解耦集热储热与放热发电的槽式光热发电系统及运行方法与流程

本发明属于太阳能光热利用技术领域，具体涉及到一种通过解耦集热储热环节与放热发电环节而简化电站运行、稳定电站出力的新型太阳能热发电系统。

背景技术：

太阳能光热发电(concentratedsolarpower,简称为“csp”)是一种太阳能聚光热发电技术，依靠各种聚光镜面将太阳的直接辐射(dni)聚集，通过加热流体工质(heattransferfluid，下称“htf”)收集热量，再经过蒸汽发生系统(含预热器、蒸发器、过热器，但不含再热器，steamgenerationsystem,下称“sgs”)产生高温蒸汽，推动汽轮机发电。csp目前主流的技术路线都是按照太阳能采集方式来划分的，主要分为塔式、槽式、菲涅尔式和碟式四类，在目前全球范围内在运或在建的项目，又以槽式技术居多，并根据是否设置储热系统分为带储热的槽式系统和不带储热的槽式系统。图1是一套典型的带储热的槽式太阳能发电系统，其工作原理是众多槽式抛物面聚光集热器经过串并联的方式排列组成镜场，真空集热管安装在抛物面集热器的焦线位置，太阳光经集热器镜面会聚至集热管上。传热流体在集热管内流动，吸收镜场会聚的太阳光能量后升到较高温度，然后根据电站出力要求，通过进一步换热在蒸汽发生系统中将热量传递给水产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，或者在储热系统中将热量传递给储热介质进行储存，或者这两者同时进行。在日照强度变弱或日落之后，htf从储热系统中吸收储热介质的热量升到较高温度，会同来自镜场的部分htf，或者自行单独进入蒸汽发生系统产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。

使用图1发电系统的槽式光热电站至今累计占槽式技术装机量的40％，第一座电站至今已投运超过十年。但这些带储热的槽式电站的多年运行实践表明，由于要同时兼顾考虑镜场热功率、储热系统充放热状态、蒸汽发生系统出力等多个因素，电站运行模式多达七、八个，整体运行操作复杂度较高，并且受到阀门开闭时间、泵体启停时间、设备/管道热惯性、设备最低流量/负荷/温度、各管道的流量分配、工质在油盐换热器中的正反流向等各种客观条件的限制，运行模式之间切换的难度和复杂度极大增加，因此对槽式光热电站运行人员的技能要求一直较高。另外，使用图1的槽式发电系统时，由于从镜场直接吸热产蒸汽和从储热系统单独取热产蒸汽这两种工况下的工艺步骤不同，前者是镜场-htf-蒸汽，后者是镜场-htf-储热介质-htf-蒸汽，后者由于换热步骤更多因此最终产生的蒸汽温度更低，两者差值一般在14℃左右，因此导致进入汽轮机的主蒸汽温度不同，从而要求汽轮机必须有两个设计工况，这样不但增加了汽轮机设计的复杂度，而且由于两个设计工况下汽轮机效率并不相同，为稳定最终电力输出必须实时进行一系列调整蒸汽量、htf流量、储热介质流量的操作，从而增加了汽轮机和电站运行的复杂度。

近几年由于电网调度、调峰、消纳的要求，带储热的光热发电系统更受人们青睐，特别是在“光热+光伏”混合电站、调峰储能电站、多能互补综合能源基地项目中，对光热系统储热时间的要求趋势都是越来越长，如8小时或更长。在白天日照充足的时候，光热电站会优先为光伏让路，让光伏能发尽发，光热镜场收集的大部分都会输送到储热系统进行储存。在日照变弱或日落之后，光热将大部分/单独从储热系统中取热发电，以弥补光伏的出力下降。如前所述，当系统从储热系统取热发电时由于主蒸汽温度较低，汽轮机效率较低，因此在光热系统储热时长增加、汽轮机以较低效率发电的等效时长增加的情况下，槽式光热系统损失的能量将会增加，发电量变少，经济性变差。

