一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统，包括超高压或高压的太阳能光热锅炉系统、超高压或高压的生物质锅炉系统和汽轮发电机系统，从太阳能光场输出的高温导热油依次流经光热蒸发器、光热加热器，放热降温后回到导热油储罐，导热油储罐的低温导热油经循环油泵输送到太阳能光场，完成导热油循环，同时实现光热的传输和换热；光热蒸发器产生的光热蒸汽通过蒸汽母管送到生物质锅炉系统；设置辅助燃煤或燃气或燃油锅炉与光热蒸发器、光热加热器并连，辅助燃煤或燃气或燃油锅炉产生的辅助蒸汽也通过蒸汽母管与光热蒸汽混合后送到生物质锅炉系统，光热混合蒸汽和生物质锅炉自产的蒸汽在生物质锅炉系统中过热到540℃±5℃，过热蒸汽输送到汽轮发电机膨胀做功并带动发电机发电。本实用新型通过太阳能与生物质能的联合做大电厂的装机规模，提高电厂的经济效益。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及可再生新能源【技术领域】，即太阳能与生物质能联合发电的技术， 具体地是指一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统。 一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统
【背景技术】
[0002] 社会经济的发展依赖于能源，但随着化石能源的不断开采，一次能源日渐短缺，使 用成本越来越高；另一方面，由于化石能源的过度使用，环境污染问题日益突出，严重威胁 着人类的生存环境。为了减少对化石能源的依赖并减轻环境污染，世界各国都在大力开发 和利用可再生清洁能源，特别是太阳能和生物质能。
[0003] 太阳能和生物质能都具有分布广泛、取之不尽、成本低廉、清洁环保的特点，是最 具应用前景的可再生清洁能源，合理开发利用它们，对保障世界能源安全，实现可持续发 展，改善人类生存环境具有重要的战略意义。
[0004] 太阳能热发电是太阳能利用的重要方向，光热发电与常规热力发电的工作原理相 同，区别在于热源形式不同，太阳能光热发电是利用聚光集热系统，聚集太阳的辐射能，通 过光热转换、热电转换，从而实现太阳能的热发电过程。
[0005] 太阳能有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式等多种聚光集热方式，槽式系统结构简单， 单轴跟踪，技术较为成熟，是目前真正实现了商业化的光热发电系统。
[0006] 然而，在槽式光热发电技术的实际应用中，仍然存在一些技术问题，特别是单纯太 阳能槽式系统。由于太阳能的能量密度低，这就决定了需要很大的光场和占地面积，投资成 本很高；随着时间及昼夜的变更，光热供应存在波动和间歇性，光热的供给不连续、不稳定； 槽式系统使用的集热介质为导热油，而导热油所能承受的最高油温约400°C，通过换热产生 的蒸汽温度最高只能达到380°C左右，与现代高参数汽机540°C的主蒸汽温度不相匹配。太 阳能和槽式系统的这些特点决定了单纯太阳能光热发电的效率低、成本高；电厂昼运夜停， 发电小时数少、设备利用率低；装置频繁启停，设备遭受较大冲击，影响使用寿命。
[0007] 为解决上述问题，国外普遍的做法是在单纯太阳能热发电系统的基础上，配置蓄 热装置或与天然气集成ISCC联合循环系统，以实现连续运行。但蓄热装置系统复杂、造价 昂贵，还不能从根本上解决漫漫长夜和阴雨天的蓄热问题；与ISCC集成的联合循环系统建 设条件苛刻，仍要依赖优质的天然气资源和供气管网，且燃机及余热锅炉系统复杂、投资很 大。
[0008] 国内也有将光热集成到常规燃煤电站的设想，如取代汽轮机的某级抽汽，以加热 给水的方式进入汽机回热系统。该方式改变了汽机的热力系统，降低了系统的热效率；光热 用于加热温度很低的给水，光热的利用品位较低；所能集成的光热发电份额也有限，难以超 过 10% ;
[0009] 如光热以补汽的方式进入汽轮机的中低压缸，要求对现有汽机作技术改造，增加 了技术风险和设备成本；光热蒸汽的波动或中断，影响电站的发电和供电负荷，对电网也会 造成一定的冲击；
