专利名称：混合式集中太阳能联合循环动力装置及其中太阳能重整器的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及动力发生系统，并且更具体而言，涉及混合式太阳能动力发生系统。
背景技术：
集中太阳能(CSP)目前被认为是大规模地用太阳能发电的最经济和高效的方式。但是，除了太阳能收集系统的投资费用高之外，仍然存在限制对大规模的动力发生广泛地采用CSP技术的显著的挑战。关于当前建立太阳能动力装置的一个这种挑战是由于太阳能的间歇性质而导致的生产容量因数低。太阳能的这个间歇性质会导致CSP装置成本高，因为蒸汽轮机循环系统在多达75%的时间是空闲的。动力岛的低利用率会导致动力系统有非
常低的投资回报，以及因此，不利地影响CSP装置的经济效果。关于当前建立太阳能动力装置的另一个挑战在于，将大量可再生的动力添加到电网中往往会需要添加基于天然气的备用容量或储备容量，以便弥补可再生的能量的间歇性质，以及对电网提供稳定性。从电网运营商和消费者的角度看，由于对电网添加较多可再生的动力，所以在容量上的这个冗余性是电的高成本的另一个隐性原因。这样的储备动力装置典型地以低容量因数运行，并且仅使用简单循环燃气轮机，简单循环燃气轮机具有较低的效率，以及因此，与联合循环(CC)燃气轮机(CCGT)装置相比，对于每MWh会放出更多C02。为了规避集中太阳能的低容量因数，已经提出和在小规模上展现了基于熔盐的热存储技术；但是，由于使用间接的热传递和蒸汽轮机循环的原因，在大规模地使用之前，这些系统需要额外的技术发展来克服高的初始投资成本和低的热效率。关于太阳能重整器，已经尝试了用于小规模的太阳能重整的设计，该设计旨在通过高温度蒸汽甲烷重整来生产氢。虽然对小规模的应用来说可能是可接受的，但是此设计不适于动力发生情形，因为太阳能热加热系统的成本高且水的消耗高。因此，提供一种修正与大规模的集中太阳能动力发生有关的以上问题的改进的混合式太阳能动力发生系统将是合乎需要的。
发明内容
简要而言，本发明的一方面在于一种电功率发生系统，其包括包括太阳能场和蒸汽发生器的集中太阳能装置(CSP);太阳能重整器；以及用于发电的联合循环燃气轮机(CCGT)动力装置。太阳能重整器构造成接收来自太阳能场的太阳能和作为输入反应剂流的烃流体。太阳能重整器通过重整动作来将太阳能和输入反应剂流转化成热能和化学能，以形成重整燃料。联合循环燃气轮机(CCGT)动力装置构造成接收烃流体和来自太阳能重整器的重整燃料，以及放出燃烧排气。联合循环燃气轮机动力装置构造成能够响应于通往太阳能重整器的太阳能的可用性而基于烃流体和重整燃料中的至少一个来运行。蒸汽发生器构造成接收从联合循环燃气轮机动力装置中放出的热排气，以进行发电。本发明的另一方面在于一种产生电功率的方法，其包括控制联合循环燃气轮机动力装置的燃烧室和太阳能重整器之间的烃流体流；在太阳能重整器中通过经由重整动作将太阳能和烃流体转化成热能和化学能来重整烃流体，以形成重整燃料；将重整燃料供应给联合循环动力装置；以及将热排气供应给蒸汽发生器。太阳能重整器构造成接收来自太阳能场的太阳能以及烃流体。联合循环燃气轮机动力装置构造成接收烃流体和来自太阳能重整器的重整燃料中的一个，以及放出热排气。蒸汽发生器构造成接收从联合循环燃气轮机动力装置中放出的热排气，以及进行发电。联合循环燃气轮机动力装置构造成能够响应于通往太阳能重整器的太阳能的可用性而基于烃流体和重整燃料中的至少一个来运行。本发明的又一个方面在于一种太阳能重整器，其构造成接收来自太阳能场的太阳能和作为输入反应剂流的烃流体，其中，太阳能重整器通过重整动作来将太阳能和输入反应剂流转化成热能和化学能，以形成重整燃料。太阳能重整器包括锥形开口，其构造成通过石英窗而集中接收太阳能，以及将太阳能集中到重整室中；设置在重整室中的重整催化齐IJ;以及与反应室处于流体连通的同轴的管中管式管道，其构造成提供用于输入反应剂流的入口和用于重整燃料的出口。太阳能重整器运行来在存在太阳能时对联合循环燃气轮机 动力装置提供动力。在审阅结合若干幅图和所述权利要求而得到的以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征与改进将对本领域普通技术人员变得显而易见。
