间的管道上通过接管连通过热器的出口端，接管上连接有隔离阀，过热蒸汽排放管上连接有过热蒸汽阀，蒸发器下端通过下降管连通汽包，下降管通过下降管接管连通过热器下端，下降管接管上连接有隔离阀，过热器下端连接的下降管接管上连接有放水管，放水管上连接有放水阀，汽包上连接有补水管，补水管上连接有补水阀，汽包上连接有通气管，通气管上连接有通气阀；

吸热器系统工作在启动模式时，在该模式下过热蒸汽阀、放水阀处于关闭状态，补水阀的开度根据汽包内的水位进行调整，各隔离阀均为开启状态；

当汽包内的温度、压力达到预定值时，吸热器进入到过渡切换模式，该模式下关闭贴近汽包的隔离阀与贴近过热器的隔离阀，同时开启吸热器放水阀；在上述过程中，控制吸热器表面的热流密度在安全范围之内，使剩余两隔离阀保持开启状态，过热蒸汽阀、通气阀保持关闭状态，补水阀根据汽包的液位进行开度调整；

当过热器内的水放空之后，吸热器切换到正常运行模式，关闭吸热器放水阀，关闭开启状态的两隔离阀，打开过热蒸汽阀以及过热蒸汽管道上面的疏水及放气；同时保持贴近汽包的隔离阀与贴近过热器的隔离阀和通气阀处于关闭状态，补水阀根据汽包水位进行开度调整，逐渐增加吸热器上投入的能量，使吸热器的输出参数逐渐达到设定值；

当吸热器系统停止运行后，若计划长期停运或吸热器系统有结冰风险时，从前述正常工作模式切换到停运放水模式，首先撤去吸热器表面的太阳光斑，关闭补水阀与过热蒸汽阀，过热器的温度在空气冷却下降低，逐渐接近蒸发器温度，当温度下降到预定值时开启放水阀和通气阀，开启各隔离阀。

作为优选，所述各隔离阀、补水阀、通气阀、过热蒸汽阀和放水阀都为电控阀，各电控阀通过导线连通有控制电板。

作为优选，所述各管路三通接点处都通过三通接头连通。

该应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统：在吸热器在启动阶段，汽包内的水通过下降管分别从下部进入到蒸发器与过热器，吸热器接收定日镜场反射的太阳光，使吸热器内的水温逐渐升高。在此阶段过热器的功能与蒸发器相同，一起加热吸热器及汽包内的水，逐步完成系统内部水的升温、升压过程。当汽包内的饱和蒸汽压力达到设定值时，系统通过多个隔离阀的切换，排出过热器内的水，并使饱和蒸汽按设计流程流经过热器，在过热器内继续吸热、升温，最后系统产生的过热蒸汽用于供热或做功发电。

本发明的有益效果是：该应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，过热器承担蒸发器功能，由此可以提高吸热器内水的升温、升压过程，提高太阳能的利用率；过热器内由于有工质的蒸发冷却，消除了在启动阶段过热器超温的风险，提高了吸热器的可靠性；实现上述功能之间的切换便捷、快速，对吸热器系统的运行影响大大降低，几乎可以忽略。