[0010] 如将光热蒸汽直接引入燃煤电站锅炉中去过热，该方法从能量平衡角度看似简单 合理，但从锅炉结构、受热面配置和传热学理论上看，很难实现。
[0011] 综上所述，常规太阳能槽式热发电系统普遍存在技术参数低、系统复杂、发电效率 低、系统稳定性差、投资成本高的问题，这些问题难以通过简单技术集成得到有效解决，因 此，需要寻求技术创新，打破常规组合方式，从多种能源联合互补角度，开发出一种新的太 阳能与生物质能联合发电系统的优化集成模式。
【发明内容】
[0012] 本实用新型的目的是为克服常规太阳能热发电系统存在的技术问题，本实用新型 将提供一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统，利用现代热力发电高参数系统平 台，提高光热发电效率；采用太阳能光热锅炉与生物质锅炉两炉带一机的共机发电模式，简 化光热发电系统和设备配置；集成聚光集热、光热换热与辅助燃煤或燃气或燃油锅炉并联 互补的太阳能光热锅炉系统，有效解决太阳能供给存在的间歇性和不稳定性问题；采用廉 价的燃煤作补充燃料，摆脱电厂对优质天然气资源及供应管网的依赖；另外，通过太阳能与 生物质能的联合，做大电厂的装机规模，提高联合电厂的经济效益和环保效益。
[0013] 本实用新型的技术方案：本实用新型的太阳能与生物质能联合发电的优化集成 系统包括超高压或高压的太阳能光热锅炉系统、超高压或高压的生物质锅炉系统和汽轮发 电机系统，从太阳能光热锅炉系统的太阳能光场输出的高温导热油依次流经光热蒸发器、 光热加热器，放热降温后回到导热油储罐，导热油储罐的低温导热油经循环油泵输送到太 阳能光场，完成导热油循环，同时实现光热的传输和换热；光热蒸发器产生的光热蒸汽通 过蒸汽母管送到生物质锅炉系统；设置辅助燃煤或燃气或燃油锅炉与光热蒸发器、光热加 热器并连，辅助燃煤或燃气或燃油锅炉产生的辅助蒸汽也通过蒸汽母管与光热蒸汽混合后 送到生物质锅炉系统，光热混合蒸汽和生物质锅炉自产的蒸汽在生物质锅炉系统中过热 到540°C ±5°C，过热蒸汽输送到汽轮发电机膨胀做功并带动发电机发电；汽轮发电机的乏 汽接入凝汽器冷凝为凝结水并汇集至凝汽器的凝结水箱，凝结水经凝结水泵加压送入低压 加热器加热后进入除氧器，从除氧器出来的水经给水泵打入高压加热器加热，加热温度为 240°C ±5°C，然后经第一流量分配器分成两路，一路进入生物质锅炉系统生产蒸汽，另一 路进入太阳能光热锅炉系统，进入太阳能光热锅炉系统的给水经第二流量分配器又分为两 路，一路进入光热加热器，另一路进入辅助燃煤或燃气或燃油锅炉，第二流量分配器根据 太阳能的强弱调节进入光热加热器与进入辅助燃煤或燃气或燃油锅炉的给水流量分配比 例；进入太阳能光热锅炉系统的给水生产饱和蒸汽，完成做功工质的循环过程。
[0014] 本实用新型的优点及效果：
[0015] 1、本实用新型构建出一种太阳能与生物质能联合发电的新模式、新系统，借助生 物质直燃发电的高参数平台，实现太阳能的高效发电利用目标；
[0016] 2、采用太阳能光热锅炉与生物质锅炉两炉带一机的共机发电模式，不设蓄热装 置，简化了光热发电系统和设备配置，节省投资成本；
[0017] 3、将波动、间歇的光热与辅助燃煤或燃气或燃油锅炉进行并联互补，其合理的分 担份额，生产出稳定流量的中间饱和蒸汽，有效解决了太阳能供给存在的间歇性和不稳定 性问题；
[0018] 4、与将光热补入汽机回热系统的利用方式相比，本系统光热利用包括了工质加热 和蒸发过程，实现了光热的梯级利用，热利用效率高；
[0019] 5、本实用新型辅助燃煤或燃气或燃油锅炉最大贡献率按30%份额配置和储备，利 用廉价的燃煤作为辅助补充热源，摆脱对优质天然气资源及供应管网的依赖，符合国家燃 煤在生物质能中掺混热量比不超过20%的能源政策；
[0020] 6、通过太阳能与生物质能的联合，做大电厂的装机规模，提高联合电厂的经济效 益和环保效益。