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的上述和其它特征、方面与优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中图I是根据一个实施例的混合式集中太阳能联合循环动力装置的示意图；图2是示出了根据一个实施例的、运行混合式集中太阳能联合循环动力装置的方法的流程图；图3在等距视图中示意性地描绘了根据另一个实施例的、用于混合式集中太阳能联合循环动力装置中的太阳能重整器；图4在等距视图中示意性地描绘了根据另一个实施例的、用于混合式集中太阳能联合循环动力装置中的太阳能重整器；图5在曲线图中示出了根据一个实施例的、在典型的一天期间在动力发生系统上的总负荷的由太阳能提供动力的部分；以及图6在曲线图中相对于总动力效率示出了根据一个实施例的混合式太阳能联合循环效率。部件列表10 混合式集中太阳能联合循环系统12 CSP 装置13 太阳能场14 联合循环燃气轮机动力装置15 蒸汽发生器16 太阳能重整器19 多个燃气轮机
22烃流体24太阳热能26重整燃料28燃烧室30控制阀32排气(来自14) 34热回收蒸汽发生器(HRSG)36多个蒸汽轮机40方法41-45方法步骤50直接加热式太阳能重整器52重整催化剂块54重整器室56英窗58锥形开口60可选的反射涂层6158 的表面62太阳辐射63输入反应剂流64同轴的管中管式管道68外部管70重整器产物71重整燃料72内部管74上部部分76下部部分7852 的底面80回流管8280 中的开口84空气喷射端口100间接加热太阳能重整器104重整器室106英窗108锥形开口110反射涂层111表面112太阳辐射114同轴的管中管式管道116输入反应剂流
118外部管120重整器产物122重整燃料124内部管126SMR 反应管128重整催化剂130下部部分
具体实施方式
如下面详细论述的那样，本发明的实施例用来为利用太阳能和天然气的动力发生装置中的发电提供高效的手段。公开的是基于太阳能重整技术的混合式集中太阳能联合循环动力装置概念，太阳能重整技术将使得能够整合集中太阳能动力装置和天然气联合循环装置，从而产生修正与大规模的集中太阳能动力发生有关的已知问题的混合系统。在重整反应期间，太阳能可存储在重整燃料中，并且通过燃气轮机燃烧反应而进行释放。取决于可用的太阳热能，被引导到联合循环燃气轮机动力装置中的燃料可在天然气和重整燃料之间交替。当太阳热能充裕时，该系统将能够基于被引导到联合循环燃气轮机动力装置中的重整燃料流来运行。当太阳热能不可用时，该系统将能够基于直接进入联合循环燃气轮机动力装置中的标准燃料流来运行。这个双重运行模式提供稳定且合乎需要的动力输出，减少化石燃料消耗，减少CO2排放，并且导致动力发生装置的总效率较高。现在转到附图，图I中示出的是根据本公开的、用于产生机械动力和/或电功率的混合式集中太阳能联合循环(CSCC)动力系统的一个优选实施例。更具体而言，示出的是混合式集中太阳能联合循环系统，其大体参照为10，其由CSP装置12中的太阳能场13和蒸汽发生器15以及联合循环燃气轮机动力装置14组成。将两个动力装置系统12和14联结在一起的关键技术是太阳能重整器16，其中，太阳能和烃流体通过重整反应而转化成热能和化学能，以形成重整燃料。太阳能重整器16允许太阳能行进通过非常高效的联合循环燃气轮机动力装置，以及更具体而言，通过联合循环燃气轮机动力装置14的燃烧室28和多个燃气轮机19，这导致太阳能高效率地转化成动力。