CN103742373B - 一种采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，该塔式太阳能热发电站包括凝结水泵、除氧器、给水泵、超临界水吸热器、熔盐蓄热系统、汽轮机、发电机、凝汽器，熔盐蓄热系统包括水-熔盐换热器、扩容器、冷盐罐、热盐罐、冷盐泵、热盐泵、熔盐-水换热器。凝结水经除氧器加热后，通过给水泵输入超临界水吸热器，吸收太阳辐射将除氧后的水转化为超临界水进入汽轮机做功发电。本发明结合超临界水做功发电和熔盐蓄热，使本发明适用于各种太阳能辐射情况，热电转换效率高；利用超临界水做功效率高和无相变的性质，采用简单的单级蓄热系统就可以保证很高的热电效率，同时相对于熔盐吸热器，避免了熔盐在上塔流程中凝固的风险。
Description
技术领域
本发明涉及塔式太阳能热发电技术领域，特别涉及一种采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站。
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、空汽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、塔式等方式；采用的工质有水（水蒸汽）、熔盐、空汽、导热油、液态金属和其他导热介质等。
塔式聚焦的太阳能光热发电系统，聚焦倍数通常能达到500～1000倍，因而具有大容量、高参数等优点，在近年受到世界许多国家的关注。以水为工质的塔式太阳能热发电系统具有价格便宜、换热效果好、控制简单等特点，因此该类型的研究最先在太阳能塔式热发电上得以应用。但水工质几乎没有蓄热能力，无法在夜晚和天气不好时发电，并且受阴天、乌云等影响很大。而熔盐具有热容高、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产生电站需要的参数的蒸汽。
但是，熔盐的凝固点很高，如果上塔进入吸热器则非常容易凝固堵管，对管道预热、设备保温、运行维护等要求也更加严格。本发明希望结合水和熔盐的优势，在保证和提高热电效率的情况下尽量避免系统变得过于复杂。
水吸热器熔盐蓄热，在传统的水-蒸发-过热的模式下，由于水蒸汽的饱和温度有限而过热段能量较小，所以在换热给熔盐时无法将熔盐加热到较高的温度，除非用多级蓄热装置，否则蓄热系统的火用损失非常大。
发明内容
本发明为一种采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，包括依次相连并形成第一发电回路的除氧器、给水泵、超临界水吸热器、汽轮机、凝汽器和凝结水泵，所述汽轮机与一发电机相连；初始状态下在所述除氧器的输入端进行补水，水经过所述除氧器除氧后，通过所述给水泵输送给设置在塔台上的所述超临界水吸热器，所述超临界水吸热器吸收太阳能将除氧后的水转变成超临界水输出，所述超临界水进入所述汽轮机带动所述发电机做功发电，所述超临界水放热做功后在所述凝汽器中重新冷凝成凝结水，在所述凝结水泵的作用下再次进入所述除氧器内。
较佳地，所述塔式太阳能发电站还包括熔盐蓄热系统，所述熔盐蓄热系统并联在所述超临界水吸热器和所述汽轮机之间的回路上；所述熔盐蓄热系统与所述除氧器的输入端相连，所述除氧器、给水泵、超临界水吸热器和所述熔盐蓄热系统形成一储能工作回路；所述熔盐蓄热系统还与所述给水泵的输出端相连，所述除氧器、给水泵、熔盐蓄热系统、汽轮机、凝汽器和凝结水泵形成第二发电回路。
较佳地，所述熔盐蓄热系统包括水-熔盐换热器、扩容器、冷盐罐、冷盐泵、热盐罐、热盐泵、熔盐-水换热器；
所述水-熔盐换热器的两端分别连接所述热盐罐和所述冷盐罐的一端，且所述水-熔盐换热器与所述热盐罐的连接端还与所述超临界水吸热器的输出端相连，所述水-熔盐换热器与所述冷盐罐的连接端还通过所述扩容器与所述除氧器的输入端相连；
所述熔盐-水换热器的两端分别连接所述热盐罐和所述冷盐罐的另一端，且所述熔盐-水换热器与所述热盐罐的连接端还与所述汽轮机的输入端相连，所述熔盐-水换热器与所述冷盐罐的连接端还与所述给水泵的输出端相连。
较佳地，所述水-熔盐换热器与所述冷盐罐之间设置有冷盐泵，所述热盐罐与所述熔盐-水换热器之间设置有热盐泵。