[0021] 7、辅助蒸汽选择饱和蒸汽，能适应光热的大幅度变化，辅助锅炉负荷调节范围可 达30%?100% ;光热蒸汽选择饱和蒸汽，方便与辅助蒸汽的匹配，还有利于控制导热油上限 温度，延长使用寿命；
[0022] 8、混合饱和蒸汽全部送去生物质锅炉系统中过热，并过热到540°C，以满足高参数 汽机的进汽要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本实用新型的主要设备及流程示意图。
[0024] 其中，1 一槽式聚光器、2 -集热器、3 -循环油泵、4 一导热油膨胀罐、5 -光热加 热器、6 -光热蒸发器、7 -饱和蒸汽母管、8 -辅助燃煤或燃气或燃油锅炉、9 一生物质锅炉 系统、10 -汽轮机、11 一发电机、12 -凝汽器、13 -凝结水泵、14 一低压加热器、15 -除氧 器、16 -给水泵、17 -高压加热器、18 -第一流量分配器19 一第二流量分配器、20 -供电 负荷、21 -第一流量计：蒸汽耗量fl、22 -第二流量计：给水总量f2、23 -第三流量计：给 水流量f3、24 -第四流量计：给水流量f4、25 -第五流量计：给水流量f5、26 -第六流量 计：给水流量f6、27 -温度计：回油温度t。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步的详细描述。
[0026] 如图1所示，本实用新型所提供的一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系 统主要包括太阳能光热锅炉系统、生物质锅炉系统和汽轮发电机系统。具体地，太阳能光热 锅炉系统由槽式聚光器1、集热器2、循环油泵3、导热油储罐4、光热加热器5、光热蒸发器 6、饱和蒸汽母管7、辅助燃煤或燃气或燃油锅炉8及附件组成。
[0027] 聚光集热过程：槽式聚光器1与集热器2组成单元，多个单元串、并连构成太阳能 光场，光场完成太阳能的收集、聚光反射和光热转换过程。
[0028] 光热传输及换热过程：集热介质导热油从导热油储罐4经循环油泵3打入光场，进 口油温约280°C，在光场吸热升温至近380°C输出，首先进入光热蒸发器6,与饱和水换热后 从光热蒸发器6的出口接至光热加热器5,再与给水换热，温度降至约280°C，回流到导热油 储罐4,完成导热油循环；给水经第二流量分配器进行流量分配，一部分进入光热加热器5， 吸收导热油的热量，升温至饱和水状态，实现给水的加热，这部分饱和水接入光热蒸发器6， 吸收导热油的热量，完成蒸发过程，产生光热饱和蒸汽，该蒸汽作为饱和蒸汽之一，接入饱 和蒸汽母管7,与辅助饱和蒸汽混合。
[0029] 辅助饱和蒸汽的产生：分配给辅助燃煤或燃气或燃油锅炉8的给水，经加热、蒸发 产生饱和蒸汽，辅助饱和蒸汽也进入饱和蒸汽母管7,与光热饱和蒸汽混合，送至生物质锅 炉系统9过热。
[0030] 生物质锅炉系统9主要包括燃烧装置、省煤器、蒸发器和过热器，如上所述，该炉 除自产一定量蒸汽外，还接受来自光热锅炉系统的饱和蒸汽，并在其过热器内完成过热，达 到约540°C，以满足高参数汽机的进汽要求。
[0031] 汽轮发电机系统包括汽轮机10、发电机11、凝汽器12、凝结水泵13、低压加热器 14、除氧器15、给水泵16、高压加热器17等，由生物质锅炉系统9输出的过热蒸汽接至汽轮 机10,蒸汽在汽轮机10内膨胀做功，并带动发电机11发电，做功后的乏汽接入凝汽器12， 乏汽在凝汽器12内放热变为凝结水并汇集至凝结水箱，凝结水经凝结水泵13加压送入低 压加热器14,经加热后进入除氧器15,从除氧器出来的给水经给水泵16打入高压加热器17 加热，温度升高到215°C?240°C，经第一流量分配器分成两路，一路进入生物质锅炉系统 的省煤器，另一路进入太阳能光热锅炉系统，完成做功工质的循环过程。
[0032] 所述光热锅炉系统承担30%的发电份额，生物质锅炉系统承担70%的发电份额，具 体到锅炉系统，发电份额等效其输出的热量份额。