总之，现有带储热的槽式发电系统存在如下缺点：

1、运行模式繁多，整体运行操作复杂；

2、对运行人员的技术要求较高，不利于系统的整体自动化运行趋势；

3、主蒸汽温度存在两个设计工况，导致汽轮机设计也要考虑两个设计工况，增加设计复杂度，同时也增加了汽轮机和电站运行的难度；

4、在光热电站配置的储热时间越来越长、电站从储热系统单独取热发电的运行时间越来越长的趋势下，典型槽式系统因中间换热环节导致的能量损失会变大，发电量变小，经济性变差。

技术实现要素：

为了克服现有带储热的槽式发电系统存在的缺点，本发明提供了一种解耦集热储热与放热发电的槽式光热发电系统及运行方法，在尽可能减少变动原流程和设备的前提下，解耦集热储热和放热发电环节，使带储热的槽式光热系统更符合目前“光热+光伏”混合电站、调峰储能电站、多能互补综合能源基地对光热系统更长的储能时间、“白天储能让路+晚上调峰出力”的要求，同时减少系统运行模式，降低系统运行的难度和复杂度，降低对运行人员的技术要求，有利于未来系统整体自动化运行的发展。

本发明的目的在于提供一种解耦集热储热与放热发电的槽式光热发电系统，所述系统包括：htf循环子系统(1)、储热介质循环子系统(2)、蒸汽循环子系统(3)以及槽式镜场(4)，其中所述htf循环子系统(1)的运行仅由气象条件决定而无需兼顾考虑汽轮机出力，所述储热介质循环子系统(2)的集热储热环节仅由来自槽式镜场(4)的htf参数决定，其放热发电环节仅由储热介质储热量与汽轮机出力决定而无需兼顾考虑气象条件。

优选的，所述htf循环子系统(1)包括htf-储热介质换热器(5)、膨胀罐系统(6)以及htf循环泵(7)，其中，所述槽式镜场(4)出口与所述htf-储热介质换热器(5)的htf入口相连，所述htf-储热介质换热器(5)的htf出口与所述膨胀罐系统(6)入口相连，所述膨胀罐系统(6)的出口与所述htf循环泵(7)的入口相连，所述htf循环泵(7)的出口与槽式镜场(4)的入口相连，从而组成供htf循环流动的所述htf循环子系统(1)，其中htf通过所述htf循环泵(7)的驱动仅在所述htf循环子系统(1)内循环流动，仅用于将所述槽式镜场(4)收集到的热量运送到所述htf-储热介质换热器(5)并通过换热的方式传递给储热介质，不会直接进入蒸汽发生系统产生蒸汽或直接进入再热器加热蒸汽；所述膨胀罐系统(6)用于吸收htf在循环过程中因温度变化而产生的体积变化。

优选的，所述储热介质循环子系统(2)包括冷罐(8)、冷态储热介质泵(9)、热罐(10)、热态储热介质泵(11)以及储热介质sgs(12)，其中所述冷态储热介质泵(9)的入口浸没在所述冷罐(8)中的冷态储热介质液面以下；为增加系统调节的灵活性，所述冷态储热介质泵(9)出口除与所述htf-储热介质换热器(5)的储热介质入口相连从而使得冷态储热介质泵(9)出口的冷态储热介质进入htf-储热介质换热器(5)外，增设支路与所述热态储热介质泵(11)的出口处热态储热介质相连，所述支路的通断通过阀门控制，从而在储热介质sgs(12)启动预热阶段通过混合冷态储热介质与热态储热介质后，快速控制进入储热介质sgs(12)的储热介质温度，缩短设备启动时间；所述htf-储热介质换热器(5)的储热介质出口通过两条管路分别与所述冷罐(8)的入口以及所述热罐(10)的入口相连，所述两条管路均通过阀门控制通断，所述热态储热介质泵(11)的入口浸没在所述热罐(10)中的热态储热介质液面以下，所述热态储热介质泵(11)的出口分别与所述储热介质sgs(12)的入口以及蒸汽循环子系统(3)的所述储热介质蒸汽再热器(13)的入口相连，所述储热介质sgs(12)的出口以及所述储热介质蒸汽再热器(13)的出口均与所述冷罐(8)的入口相连，从而组成供储热介质循环流动的所述储热介质循环子系统(2)，所述储热介质仅在储热介质循环子系统(2)内循环流动，用于从htf吸热、热量储存以及向水/水蒸汽放热。

