CN111207048A - 一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统及碳减排方法 - Google Patents

一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统及碳减排方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统及碳减排方法。所述发电系统中的光热熔盐集热设备包括：太阳能光热熔盐集热装置，收集太阳能并将该太阳能转换为热能而加热熔融态的熔盐；熔盐保温缓冲罐，储存经加热的熔融态的熔盐而进行蓄热；和熔盐循环管路，供熔融态的熔盐在太阳能光热熔盐集热装置与熔盐保温缓冲罐之间循环。所述发电系统还具有：供水管路，连接在水源与熔盐保温缓冲罐之间，将液态水引入熔盐保温缓冲罐；第一热交换部，设于熔盐保温缓冲罐中，连接在供水管路的水流动方向的下游，使得来自供水管路的水与熔盐进行热交换而成为水蒸汽；蒸汽管路，连接在第一热交换部与火电厂的汽轮机之间，将水蒸汽供给至汽轮机，以驱动汽轮机。

Description

一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统及碳减排方法
技术领域
本发明涉及能源利用领域，具体涉及一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统及碳减排方法。
背景技术
随着全球能源消愈发紧张、以及人们对环境的关注日益加强，能源短缺和环境污染已经成为影响人们生活和制约社会发展的重要课题。太阳能作为一种清洁环保、储量无穷的自然能源，其在人类所利用的能源种类中所占比例变得越来越大。目前，提出了光煤互补发电技术。
光煤互补发电技术是利用太阳能聚光集热器聚集太阳热能用于加热锅炉给水，从而替代燃煤电站的回热抽汽。该技术能够增加燃煤电站发电量或者降低燃料使用量，并能在一定程度上减少温室气体排放。
但目前的光煤互补发电技术仅考虑利用光热作为热源，且仅用于提高水温，对于火电厂降低燃煤消耗量、以及碳减排作用有限。而且对于太阳能、电能等的有效利用的开发也不够充分。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种与火电厂耦合从而能够充分利用火电厂热源、且能够实现火电厂的储能调峰以及碳减排的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统及碳减排方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
(1)一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其包括光热熔盐集热设备，所述光热熔盐集热设备包括：
太阳能光热熔盐集热装置，收集太阳能并将该太阳能转换为热能而加热熔融态的熔盐；
熔盐保温缓冲罐，储存经加热的熔融态的所述熔盐而进行蓄热；和
熔盐循环管路，供熔融态的熔盐在所述太阳能光热熔盐集热装置与所述熔盐保温缓冲罐之间循环，
所述发电系统还具有：
供水管路，连接在水源与所述熔盐保温缓冲罐之间，将液态水引入所述熔盐保温缓冲罐；
第一热交换部，设于所述熔盐保温缓冲罐中，并连接在所述供水管路的水流动方向的下游，且使得来自所述供水管路的水以间隔换热的方式与所述熔盐进行热交换而成为水蒸汽；
蒸汽管路，连接在所述第一热交换部与所述火电厂的汽轮机之间，将所述水蒸汽供给至所述汽轮机，以驱动所述汽轮机。
(2)在上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述火电厂的汽轮机包括驱动发电机用的大汽轮机和驱动火电厂中锅炉给水泵用的小汽轮机。
(3)上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统还包括：
第二热交换部，设于所述熔盐保温缓冲罐中，输入端与所述火电厂的锅炉的高温烟气管道或高温蒸汽管道连通，输出端与烟气或蒸汽疏水回收管道连通，且使得来自所述高温烟气管道或所述高温蒸汽管道的高温烟气或高温蒸汽以放热的方式与熔盐进行热交换，从而将熔盐维持在熔融态。