较佳地，所述给水泵的输出端与所述超临界水吸热器的输入端之间设置有一主给水调节阀，所述给水泵的输出端与所述熔盐-水换热器的输入端之间设置有一副给水调节阀，所述超临界水吸热器的输出端与所述汽轮机的输入端设置有一主蒸汽调节阀，所述超临界水吸热器的输出端与所述水-熔盐换热器的输入端设置有一蒸汽进口截止阀，所述熔盐-水换热器的输出端与汽轮机的输入端设置有一蒸汽出口调节阀。
较佳地，所述扩容器的输出端设置有一热量输出通道，用于向其他供热设备供热。
较佳地，当太阳辐射较好时，打开所述主给水调节阀、所述主蒸汽调节阀和所述蒸汽进口截止阀，关闭所述副给水调节阀和所述蒸汽出口调节阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后进入所述超临界水吸热器，在太阳能辐射的作用下加热产生超临界水；一部分超临界水进入所述汽轮机带动所述发电机做功，放热做功后在所述凝汽器中重新冷凝成凝结水；另一部分超临界水通过所述水-熔盐换热器，将热量传给所述熔盐蓄热系统，然后可以通过所述扩容器减压闪蒸，得到的较低参数蒸汽可加热除氧器。
较佳地，当太阳辐射稍弱，但所述超临界水吸热器仍能产生满足汽轮机60%～100%额定负荷的超临界水时，打开所述主给水调节阀和所述主蒸汽调节阀，关闭所述副给水调节阀、所述蒸汽进口截止阀和所述蒸汽出口调节阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后进入所述超临界水吸热器加热生成超临界水，超临界水进入所述汽轮机带动所述发电机做功，并在放热做功后在所述凝汽器中重新冷凝成凝结水。
较佳地，当太阳辐射较差，且所述超临界水吸热器4仍能产生满足汽轮机0～60%额定负荷的超临界水时，打开所述主给水调节阀、所述副给水调节阀、所述主蒸汽调节阀和所述蒸汽出口调节阀，关闭所述蒸汽进口截止阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后分别进入所述超临界水吸热器和熔盐-水换热器，所述超临界水吸热器与熔盐蓄热系统共同产生60%～100%额定负荷的超临界水，超临界水进入汽轮机带动发电机做功，放热做功后在凝汽器中重新冷凝成凝结水。
较佳地，当夜晚或所述超临界水吸热器无法产生超临界水时，打开所述副给水调节阀和所述蒸汽出口调节阀，关闭所述主给水调节阀、所述主蒸汽调节阀和所述蒸汽进口截止阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后进入所述熔盐-水换热器，所述熔盐蓄热系统产生超临界水，超临界水进入所述汽轮机带动发电机做功，并在放热做功后在凝汽器中重新冷凝成凝结水。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
（1）本发明利用了超临界水做功效率高的优势，提高了塔式太阳能热发电光电转化效率；
（2）本发明为塔式太阳能光热发电系统添加了熔盐蓄热系统，熔盐作为目前最为主流和优秀的蓄热介质，当夜晚或太阳辐射较差时，其存储的热量可以保证汽轮机发电；
（3）本发明利用熔盐优势的同时，避免了熔盐上吸热塔，且熔盐系统设备能够紧凑布置，缩短了熔盐管道长度，极大的减小了熔盐凝固带来的系统安全风险；
（4）本发明利用了超临界水吸热放热无相变和相变潜热的特点，用简单的单级熔盐蓄热系统就能保证较小传热温差和较高的蓄热温度，从而在不增加系统复杂性的基础上提高蓄热效率和发电效率。
附图说明
结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1为本发明提供的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站的流程示意图。
符号说明：
1-凝结水泵
2-除氧器
3-给水泵
4-超临界水吸热器
5-水-熔盐换热器
6-扩容器
7-冷盐罐
8-热盐罐
9-冷盐泵
10-热盐泵
11-熔盐-水换热器
12-汽轮机
13-发电机
14-凝汽器
151-主给水调节阀
152-副给水调节阀
153-主蒸汽调节阀
154-蒸汽进口截止阀
155-蒸汽出口调节阀
A-补水
B-汽轮机抽汽或吸热器
C-去用热设备
具体实施方式
参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。
