专利名称：多塔式二元工质太阳能高温热发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多塔式二元工质太阳能高温热发电系统，属于太阳能利用技术领域。
背景技术：
太阳能高温热发电技术是太阳能规模利用的一个重要方向，对人类解决化石能源危机、空气污染等问题具有深远的意义。太阳能高温热发电有多种技术方向根据聚焦方式的不同，可分为碟式、槽式、塔式三种方式；采用的工质有水(水蒸汽)、熔盐、空气、导热油、 液态金属、其他有机物等。塔式聚焦方式，由于具有大容量、高参数等优点而受到世界许多国家的关注，以水(水蒸汽)为吸热介质的研究在美国、欧洲等地得以广泛开展。以水(水蒸汽)为载热工质的太阳能热发电系统，虽然具有介质常见、成本低廉、控制简单等诸多优点，但该系统也存在一些难以克服的问题由于过热蒸汽的换热系数低、换热效果差，因此在有限的吸热面积上很难达到较高的蒸汽参数；如果通过增加吸热器上过热蒸汽的面积来提高过热度，这不但会增加吸热器的制造成本，还会增加吸热器的辐射及对流散热损失，这些因素都会限制系统的能量转换效率；同时蒸汽的热容小、传热性能差的特性也会影响到系统的安全性，塔式聚焦的太阳能热发电系统，聚焦倍数通常能达到500 1000倍，局部热负荷达到1000kW/m2，这么高的热流密度对吸热器上的过热区域是个严重的考验；尤其是在局部有云的气象条件下，当蒸发量受云量的影响快速变化时，更容易导致过热区域的超温、 爆管，从而威胁到系统的安全运行。另一方面，由于熔盐具有热容高、液相温度范围宽、流动性好等特点，对其作为载热介质的研究越来越受到各国学者的重视。熔盐在吸热器中吸热升温，然后通过蒸汽发生装置(包括预热器、蒸发器、过热器等)产生需要的蒸汽参数，这种太阳能热发电技术具有较强的蓄热能力，并且产生的蒸汽参数高，这有利于提升太阳能热发电系统的效率。但熔盐系统管路复杂，再加上熔盐的凝固点很高，系统对管道预热、设备保温、运行维护等要求严格，因此降低了系统的安全性，同时也增加了系统的投资和运行成本。这些因素制约了太阳能热发电技术的发展。
实用新型内容本实用新型的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种多塔式二元工质太阳能高温热发电系统，该系统充分发挥二元工质的特点和优势，采用与工质特性相适应的不同吸热器，把水的预热蒸发过程与水蒸汽的过热过程进行巧妙分析，并通过直接加热或间接加热的方式予以实现，这种解决方案在提高整个系统能量转换效率的同时，还具有安全性高、投资省、运行维护简单等特点。本实用新型的技术解决方案多塔式二元工质太阳能高温热发电系统，包括除氧器1、给水泵2、多个相互并联的汽包3、多个相互并联连接的水工质吸热器4、饱和蓄热器 5、蒸汽三通阀6、蒸汽过热器7、辅助加热器8、汽轮机9、发电机10、凝汽器11、凝结水泵12、 熔盐罐13、熔盐泵14、熔盐旁通阀15和熔盐吸热器16 ；除氧器1通过蒸汽加热除去凝结水系统中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀；除氧后的水经过给水泵2后分别进入汽包3，汽包3是水和水蒸汽的储存容器，汽包内的水通过下降管后进入水工质吸热器4 ； 在水工质吸热器4内吸热，并逐渐经历液相至气相的转换，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器5，饱和蓄热器5内维持有一定液面高度的饱和水，上部的空间内为对应压力下的饱和蒸汽；蒸汽从饱和蓄热器5出来后通过三通阀6进入到蒸汽过热器 