一种塔式太阳能光热发电联合循环系统及其运行方法与流程

本发明涉及太阳能光热发电的技术领域，更具体地讲，涉及一种塔式太阳能光热发电联合循环系统及其运行方法。

背景技术：

太阳能光热发电技术是通过聚光的方式将太阳能转换为高品位的热能，进而通过热-功-电转换来实现电力生产的技术，该发电技术在上世纪90年代在国外就已经开始发展起来，目前国内外已经有多个光热发电站成功投入商业化运行，一个完整的太阳能光热发电站包括聚光集热系统、储热换热系统、发电系统等几部分。

塔式太阳能光热发电技术由于使用了高塔聚焦，可以实现较高的聚光比和高达1200kw/m²的辐射热流密度，因此发展迅速且已广泛应用。塔式光热电站可采用水工质吸热器直接或间接产生过热蒸汽推动汽轮机发电；也可以采用熔盐吸热器系统和储热换热系统，由换热系统产生过热蒸汽推动汽轮机发电。

太阳能光热电站站址选择时，需尽量选择荒漠化或沙漠化地区，要求地势平坦开阔最为适宜，对于塔式光热电站坡度一般不超过5％。但有些预选站址无法满足这个要求，比如光照资源条件较好的沿海山地地区，典型条件就是光照好但是地形复杂、坡度大。根据实际情况可按双塔设计聚光集热系统，而动力区仍需按单区域设置，则两塔中间势必会有大量的熔盐输送管道及辅助系统。

以希腊minos熔盐塔式光热电站为例，根据地形及用地限制，该电站可依推荐按东西双塔设计，东塔距离西塔约300m，站址地势呈东高西低走向且高差达30米，不但两塔之间熔盐管道难以布置，由于动力岛布置在东塔处，还导致西塔熔盐系统排净问题也成为设计难点。因熔盐管道复杂、辅助设备多，特别是低点位的熔盐排净系统造成该电站按双塔熔盐系统设计投资成本高，经济性差。

虽然国内外的熔盐塔式聚光集热系统已有较多设计及建设，但其设计复杂、辅助设备多、建造周期长、运维困难等问题仍然存在，因此，目前熔盐塔式光热发电站建设和运维成本仍居高不下，后续项目建设及运营需考虑如何降低各项成本问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种将水工质塔式吸热器系统和熔盐塔式吸热器系统有机结合起来且充分利用二者优势避免劣势的塔式太阳能光热发电联合循环系统及其运行方法。

本发明的一方面提供了一种塔式太阳能光热发电联合循环系统，所述循环系统包括水工质聚光集热单元、熔盐工质聚光集热单元、储换热单元和发电单元，其中，所述水工质聚光集热单元和熔盐工质聚光集热单元并联设置，所述储换热单元包括储热子单元和换热子单元，水工质聚光集热单元的出口与储换热单元的蒸汽母管相连，熔盐工质聚光集热单元与储换热单元中的储热子单元相连，所述储换热单元与发电单元相连并将储换热单元中换热子单元产生的第二过热蒸汽和/或水工质聚光集热单元产生的第一过热蒸汽通过所述蒸汽母管送入发电单元供给发电。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的一个实施例，所述水工质聚光集热单元包括第一定日镜场、水工质吸热器支撑塔和水工质吸热器，所述水工质吸热器设置在水工质吸热器支撑塔上，所述第一定日镜场布置为能够将太阳光聚焦至水工质吸热器上加热给水，所述水工质吸热器的入口通过水工质吸热器给水管与给水泵相连且出口通过水工质吸热器过热蒸汽出口管与储换热单元的过热蒸汽母管相连。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的一个实施例，所述熔盐工质聚光集热单元包括第二定日镜场、熔盐工质吸热器支撑塔和熔盐工质吸热器，所述储热子单元包括低温熔盐储罐和高温熔盐储罐，所述熔盐工质吸热器设置在熔盐工质吸热器支撑塔上，所述第二定日镜场布置为能够将太阳光聚焦至熔盐工质吸热器上加热熔盐，所述熔盐工质吸热器的入口通过低温熔盐泵和上塔熔盐管与储换热单元的低温熔盐储罐相连且出口通过下塔熔盐管与储换热单元的高温熔盐储罐相连。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的一个实施例，所述换热子单元包括预热器、蒸发器、过热器和再热器，所述预热器、蒸发器和过热器之间通过蒸汽管路和熔盐管路顺次相连，预热器通过预热器给水管与给水泵相连并且通过低温熔盐管与低温熔盐储罐相连，过热器通过过热蒸汽出口管与储换热单元的过热蒸汽母管相连并且通过高温熔盐泵和高温熔盐管与高温熔盐储罐相连；所述再热器通过熔盐管路与过热器串联或并联设置，再热器通过低温再热蒸汽进口管与发电单元的汽轮机高压缸相连并且通过高温再热蒸汽出口管与发电单元的汽轮机低压缸相连。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的一个实施例，所述储换热单元的过热蒸汽母管通过高压缸进汽管与发电单元的汽轮机高压缸相连，所述发电单元的汽轮机低压缸通过冷凝管道与冷凝排水单元相连。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的一个实施例，所述换热子单元的预热器、蒸发器、过热器和再热器采取双列布置形式或单列布置形式，所述循环系统适用于双塔或多塔式光热发电站。