(4)在上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述高温蒸汽包括所述火电厂的锅炉的主蒸汽、再热蒸汽和所述火电厂的用于驱动发电机的汽轮机抽汽中的任意一种或多种的组合。
(5)在上述(1)～(4)任一所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述熔盐保温缓冲罐包括对所述熔盐进行加热的电加热器。
(6)在上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述电加热器的供电端连接于所述火电厂中的发电机的出口母线、或者所述火电厂用电母线、或者所述火电厂的经升压后的出厂母线，
利用所述火电厂的调峰电力对所述电加热器供电。
(7)在上述(5)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，在无太阳能时，利用所述高温烟气或所述高温蒸汽在所述第二热交换部加热所述熔盐；或者，利用调峰电力供电的所述电加热器加热所述熔盐。
(8)在上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述熔盐保温缓冲罐的蓄热温度为50℃～1200℃。
(9)在上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述熔盐包括碱金属、碱土金属的卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐中的任意一种或几种组合。
(10)在上述(1)或(3)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述第一热交换部采用管壳式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器中的任意一种；
所述第二热交换部采用管壳式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器中的任意一种。
(11)在上述(1)所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统中，所述太阳能光热熔盐集热装置为碟式太阳能光热集热装置、槽式太阳能光热集热装置、塔式太阳能光热集热装置中的任意一种。
(12)一种利用了上述(1)～(11)中任一所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统的碳减排方法，其中，
将在所述第一热交换部产生的水蒸汽部分替代所述火电厂中锅炉燃煤产生的蒸汽而供给至所述火电厂中的汽轮机，以驱动发电机发电，将基于在所述第一热交换部产生的水蒸汽产生的发电量按此火电厂的发电效率换算出燃煤量，将该燃煤量所对应的碳排放量作为碳减排量。
(13)在上述(12)所述的碳减排方法中，包括下述步骤：
根据在所述第一热交换部产生的水蒸汽进入所述汽轮机做功的蒸汽量、该做功的蒸汽在汽轮机入口的焓值、做功后在出口的焓值、以及所述火电厂的发电效率计算所述汽轮机驱动的所述发电机的发电量中的、由在所述第一热交换部产生的所述水蒸汽实现的那部分发电量；
根据计算出的上述的那部分发电量，计算替代的燃煤量；
根据计算出的所述替代的燃煤量，计算对应的碳减排量。
发明效果
根据本发明，通过将火电厂与光热熔盐集热设备耦合，并将在光热熔盐集热设备吸热了的水蒸汽用于驱动火电厂，能够充分利用火电厂热源、且能够实现火电厂的储能调峰以及碳减排。
附图说明
图1是本发明的实施方式的系统构成示意图。
图2是本发明的实施方式的发电系统工作流程示意图。
附图标记说明
1锅炉；2汽轮机(大汽轮机)；3发电机；4凝汽器；5低压加热器；
6除氧器；7高压加热器；8熔盐保温缓冲罐；10太阳能导光板；
9太阳能光热熔盐集热装置；11供水管路；12蒸汽管路；
13高温烟气管道；14烟气回收管道。
具体实施方式
下面参照图1和图2对本发明的具体实施方式进行详细的说明。附图中，对于相同的构件或部分标注相同的附图标记，并省略对其重复说明。本领域技术人员应当能够理解，下面的描述旨在说明本发明的技术方案，仅是例示性的，并非旨在限定本发明的权利要求范围。