[0033] 所述光热锅炉系统包括太阳能光场、光热换热器和辅助燃煤或燃气或燃油锅炉， 太阳能光场连接到光热换热器，光热换热器与辅助燃煤或燃气或燃油锅炉都连接到饱和蒸 汽母管。太阳能光场由足够数量的槽式聚光器、集热器串、并连组成，聚光器将收集到的太 阳辐射能投射到集热器上，集热器将辐射能转化为热能，并将导热油加热到约380°C的温 度，高温导热油在光热换热器内与循环工质换热，产生的饱和蒸汽称之为光热蒸汽，光热蒸 汽连接到饱和蒸汽母管。
[0034] 所述光热换热器包括加热器和蒸发器，蒸发器与光场导热油系统的出口连接，导 热油管路经过蒸发器和加热器，加热器低温导热油出口与导热油膨胀罐相连，循环油泵将 低温导热从导热油膨胀罐打回到光场吸热升温，完成导热油的循环工作过程；做功工质给 水在加热器内吸收导热油传递的热量，温度升高至饱和状态，连接到蒸发器内，在蒸发器内 进一步吸热蒸发，形成饱和蒸汽，饱和蒸汽出口连接饱和蒸汽母管。
[0035] 由于在日照周期内，太阳辐射随时间和昼夜变更而变化，所能产生的光热蒸汽量 也随之变化，为平衡此变化，本实用新型特别设置一套辅助燃煤或燃气或燃油锅炉系统，其 产生与光热蒸汽相同压力的饱和蒸汽，称之为辅助蒸汽，光热蒸汽和辅助蒸汽在饱和蒸汽 母管中混合后，一并送入生物质锅炉系统去过热。当光照变弱，光热蒸汽量减少时，辅助锅 炉加强燃烧，辅助蒸汽量增加，反之则作反向调整，原则为总饱和蒸汽量保持稳定不变。
[0036] 所述辅助锅炉为饱和蒸汽锅炉，其蒸汽压力须与光热蒸汽压力、生物质锅炉系统 压力相匹配，其最大热量贡献按30%份额配置和储备。
[0037] 所述生物质锅炉系统主要包括燃烧装置、省煤器、蒸发器和过热器，与常规锅炉相 t匕，该炉除自产一定量蒸汽外，还接受来自光热锅炉系统的饱和蒸汽，并在其过热器内完成 过热，达到约540°C，以满足高参数汽机的进汽要求。
[0038] 所述生物质锅炉的具体结构和热量分配与常规锅炉不同，它拥有常规锅炉70%的 炉膛容积，负责组织70%的生物质燃烧，完成55%的给水加热和蒸发，完成100%蒸汽量的过 热。
[0039] 所述汽轮发电机系统包括汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧 器、给水泵、高压加热器等，来自生物质锅炉系统的合格过热蒸汽作为主蒸汽进入汽轮机膨 胀做功，汽轮机带动发电机发电。做功后的乏汽进入凝汽器并由凝结水泵加压后经过低压 加热器加热后进入除氧器，除氧器采用低压缸抽汽加热除去给水中的溶解氧和其它气体， 从除氧器出来的给水经给水泵打入高压加热器加热，然后分成两路，一路进入生物质锅炉 系统的省煤器，另一路进入太阳能光热锅炉系统，该两路的流量及分配比例基本保持不变； 进入太阳能光热锅炉系统的给水再分成两路，一路去光热加热器，另一路去辅助燃煤或燃 气或燃油锅炉，这两路流量的分配根据光照强度的变化及光热蒸汽产量作耦合调节，此消 彼长。
[0040] 流量分配过程：供电负荷20决定了本系统的蒸汽耗量Π ，进而确定给水总量f2， 第一流量分配器18通过其进出口流量f2、f3和f4的检测和积算，调整分配器阀位开度，维 持出口两路的流量f3:f4按固定比例55:45进行分配；进入太阳能光热锅炉系统的给水又 由第二流量分配器再分成两路，一路为去光热加热器，另一路为去辅助燃煤或燃气或燃油 锅炉，这两路流量的分配根据光照强弱的变化调整，具体是按设置在导热油储罐上回油温 度t的变化来调整阀位开度，当t升高时，加大流量f6、减小流量f5 ;当t降低时，减小流量 f6、加大流量f5。
[0041] 光场设有油温检测与保护装置，正午时分，光照直射较强，分配给光场的给水流量 f6已增至最大（即f5=0)，回油温度t仍在上升并超过300°C或出油温度超过380°C时，启动 光场跟踪装置，调整光照入射角，卸载掉部分光照辐射，使回油温度t回归正常范围；冬夜 或阴雨天时，没有光照辐射，分配给光场的给水流量f6已降至0，t降至200°C时，应启动储 油罐加热器对回油进行循环加热，防止导热油凝固并保护光场设备免遭冻坏。
