制造過熱水蒸汽的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種借助太陽能制造過熱水蒸汽的裝置，所述裝置具有下列特征：至少一個(gè)利用熱載體介質(zhì)以熱量的形式容納太陽能的熱載體循環(huán)以及至少一個(gè)利用水和/或水蒸汽形成所述過熱水蒸汽的水/水蒸汽循環(huán)。在此在所述水/水蒸汽循環(huán)中，所述水和/或水蒸汽能夠沿流動方向流動。所述熱載體循環(huán)和所述水/水蒸氣循環(huán)相互熱耦合，用于通過至少一個(gè)中間過熱器的至少一個(gè)熱交換器制造過熱水蒸汽。在所述水/水蒸汽循環(huán)中，沿所述流動方向在所述熱交換器之前布置至少一個(gè)用于使水和水蒸汽相互分離的脫水器，從而使得基本上只有水蒸汽能夠進(jìn)入到所述熱交換器中。所述熱交換器和所述脫水器布置在公用的中間過熱器壓力容器中。
【專利說明】制造過熱水蒸汽的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種借助太陽能制造過熱水蒸汽的裝置以及一種在使用所述裝置的情況下制造過熱水蒸汽的方法。此外還說明了一種所述過熱水蒸汽的用途。
【背景技術(shù)】
[0002]替代傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)使用太陽熱能發(fā)電裝置，成為緩和已存在的二氧化碳問題的一條出路。在此太陽能(太陽能量)、即太陽的電磁射線，被轉(zhuǎn)化成電能。
[0003]目前大部分太陽熱能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)為利用間接蒸發(fā)的太陽熱能發(fā)電裝置。在此將具有拋物線槽收集器的太陽能場用作太陽能的接收器。除拋物線形槽收集器外還可將菲涅爾收集器用作太陽能的接收器。太陽能場亦可被太陽能塔替代使用。
[0004]所述利用間接蒸發(fā)的太陽熱能發(fā)電裝置具有蒸汽制造器。所述蒸汽制造器包括利用熱載體介質(zhì)的熱載體循環(huán)(一級循環(huán))和利用水的水/水蒸汽循環(huán)(二級循環(huán))。水和水蒸氣作為工作流體發(fā)揮作用。
[0005]熱載體循環(huán)的熱載體介質(zhì)，如熱油或熔鹽，以熱量(熱能)的形式容納太陽能。所述熱載體介質(zhì)被加熱。通過所述熱載體介質(zhì)容納的熱量借助于給水預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過熱器傳導(dǎo)至水/水蒸汽循環(huán)的水或者水蒸汽。過熱水蒸汽由此被制造出來。存儲在過熱水蒸汽中的熱能用于生產(chǎn)電能。出現(xiàn)了從熱能到電能的轉(zhuǎn)化。
[0006]所述過熱水蒸汽的熱能到電能的轉(zhuǎn)化在太陽熱能發(fā)電裝置的“常規(guī)”部件中得以實(shí)現(xiàn)，例如借助蒸汽渦輪機(jī)，通過所述蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)。
[0007]為了最優(yōu)地利用渦輪機(jī)潛能，水蒸汽在高壓渦輪機(jī)中減壓后被再次過熱。這將借助中間過熱器完成。在過熱后水蒸汽在低壓渦輪機(jī)中再次被減壓。在此不能被排除的是，在所述第一次減壓后水蒸汽含有少量液態(tài)水的成分。這種水/水蒸汽混合物會導(dǎo)致加熱表面的不期望的覆層(鹽斑)并且由于在蒸汽渦輪機(jī)的入口葉片處的水滴擊打造成渦輪機(jī)中的腐蝕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的任務(wù)是，指出如何能夠借助太陽能有效率地獲得具有少量水分的過熱水蒸汽，所述過熱水蒸氣能夠應(yīng)用于生產(chǎn)電能。