如图1所示，本发明的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统系通过将火电厂与接收并蓄积太阳热能的光热熔盐集热设备耦合而成。
关于火电厂，通常包括锅炉1、由高温蒸汽驱动的汽轮机2、由汽轮机驱动进行发电的发电机3、对汽轮机排出蒸汽进行冷凝的凝汽器4、对凝汽器4输出的凝结水进行加热的低压加热器5和高压加热器7、以及设于低压加热器5和高压加热器7之间的除氧器6和水泵驱动用的小汽轮机。经高压加热器7加热后的热水再次进入锅炉，用于热水-水蒸汽的循环。
光热熔盐集热设备包括：太阳能光热熔盐集热装置9，通过太阳能集热板10收集太阳能，并将该太阳能转换为热能而加热熔融态的熔盐；熔盐保温缓冲罐8，储存经加热的熔融态的熔盐而进行蓄热；和熔盐循环管路，供熔融态的熔盐在太阳能光热熔盐集热装置与熔盐保温缓冲罐之间循环。
太阳能光热熔盐集热装置为碟式太阳能光热集热装置、槽式太阳能光热集热装置、塔式太阳能光热集热装置中的任意一种。
如图1所示，本发明的发电系统还具有：供水管路11，连接在水源与熔盐保温缓冲罐8之间，将液态水引入熔盐保温缓冲罐8；第一热交换部，设于熔盐保温缓冲罐8中，并连接在供水管路11的水流动方向的下游，且使得来自供水管路11的水以间隔换热的方式与熔盐进行热交换而成为水蒸汽；蒸汽管路12，连接在第一热交换部与火电厂的汽轮机2之间，将水蒸汽供给至汽轮机2，以驱动汽轮机。此处的汽轮机既可以是发电用的大汽轮机2，也可以是驱动水泵用的小汽轮机。由此，能够降低用于产生水蒸汽的燃煤消耗量。
第一热交换部产生的水蒸汽除了可用于汽轮机，也可被打入热力系统的除氧器。
熔盐包括碱金属、碱土金属的卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐中的任意一种或几种组合。
根据熔盐种类等不同，确保熔盐处于熔融态的温度也不同，例如可以是300℃、600℃、800℃、1100℃等。一般而言，熔盐保温缓冲罐的蓄热温度为50℃～1200℃。
第一热交换部可以采用管壳式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器中的任意一种。
可选的，熔盐保温缓冲罐8还可以配备第二热交换部，该第二热交换部例如设于熔盐保温缓冲罐8中，输入端与火电厂的锅炉的高温烟气管道13或高温蒸汽管道(未示出)连通，输出端与烟气回收管道14或蒸汽疏水回收管道(未图示)连通。来自高温烟气管道14和/或高温蒸汽管道的高温烟气或高温蒸汽在第二热交换部以放热的方式与熔盐保温缓冲罐8中的熔盐进行热交换，从而将熔盐维持在熔融态且加热至规定的温度。由此，熔盐保温缓冲罐8中的熔盐不仅吸收太阳热能，还吸收高温烟气和/或高温蒸汽的热能，因此蕴含了更多的热能可供热交换(放热)。
上述的高温蒸汽可以是火电厂的锅炉的主蒸汽、再热蒸汽、火电厂的用于驱动发电机的汽轮机抽汽中的任意一种或多种的组合。可以根据熔盐保温缓冲罐8的蓄热温度、熔盐种类等设计从哪里取入高温蒸汽、以及将蒸汽管路12的水蒸汽供给大汽轮机还是小汽轮机还是二者皆有。
第二热交换部可以采用管壳式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器中的任意一种。
可选的，熔盐保温缓冲罐8还可以包括对熔盐进行加热的电加热器。由此可以利用电力驱动电加热器加热熔盐，优选的是，利用调峰电力对电加热器供电以加热熔盐。例如，可以在作为用电低谷的夜间利用火电厂发出的电力。如此也能够配合火电厂的调峰要求。顺带说明的是，日间可以使用太阳能来维持熔盐的温度，也可以使用高温烟气/高温蒸汽，当然也可以使用电力。
上述电加热器的供电端连接于火电厂中的发电机的出口母线、或者火电厂用电母线、或者火电厂的经升压后的出厂母线，利用所述火电厂的调峰电力对所述电加热器供电。
下面，利用图2对本发的发电系统的工作过程进行说明。
如图2所示，大体包括下述步骤。
S1：利用高温换热器(上述的第二热交换部)和/或电加热器对熔盐保温缓冲罐中的熔盐加热使其处于可循环的熔融态；
S2：判断是否有可利用的太阳能(判断是否有光照)，若有，则进入步骤S31，若否，则进入步骤S41；
S31：启动光热熔盐集热设备，太阳能光热集热装置将光能转换为热能，并对熔盐进行加热，熔盐保温缓冲罐中的熔盐吸收热量进行蓄热；
S32：打开熔盐换热器的熔盐进出口，并打开上述的第一热交换部的换热介质(本实施方式为水)的出入口，水在第一热交换部被加热成水蒸汽；