附图说明

图1为本发明在启动工作模式下的原理示意图；

图2为本发明在过渡切换模式下的原理示意图；

图3为本发明在正常工作模式下的原理示意图；

图4为本发明在停运放水模式下的原理示意图；

图中：1、过热器，2、蒸发器，3、汽包，4、下降管，5、上升管，6、补水阀，7、过热蒸汽阀，8、放水阀，9、通气阀；11、隔离阀，12、隔离阀，13、隔离阀，14、隔离阀。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：如附图1-4所示，一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，包括过热器1、蒸发器2、汽包3、下降管4和上升管5，蒸发器2上端通过上升管5连通汽包3，过热器1进口端和汽包3蒸汽侧连通有蒸汽管，过热器1进口端和汽包间另接有蒸汽连接管，蒸汽连接管上连接有隔离阀12和隔离阀13，过热器1出口端连接过热蒸汽排放管，蒸汽连接管位于隔离阀12和隔离阀13间的管道上通过接管与过热器1出口端相连，连接管上连接有隔离阀14，过热蒸汽排放管上连接有过热蒸汽阀7，蒸发器2下端通过下降管4连通汽包3，下降管4通过下降管接管连通过热器1下端，下降管接管上连接有隔离阀11，过热器1下端连接的下降管接管上连接有放水管，放水管上连接有放水阀8，汽包3上连接有补水管，补水管上连接有补水阀6，汽包3上连接有通气管，通气管上连接有通气阀9，隔离阀11、隔离阀12、隔离阀13、隔离阀14、补水阀6、过热蒸汽阀7、放水阀8和通气阀9都为电控阀，各电控阀通过导线连通有控制电板。各管路三通接点处都通过三通接头连通。

如图1所示，吸热器系统工作在启动模式下，在该模式下过热蒸汽阀7、放水阀8处于关闭状态，补水阀6的开度根据汽包内的水位进行调整，隔离阀11、隔离阀12、隔离阀13、隔离阀14均为开启状态。

在此阶段，从汽包3出来的水经过下降管4分别从下部进入蒸发器2与过热器1，定日镜反射的太阳光被吸热器受光面吸收，加热蒸发器2与过热器1内流过的水，温度升高或产生蒸发后逐渐上升，并通过上升管5返回到汽包3内。吸热器在启动模式下过热器1与蒸发器2功能相同，二者并列运行，吸收太阳能产生的热量，逐渐使汽包内的水温度升高、并逐渐提升汽包内的饱和压力。通气阀9在初始升温阶段开启，以排出汽包内的空气，待汽包内的水温升高到饱和温度后关闭，使汽包内的温度和压力逐渐升高。

当汽包内的温度、压力达到预定值时吸热器进入到过渡切换模式，如图2所示。在该模式下关闭隔离阀11与隔离阀12，同时开启吸热器放水阀8；在上述过程中，控制吸热器表面的热流密度在安全范围之内，使隔离阀13与隔离阀14保持开启状态，过热蒸汽阀7、通气阀9保持关闭状态，补水阀6根据汽包3的液位进行开度调整。

在此阶段，蒸发器2可以按正常模式工作，但需控制过热器1表面的能流分布，避免过热器1发生超温。从汽包3出来的饱和蒸汽从上部经隔离阀13与隔离阀14进入到过热器1，经吸热器放水阀8逐渐排出过热器1内的水。

当过热器内的水放空之后，吸热器切换到正常运行模式。如图3所示，关闭吸热器放水阀8，关闭隔离阀13和隔离阀14，打开过热蒸汽阀7以及过热蒸汽管道上面的疏水及放气；同时保持隔离阀11、隔离阀12和通气阀9处于关闭状态，补水阀6根据汽包水位进行开度调整。逐渐增加吸热器上投入的能量，使吸热器的输出参数逐渐达到设定值。

在此阶段，汽包3内的水从下降管4进入到蒸发器2的下部，在蒸发器内吸收有太阳辐射转化成的热能，逐步完成升温或蒸发的过程，汽水混合物从上升管5返回到汽包3内，并在汽包内完成蒸汽与水的分离。从汽包3出来的饱和蒸汽进入到过热器1，在过热器1内吸热、升温，最后通过过热蒸汽阀7进入到主蒸汽管路，吸热器产生的过热蒸汽再输送到蒸汽动力系统做功发电，或直接供给热用户。

当吸热器系统停止运行后，若计划长期停运或吸热器系统有结冰风险时，从前述正常工作模式切换到停运放水模式。如图4所示，首先撤去吸热器表面的太阳光斑，关闭补水阀6与过热蒸汽阀7，过热器1的温度在空气冷却下降低，逐渐接近蒸发器2温度，当温度下降到预定值时开启放水阀8和通气阀9，开启隔离阀11、隔离阀12、隔离阀13、隔离阀14。