联合循环燃气轮机动力装置14可容易地在双重燃料之间进行调节，即或者重整燃料或者烃流体，或者重整燃料和烃流体的混合物，这取决于阳光的可用性。这个双重燃料系统的最终结果是有利用率高的动力岛和通往排气烟 20的稳定的动力输出，从而消除对任何储备容量的需要。应当理解，虽然本文公开的是使用烃流体，以及更具体而言，在一个优选实施例中使用天然气，但是，本公开预见了备选烃流体，例如甲烷、生物气或其它适当的材料，例如液体石油气(LPG)等。在提出的混合式CSCC系统10的典型的白天运行期间，诸如天然气的烃流体22被发送到太阳能重整器16中，其中，由CSP装置12提供的太阳热能24被镜系统(目前描述的)集中。集中太阳热能24在太阳能重整器16内产生超过500°C的高温，并且被用来在太阳能重整器16内驱动下面显示的甲烷重整反应CH4+H20+ (太阳热)一C0+3H2在需要较高的天然气(NG)转化时，或者在水消耗是主要限制时，可使用基于局部氧化的太阳能重整设计。在这个构造中，集中太阳热能24会在太阳能重整器16内产生超过500°C的高温，其中，使用少量空气或含氧气体来部分地氧化烃燃料的一部分，以及更具体而言，氧化天然气燃料。预见到，由于有太阳能补充，可需要仅少量的氧，响应于可用性，这减少了对氧的需要。来自局部氧化反应的放热热将帮助使重整气体的温度提高到超过800°C，其中可实现天然气的高转化。氧的存在还可有效地抑制焦炭(目前描述的)的形成，这会显著地减少在重整反应中对过量的水的需要。在这个构造中，使用太阳热能24来在太阳能重整器16内驱动下面显示的甲烷重整反应4CH4+02+2H20 — 10H2+4C0重整器16内的吸热反应会吸收太阳热能24，并且将太阳热能24转化成产物气体中的化学能，从而形成重整燃料26。然后重整燃料26在联合循环燃气轮机动力装置14的燃烧室28内燃烧，从而释放在原来的供应烃流体22中的化学能，加上在重整反应期间吸收的太阳热能24。在混合式集中太阳能联合循环动力装置10中，联合循环燃气轮机动力装置14从排气32中产生动力，以及更具体而言，从由重整燃料26和空气在燃烧室28内燃烧所产生的热中产生动力。来自联合循环燃气轮机动力装置14的、通常处于超过1000° F的温度的排气32接下来被发送到热回收蒸汽发生器(HRSG) 34，其中，排气32中的热能进一步被回收，以产生过热蒸汽，以及在蒸汽循环中产生动力。更具体 而言，由于被引入到多个蒸汽轮机36中的蒸汽的产生，来自排气32的热再次被用来产生额外的动力。在另一个实施例中，来自联合循环燃气轮机动力装置14的、含有CO2和O2的排气32可再循环回到太阳能重整器16的重整室和/或燃烧室28。在重整器16中，再循环排气32可用于重整工艺，其中，NG在放热反应中与O2反应，而且CO2通过吸热反应而与NG进行下面显示的反应CH4+C02+ (太阳热)—2C0+2H2这些反应的程度将由O2和CO2的相对浓度确定。通过上面的反应而形成CO会帮助改进工艺的操作性和效率。在燃烧室28中，再循环排气32将充当可减少NOx和提高在排气32中CO2的浓度的稀释剂。在又一个实施例中，CO2流可与涡轮排气32分离，并且再循环回到重整器16。此构造通过促进下面显示的反应而帮助实现额外的蒸汽减少CH4+C02+(太阳热)一2C0+2H2使用空气喷射、涡轮排气再循环、CO2再循环或这三个的组合可帮助减少重整器蒸汽消耗，防止焦炭的形成，提高太阳能利用率，改进燃气轮机排放性能，以及潜在地导致在涡轮排气32中CO2的浓度提高，从而使在燃烧之后进行碳捕捉较可行。取决于白天期间阳光的强度，装置操作员可将通过控制阀30等将进入到太阳能重整器16中的烃流体22 (天然气)的量从全旁通模式调节成完全重整模式，以便控制通往联合循环燃气轮机动力装置14的燃烧器28的烃流体22的流，从而最大程度地提高装置动力输出和效率，同时满足电网约定。