7，在蒸汽过热器7中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机9做功，汽轮机9带动发电机10产生电能；从饱和蓄热器5出来的蒸汽还设置了备用的一条回路，通过蒸汽三通阀 6的另一路至辅助加热器8，由辅助加热器8产生过热蒸汽进入汽轮机9，这个回路的设置可以在熔盐系统故障时提供辅助热源，使系统维持正常运行；还可以在汽轮机9冷态启动时， 加快系统的启动速度；除氧器1的热源来自水工质吸热器4顶部的汽包3 ；还包括熔盐回路，熔盐罐13中储存的熔盐，经熔盐泵14升压后进入到熔盐吸热器 16，在吸热器16内升温，再流经蒸汽过热器7把热量传递给管内的蒸汽，冷却后的熔盐从蒸汽过热器7流出后回到熔盐罐13内，完成熔盐的循环过程。熔盐旁通阀15在熔盐吸热器16投入前开启，以建立熔盐的流通回路，当熔盐吸热器16正常工作后，熔盐旁通阀15关闭；蒸汽在汽轮机9内完成膨胀做功过程，并带动发电机10做功；从汽轮机9排出的蒸汽在凝汽器11内被冷却、凝结成水；经凝结水泵12升压及预热后进入除氧器1，完成整个汽水系统的循环。本实用新型的原理在以水(水蒸汽)为工质的热力发电过程中，水通常要经过预热、蒸发、过热三个过程转变为过热蒸汽。在上述三个过程中，蒸汽过热需要的热量通常只占总吸热量的20 30%，而预热蒸发过程吸收的热量通常占总吸热量的70%以上。若是把蒸汽的过热过程直接放在吸热器上完成，由于吸热器表面热流密度大(通常塔式热发电系统中，局部热流密度接近1000kW/m2)，则系统可能存在以下方面的几个问题由于过热蒸汽的热容低、密度小、换热性能差(比熔盐的换热系数通常小两个量级)，因此很难产生参数高的过热蒸汽，这势必会影响到太阳能热发电系统的效率；若通过增加吸热器的面积来提高蒸汽参数，就会带来吸热器面积增大、成本增加、热损高等问题；太阳能热发电系统受天气因素的影响非常明显，太阳辐射强度、风速、环境温度等参数都会影响到系统的稳定运行。尤其是天空的云量对太阳能热发电系统的影响更为显著。镜场上方局部云量的变化会导致蒸发量的大范围波动，由此可能会导致吸热器上过热面的冷却不足，从而导致管子的超温及损毁。本实用新型根据热力系统计算的结果，设计出多塔式二元工质太阳能热发电系统，包括了一个熔盐吸热器，与之对应的多个水工质吸热器，分别完成水(水蒸汽)的预热蒸发过程、熔盐的加热过程，并用高温的熔盐把水蒸汽加热到需要的过热参数。在该系统中，把水蒸汽的过热过程改成由熔盐加热完成，而在太阳能吸热器上(其中的一个)采用热容高、导热性能更好的熔盐作为载热介质，该熔盐系统由熔盐泵、熔盐吸热器、蒸汽过热器 (壳体侧是熔盐、管内侧是蒸汽)、熔盐罐等几部分组成。该系统构成简单，但它针对性解决了现存系统存在的问题由于熔盐的换热系数高、热容特性好，因此利用熔盐作为载热介质，可以快速带走太阳能吸热器上的热量，并且高温的熔盐可以通过蒸汽过热器产生高品质的蒸汽，由此可以提高系统的能量转换效率；同时，由于该熔盐回路具有相对的独立性，
4因此蒸发量的变化对该回路不构成直接影响，只要控制熔盐系统的流量处于合理范围，就不会出现对应的吸热器超温、损毁等问题；在多塔式二元工质太阳能热发电系统中，熔盐仅用于过热蒸汽的加热，因此熔盐的工作温度范围远高于其凝固点，不易出现熔盐的局部凝固现象，这对于系统的安全性而言是非常有益的。本实用新型把火力机组中常见的工质水(水蒸汽)与高热容特性的载热工质(熔盐、导热油、液态金属、有机工质等)有机结合起来，具有如下显著优点1、本实用新型最大限度地保留了以水(水蒸汽)为工质的太阳能热发电系统的优点(如技术成熟度高、可靠性好、控制简单等)，而蒸汽的过热过程则采用了高热容特性、 高传热性能的熔盐作为载热介质，这种复合式的系统使过热蒸汽参数得以明显提高，由此可以提高系统的发电效率；2、本实用新型中多个吸热器采用了水(水蒸汽)作吸热介质，由于液态的水及两相的水蒸汽具有较低的温度，因此在选取吸热器的材料时，可以选用性能满足要求的常规材料，而不再选用耐高温、价格昂贵的不锈钢材料等，从而可以大大节约吸热器的制作成本。