[0042] 为什么不直接将光热蒸汽送至生物质锅炉中去过热？是因为光热蒸汽量随光照 波动、不稳定、甚至在夜间或阴雨天会间歇中断，作为高参数的电力锅炉来说，其正常的保 汽温变负荷范围是70%?100%，生物质锅炉无法适应光热的变化工况；另外，非稳定外源蒸 汽的过热，与锅炉变负荷还有技术上的区别，它打破了锅炉的热量分配比例，锅炉受热面配 置须调整设计。当无光照、无光热蒸汽时，锅炉应回归原先的工作状态，但锅炉受热面已经 过调整，无法回到调整前的状态，这就是光热蒸汽与生物质锅炉直接联合存在的死结。为解 开这一死结，本实用新型特别设置了辅助锅炉和辅助蒸汽系统。之所以要选择饱和蒸汽锅 炉，是因为它能适应光热的大幅度变化，只保负荷即蒸发量，不用保汽温，其调节范围可达 到30%?100%，没有光热时可完全由辅助锅炉来替代，这样能保证生物质锅炉系统保持基 本负荷无需变动，复杂甚至无法完成的联合通过本方案得以稳定实现。
[0043] 所述联合发电系统的高参数是指主汽压力可选超高压13. 7MPa或高压9. 81MPa， 主蒸汽温度为540°C，以保证较高的发电效率。
[0044] 本实用新型所述目的通过如下技术方案来实现，依托生物质直燃发电平台，定位 高温超高压（13. 7MPa ;540°C)、或高温高压参数（9. 81MPa ;540°C)，采用太阳能光热锅炉与 生物质锅炉两炉带一机的共机发电模式；结合太阳能槽式系统的温度特性和光热蒸汽难于 与生物质锅炉所产蒸汽一步直接对接的技术问题，将波动间歇的光热先与辅助燃煤或燃气 或燃油锅炉进行并联互补，生产出稳定流量的中间饱和蒸汽，再送入生物质锅炉系统中过 热至540°C，以满足高参数汽机的进汽要求。通过本方案化整为零、分步实施的步骤和技 术集成，有效解决了太阳能槽式系统的温度低、太阳能供给存在间歇性和不稳定性问题；利 用现代生物质直燃发电的高参数平台，提高光热发电效率；简化光热发电系统和设备配置； 采用廉价的燃煤作补充燃料，摆脱电厂对优质天然气资源及供应管网的依赖；另外，通过太 阳能与生物质能的联合，做大电厂的装机规模，提高联合电厂的经济效益和环保效益。
【权利要求】
1. 一种太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统，包括超高压或高压的太阳能光热 锅炉系统、超高压或高压的生物质锅炉系统和汽轮发电机系统，其特征在于：从太阳能光热 锅炉系统的太阳能光场（1和2)输出的高温导热油依次流经光热蒸发器（6)、光热加热器 (5)，放热降温后回到导热油储罐（4)，导热油储罐（4)的低温导热油经循环油泵（3)输送到 太阳能光场（1和2)完成导热油循环，同时实现光热的传输和换热；光热蒸发器（6)产生的 光热蒸汽通过蒸汽母管（7)送到生物质锅炉系统（9);设置辅助燃煤或燃气或燃油锅炉（8) 与光热蒸发器（6)、光热加热器（5)并连，辅助燃煤或燃气或燃油锅炉（8)产生的辅助蒸汽 也通过蒸汽母管（7)与光热蒸汽混合后送到生物质锅炉系统（9)，光热混合蒸汽和生物质 锅炉自产的蒸汽在生物质锅炉系统（9)中过热到，过热蒸汽输送到汽轮发电机（10)膨胀做 功并带动发电机（11)发电。
2. 根据权利要求1所述的太阳能与生物质能联合发电的优化集成系统，其特征在于： 汽轮发电机（10)的乏汽接入凝汽器（12)冷凝为凝结水并汇集至凝汽器（12)的凝结水箱， 凝结水经凝结水泵（13)加压送入低压加热器（14)加热后进入除氧器（15)，从除氧器（15) 出来的水经给水泵（16)打入高压加热器（17)加热，然后经第一流量分配器（18)分成两路， 一路进入生物质锅炉系统（9)生产蒸汽，另一路进入太阳能光热锅炉系统，进入太阳能光热 锅炉系统的给水经第二流量分配器（19)又分为两路，一路进入光热加热器（5)，另一路进 入辅助燃煤或燃气或燃油锅炉（8)。
【文档编号】F03G7/00GK203867640SQ201420173803
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】陈义龙, 张岩丰, 刘文焱 申请人:武汉凯迪工程技术研究总院有限公司