本发明的另一方面提供了上述塔式太阳能光热发电联合循环系统的运行方法。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的运行方法的一个实施例，在发电单元运行时，控制所述水工质聚光集热单元、储换热单元以及熔盐工质聚光集热单元与储换热单元的组合分别单独运行或者一起运行；在发电单元不运行时，控制所述熔盐工质聚光集热单元单独运行。

根据本发明塔式太阳能光热发电联合循环系统的运行方法的一个实施例，控制来自水工质聚光集热单元的第一过热蒸汽与来自储换热单元的第二过热蒸汽混合后进入或者分别单独进入发电单元供给发电。

与现有技术相比，本发明特别适用于地势不平的双塔或多塔式光热发电站，以双塔为例，一塔设置为水工质吸热器系统，直接出产过热蒸汽；另一塔按熔盐吸热器系统设置，提供高温熔盐供储换热系统用。该循环系统将水工质塔式吸热器系统和熔盐塔式吸热器系统优点有机结合起来，充分利用二者优势避免劣势。一方面，采用水工质系统可简化电站循环系统布置及辅助系统配置，有效降低投资成本提高经济效益；另一方面，采用熔盐系统可降低储热难度，实现全天不间断发电，延长电站运行时间提高收益。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统的整体结构流程图。

图2示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中水工质聚光集热单元的结构示意图。

图3示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中熔盐工质聚光集热单元的结构示意图。

图4示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中储换热单元的结构示意图。

图5示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中发电单元的结构示意图。

附图标记说明：

100-水工质聚光集热单元、101-第一定日镜场、102-水工质吸热器支撑塔、103-水工质吸热器、104-水工质吸热器过热蒸汽出口管、105-水工质吸热器给水管；

200-熔盐工质聚光集热单元、201-第二定日镜场、202-熔盐工质吸热器支撑塔、203-熔盐工质吸热器、204-下塔熔盐管、205-上塔熔盐管；

300-储换热单元、301-高温熔盐储罐、302-低温熔盐储罐、303-高温熔盐管、304-高温熔盐泵、305-低温熔盐泵、306-过热器、307-再热器、308-蒸发器、309-预热器、310-低温熔盐管、311-预热器给水管、312-过热蒸汽出口管、313-过热蒸汽母管、314-低温再热蒸汽进口管、315-高温再热蒸汽出口管；

400-发电单元、401-汽轮机高压缸、402-汽轮机低压缸、403-发电机、404-冷凝管道、405-高压缸进汽管、406-高压缸排汽管、407-低压缸进汽管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在下文中，先对本发明的塔式太阳能光热发电联合循环系统进行具体描述和说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统的整体结构流程图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述塔式太阳能光热发电联合循环系统包括水工质聚光集热单元100、熔盐工质聚光集热单元200、储换热单元300和发电单元400。其中，水工质聚光集热单元100用于直接出产过热蒸汽，熔盐工质聚光集热单元200用于储存太阳能并提供高温熔盐供储换热单元300使用，储换热单元300也用于产生过热蒸汽并且包括用于储存太阳能的储热子单元和用于将太阳能利用产生过热蒸汽的换热子单元，来自水工质聚光集热单元100和储换热单元300的过热蒸汽用于发动单元400的发电。本发明的循环系统尤其适用于双塔或多塔式光热发电站。

具体地，本发明中的水工质聚光集热单元100和熔盐工质聚光集热单元200并联设置，可以采用双塔或多塔布置，可有效利用山地等大坡度场地，降低用地成本。水工质聚光集热单元100的出口与储换热单元300的蒸汽母管相连并将第一过热蒸汽送入储换热单元300的蒸汽母管，熔盐工质聚光集热单元200与储换热单元300的储热子单元相连并与储换热单元300进行熔盐供给，储换热单元300与发电单元400相连并将储换热单元300中换热子单元产生的第二过热蒸汽和/或水工质聚光集热单元产生的第一过热蒸汽送入发电单元400供给发电。