同时较低的吸热器壁温，也降低了对系统镜场平均热流密度和最大热流密度等参数的要求，这也会降低镜场的控制成本；3、本实用新型提高了系统的安全性。若在吸热器上直接布置蒸汽的过热回路，则天空云量变化时，必然会使蒸发受热面的产汽量变化，从而导致流经过热回路的蒸汽量难以控制，由此可能会导致过热回路的超温损毁等。而在多塔式系统二元工质的太阳能热发电系统中，采用以熔盐为载热介质的简单循环，该回路具有相对独立性，它的安全性不受预热蒸发面工作情况的影响，因此可以大大提高吸热器的安全性。4、由于在本实用新型中采用了多个以水(水蒸汽)为介质的太阳能吸收器，该类吸热器的管壁温度低于以熔盐为工质的吸热器，因此吸热器的辐射和对流热损失将有所降低，计算结果标明，这种方法设计出来的太阳能热发电系统具有更高的能量转换效率；5、本实用新型还采用了以饱和水为介质的蓄热装置，在天空出现短时云量时，饱和水可以通过降压实现闪蒸，使配套的发电装置处于滑参数运行的状态，由此可以使汽轮发电系统的负荷波动情况大为减弱，使整个系统的工作更稳定，这对于高容量的并网机组而言无疑是非常重要的。
图1为本实用新型的组成结构图。
具体实施方式
本实用新型多塔式二元工质太阳能高温热发电系统包含了两种不同性质的工作介质，一种是水(水蒸汽)，另一种是具有高温特性的介质，如熔盐、液态金属、导热油、其它有机介质等。为使论述简便，在本专利中，仅以熔盐作为高温载热介质的代表进行论述，对采用其它高温介质的二元工质太阳能热发电系统就不再逐一论述。如图1所示(以熔盐作为高温载热介质为例)，本实用新型主要包括除氧器1、给水泵2、多个相互并联的汽包3、多个相互并联连接的水工质吸热器4、饱和蓄热器5、蒸汽三通阀6、蒸汽过热器7、辅助加热器8、汽轮机9、发电机10、凝汽器11、凝结水泵12、熔盐罐13、熔盐泵14、熔盐旁通阀15和熔盐吸热器16。本实用新型的正常工作过程简述如下除氧器1的作用是通过蒸汽加热除去凝结水系统中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀。除氧后的水经给水泵2后分别进入互相并联的汽包3 (多个)；经过水工质吸热器4 (有多个)的加热后，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器5 ；再通过蒸汽三通阀6进入到蒸汽过热器7，在其中被熔盐加热变成过热蒸汽，然后被引入汽轮机9做功。带动发电机10产生电能。从饱和蓄热器5出来的蒸汽还设置了备用的一条回路通过蒸汽三通阀6至辅助加热器8产生过热蒸汽进入汽轮机9，这个回路的设置可以加快汽轮机9的启动过程，还可以在熔盐系统故障状态下提供辅助热源，增加系统的可靠性。在上述系统中，除氧器1的热源来自水工质吸热器4顶部的汽包3。除上述水(水蒸汽)系统外，多塔式二元工质太阳能高温热发电系统还包括了一个简单的熔盐回路。该回路的流程为熔盐罐13中储存的熔盐，经熔盐泵14升压后进入到熔盐吸热器16，在吸热器16内升温，再流经蒸汽过热器7把热量传递给管内的蒸汽，最后流回到熔盐罐13内，完成一个循环过程。蒸汽在汽轮机9内完成膨胀做功过程，并带动发电机10做功；从汽轮机9排出的蒸汽在凝汽器11内被冷却、凝结成水；经凝结水泵12升压及预热后进入除氧器1 ；完成整个水(水蒸汽)系统的循环。