[0009]為解決該任務(wù)，提出一種借助太陽能制造過熱水蒸汽的裝置，所述裝置具有至少一個(gè)利用熱載體介質(zhì)以熱量的形式容納太陽能的熱載體循環(huán)以及至少一個(gè)利用水和/或水蒸汽形成所述過熱水蒸汽的水/水蒸汽循環(huán)，其中在所述水/水蒸汽循環(huán)中，所述水和/或水蒸汽能夠沿流動方向流動，所述熱載體循環(huán)和所述水/水蒸氣循環(huán)相互熱耦合，用于通過至少一個(gè)中間過熱器的至少一個(gè)熱交換器制造過熱水蒸汽，在所述水/水蒸汽循環(huán)中，沿所述流動方向在所述熱交換器之前布置至少一個(gè)用于使水和水蒸汽相互分離的脫水器，從而使得基本上只有水蒸汽能夠進(jìn)入到所述熱交換器中，并且所述熱交換器和所述脫水器布置在公用的中間過熱器壓力容器中。[0010]為解決此任務(wù)，還提出了一種在使用所述裝置的情況下制造過熱水蒸汽的方法，所述方法具有下列方法步驟:a)提供所述熱載體介質(zhì)，b)將太陽能轉(zhuǎn)化為所述熱載體介質(zhì)的熱量，c)提供所述水/水蒸汽循環(huán)的水/水蒸汽混合物，d)借助脫水器從所述水/水蒸汽混合物中分離水，并且d)將所述熱載體介質(zhì)中的熱量傳導(dǎo)至所述水/水蒸汽混合物的余下的水蒸汽，由此制造所述過熱水蒸汽。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種將利用所述方法制造出的過熱水蒸汽用于生產(chǎn)電能的用途，其中借助所述過熱水蒸汽驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)。
[0012]在脫水器和熱交換器之間通常會設(shè)置連接管，通過所述連接管將飽和水蒸汽從脫水器導(dǎo)入到熱交換器中。在此即使在非常輕微的冷卻的情況下也會發(fā)生飽和水蒸汽的凝結(jié)(形成液態(tài)水)。相反，根據(jù)本發(fā)明在脫水器和中間過熱器的熱交換器之間不使用連接管。脫水器和熱交換器布置在唯一的容器中，從而使得通過脫水得到的飽和水蒸汽直接進(jìn)入到中間過熱器的熱交換器中。為此脫水器和熱交換器優(yōu)選直接緊鄰地布置。
[0013]分離出的水優(yōu)選再輸送給水/水蒸汽循環(huán)。為此設(shè)置例如一個(gè)或多個(gè)泵。
[0014]利用中間過熱器會提高連接在后面的蒸汽渦輪機(jī)的效率。利用中間過熱器將熱能引入到水/水蒸汽循環(huán)中的水蒸汽中。為了引入熱能，由太陽熱能驅(qū)動中間過熱器:中間過熱器具有用于容納水蒸汽的中間過熱器水管。為了中間過熱，熱的、借助太陽能(由太陽發(fā)出并到達(dá)地球表面的電磁射線)加熱的熱載體介質(zhì)被導(dǎo)流經(jīng)過中間過熱器水管。中間過熱器水管和熱載體介質(zhì)相互熱耦合。通過熱載體介質(zhì)的導(dǎo)流經(jīng)過，使得在中間過熱器水管中的水蒸汽過熱。
[0015]為了引起熱載體介質(zhì)流動經(jīng)過中間過熱器水管，設(shè)置例如一個(gè)熱載體泵或多個(gè)熱載體泵。熱載體介質(zhì)被泵送經(jīng)過水管。中間過熱器優(yōu)選具有垂直的結(jié)構(gòu)，從而使得熱的熱載體介質(zhì)能夠“由上向下”地穿過熱交換器流動。利用所述中間過熱器的垂直結(jié)構(gòu)此外還可利用在中間過熱器水管中的水蒸汽的自然的“由下向上”的運(yùn)動。
[0016]在一種特殊的設(shè)計(jì)方案中，熱交換器垂直地布置在脫水器上方。在此也利用了水蒸汽的自然的運(yùn)動。此外能夠以簡單的方式導(dǎo)出分離出的水并且為了進(jìn)一步使用再次輸送給水/水蒸汽循環(huán)。
[0017]根據(jù)一種特殊的設(shè)計(jì)方案，熱交換器具有至少一個(gè)用于導(dǎo)引所述水/水蒸汽循環(huán)的水蒸汽的中間過熱器水管。在此所述中間過熱器水管具有至少一種從直線形、U形和螺旋形的組中選出的管形。尤其利用U形和利用螺旋形會形成有效率的熱交換。
[0018]此外還可以考慮將加熱介質(zhì)轉(zhuǎn)換到管道內(nèi)側(cè)。所述熱載體介質(zhì)在中間過熱器熱載體管中流動。水蒸汽循環(huán)中的水蒸汽流動經(jīng)過中間過熱器熱載體管的外壁。在此會發(fā)生熱傳導(dǎo)。在一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)方案中，熱交換器具有至少一個(gè)用于導(dǎo)引熱載體循環(huán)的熱載體介質(zhì)的中間過熱器熱載體管。在此所述中間過熱器熱載體管具有至少一種從直線形、U形和螺旋形的組中選出的管形。在此也是尤其利用U形和利用螺旋形會形成有效率的熱交換。
[0019]特別有效率的是，存在多個(gè)彼此平行布置的中間過熱器水管。形成中間過熱器水管集束。在給定的管道體積下，針對熱載體介質(zhì)和水蒸汽熱耦合的(總)管道表面積而言，中間過熱器水管集束比唯一的中間過熱器水管更大。