下面分别对各单元的结构和工作模式进行说明。

图2示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中水工质聚光集热单元的结构示意图。

如图2所示，本发明中的水工质聚光集热单元100包括第一定日镜场101、水工质吸热器支撑塔102和水工质吸热器103，当然还包括上下塔管道以及相关附件。水工质吸热器103设置在水工质吸热器支撑塔102上，第一定日镜场101布置为能够将太阳光聚焦至水工质吸热器103上加热给水，水工质吸热器103的入口通过水工质吸热器给水管105与给水泵相连且出口通过水工质吸热器过热蒸汽出口管104与储换热单元300的过热蒸汽母管313相连。其中，水工质吸热器的入口优选为锅炉给水，出口为满足汽轮机需求的第一过热蒸汽。

图3示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中熔盐工质聚光集热单元的结构示意图。

如图3所示，本发明的熔盐工质聚光集热单元200包括第二定日镜场201、熔盐工质吸热器支撑塔202和熔盐工质吸热器203，当然也包括上下塔管道及相关附件。熔盐工质吸热器203设置在熔盐工质吸热器支撑塔203上，第二定日镜场201布置为能够将太阳光聚焦至熔盐工质吸热器203上加热熔盐，熔盐工质吸热器203的入口通过低温熔盐泵305和上塔熔盐管205与储换热单元300的低温熔盐储罐302相连且出口通过下塔熔盐管204与储换热单元300的高温熔盐储罐301相连。其中，熔盐工质吸热器的入口为低温熔盐(也称为冷熔盐)，出口为高温熔盐(也称为热熔盐)。

图4示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中储换热单元的结构示意图，图5示出了根据本发明示例性实施例的塔式太阳能光热发电联合循环系统中发电单元的结构示意图。

如图4所示，本发明的储换热单元300实际上包括用于储存太阳能的储热子单元和用于与给水换热得到过热蒸汽的换热子单元，其中，储热子单元包括低温熔盐储罐302和高温熔盐储罐301，换热子单元包括预热器309、蒸发器308、过热器306和再热器307，换热子单元的水侧入口为锅炉给水且出口为满足汽轮机需求的过热蒸汽，换热子单元的盐侧入口为高温熔盐且出口为低温熔盐。

具体地，预热器309、蒸发器308和过热器306之间通过蒸汽管路和熔盐管路顺次相连，则锅炉给水依次通过预热器309、蒸发器308、过热器306与来自高温熔盐储罐的高温熔盐换热并被加热变成过热蒸汽，而高温熔盐换热后的低温熔盐则返回至低温熔盐储罐。其中，换热子单元的预热器309、蒸发器308、过热器306和再热器307可以根据电站容量大小采取双列布置形式或单列布置形式，

预热器309通过预热器给水管311与给水泵相连以对锅炉给水进行预热并且通过低温熔盐管310与低温熔盐储罐302相连以将换热后的低温熔盐返回，过热器306通过过热蒸汽出口管312与储换热单元300的过热蒸汽母管313相连以将换热子单元产生的第二过热蒸汽送入发电单元400并且通过高温熔盐泵304和高温熔盐管303与高温熔盐储罐310相连以使高温熔盐能够从过热器306进入并将来自蒸发器308的蒸汽加热为过热蒸汽。也即，预热器309、蒸发器308和过热器306中的熔盐与水和/或蒸汽是逆流换热。

如图4和图5所示，再热器307通过熔盐管路与过热器306串联或并联设置，再热器307通过低温再热蒸汽进口管314与发电单元400的汽轮机高压缸401相连，并且通过高温再热蒸汽出口管315与发电单元400的汽轮机低压缸402相连。由此，在汽轮机高压缸401中做功推动发电后的乏汽能够在再热器307中再热后继续进入汽轮机低压缸402做功推动发电，提高蒸汽的热效率。

如图5所示，根据本发明，储换热单元400的过热蒸汽母管301通过高压缸进汽管405与发电单元400的汽轮机高压缸401相连以将储换热单元300产生的第二过热蒸汽和/或上述第一过热蒸汽送入汽轮机高压缸做功发电，发电单元400的汽轮机低压缸402通过冷凝管道404与冷凝排水单元(未示出)相连以排出冷凝水。也即，本发明可以采用来自水工质聚光集热单元的第一过热蒸汽与来自储换热单元的第二过热蒸汽单独地或者共同地进行发电单元的汽轮机发电，同时发电单元中汽轮机高压缸的排汽可以进入换热子单元再热后进入汽轮机低压缸继续做功。

上述结构设计不仅使得两个聚光集热单元之间的干扰较小，有利于分别单独控制并可单独运行、发电，而且还采用了再热机组提高电厂热效率及发电量，可使系统简化、建设成本降低的同时提高经济效益。