在太阳能重整器16扩大的情况下，CSCC装置可基本最大程度地减少对烃流体的使用，以及更具体而言，最大程度地减少在白天运行期间的天然气消耗，同时仍然使装置动力输出保持其全容量。这个天然气消耗的节约表示电网的化石燃料消耗和CO2排放有显著的减少。应当注意，本文描述的CSCC装置可包括标准的动力装置设备，例如给水加热器、蒸汽发生器装备、蒸汽发生器、泵等。如所描述的那样，系统10能够使用重整燃料或烃流体(例如天然气燃料)来运行。图2是示出了运行图I的混合式集中太阳能联合循环动力装置的方法40的流程图。如之前描述的那样，因为联合循环燃气轮机动力装置能够在输入烃流体和重整燃料6之间运行，所以作出关于是否有足够的太阳能能够用来在太阳能重整器中重整烃流体流的初始确定41。在确定41之后，在联合循环燃气轮机动力装置的燃烧室和太阳能重整器之间调节42烃流体流。如果存在足够的太阳能，则流被引导向太阳能重整器，并且在其中发生烃流体的重整43，以形成重整燃料。如果不存在足够的太阳能，则流被引导向联合循环燃气轮机动力装置的燃烧室。重整燃料或烃流体接下来被供应44到联合循环燃气轮机动力装置的燃烧室，以发电和产生燃烧排气。最后，燃烧排气被供应45到蒸汽发生器，以产生额外的电。现在参照图3和4，示出了用于在图I的混合式集中太阳能联合循环动力装置中使用的备选太阳能重整器设计。公开的太阳能重整器设计提供加强的能量和质量传递，这会转变成较高的太阳能利用效率和较低的蒸汽需求。在其中水资源不足或期望有高温重整 (即800°C)的区域中，所提出的太阳能重整器的特征还在于局部氧化设计，其中，少量空气可被引入到反应器中，以防止焦炭的形成，以及提供放热热来提高重整反应动力学。太阳能和局部氧化反应的联合使用会产生在根本上不同于已建立的工艺(例如催化局部氧化(CPO)、自热重整(ATR)和蒸汽甲烷重整(SMR))的全新类别的天然气重整工艺。更具体参照图3，在等距视图中示出了用于在混合式集中太阳能联合循环动力装置中使用的太阳能重整器设计，其大体类似于图I的混合式集中太阳能联合循环动力装置10。更具体而言，图3中示出的是根据一个实施例的直接加热式太阳能重整器50。直接加热式太阳能重整器50包括重整催化剂块52，重整催化剂块52密闭在重整器室54内，重整器室54具有形成为其一部分的石英窗56。包括在石英窗56的外部的是锥形开口 58，锥形开口 58具有形成于表面61上的可选的反射涂层60,以通过石英窗56将太阳福射62引导向重整器室54的内部。在重整器室54的大体相对的部分上有同轴的管中管式管道64，其具有便于类似于图I的烃流体22的输入反应剂流63流过的内部。在这个特定的实施例中，输入反应剂流63由天然气和蒸汽组成。输入反应剂流63通过同轴的管中管式管道64的外部管68而向下流到重整器50中，以及更具体而言，向下流到重整器室54中。重整器产物70或大体类似于图I的重整燃料26的热的重整燃料71通过同轴的管中管式管道64内部管72流出重整器50，以及更具体而言，流出重整器室54。重整器产物70的这个方向流对输入冷反应剂提供预热，以及更具体而言，在其流出重整器50的同时，对输入反应剂流63提供预热。在重整器50的运行期间，经预热的输入反应剂流63进入重整器50，并且散布在反应器室54的上部部分74中。输入反应剂流63接下来传送通过重整催化剂块52，并且在其流向反应器室54的下部部分76时经历甲烷重整反应。集中太阳辐射62传送通过石英窗56，并且将重整催化剂块52的底面78加热到超过500°C 800°C。在这点上，非常快速地出现重整动力学，并且甲烷转化迅速达到平衡。估计在690°C处，大约20% -30%的甲烷将转化成CO和H2。然后重整燃料71进入多个回流管80，该多个回流管80具有定位在重整催化剂块52的底面78处的多个开口 82。