[0020]對于中間過熱器水管集束而言，例如水蒸汽通過分流器分流到中間過熱器水管中。在中間過熱器水管中的每個(gè)中單獨(dú)進(jìn)行過熱水蒸汽的制造。通過收集器將在單個(gè)中間過熱器水管中獲得的過熱水蒸汽再聚集起來。所述聚集的過熱水蒸汽隨后進(jìn)一步導(dǎo)入到蒸汽渦輪機(jī)中。
[0021]為了進(jìn)一步提高熱載體介質(zhì)的熱量傳遞到中間過熱器水管的水蒸汽的效率，有利的是，影響熱載體介質(zhì)的流動方向(和流動速度)。所述熱載體介質(zhì)能夠受導(dǎo)引地導(dǎo)流經(jīng)過這個(gè)中間過熱器水管或這些中間過熱器水管。為此根據(jù)一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)方案存在多個(gè)用于改變熱載體介質(zhì)的流動方向的轉(zhuǎn)向板。
[0022]根據(jù)一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)方案，存在多個(gè)中間過熱器。優(yōu)選多個(gè)蒸汽制造器與更大的中間過熱器單元并聯(lián)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面根據(jù)多個(gè)實(shí)施例和配屬于所述實(shí)施例的附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。所述附圖是示意性的并且不是按比例繪制的示圖:
圖1示出了用于制造過熱水蒸汽的裝置的第一實(shí)施例的側(cè)視圖。
[0024]圖2示出了用于制造過熱水蒸汽的裝置的第二實(shí)施例的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]出發(fā)點(diǎn)是借助太陽能制造過熱水蒸汽30的裝置I。所述裝置具有下述部件:利用熱載體介質(zhì)20以熱量的形式容納太陽能的熱載體循環(huán)2以及利用水和/或水蒸汽形成過熱水蒸汽的水/水蒸汽循環(huán)3。在此，在所述水/水蒸汽循環(huán)中，所述水和/或水蒸汽能夠沿流動方向33流動。
[0026]所述熱載體循環(huán)和所述水/水蒸氣循環(huán)相互熱耦合，用于通過至少一個(gè)中間過熱器4的至少一個(gè)熱交換器制造過熱水蒸汽。熱的熱載體介質(zhì)22被引入到所述中間過熱器中。冷的熱載體介質(zhì)23離開所述中間過熱器的熱交換器并且重新用于容納太陽能。
[0027]在所述水/水蒸汽循環(huán)中，沿所述流動方向在所述熱交換器之前布置用于使水和水蒸汽相互分離的脫水器5，從而使得基本上只有水蒸汽能夠進(jìn)入到所述熱交換器中。所述熱交換器和所述脫水器布置在公用的中間過熱器壓力容器中。
[0028]在所述脫水器中分離出的水50會被重新導(dǎo)入所述水/水蒸汽循環(huán)。
[0029]實(shí)施例1:
在此水蒸汽(在由第一蒸汽渦輪機(jī)減壓后)被導(dǎo)入到脫水器中。飽和水蒸汽從所述脫水器直接流入到集束的U形的中間過熱器水管(U形管)中。所述U形管環(huán)形地布置并且定位，從而通過接頭構(gòu)成兩個(gè)分管道板。所述分管道板偏移地(彼此獨(dú)立地)布置。由此避免由于較大的溫差而引起的熱應(yīng)力。通過使用轉(zhuǎn)向板提高熱載體介質(zhì)在管內(nèi)空間中的流動速度并且由此改善熱量傳導(dǎo)。
[0030]實(shí)施例2:
該設(shè)備的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1類似。替代U形管，中間過熱器水管以螺旋形集束地安裝。為縮小流動橫截面，將所述中間過熱器水管集束分成兩部分。其功能原理與U形管結(jié)構(gòu)類似。
[0031]根據(jù)另外一個(gè)未示出的實(shí)施例，設(shè)置U形的中間過熱器水管和螺旋形的中間過熱器水管。
[0032]其他同樣未示出的實(shí)施例包含在管道內(nèi)部中導(dǎo)引流體的熱載體介質(zhì)。設(shè)置U形的中間過熱器熱載體管和/或螺旋形的中間過熱器熱載體管。水/水蒸汽循環(huán)的水蒸汽能夠流動經(jīng)過中間過熱器熱載體管的外表面，由此發(fā)生能量交換。