优选的，所述蒸汽循环子系统(3)采用蒸汽朗肯循环系统，包括储热介质蒸汽再热器(13)、汽轮机(14)、冷凝器(15)、凝结水泵(16)、加热器(17)以及除氧器(18)，储热介质sgs(12)产生的过热蒸汽与储热介质蒸汽再热器(13)产生的再热蒸汽进入汽轮机(14)做功发电，乏汽通过冷凝器(15)凝结为水，然后经过凝结水泵(16)、加热器(17)和除氧器(18)后，重新进入储热介质sgs(12)产生蒸汽，如此循环，其中，所述储热介质sgs(12)包括过热器、蒸发器以及预热器设备。

优选的，所述htf、储热介质在设计工作温度范围内均为液态，且两者为两种不相同的介质，其中htf是凝固点在100℃及以下的介质，所述储热介质为凝固点在100℃以上的介质。

优选的，所述htf-储热介质换热器(5)、储热介质sgs(12)以及储热介质蒸汽再热器(13)为单列、双列或多列并行布置，从而增加设备的冗余度和系统调节的灵活度。

优选的，所述冷罐(8)与所述热罐(10)成对使用，数量为一对或多对。

优选的，储热介质蒸汽再热器(13)出口与储热介质sgs(12)中的蒸发器入口相连。

本发明的目的还在于提供一种解耦集热储热与放热发电的槽式光热发电系统的运行方法，包括如下步骤：

步骤1，htf通过所述循环泵(7)的驱动在所述htf循环子系统(1)内循环流动，将所述槽式镜场(4)收集到的热量运送到所述htf-储热介质换热器(5)并通过换热的方式传递给储热介质，所述膨胀罐系统(6)吸收htf在循环过程中因温度变化而产生的体积变化；

步骤2，冷态储热介质在所述冷态储热介质泵(9)的驱动下，从所述冷罐(8)流入所述htf-储热介质换热器(5)，通过换热吸收htf热量后温度升高，根据储热介质最终温度通过阀门控制介质流向；

步骤3，储存在热罐(10)中的热态储热介质在热态储热介质泵(11)的驱动下，从热罐(10)流入储热介质sgs(12)和储热介质蒸汽再热器(13)，介质在两者中的流量分配通过阀门进行控制，储热介质sgs(12)产生的过热蒸汽与储热介质蒸汽再热器(13)产生的再热蒸汽进入汽轮机(14)做功发电，乏汽通过冷凝器(15)凝结为水，然后经过凝结水泵(16)、加热器(17)和除氧器(18)后，重新进入储热介质sgs(12)产生蒸汽；热态储热介质在储热介质sgs(12)和储热介质蒸汽再热器(13)中将热量传递给水/水蒸汽后温度下降，最终重新回到冷罐(8)中；

步骤1和2同时发生实现集热储热，步骤3为放热发电，在热罐10内有热态储热介质时即可进行步骤3，无需考虑因太阳辐射波动对步骤1和2带来的影响，实现集热储热与放热发电的解耦。

优选的，所述步骤2的所述根据储热介质最终温度通过阀门控制介质流向包括：当所述储热介质温度到达目标值时流入所述热罐(10)进行储存，否则所述储热介质重新回到所述冷罐(8)。