上述过程为多塔式二元工质太阳能高温热发电系统正常工作条件下的流程，为加深对该系统工作过程的理解，如下内容分别对该系统在早晨启动、傍晚停运、以及变工况条件下的工作过程进行较详细的论述早晨系统启动前必须对熔盐管路系统进行预热，否则液态熔盐遇到冷的管路时易造成熔盐凝固、堵管。熔盐吸热器16的预热是通过投入一定比例的太阳能反射镜实现的， 而管路和阀门则是采取电阻通电发热的方式进行预热。经过预置的升温程序后，熔盐管路和部件达到设置的温度，开启熔盐泵14和熔盐旁通阀15初步建立熔盐系统的循环，待熔盐吸热器16预热到设定温度后，充灌熔盐吸热器16，并把其中的气体通过放气阀排出。当熔盐吸热器16全部充满后，逐渐关闭熔盐旁通阀15，熔盐系统进入到正常工作状态。水(水蒸汽)系统的启动更为简单首先投入辅助汽源给除氧器1进行加温除氧，开启锅炉给水泵 2把除氧后的水升压后注入汽包3，在汽包下降管和水工质吸热器4内充满了欠饱和的水。 逐渐投入更多的反射镜系统，给水工质吸热器4和熔盐吸热器16进行加热，水工质吸热器 4内的水吸收热量后逐渐汽化，在吸热器4上端的出口处为带有一定含汽率的水，蒸汽在汽包3内不断升压，分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器5。熔盐经熔盐吸热器16升温后，进入蒸汽过热器7，产生一定过热度的蒸汽进入汽轮机9做功。多塔式二元工质太阳能热发电系统在白天工作期间，由于太阳辐射强度随太阳入射角的不同而不断变换，系统的蒸汽流量等参数也在随之而改变，汽轮机工作在一个变工况状态。当天空出现短时间的云时，系统接收到的能量随之减少，系统的蒸发量也随之降低，但由于系统包含了饱和蓄热器5，其内部为一定液位高度的饱和水，随着系统压力的降低，饱和水的闪蒸效应会产生补偿性的饱和蒸汽，因此过热蒸汽参数的下降就不会过于迅速，汽轮机9能够适应这种变工况条件(进汽参数逐渐降低的滑压运行)；反之当天空中的云逐渐移出镜场时，由于系统的蓄热特性，系统的输出参数也是会呈缓慢上升的状态，使汽轮机9更容易适应这种变工况特性。傍晚或阴雨天时，当系统输入的能量不能维持系统的正常运转时，就必须使系统停运下来。熔盐系统的管路及各部件内的熔盐必须放回到熔盐罐13中，以防止熔盐的凝结。熔盐系统的水平管路都设计成带有一定坡度的结构，这样在系统停运时，可以利用熔盐的重力使熔盐自流回到熔盐罐13，对于熔盐吸热器16和蒸汽过热器7，在各部件的最低端设有熔盐排放阀，以方便熔盐介质的回流。汽包3与水工质吸热器4内的水是否放空取决于该部件的散热特性若热损失大，甚至有结冰的危险，则必须放空汽包3与水工质吸热器 4，否则无需放空上述部件，这样在第二天开启系统时就变得更为简单。若熔盐系统发生故障，则辅助加热器8可以替代熔盐系统进行工作，辅助加热器可以把饱和蒸汽加热到需要的过热度，从而保障整个太阳能热发电系统正常运行。在上述示例系统中，按照太阳能高温热发电系统的特点和能量分配关系，把水的预热蒸发过程与饱和蒸汽的过热过程进行巧妙分离，通过不同的吸热器来加以实现；其中蒸汽过热部分的能量来自独立的熔盐系统。由于不同类型的吸热器内部的载热介质不同 一种是水(水蒸汽)，另一种是高温载热介质(熔盐、液态金属、有机物等)；二者的工作温度相差大。因此对不同的吸热器可以选用不同的材料和工艺用于给水预热和蒸发的吸热器可以采用耐受温度较低、价格相对便宜的材料(如碳钢等)；而对于高温载热介质的吸热器则采用耐受温度更高的合金材料(如不锈钢等)。具体的设计方案，应根据热力系统的特性、镜场的太阳辐射特性等因素优化选取。采用多塔式二元工质的太阳能吸热系统后，由于熔盐的传热性能好、热容高，熔盐吸热器的受热面冷却充分，因此就不易发生超温、爆管等事故；熔盐作为载热介质可以缩小吸热器的体积和受热面积，这不但节约了吸热器的制造材料，还减少了吸热器表面的散热损失；从上述示例可以看出，熔盐作为高温载热介质还增加了系统在变工况条件下的适应性；此外，饱和蓄热器和辅助加热器的设置增加了系统的灵活性和可用率。从上述论述可以看出这种多塔式二元工质太阳能高温热发电系统具有能量转换效率高、安全性好、初投资省等显著特点，是太阳能高温热发电技术的一个重要方向。