在重整燃料71在那多个回流管80中向上流动时，包含在其中的热的气体被在周围的重整催化剂块52中向下流动的输入反应剂流63冷却，从而实现另一个水平的热回收和改进的效率。传统的太阳能热重整器仅可达到大约550°C的温度，这比理想的甲烷重整温度低2000C -300°C。将氧添加到太阳能重整器50中将帮助提高反应温度，以有高的甲烷转化。在典型的蒸汽甲烷重整(SMR)工艺中，在大约700°C-大约1000°C的范围中的温度下，以及在存在金属基(例如镍)催化剂的情况下，执行该工艺。重整器通常在天然气炉中被间接地加热。这种类型的SMR工艺的效率典型地为65%至75%。再次参照图I，在所提出的混合式CSCC系统10的优选实施例中，CSP温度为大约500°C 大约650°C，甲烷在太阳能重整器16中的转化为大致20% 50%。这是可接受的 转化。与其中目标是最大程度地提高氢产量的氢装置相反，太阳能重整器16的目的是将太阳能装到重整燃料26中。如之前陈述的那样，在其中需要较高的天然气转化或水消耗是主要限制的情况下，可使用太阳能重整器16内的局部氧化(目前描述的)。可在重整器室54的内部可选地形成多个喷射端口 84，以提供用于含氧气体的入口。已知在重整器50中以及更具体而言在重整器室54内存在氧会对焦炭的形成有抑制作用，这会产生多个好处。将小百分比的氧(< 5% )喷射到太阳能重整器50中的好处之一是防止焦炭沉积在石英窗56上，这会以别的方式阻挡太阳辐射62。已知氧会抑制焦炭的形成，而且将取消或最大程度地减少在太阳能重整器50中对蒸汽的需要。在典型的蒸汽甲烷重整器(SMR)中，需要超过2. 5的蒸汽-碳比。在将氧喷射到太阳能重整器50中的情况下，需要小于I的蒸汽-碳比。在太阳能重整器50中的蒸汽需求减少会导致水消耗显著地减少，从而使工艺适于其中水资源不足的区域。另外，通过升高反应器室50的温度，局部氧化反应的放热热将帮助提高重整反应动力学。现在参照图4，在等距视图中示出了用于在大体类似于图I的混合式集中太阳能联合循环动力装置10的混合式集中太阳能联合循环动力装置中使用的另一个太阳能重整器设计。更具体而言，在图4中示出的是根据一个实施例的间接加热式太阳能重整器100。间接加热式太阳能重整器100包括重整器室104，重整器室104具有形成为其一部分的石英窗106。包括在石英窗106的外部的是锥形开口 108，锥形开口 108具有形成于表面111上的可选的反射涂层110，以通过石英窗106将太阳辐射112引导向重整器室104的内部。在重整器室104的大体相对的部分上是同轴的管中管式管道114，其具有便于诸如图I的烃流体22的输入反应剂流116流过的内部。在这个特定的实施例中，输入反应剂是天然气和蒸汽。输入反应剂流116或烃流体22通过同轴的管中管式管道114的外部管118而向下流到重整器50中，以及更具体而言向下流到重整器室54中。重整器产物120或热的重整燃料122产物通过同轴的管中管式管道114的内部管124而流出重整器100，以及更具体而言流出重整器室104。类似于图3的重整器50，重整器产物120的这个方向流对输入反应剂提供预热，以及更具体而言，在其流出重整器100的同时，以逆流的方式对输入反应剂流116提供预热。如上面详细说明的那样，可包括通过多个空气端口(未显示)喷射少量空气，以有提闻的重整器性能。间接加热式太阳能重整器100的整体设计类似于图3中示出的直接加热式太阳能重整器，只是间接加热式设计中的输入反应剂流116将不会接触重整器石英窗106。与图3的直接加热式太阳能重整器50相反，在间接加热式太阳能重整器100中，太阳辐射112热首先被多个SMR反应管126吸收，并且通过热传导而传递到反应管126的内部，以支持天然气重整反应。重整催化剂128设置在该多个反应管126中的各个的内部。此设计消除了石英窗106的阻挡的问题。