本发明的有益效果：1)解耦了带储热的槽式光热发电系统的集热储热与放热发电环节，一方面降低了入射太阳能波动对蒸汽发生、汽机出力的影响，充分利用了储热介质的热惯性以实现稳定蒸汽发生系统与汽轮机出力的目的，另一方面减少了系统运行模式，htf循环子系统(1)的运行仅由气象条件决定而无需兼顾考虑汽轮机出力，htf-储热介质换热器(5)与冷态储热介质泵(9)的运行仅由来自槽式镜场(4)的htf参数决定，htf-储热介质换热器(5)仅需考虑单一的运行方向，无需考虑吸热、放热两个正反可逆的运行方向，热态储热介质泵(11)的运行仅由热罐(10)中热态储热介质的液位及汽轮机出力决定，这些措施都有利于降低设备运行和电站运行的难度和复杂度，并最终降低对运行人员的技术要求。2)在所有运行模式下，汽轮机仅需要一套主蒸汽设计参数，即只需要一个设计工况，从而简化汽轮机设计，并降低汽轮机运行的难度。3)与典型的带储热的槽式光热发电系统相比，储热介质直接向水/水蒸汽放热产生过热蒸汽，减少了先向htf换热的中间环节，减少了换热端差损失，从而提高了主蒸汽温度，增加了储热介质放热发电工况下的汽轮机发电效率。这一点在目前对于光热电站要求配置的储热时间越来越长、以及光热电站从储热系统单独取热发电的等效运行时间越来越长的趋势下尤为重要，它将使电站设计更加吻合“光热+光伏”混合电站、调峰储能电站、多能互补综合能源基地对光热系统的预期要求。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为根据现有技术的典型的带储热的槽式光热发电系统；

图2为根据本发明实施例的解耦集热储热与放热发电的新型槽式光热发电系统；

图3为根据本发明实施例的解耦集热储热与放热发电的新型槽式光热发电系统的运行方法流程图。

其中附图标记分别表示：

1-htf循环子系统；2-储热介质循环子系统；3-蒸汽循环子系统；4-槽式镜场；5-htf-储热介质换热器；6-膨胀罐系统；7-htf循环泵；8-冷罐；9-冷态储热介质泵；10-热罐；11-热态储热介质泵；12-储热介质sgs；13-储热介质蒸汽再热器；14-汽轮机；15-冷凝器；16-凝结水泵；17-加热器；18-除氧器。

具体实施方式

如附图2所示的解耦集热储热与放热发电的新型槽式光热发电系统，本实施例中的流体工质htf为26.5％联苯-73.5％联苯醚导热油，凝固点为12℃，设计工作温度为50℃～400℃，储热介质为60％硝酸钠-40％硝酸钾二元熔融无机盐混合物，凝固点为238℃，设计工作温度为290℃～400℃。导热油与熔融盐在各自的设计工作温度范围内均为液态。本实施例的槽式光热储热发电系统包括：

导热油循环子系统1；熔盐循环子系统2；蒸汽循环子系统3以及槽式镜场4。导热油循环子系统1的运行仅由气象条件决定而无需兼顾考虑汽轮机出力，熔盐循环子系统2的集热储热环节仅由来自槽式镜场4的htf参数决定，其放热发电环节仅由储热介质储热量与汽轮机出力决定而无需兼顾考虑气象条件。

其中导热油循环子系统1包括导热油-熔盐换热器5、膨胀罐系统6以及导热油循环泵7，其中，槽式镜场4出口与导热油-熔盐换热器5的导热油入口相连，导热油-熔盐换热器5的导热油出口与膨胀罐系统6入口相连，膨胀罐系统6的出口与导热油循环泵7的入口相连，导热油循环泵7的出口与槽式镜场4的入口相连，从而组成供导热油循环流动的导热油循环子系统1，其中导热油通过导热油循环泵7的驱动仅在导热油循环子系统1内循环流动，仅用于将槽式镜场4收集到的热量运送到导热油-熔盐换热器5并通过换热的方式传递给储热介质，导热油不再直接进入蒸汽发生系统产生蒸汽，也不直接进入再热器加热蒸汽；膨胀罐系统6用于吸收htf在循环过程中因温度变化而产生的体积变化。