S41：利用高温烟气/高温蒸汽/调峰电力(其中之一或多个的组合)加热熔盐保温缓冲罐，进行蓄热。
具体而言，可根据火电厂目前的运行状态，如果有富余的调峰调频电力可驱动电加热器，则跳转执行步骤S42；如果锅炉容许抽取高温烟气用于加热熔盐，则跳转执行步骤S43；如果火电厂有富余的高温蒸汽用于加热熔盐，则跳转执行步骤S44；
S42、利用富余调峰调频电力为熔盐缓冲罐底部的电加热器供电，利用电加热方式使熔盐液化并达到其循环运行温度；
S43、打开高温换热器的加热烟气进口阀和出口阀，从锅炉引流过来的高温加热烟气进入高温换热器放热后从出口阀排出回到电站锅炉烟道；熔盐缓冲罐内的熔盐吸收高温烟气的热量后液化，并达到其循环运行温度；
S44、打开高温换热器的加热蒸汽进口阀和出口阀，从火电厂锅炉主蒸汽、再热蒸汽或汽轮机抽汽引流过来的高温加热蒸汽进入高温换热器放热后从出口阀排出回到火电厂热力系统；熔盐缓冲罐内的熔盐吸收高温蒸汽的热量后液化，并达到其循环运行温度；
S51：利用熔盐缓冲罐加热产生的蒸汽，打入火电厂汽轮机，从而增加火电厂发电量，减少其锅炉燃煤的使用量。
上述步骤，可以根据实际情况增减或组合。
根据本发明，由于火电厂的高温锅炉烟气、高温蒸汽被用于光热熔盐集热设备，所以能够减少来自火电厂的烟气/蒸汽的向大气环境的排放。而且，由于光热熔盐集热设备使用的是太阳能和火电厂的高温锅炉烟气、高温蒸汽，并无新增的碳排放量，因此，也是一种碳减排方案。
本发明还提供一种碳减排方案，将在所述第一热交换部产生的水蒸汽部分替代所述火电厂中锅炉燃煤产生的蒸汽而供给至所述火电厂中的汽轮机，以驱动发电机发电，将基于在所述第一热交换部产生的水蒸汽产生的发电量按此火电厂的发电效率换算出燃煤量，将该燃煤量所对应的碳排放量作为碳减排量。
该碳减排方法包括下述步骤：
步骤1：根据在所述第一热交换部产生的水蒸汽进入所述汽轮机做功的蒸汽量、该做功的蒸汽在汽轮机入口的焓值、做功后在出口的焓值、以及所述火电厂的发电效率计算所述汽轮机驱动的所述发电机的发电量中的、由在所述第一热交换部产生的所述水蒸汽实现的那部分发电量。
具体而言，P光汽＝D光汽*[(h光汽0-h排汽)/3600]*ηe
＝D光汽*[(h光汽0-h排汽)/3600]*ηi*ηm*ηg
其中P光汽为光热熔盐集热装置产生的蒸汽进入汽轮机的发电量，kW；
D光汽为光热熔盐集热装置产生的蒸汽进入汽轮机做功的蒸汽量，kg/h；
h光汽0为光热熔盐集热装置产生的蒸汽进入汽轮机的入口焓值，kJ/kg；
h排汽为光热熔盐集热装置产生的蒸汽进入汽轮机做功后的排汽焓值，kJ/kg；
ηe为机组绝对电效率，ηe＝ηi*ηm*ηg；
ηi为汽轮机内效率；ηm为汽轮机机械传动效率；ηg为发电机效率。
步骤2：根据计算出的上述的那部分发电量，计算替代的燃煤量。
具体而言，根据P光汽对应计算出对应的本火电机组的标煤燃料消耗量，即如果由本火电机组实现这个发电量数值P光汽，需要火电机组锅炉消耗多少的标煤量，其计算公式为：
D标煤＝P光汽*bcp＝P光汽*[3600/(q1*ηb*ηp*ηe]
其中D标煤为对应需要消耗的电站锅炉标煤燃烧量，kg/h；
P光汽为光热熔盐集热装置产生的蒸汽进入汽轮机的发电量，kW；
步骤3：根据计算出的所述替代的燃煤量，计算对应的碳减排量。
以上，说明了本发明的特征和有意效果。相应地，本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例，这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (13)

1.一种火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，包括光热熔盐集热设备，所述光热熔盐集热设备包括：
太阳能光热熔盐集热装置，收集太阳能并将该太阳能转换为热能而加热熔融态的熔盐；
熔盐保温缓冲罐，储存经加热的熔融态的所述熔盐而进行蓄热；和
熔盐循环管路，供熔融态的熔盐在所述太阳能光热熔盐集热装置与所述熔盐保温缓冲罐之间循环，
所述发电系统还具有：
供水管路，连接在水源与所述熔盐保温缓冲罐之间，将液态水引入所述熔盐保温缓冲罐；