本发明的目的在于提供一种采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，水在超临界水吸热器中产生超临界水进入汽轮机做功发电，有着很高的热电转换效率。由于白天太阳辐射有高有低，在集热能量大于发电所需能量时，将一部分超临界水分流，经过水-熔盐换热器，将热量传递给熔盐储存起来；在夜晚或白天来云时，熔盐又可以换热给水，产生蒸汽发电。超临界水在吸热和放热时都不产生相变，且在压力高于22.12低于25.5MPa的情况，水的比热随温度变化都比较小，所以在与熔盐换热的整个过程中保持很小的传热温差，可以将熔盐加热到很高的温度，能够极大的避免蓄热系统的火用损失。而相比较，在传统的水-蒸发-过热的模式下，需要使用多级熔盐蓄热系统，高温熔盐蓄热系统与水蒸汽的过热段匹配，低温熔盐蓄热系统与水的蒸发段匹配，比超临界水仅需要的单级熔盐蓄热系统复杂很多。
参考图1，该塔式太阳能热发电站，包括依次相连并形成第一工作回路的除氧器2、给水泵3、超临界水吸热器4、汽轮机12、凝汽器14和凝结水泵1，汽轮机12还与发电机13相连。其中，除氧器2的输入端设置有补水通道，如图1中A处所示，可对整个循环回路进行补水；给水泵3的输出端与超临界水吸热器4的输入端之间设置有一主给水调节阀151，超临界水吸热器4的输出端与汽轮机12的输入端之间设置有一主蒸汽调节阀153。初始状态下通过除氧器2的输入端进行补水，水经过除氧器2除氧后，通过给水泵3输送给设置在塔台上的超临界水吸热器4，超临界水吸热器4吸收太阳能将除氧后的水转变成超临界水输出，超临界水进入汽轮机12带动发电机13做功发电，超临界水放热做功后在凝汽器14中重新冷凝成凝结水，在凝结水泵1的作用下再次进入除氧器2内。其中，汽轮机12的输出口可通过一管路连到除氧器2的输入口，如图1中B处所示，利用汽轮机12内多余的热能对除氧器2加热。本发明采用超临界水进行做工发电，利用超临界水做功效率高的特点，从而提高了塔式太阳能热发电光电转化效率。
在本实施例中，该塔式太阳能热发电站还包括熔盐蓄热系统，熔盐蓄热系统进一步包括水-熔盐换热器5、扩容器6、冷盐罐7、热盐罐8、冷盐泵9、热盐泵10、熔盐-水换热器11。具体的，水-熔盐换热器5的一端与热盐罐8的一端相连，且水-熔盐换热器5的输入端还通过蒸汽进口截止阀154与超临界水吸热器4的输出端相连；水-熔盐换热器5的另一端与冷盐罐7通过一冷盐泵9相连，且水-熔盐换热器5的输出端与除氧器2的输入端相连。熔盐-水换热器11的一端与热盐罐8的另一端通过一热盐泵10相连，且盐-水换热器11的输出端通过蒸汽出口调节阀155与汽轮机12的输入端相连；熔盐-水换热器11的另一端与冷盐罐7的另一端相连，熔盐-水换热器11的输入端通过一副给水调节阀152与给水泵3的输出端相连。熔盐吸热前（放热后）和吸热后（放热前）分别储存在冷盐罐7和热盐罐8中，冷盐泵9将熔盐从冷盐罐7经水-熔盐换热器5吸热后输送到热盐罐8，热盐泵10将熔盐从热盐罐8经熔盐-水换热器11放热后输送到冷盐罐7。
熔盐蓄热系统用于太阳光照强时储存能量，并在在产生的超临界水不能满足发电要求或不能够发电的时候使用。当将蒸汽进口截止阀154打开时，超临界水吸热器4中的部分超临界水分流，流经水-熔盐换热器5将热量传递给熔盐并储存到热盐罐8内，降温后的超临界水由流经水-熔盐换热器5流入扩容器6内，通过扩容器6减压闪蒸，得到的较低参数蒸汽，该蒸气输入给除氧器2用于加热除氧器2，也可通过一热量输出通道向其他供热设备供热，如图1中C处所示，此处不作限制。此时，除氧器2、给水泵3、超临界水吸热器4、蒸汽进口截止阀154、水-熔盐换热器5、扩容器6形成一储能工作回路。当将蒸汽进口截止阀154闭合时，打开副给水调节阀152和蒸汽出口调节阀155，此时除氧器2、给水泵3、副给水调节阀152、熔盐-水换热器11、蒸汽出口调节阀155、汽轮机12、凝汽器14和凝结水泵1形成第二工作回路，利用热盐罐中的熔盐换热给水，产生蒸汽发电的热能进行做工发电。
本发明将超临界水做功发电和熔盐蓄热系统发电结合起来，熔盐作为目前最为主流和优秀的蓄热介质，当夜晚或太阳辐射较差时，其存储的热量可以保证汽轮机发电；本发明利用熔盐优势的同时，避免了熔盐上吸热塔，且熔盐系统设备能够紧凑布置，缩短了熔盐管道长度，极大的减小了熔盐凝固带来的系统安全风险；此外，利用超临界水吸热放热无相变和相变潜热的特点，用简单的单级熔盐蓄热系统就能保证较小传热温差和较高的蓄热温度，从而在不增加系统复杂性的基础上提高蓄热效率和发电效率。