由于传导性热传递的原因，在反应管126的内部的SMR反应温度将为大约400°C -大约500°C，这基本低于之前描述的直接加热式方法(600°C -800°C )。类似于图3 的之前的直接加热式设计中的氧或空气喷射，可结合间接加热室100中的低水平的氧喷射，以提高重整器性能，以及通过重整反应来保持合适水平的太阳能吸收。在重整器100的运行期间，经预热的输入反应剂流116通过该多个反应管126而进入重整器100。输入反应剂116在传送通过重整催化剂128的该多个反应管126中的各个内流动，并且在其流向重整器室104的下部部分130时经受甲烷重整反应。集中太阳辐射112传送通过石英窗156,并且通过热传导而加热该多个反应管126,以支持重整反应。重整燃料混合物122在该多个反应管126中向上流动，并且包含在其中的热的气体被在周围的反应管126中向下流动的输入反应剂流116冷却，从而实现另一个水平的热回收和改进的效率。应当注意，直接加热式重整器工艺和间接加热式重整器工艺不同于传统的催化局部氧化工艺，传统的催化局部氧化工艺依赖于大量的氧(0/C> 1)，并且导致有明显降低的能量效率。考虑到在典型的太阳能充足的区域中水供应有限，针对催化剂52和128，将选择容忍低的蒸汽/碳(S/C O. 5)运行的SMR催化剂。另外，本文描述的太阳能重整器设计的特征在于新颖的催化剂再生工艺，其也在重整器50、100的启动期间用作预热程序。在无法通过掺氧而达到的太阳能重整器50、100的一些区域中，焦炭可形成于重整催化剂52、128的表面上。可在重整器50、100启动之前使用空气喷射，以烧尽焦炭和在可利用焦炭烧尽期间释放的能量来对重整器50、100进行初始加热。可通过在将反应剂燃料流63、116引入到重整器50、100中之前以相反的方向喷射空气来实现空气喷射。对于熄火而言，这种预热可降低反应剂燃料流63、116的预热要求。一旦启动了催化局部氧化(CPO)反应，它将通过辐射来提供预热反应剂燃料流63、116所需的必要的热。这种技术将显著地减少重整器50、100所需的启动时间，而且由于太阳的有限的可用性的原因，这种技术是合乎需要的。在另一个实施例中，可在催化剂52、128的入口处插入小型电加热器(未显示)，以在熄火之前提高反应剂燃料流63、116的温度。现在参照图5，在曲线图中相对于一天时间154示出了在典型的一天期间，在动力发生系统(例如系统10)上的总负荷的由太阳能提供动力的部分150和由烃流体提供动力的部分152。随着日照时间增加，如通过一天时间154所注意到的那样，由太阳能提供动力的部分150随着总动力负荷的百分比的增加而增加，而由烃流体提供动力的部分152则随着总动力负荷的百分比的增加而减小。因此，在太阳能充裕的条件期间，可利用太阳能重整来减少总的烃流体消耗，从而提供较高效的系统。现在参照图6，在曲线图中示出的是相对于总的动力效率对图I的混合式太阳能联合循环10的效率的估计。更具体而言，相对于总的系统效率162示出了太阳能动力效率160。如所指示的那样，随着通往太阳能重整器的烃燃料百分比以及对太阳能重整器的使用的增加，太阳能动力效率160提高。同样，在对太阳能重整器的使用继续增加时，太阳能动力效率160得到保持，同时总的系统效率162提高。系统建模计算证实了高的太阳能-动力效率的主张，实现了 30% 36%的太阳能-电效率。由于太阳能增加，联合循环系统实现高达4%的总化石燃料HHV效率增益(从50%至 54% )。通过经由太阳能重整反应将太阳能装到烃燃料中，以及引导烃燃料通过联合循环燃气轮机动力装置的联合循环燃气轮机(CCGT)，能够以超过30%的太阳能-电的效率实现生产。混合集中太阳能和CCGT是将大量太阳能引入到动力发生系统中而不损害电网稳定性的高效方式。期望这个技术将促进迅速地采用较高的可再生的项目组合(portfolio)标准，以及减少动力装置化石燃料消耗和CO2排放。