权利要求1.多塔式二元工质太阳能高温热发电系统，其特征在于包括除氧器(1)、给水泵(2)、 多个相互并联的汽包(3)、多个相互并联的水工质吸热器(4)、饱和蓄热器(5)、蒸汽三通阀(6)、蒸汽过热器(7)、辅助加热器(8)、汽轮机(9)、发电机(10)、凝汽器(11)、凝结水泵 (12)、熔盐罐(13)、熔盐泵(14)、熔盐旁通阀(15)和熔盐吸热器(16)；除氧器(1)通过蒸汽加热除去凝结水系统中的溶氧，这有助于防止管路及受热面的氧腐蚀；除氧后的水经过给水泵(2)后分别进入汽包(3)，汽包(3)是水和水蒸汽的储存容器，汽包内的水通过下降管后进入水工质吸热器(4);在水工质吸热器(4)内吸热，并逐渐经历液相至气相的转换，变成饱和蒸汽；经汽水分离后的饱和蒸汽被引入饱和蓄热器(5)，饱和蓄热器(5)内维持有一定液面高度的饱和水，上部的空间内为对应压力下的饱和蒸汽；蒸汽从饱和蓄热器(5)出来后通过三通阀(6)进入到蒸汽过热器(7)，在蒸汽过热器(7)中被熔盐加热变成过热蒸汽， 然后被引入汽轮机(9)做功，汽轮机(9)带动发电机(10)产生电能；从饱和蓄热器(5)出来的蒸汽还设置了备用的一条回路，通过蒸汽三通阀(6)至辅助加热器(8)，由辅助加热器 (8)产生过热蒸汽进入汽轮机(9)，这个回路的设置可以在熔盐系统故障时提供辅助热源， 使系统维持正常运行；还可以在汽轮机(9)冷态启动时，加快系统的启动速度；除氧器(1) 的热源来自水工质吸热器(4 )顶部的汽包(3 )；还包括熔盐回路，熔盐罐(13)中储存的熔盐，经熔盐泵(14)升压后进入到熔盐吸热器 (16)，在吸热器(16)内升温，再流经蒸汽过热器(7)把热量传递给管内的蒸汽，冷却后的熔盐从蒸汽过热器(7)流出后回到熔盐罐(13)内，完成熔盐的循环过程；熔盐旁通阀(15)在熔盐吸热器(16)投入前开启，以建立熔盐的流通回路，当熔盐吸热器(16)正常工作后，熔盐旁通阀(15)关闭；蒸汽在汽轮机(9 )内完成膨胀做功过程，并带动发电机(10 )做功；从汽轮机(9 )排出的蒸汽在凝汽器(11)内被冷却、凝结成水；经凝结水泵(12 )升压及预热后进入除氧器(1)，完成整个汽水系统的循环。
专利摘要多塔式二元工质太阳能高温热发电系统，包括水工质吸热器、汽包、熔盐吸热器、给水泵、饱和蓄热器、熔盐泵、熔盐罐、蒸汽过热器、辅助加热器、除氧器、汽轮机、凝汽器、凝结水泵；汽包内的水通过自然循环的方式进入水工质吸热器内，完成水的预热蒸发过程；经汽水分离后，饱和蒸汽被引入饱和蓄热器；在熔盐吸热器内，熔盐被加热，然后在蒸汽过热器中释放热量，把饱和蒸汽加热成需要的过热蒸汽参数，最后通过蒸汽导管引至汽轮机做功；膨胀做功后的蒸汽在凝汽器中冷凝变成凝结水，被凝结水泵输送至蒸汽式除氧器，除氧后的水再通过给水泵送入吸热器上面的汽包，完成一个循环过程。本实用新型在提高太阳能热发电系统效率的同时，还具有安全性高、投资省、运行维护简单等特点。
文档编号F24J2/30GK202056843SQ201120032558
公开日2011年11月30日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者侯晓东, 刘可亮, 姚飞奇, 曹小旭, 赵剑云, 金建祥, 颜飞龙, 黄文君 申请人:杭州锅炉集团股份有限公司