本发明提供的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其具体操作过程如下：
当太阳辐射较好时，打开主给水调节阀151、主蒸汽调节阀153和蒸汽进口截止阀154，关闭副给水调节阀152和蒸汽出口调节阀155；凝结水泵1将凝结水送入除氧器2，除氧后的水经过给水泵3后进入超临界水吸热器4在太阳能的作用下加热生成超临界水，一部分超临界水进入汽轮机12带动发电机13做功，放热做功后在凝汽器14中重新冷凝成凝结水；另一部分超临界水通过水-熔盐换热器5，将热量传给熔盐蓄热系统，然后可以通过扩容器6减压闪蒸，得到的较低参数蒸汽可加热除氧器，也可以向电站其它用热设备供热。
当太阳辐射稍弱，但超临界水吸热器4仍能产生满足汽轮机60%～100%额定负荷的超临界水时，打开主给水调节阀151和主蒸汽调节阀153，关闭副给水调节阀152、蒸汽进口截止阀154和蒸汽出口调节阀155；凝结水泵1将凝结水送入除氧器2，除氧后的水经过给水泵3后进入超临界水吸热器4加热生成超临界水，超临界水进入汽轮机12带动发电机13做功，放热做功后在凝汽器14中重新冷凝成凝结水。
当太阳辐射较差，且超临界水吸热器4仍能产生满足汽轮机0～60%额定负荷的超临界水时，打开主给水调节阀151、副给水调节阀152、主蒸汽调节阀153和蒸汽出口调节阀155，关闭蒸汽进口截止阀154；凝结水泵1将凝结水送入除氧器2，除氧后的水经过给水泵3后分别进入超临界水吸热器4和熔盐-水换热器11，超临界水吸热器4与熔盐蓄热系统共同产生60%～100%额定负荷的超临界水，超临界水进入汽轮机12带动发电机13做功，放热做功后在凝汽器14中重新冷凝成凝结水。
当夜晚或超临界水吸热器4无法产生超临界水时，打开副给水调节阀152和蒸汽出口调节阀155，关闭主给水调节阀151、主蒸汽调节阀153和蒸汽进口截止阀154；凝结水泵1将凝结水送入除氧器2，除氧后的水经过给水泵3后进入熔盐-水换热器11，熔盐蓄热系统产生的超临界水，超临界水进入汽轮机12带动发电机13做功，放热做功后在凝汽器14中重新冷凝成凝结水。
本发明利用了超临界水做功效率高的优势，提高了塔式太阳能热发电效率。塔式太阳能光热发电系统增加了熔盐蓄热系统，熔盐作为目前最为主流和优秀的蓄热介质，当夜晚或太阳辐射较差时，其存储的热量可以保证汽轮机发电。利用熔盐优势的同时，避免了熔盐上吸热塔，且熔盐系统设备能够紧凑布置，缩短了熔盐管道长度，极大的减小了熔盐凝固带来的系统安全风险。利用了超临界水吸热放热无相变和相变潜热的特点，用简单的单级熔盐蓄热系统就能保证较小传热温差和较高的蓄热温度，从而在不增加系统复杂性的基础上提高蓄热效率和发电效率。
本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。
Claims (8)
1.一种采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，包括依次相连并形成第一发电回路的除氧器、给水泵、超临界水吸热器、汽轮机、凝汽器和凝结水泵，所述汽轮机与一发电机相连；初始状态下在所述除氧器的输入端进行补水，水经过所述除氧器除氧后，通过所述给水泵输送给设置在塔台上的所述超临界水吸热器，所述超临界水吸热器吸收太阳能将除氧后的水转变成超临界水输出，所述超临界水进入所述汽轮机带动所述发电机做功发电，所述超临界水放热做功后在所述凝汽器中重新冷凝成凝结水，在所述凝结水泵的作用下再次进入所述除氧器内；
所述塔式太阳能发电站还包括熔盐蓄热系统，所述熔盐蓄热系统并联在所述超临界水吸热器和所述汽轮机之间的回路上；所述熔盐蓄热系统还与所述除氧器的输入端相连，所述除氧器、给水泵、超临界水吸热器和所述熔盐蓄热系统形成一储能工作回路；所述熔盐蓄热系统还与所述给水泵的输出端相连，所述除氧器、给水泵、熔盐蓄热系统、汽轮机、凝汽器和凝结水泵形成第二发电回路；
所述熔盐蓄热系统包括水-熔盐换热器、扩容器、冷盐罐、冷盐泵、热盐罐、热盐泵、熔盐-水换热器；