虽然在本文示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多改良和改变。因此，将理解，所附权利要求意图覆盖落在本文的真实精神内的所有这样的改良和改变。
权利要求
1.一种电功率发生系统(10),包括 包括太阳能场(13)和蒸汽发生器(15)的集中太阳能装置(CSP) (12)； 太阳能重整器(16，50，100)，其构造成接收来自所述太阳能场(13)的太阳能(24，62，112)和作为输入反应剂流(63，116)的烃流体(22)，其中，所述太阳能重整器(16，50，100)通过重整动作将所述太阳能(24，62，112)和所述输入反应剂流￠3,116)转化成热能和化学能，以形成重整燃料(26，71，122)； 用于发电的联合循环燃气轮机(CCGT)动力装置(14)，所述联合循环燃气轮机动力装置(14)构造成接收烃流体(22)和来自所述太阳能重整器(16，50，100)的所述重整燃料(26，71，122)，以及放出燃烧排气(32)， 其中，所述联合循环燃气轮机动力装置(14)构造成能够响应于通往所述太阳能重整器(16，50，100)的太阳能(24，62，112)的可用性而基于所述烃流体(22)和所述重整燃料(26,71,122)中的至少一个来运行；以及 其中，所述蒸汽发生器(15)构造成接收从所述联合循环燃气轮机动力装置(14)中放出的所述热排气(32)，以进行发电。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述太阳能重整器(16，50，100)包括 锥形开口(50，108)，其构造成通过石英窗(56，106)集中所接收的太阳能(24，62，·112)，以及将所接收的太阳能(24，62，112)集中到重整室(54，104)中； 设置在所述重整室(54，104)中的重整催化剂(52，128);以及同轴的管中管式管道(54，114)，其与所述反应室(54，104)处于流体连通，并且构造成提供用于所述输入反应剂流(63，116)的入口和用于所述重整燃料(26，71，122)的出口。
3.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述联合循环燃气轮机动力装置(14)包括联合循环燃气轮机(18)、燃烧室(28)和多个燃气轮机(36)，所述燃烧室(28)构造成在不存在太阳能(24，62，112)的期间接收所述烃流体(22)，以及在存在太阳能(24，62，112)的期间接收所述重整燃料(26，71，122)，以在所述燃烧室(28)中进行燃烧而产生所述燃烧排气(32)。
4.根据权利要求I所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括控制阀(30)，以将作为所述输入反应剂流(63，116)被引导到所述太阳能重整器(16，50，100)中的烃流体(22)的量从全旁通模式控制到完全重整模式。
5.—种产生电功率的方法,包括 控制(42)联合循环燃气轮机动力装置(14)的燃烧室(28)和太阳能重整器(16，50，·100)之间的烃流体(22)流，所述太阳能重整器(16，50，100)构造成接收来自太阳能场(13)的太阳能(24,62,112)以及所述烃流体(22)； 在所述太阳能重整器(16，50，100)中通过经由重整动作将所述太阳能(24，62，112)和所述烃流体(22)转化成热能和化学能来重整(43)所述烃流体(22)，以形成重整燃料(26，·71，122)； 将所述重整燃料(26，71，122)供应(44)给联合循环燃气轮机动力装置(14)，以进行发电，所述联合循环燃气轮机动力装置(14)构造成接收所述烃流体(22)和来自所述太阳能重整器(16，50，100)的所述重整燃料(26，71，122)中的一个，以及放出热排气(32)； 