吸热系统在放水模式下，汽包内的水一路通过下降管、蒸发器、隔离阀11，从放水阀8排出；还有一路通过隔离阀12、隔离阀13、过热器1、放水阀8排出，或通过隔离阀12、隔离阀14、过热器1、放水阀8排出。在系统放水阶段，蒸发器2与过热器1同时作为放水通道，可以加快放水速度。开启通气阀9可以及时平衡吸热器内的压力，避免产生负压对系统造成损害。吸热器系统内的水排空后，可以消除结冰风险，并可以保护长久停运的吸热器系统。

该应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，可以用在太阳能高温集热及工业供热领域，可以保护过热器在启动阶段的安全性，使过热器免于超温、损毁的风险，同时提高了太阳能的利用率，使吸热器系统参数可以更快达到目标值。该系统具有广阔的应用前景。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (3)

1.一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，其特征是，其包括过热器（1）、蒸发器（2）、汽包（3）、下降管（4）和上升管（5），蒸发器（2）上端通过上升管（5）连通汽包（3），过热器（1）进口端和汽包（3）蒸汽侧连通有蒸汽管，过热器（1）进口端和汽包（3）间另有蒸汽管接管，蒸汽管接管上连接有隔离阀（12）和隔离阀（13），过热器（1）出口端连接过热蒸汽排放管，蒸汽管接管位于隔离阀（12）和隔离阀（13）间的管道上通过接管连通过热器（1）的出口端，接管上连接有隔离阀（14），过热蒸汽排放管上连接有过热蒸汽阀（7），蒸发器（2）下端通过下降管（4）连通汽包（3），下降管（4）通过下降管接管连通过热器（1）下端，下降管接管上连接有隔离阀（11），过热器（1）下端连接的下降管接管上连接有放水管，放水管上连接有放水阀（8），汽包（3）上连接有补水管，补水管上连接有补水阀（6），汽包（3）上连接有通气管，通气管上连接有通气阀（9）；

吸热器系统工作在启动模式时，在该模式下过热蒸汽阀（7）、放水阀（8）处于关闭状态，补水阀（6）的开度根据汽包内的水位进行调整，隔离阀（11）、隔离阀（12）、隔离阀（13）、隔离阀（14）均为开启状态；

当汽包内的温度、压力达到预定值时，吸热器进入到过渡切换模式，该模式下关闭隔离阀（11）与隔离阀（12），同时开启吸热器放水阀（8）；在上述过程中，控制吸热器表面的热流密度在安全范围之内，使隔离阀（13）与隔离阀（14）保持开启状态，过热蒸汽阀（7）、通气阀（9）保持关闭状态，补水阀（6）根据汽包（3）的液位进行开度调整；

当过热器内的水放空之后，吸热器切换到正常运行模式，关闭吸热器放水阀（8），关闭隔离阀（13）和隔离阀（14），打开过热蒸汽阀（7）以及过热蒸汽管道上面的疏水及放气；同时保持隔离阀（11）、隔离阀（12）和通气阀（9）处于关闭状态，补水阀（6）根据汽包水位进行开度调整，逐渐增加吸热器上投入的能量，使吸热器的输出参数逐渐达到设定值；

当吸热器系统停止运行后，若计划长期停运或吸热器系统有结冰风险时，从前述正常工作模式切换到停运放水模式，首先撤去吸热器表面的太阳光斑，关闭补水阀（6）与过热蒸汽阀（7），过热器（1）的温度在空气冷却下降低，逐渐接近蒸发器（2）温度，当温度下降到预定值时开启放水阀（8）和通气阀（9），开启隔离阀（11）、隔离阀（12）、隔离阀（13）、隔离阀（14）。

2.根据权利要求1所述的一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，其特征是，所述隔离阀（11）、隔离阀（12）、隔离阀（13）、隔离阀（14）、补水阀（6）、过热蒸汽阀（7）、放水阀（8）和通气阀（9）都为电控阀，各电控阀通过导线连通有控制电板。

3.根据权利要求1所述的一种应用于聚光式太阳能带过热段的水质吸热器系统，其特征是，所述各管路三通接点处都通过三通接头连通。