第一热交换部，设于所述熔盐保温缓冲罐中，并连接在所述供水管路的水流动方向的下游，且使得来自所述供水管路的水以间隔换热的方式与所述熔盐保温缓冲罐中的熔盐进行热交换而成为水蒸汽；
蒸汽管路，连接在所述第一热交换部与所述火电厂的汽轮机之间，将所述水蒸汽供给至所述汽轮机，以驱动所述汽轮机。
2.根据权利要求1所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述火电厂的汽轮机包括驱动发电机用的大汽轮机或驱动火电厂中锅炉给水泵用的小汽轮机。
3.根据权利要求1所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，还包括：
第二热交换部，设于所述熔盐保温缓冲罐中，输入端与所述火电厂的锅炉的高温烟气管道或高温蒸汽管道连通，输出端与烟气或蒸汽疏水回收管道连通，且使得来自所述高温烟气管道或所述高温蒸汽管道的高温烟气或高温蒸汽以间隔放热的方式与熔盐进行热交换，从而将熔盐维持在熔融态。
4.根据权利要求3所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述高温蒸汽包括所述火电厂的锅炉的主蒸汽、再热蒸汽和所述火电厂的用于驱动发电机的汽轮机抽汽中的任意一种或多种的组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述熔盐保温缓冲罐包括对所述熔盐进行加热的电加热器。
6.根据权利要求5所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述电加热器的供电端连接于所述火电厂中的发电机的出口母线、或者所述火电厂用电母线、或者所述火电厂的经升压后的出厂母线，
利用所述火电厂的调峰调频电力对所述电加热器供电。
7.根据权利要求5所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，在无太阳能时，利用所述高温烟气或所述高温蒸汽在所述第二热交换部加热所述熔盐；或者，利用调峰调频电力供电的所述电加热器加热所述熔盐。
8.根据权利要求1所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述熔盐保温缓冲罐的蓄热温度为50℃～1200℃。
9.根据权利要求1所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述熔盐包括碱金属、碱土金属的卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐中的任意一种或几种组合。
10.根据权利要求1或3所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述第一热交换部采用管壳式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器中的任意一种；
所述第二热交换部采用管壳式换热器、螺旋管式换热器、板式换热器中的任意一种。
11.根据权利要求1所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统，其特征在于，所述太阳能光热熔盐集热装置为碟式太阳能光热集热装置、槽式太阳能光热集热装置、塔式太阳能光热集热装置中的任意一种。
12.一种利用了权利要求1至11中任一项所述的火电厂耦合光热熔盐集热发电系统的碳减排方法，其特征在于，
将在所述第一热交换部产生的水蒸汽部分替代所述火电厂中锅炉燃煤产生的蒸汽而供给至所述火电厂中的汽轮机，以驱动发电机发电，将基于在所述第一热交换部产生的水蒸汽产生的发电量按此火电厂的发电效率换算出燃煤量，将该燃煤量所对应的碳排放量作为碳减排量。
13.根据权利要求12所述的碳减排方法，其特征在于，包括下述步骤：
根据在所述第一热交换部产生的水蒸汽进入所述汽轮机做功的蒸汽量、该做功的蒸汽在汽轮机入口的焓值、做功后在出口的焓值、以及所述火电厂的发电效率计算所述汽轮机驱动的所述发电机的发电量中的、由在所述第一热交换部产生的所述水蒸汽实现的那部分发电量；
根据计算出的上述的那部分发电量，计算替代的燃煤量；
根据计算出的所述替代的燃煤量，计算对应的碳减排量。
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