熔盐循环子系统2包括冷盐罐8、冷盐泵9、热盐罐10、热盐泵11以及熔盐sgs12，其中冷盐泵9的入口浸没在冷盐罐8中的冷盐液面以下；为增加系统调节的灵活性，冷盐泵9出口除与导热油-熔盐换热器5的储热介质入口相连从而使得冷盐泵9出口的冷盐进入导热油-熔盐换热器5外，增设支路与热盐泵11的出口处热盐相连，支路的通断通过阀门控制，从而在熔盐sgs12启动预热阶段通过混合冷盐与热盐后，快速控制进入熔盐sgs12的储热介质温度，缩短设备启动时间；导热油-熔盐换热器5的储热介质出口通过两条管路分别与冷盐罐8的入口以及热盐罐10的入口相连，两条管路均通过阀门控制通断，热盐泵11的入口浸没在热盐罐10中的热盐液面以下，热盐泵11的出口分别与熔盐介质sgs12的入口以及蒸汽循环子系统3的熔盐蒸汽再热器13的入口相连，熔盐sgs12的出口以及熔盐蒸汽再热器13的出口均与冷盐罐8的入口相连，从而组成供熔盐循环流动的熔盐循环子统2，熔盐仅在熔盐循环子系统2内循环流动，用于从熔盐吸热、热量储存以及向水/水蒸汽放热。冷盐在冷盐泵9的驱动下，从冷盐罐8流入油盐换热器5，吸收导热油热量后温度升高，根据熔盐出口温度通过阀门控制熔盐流向，即当出口温度达到目标值386℃时，熔盐流入热盐罐10储存，否则重新流回冷盐罐8。热盐罐10中的热盐在热盐泵11的驱动下，从热盐罐10流入熔盐sgs12和熔盐蒸汽再热器13，热盐在两者中的流量分配可通过阀门进行控制，热盐在这两套设备中将热量传递给水/水蒸汽后温度下降，最终重新回到冷盐罐8中。冷盐泵9出口与热盐泵11出口的连接支路，可以在熔盐sgs12启动阶段通过混合冷态熔盐与热态熔盐，快速控制进入熔盐sgs12的熔盐温度，从而缩短熔盐sgs12的设备启动预热时间，增加系统调节的灵活性。熔盐sgs12包括过热器、蒸发器以及预热器设备等。

蒸汽循环子系统3为传统的蒸汽朗肯循环系统，即熔盐sgs12产生的过热蒸汽与熔盐蒸汽再热器13产生的再热蒸汽进入汽轮机14做功发电，乏汽通过冷凝器15凝结为水，然后经过凝结水泵16、加热器17、除氧器18后，重新进入熔盐sgs12产生蒸汽，如此循环。

本实施例中，熔盐sgs12和熔盐蒸汽再热器13的换热工质均为熔盐-水/水蒸汽。

本实施例中，油盐换热器5、熔盐sgs12、熔盐蒸汽再热器13均为双列2×50％布置。当然，本领域技术人员可以根据本领域的技术知识选择单列、多列并行布置，从而变更设备的冗余度和系统调节的灵活度，具体来说由双列改变为单列时，冗余度和灵活性是降低的；由双列改为多列时，冗余度和灵活性是增加的。

本实施例中，冷盐罐8与热盐罐10成对使用，数量为一对。

当然，本实施例中熔盐蒸汽再热器13的出口可以与熔盐sgs12中的蒸发器入口相连，以减少熔盐在熔盐蒸汽再热器13中的放热温差，从而减少熔盐蒸汽再热器13单个设备的温差梯度，有利于简化设备设计，减小运行热应力，延长设备寿命。