所述水-熔盐换热器的两端分别连接所述热盐罐和所述冷盐罐的一端，且所述水-熔盐换热器与所述热盐罐的连接端还与所述超临界水吸热器的输出端相连，所述水-熔盐换热器与所述冷盐罐的连接端还通过所述扩容器与所述除氧器的输入端相连；
所述熔盐-水换热器的两端分别连接所述热盐罐和所述冷盐罐的另一端，且所述熔盐-水换热器与所述热盐罐的连接端还与所述汽轮机的输入端相连，所述熔盐-水换热器与所述冷盐罐的连接端还与所述给水泵的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，所述水-熔盐换热器与所述冷盐罐之间设置有冷盐泵，所述热盐罐与所述熔盐-水换热器之间设置有热盐泵。
3.根据权利要求1所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，所述给水泵的输出端与所述超临界水吸热器的输入端之间设置有一主给水调节阀，所述给水泵的输出端与所述熔盐-水换热器的输入端之间设置有一副给水调节阀，所述超临界水吸热器的输出端与所述汽轮机的输入端设置有一主蒸汽调节阀，所述超临界水吸热器的输出端与所述水-熔盐换热器的输入端设置有一蒸汽进口截止阀，所述熔盐-水换热器的输出端与汽轮机的输入端设置有一蒸汽出口调节阀。
4.根据权利要求1所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，所述扩容器的输出端设置有一热量输出通道，用于向其他供热设备供热。
5.根据权利要求3所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，
当太阳辐射较好时，打开所述主给水调节阀、所述主蒸汽调节阀和所述蒸汽进口截止阀，关闭所述副给水调节阀和所述蒸汽出口调节阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后进入所述超临界水吸热器，在太阳能辐射的作用下加热产生超临界水；一部分超临界水进入所述汽轮机带动所述发电机做功，放热做功后在所述凝汽器中重新冷凝成凝结水；另一部分超临界水通过所述水-熔盐换热器，将热量传给所述熔盐蓄热系统，然后可以通过所述扩容器减压闪蒸，得到的较低参数蒸汽可加热所述除氧器。
6.根据权利要求3所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，
当太阳辐射稍弱，但所述超临界水吸热器仍能产生满足汽轮机60%～100%额定负荷的超临界水时，打开所述主给水调节阀和所述主蒸汽调节阀，关闭所述副给水调节阀、所述蒸汽进口截止阀和所述蒸汽出口调节阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后进入所述超临界水吸热器加热生成超临界水，超临界水进入所述汽轮机带动所述发电机做功，并在放热做功后在所述凝汽器中重新冷凝成凝结水。
7.根据权利要求3所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，
当太阳辐射较差，且所述超临界水吸热器仍能产生满足汽轮机0～60%额定负荷的超临界水时，打开所述主给水调节阀、所述副给水调节阀、所述主蒸汽调节阀和所述蒸汽出口调节阀，关闭所述蒸汽进口截止阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后分别进入所述超临界水吸热器和熔盐-水换热器，所述超临界水吸热器与熔盐蓄热系统共同产生60%～100%额定负荷的超临界水，超临界水进入汽轮机带动发电机做功，放热做功后在凝汽器中重新冷凝成凝结水。
8.根据权利要求3所述的采用超临界水吸热器和熔盐蓄热的塔式太阳能热发电站，其特征在于，
当夜晚或所述超临界水吸热器无法产生超临界水时，打开所述副给水调节阀和所述蒸汽出口调节阀，关闭所述主给水调节阀、所述主蒸汽调节阀和所述蒸汽进口截止阀；所述凝结水泵将凝结水送入所述除氧器，除氧后的水经过所述给水泵后进入所述熔盐-水换热器，所述熔盐蓄热系统产生超临界水，超临界水进入所述汽轮机带动发电机做功，并在放热做功后在凝汽器中重新冷凝成凝结水。
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