[0033]所述裝置借助太陽能制造過熱水蒸汽。在此實(shí)施下列方法步驟:a)提供所述熱載體介質(zhì)，b)將太陽能轉(zhuǎn)化為所述熱載體介質(zhì)的熱量，c)提供所述水/水蒸汽循環(huán)的水/水蒸汽混合物，d)借助脫水器從所述水/水蒸汽混合物中分離水，并且d)將所述熱載體介質(zhì)中的熱量傳導(dǎo)至所述水/水蒸汽混合物的余下的水蒸汽，由此制造所述過熱水蒸汽。
[0034]制造出的過熱水蒸汽為了產(chǎn)生電流會被進(jìn)一步導(dǎo)入到蒸汽渦輪機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種借助太陽能制造過熱水蒸汽(30)的裝置(1)，所述裝置具有: -至少一個(gè)熱載體循環(huán)(2)，所述熱載體循環(huán)利用熱載體介質(zhì)(20)以熱量的形式容納太陽能以及 -至少一個(gè)水/水蒸汽循環(huán)(3)，所述水/水蒸汽循環(huán)利用水和/或水蒸汽形成所述過熱水蒸汽，其中 -在所述水/水蒸汽循環(huán)中，所述水和/或水蒸汽能夠沿流動方向(33)流動， -所述熱載體循環(huán)和所述水/水蒸氣循環(huán)相互熱耦合，用于通過至少一個(gè)中間過熱器(4)的至少一個(gè)熱交換器(40)制造過熱水蒸汽， -在所述水/水蒸汽循環(huán)中，沿所述流動方向在所述熱交換器之前布置至少一個(gè)用于使水和水蒸汽相互分離的脫水器(5)，從而使得基本上只有水蒸汽能夠進(jìn)入到所述熱交換器中，并且 所述熱交換器和所述脫水器布置在公用的中間過熱器壓力容器(6 )中。
2.按照權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述脫水器和所述熱交換器直接緊鄰地布置。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述熱交換器垂直地布置在所述脫水器上方。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述熱交換器具有至少一個(gè)用于導(dǎo)引所述水/水蒸汽循環(huán)的水蒸汽的中間過熱器水管(31)，并且所述中間過熱器水管具有至少一種從直線形、U形和螺旋形的組中選出的管形。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述熱交換器具有至少一個(gè)用于導(dǎo)弓I所述熱載體循環(huán)中的熱載體介質(zhì)的中間過熱器熱載體管，并且所述中間過熱器熱載體管具有至少一種從直線形、U形和螺旋形的組中選出的管形。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其中存在多個(gè)(32)彼此平行布置的中間過熱器水管和/或多個(gè)彼此平行布置的中間過熱器熱載體管。
7.按照權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的裝置，其中存在多個(gè)用于改變所述熱載體介質(zhì)的流動方向的轉(zhuǎn)向板。
8.按照權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的裝置，其中存在多個(gè)中間過熱器。
9.一種在使用按照權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的裝置的情況下制造過熱水蒸汽的方法，所述方法具有如下方法步驟: a)提供所述熱載體介質(zhì)， b)將太陽能轉(zhuǎn)化為所述熱載體介質(zhì)的熱量， c)提供所述水/水蒸汽循環(huán)的水/水蒸汽混合物， d)借助脫水器從所述水/水蒸汽混合物中分離水，并且 d)將所述熱載體介質(zhì)中的熱量傳導(dǎo)至所述水/水蒸汽混合物的余下的水蒸汽，由此制造所述過熱水蒸汽。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法將過熱水蒸汽用于生產(chǎn)電能的用途，其中借助過熱水蒸汽驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)(12)。
【文檔編號】F03G6/06GK103429853SQ201180047425
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2010年9月30日
【發(fā)明者】A.欽奇克, G.貝克施, W.霍夫曼 申請人:西門子公司