本实施例中，导热油、熔盐在设计工作温度范围内均为液态，且两者为两种不相同的介质，其中htf除了选择导热油以外，凝固点在100℃及以下的其他介质也都在本发明的保护范围之内，包括如下中的一种或多种：有机合成油、硅油、乙二醇溶液或低熔点熔融无机盐混合物，储热介质除了熔盐之外，还可以选择其他凝固点在100℃以上的介质，均属于本专利的保护范围，包括如下中的一种或多种：二元熔融无机盐混合物、三元熔融无机盐混合物或多元熔融无机盐混合物。有机合成油为联苯-联苯醚、三联苯或改性三联苯、四联苯、烷代芳香烃或异丙基联苯混合物；二元熔融无机盐混合物为硝酸钠-硝酸钾混合物；三元熔融无机盐混合物为硝酸钾-硝酸钠-亚硝酸钠混合物。当然本领域技术人员也可以选择其他适于本发明系统和方法的htf以及储热介质。

参见图3，采用本实施例的解耦集热储热与放热发电的槽式光热储热发电系统的运行方法，包括如下步骤：

步骤1，导热油通过导热油循环泵7的驱动在导热油循环子系统1内循环流动，将槽式镜场4收集到的热量运送到导热油-熔盐换热器5并通过换热的方式传递给熔盐，膨胀罐系统6吸收导热油在循环过程中因温度变化而产生的体积变化；

步骤2，冷盐在冷盐泵9的驱动下，从冷盐罐8流入导热油-熔盐储换热器5，通过换热吸收导热油热量后温度升高，根据熔盐最终温度通过阀门控制介质流向；

步骤3，储存在热盐罐10中的热盐在热盐泵11的驱动下，从热盐罐10流入熔盐sgs12和熔盐蒸汽再热器13，介质在两者中的流量分配通过阀门进行控制，熔盐sgs12产生的过热蒸汽与熔盐蒸汽再热器13产生的再热蒸汽进入汽轮机14做功发电，乏汽通过冷凝器15凝结为水，然后经过凝结水泵16、加热器17和除氧器18后，重新进入熔盐sgs12产生蒸汽；热盐在熔盐sgs12和熔盐蒸汽再热器13中将热量传递给水/水蒸汽后温度下降，最终重新回到冷盐罐8中；

步骤1和2同时发生实现集热储热，步骤3为放热发电，在热盐罐10内有热盐时即可进行步骤3，无需考虑因太阳辐射波动对步骤1和2带来的影响，实现集热储热与放热发电的解耦。

其中，步骤2的根据储热介质最终温度通过阀门控制介质流向包括：当储热介质温度到达目标值时流入热盐罐10进行储存，否则储热介质重新回到冷盐罐8。

本实施例解耦了带储热的槽式光热发电系统的集热储热与放热发电环节，一方面降低了入射太阳能波动对蒸汽发生、汽机出力的影响，充分利用了储热介质的热惯性以实现稳定蒸汽发生系统与汽轮机出力的目的，另一方面减少了系统运行模式，导热油循环子系统1的运行仅由气象条件决定而无需兼顾考虑汽轮机出力，导热油-熔盐换热器5与冷盐泵9的运行仅由来自槽式镜场4的导热油参数决定，导热油-熔盐换热器5仅需考虑单一的运行方向，无需考虑吸热、放热两个正反可逆的运行方向，热盐泵11的运行仅由热盐罐10中热盐的液位及汽轮机出力决定，这些措施都有利于降低设备运行和电站运行的难度和复杂度，并最终降低对运行人员的技术要求。在所有运行模式下，汽轮机仅需要一套主蒸汽设计参数，即只需要一个设计工况，从而简化汽轮机设计，并降低汽轮机运行的难度。与典型的带储热的槽式光热发电系统相比，储热介质直接向水/水蒸汽放热产生过热蒸汽，减少了先向导热油换热的中间环节，减少了换热端差损失，从而提高了主蒸汽温度，增加了储热介质放热发电工况下的汽轮机发电效率。这一点在目前对于光热电站要求配置的储热时间越来越长、以及光热电站从储热系统单独取热发电的等效运行时间越来越长的趋势下尤为重要，它将使电站设计更加吻合“光热+光伏”混合电站、调峰储能电站、多能互补综合能源基地对光热系统的预期要求。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。