将所述热的排气(32)供应(45)给蒸汽发生器(15)，所述蒸汽发生器(15)构造成接收从所述联合循环燃气轮机动力装置(14)中放出的所述热排气(32)，以及进行发电； 其中，所述联合循环燃气轮机动力装置(14)构造成能够响应于通往所述太阳能重整器(16，50，100)的太阳能(24，62，112)的可用性而基于所述烃流体(22)和所述重整燃料(26，71，122)中的至少一个来运行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制(42)所述联合循环燃气轮机动力装置(14)的所述燃烧室(28)和所述太阳能重整器(16，50，100)之间的烃流体(22)流的步骤包括操作控制阀(30)，以将被引导到所述太阳能重整器(16，50，100)中的烃流体(22)的量从全旁通模式调节到完全重整模式。
7.一种构造成接收来自太阳能场(13)的太阳能(24，62，112)和作为输入反应剂流(63，116)的烃流体(22)的太阳能重整器(16，50，100)，其中，所述太阳能重整器(16，50，100)通过重整动作来将所述太阳能(24，62，112)和所述输入反应剂流￠3,116)转化成热能和化学能，以形成重整燃料(26，71，122)，所述太阳能重整器(16，50，100)包括 锥形开口(58，108)，其构造成通过石英窗(56，106)集中所接收的太阳能(24，62，112)，以及将所接收的太阳能(24，62，112)集中到重整室(54，104)中； 设置在所述重整室(54，104)中的重整催化剂(52，128);以及 同轴的管中管式管道(64，114)，其与所述反应室(54，104)处于流体连通，并且构造成提供用于所述输入反应剂流(63，116)的入口和用于所述重整燃料(26，71，122)的出口 ； 其中，所述太阳能重整器(16，50，100)运行来在存在太阳能(24，62，112)时对联合循环燃气轮机动力装置(14)提供动力。
8.根据权利要求7所述的太阳能重整器，其特征在于，所述重整催化剂(52)设置在所述重整器室(54)内，并且构造成对所述输入反应剂流￠3)和所述重整催化剂(52)提供直接加热，被引导通过所述石英窗(56)的所述太阳能￠2)对所述输入反应剂流￠3)提供直接加热。
9.根据权利要求7所述的太阳能重整器，其特征在于，所述重整催化剂(128)设置在位于所述重整器室(104)内的多个反应管(126)内，所述输入反应剂流(116)流过所述多个反应管(126)，被引导通过所述石英窗(106)的所述太阳能(112)通过所述多个反应管(126)经由热传导对所述输入反应剂流(116)提供间接加热。
10.根据权利要求7所述的太阳能重整器，其特征在于，所述太阳能重整器(16，50，100)用来在所述太阳能重整器(16，50，100)内驱动CH4+H20+ (太阳热)—CO+3H2或4CH4+02+2H20 — 10H2+4C0的甲烷重整反应中的一个。
全文摘要
本发明涉及混合式集中太阳能联合循环动力装置及其中太阳能重整器。提供了一种基于太阳能重整技术的混合式集中太阳能联合循环(CSCC)动力装置、使用该系统来发电的方法和用于该系统中的太阳能重整器。该系统使得能够整合集中太阳能动力装置(CSP)和联合循环燃气轮机(CCGT)动力装置，从而产生修正与大规模的集中太阳能动力发生有关的已知问题的混合系统。在重整反应期间，太阳能重整器允许将太阳能存储在重整燃料中，并且随后通过燃气轮机燃烧反应进行释放。取决于可用的太阳热能，被引导到燃气轮机动力装置中的燃料可在烃流体和重整燃料之间交替。
文档编号F02C3/22GK102777220SQ20121014336
公开日2012年11月14日 申请日期2012年4月27日 优先权日2011年4月28日
发明者P·P·库尔卡尼, 卫巍, 张灵芝 申请人:通用电气公司