本发明同时提供了上述塔式太阳能光热发电联合循环系统的运行方法。具体地是在发电单元300运行时，控制水工质聚光集热单元100、储换热单元300以及熔盐工质聚光集热单元200与储换热单元300的组合分别单独运行或者一起运行，此时可单独由水工质聚光集热单元100出产的第一过热蒸汽供发电单元400发电，或者单独由储换热单元300出产的第二过热蒸汽供发电系统400发电。在发电单元300不运行时，控制熔盐工质聚光集热单元200单独运行，此时可以利用熔盐工质聚光集热单元200向储换热单元300的储热子单元提供高温熔盐，利于换热及储热一体化并可实现太阳能电站24h连续运行。在本循环系统运行时，各单元可以单独运行和控制，不会对其他单元产生影响。

并且，控制来自水工质聚光集热单元100的第一过热蒸汽与来自储换热单元300的第二过热蒸汽混合后进入或者分别单独进入发电单元400供给发电。当水工质聚光集热单元100或储换热单元300单独运行时，则可以利用其中任一产生的过热蒸汽进行发电；当各单元一起运行时，则优选地利用水工质聚光集热单元100和储换热单元300产生的蒸汽混合后进行发电。

下面对本发明的塔式太阳能光热发电联合循环系统的运行方式进行具体说明。

如图2所示，锅炉给水自水工质吸热器给水管105进入水工质吸热器103，太阳光经第一定日镜场101聚焦至水工质吸热器103上加热给水，给水吸热、过热后成为第一过热蒸汽从水工质吸热器过热蒸汽出口管104引出进入储换热单元300内的过热蒸汽母管313。

如图3和图4所示，储存于低温熔盐储罐302内的低温熔盐经低温熔盐泵305、上塔熔盐管205进入熔盐工质吸热器203，太阳光经第二定日镜场201聚焦至熔盐工质吸热器203上加热低温熔盐，熔盐吸热后成为高温熔盐从下塔熔盐管204引出并进入高温熔盐储罐301。高温熔盐储罐301内高温熔盐经高温熔盐泵304、高温熔盐管303进入过热器306、再热器307与蒸汽换热，然后再依次进入蒸发器308、预热器309加热给水使之蒸发为饱和蒸汽，换热后的低温熔盐经低温熔盐管310流回至低温熔盐储罐302内进入下一个循环。

如图4所示，锅炉给水自预热器给水管311依次通过预热器309、蒸发器308、过热器306被加热变成第二过热蒸汽从过热蒸汽出口管312进入过热蒸汽母管313与来自水工质吸热器过热蒸汽出口管104的第一过热蒸汽混合后进入发电单元400。当然，也可以仅将第一过热蒸汽或第二过热蒸汽送入发电单元400。

如图4、图5所示，自过热蒸汽母管313引出的过热蒸汽通过高压缸进汽管405进入汽轮机高压缸401做功推动发电机403发电，乏汽经高压缸排汽管406排出并经低温再热蒸汽进口管314进入再热器307，蒸汽再热后高温再热蒸汽出口管315进入汽轮机低压缸402做功推动发电机403发电，最终乏汽经冷凝管道404进入后续系统单元。

其中，在发电单元400运行时，水工质聚光集热单元100、熔盐工质聚光集热单元200和储换热单元300均可单独运行，任意解列其中两个单元而其它单元不受影响。可单独由水工质聚光集热单元100出产的第一过热蒸汽供发电单元400发电，也可单独由储换热单元300出产的第二过热蒸汽供发电单元400发电。又或者，在发电单元400不运行时，也可单独运行熔盐工质聚光集热单元200对储换热单元300提供热熔盐。

综上所述，本发明具有如下有益效果：

1)采用双塔或多塔布置，可有效利用山地等大坡度场地，降低用地成本；

2)采用水工质吸热器的聚光集热单元可以直接产生过热蒸汽，系统简单、设备造价低廉且技术成熟度高；熔盐工质聚光集热系单元采用熔盐介质进行换热储能，有利于换热及储热一体化并可实现太阳能电站24h的连续运行；本发明同时利用两组聚光集热系统并分设多个聚光场，有利于单独控制，实现出产过热蒸汽、熔盐储换热的灵活调度且互不干扰，可使系统简化并建设成本降低。

3)来自水工质聚光集热单元的第一过热蒸汽与来自熔盐工质聚光集热单元的第二过热蒸汽可以在混合后再进入发电单元，对两个聚光集热单元的干扰较小，利于分别控制并可单独运行、发电；并且采用再热机组可提高电厂热效率及发电量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。