分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置。本發(fā)明利用DSG太陽能集熱器取代余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器并加熱給水，產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽返回余熱鍋爐過熱后送往汽輪機(jī)高壓缸中做功；利用熱管式真空管集熱器取代余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器并加熱給水，產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽返回余熱鍋爐過熱后送往汽輪機(jī)低壓缸中做功。本發(fā)明實現(xiàn)了低品位太陽能熱轉(zhuǎn)功效率的提高，降低了成本，減少了化石能源消耗及相應(yīng)的CO2排放，同時，實現(xiàn)了太陽能與化石能源的互補(bǔ)和綜合梯級利用。
【專利說明】分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)主要包括中低溫太陽能熱利用技術(shù)、太陽能直接蒸汽發(fā)生技術(shù)(DSG技術(shù))和熱管式真空管技術(shù)，其各自技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及特征如下:
[0003]1.中低溫太陽能熱利用技術(shù):
[0004]以化石燃料為主的能源利用結(jié)構(gòu)為人類的生存與發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用，但也伴隨著能耗與污染等棘手問題。全世界已探明的石油、天然氣、煤炭等化石燃料資源只能使用幾百年。為了滿足持續(xù)發(fā)展的需求，必須探索新的能源，不斷增加清潔的可再生能源利用，以逐漸減少對化石能源的依賴及其對環(huán)境的污染。太陽能以其清潔、可再生等特點而被廣泛關(guān)注，國內(nèi)外很多學(xué)者認(rèn)為太陽能熱發(fā)電是解決未來能源問題的最有前景的技術(shù)，有可能成為中長期的主力能源。
[0005]槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是通過槽式聚光鏡面將太陽光匯聚在焦線上，在焦線上安裝管狀吸熱器吸收聚焦后的太陽輻射能。管內(nèi)的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器加熱水產(chǎn)生蒸汽，借助于蒸汽動力循環(huán)來發(fā)電。從20世紀(jì)80年代初各國就開始積極發(fā)展槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，美國、西歐、以色列、日本發(fā)展較快。美國加州的SEGS電廠是全球首座商業(yè)化運行的槽式太陽熱發(fā)電廠，并運行至今。目前槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的應(yīng)用歷史，其技術(shù)成熟可靠，能有效降低碳排放和節(jié)約化石燃料。
[0006]由于太陽能的不穩(wěn)定性，單純的槽式太陽能發(fā)電站效率低且蓄熱設(shè)備成本高。無論從傳統(tǒng)化石能源發(fā)電，還是單純的太陽能熱發(fā)電來看，太陽能與化石能源互補(bǔ)綜合利用，對緩解他們面臨的難題、減少化石能源消耗與環(huán)境污染以及降低太陽能應(yīng)用風(fēng)險等都是有利的。太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)的研究，最早始于澳大利亞Eric Hu課題組。太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能與常規(guī)燃煤火力發(fā)電機(jī)組相耦合，太陽能集熱場起到加熱給水的作用，用以替代部分燃煤消耗，在減小燃料消耗的同時不改變或增加機(jī)組發(fā)電量。通過將太陽能集熱場與常規(guī)燃煤電廠結(jié)合，可以省去太陽能熱發(fā)電中的蓄熱及補(bǔ)燃系統(tǒng)，從而達(dá)到大幅度降低發(fā)電成本、實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的目的。
[0007]槽式太陽能燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)(Integrated Solar Combined Cycle,ISCC)是將槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，最初由Luz提出。ISCC發(fā)電技術(shù)利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱來為太陽能作補(bǔ)充，燃?xì)廨啓C(jī)余熱用于預(yù)熱給水和提高太陽能產(chǎn)生的蒸汽溫度，以提高朗肯循環(huán)的出力，優(yōu)化能源發(fā)電效率。在太陽能充足的條件下，ISCC系統(tǒng)以太陽能和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)方式運行；在太陽能不足的條件下(多云或夜間)，ISCC系統(tǒng)以傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)運行。與傳統(tǒng)槽式太陽能電站相比，ISCC系統(tǒng)具有以下優(yōu)點=(I)ISCC系統(tǒng)的發(fā)電熱效率高；(2)ISCC系統(tǒng)避免了蓄熱裝置，大大降低了成本；(3) ISCC系統(tǒng)減少了機(jī)組的頻繁啟停，從而延長機(jī)組的使用壽命。[0008]世界范圍內(nèi)，這種槽式太陽能燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站目前已有埃及的Kuraymat 項目、美國的 Martin Next Generation Solar Energy Center 項目和摩洛哥的AinBeniMather項目等投入運行,并取得了極大的成功。伊朗Yazd投運的467MW太陽能熱互補(bǔ)的聯(lián)合循環(huán)電站也是世界上最早運行的ISCC電站之一，其中太陽能凈發(fā)電功率為17麗。阿爾及利亞北部Hassi地區(qū)的50(MW ISCC電站，于2009年開始建設(shè)，由150麗聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及其拋物槽式太陽能聚光裝置(太陽鏡18萬m2，25MW)組成，太陽能主要用于汽輪機(jī)循環(huán)部分。摩洛哥東部的ISCC電站機(jī)組總?cè)萘?50MW，太陽能額定負(fù)荷20MW，最大負(fù)荷30MW，太陽鏡場面積22.6萬m2，全年發(fā)電量17.8億kWh。2007年埃及在Kuraymat建設(shè)一座150MWISCC電站，其太陽鏡場面積22萬m2，燃?xì)廨啓C(jī)容量80MW，汽輪機(jī)70麗(帶太陽能發(fā)電)和38麗(不帶太陽能發(fā)電)，全年發(fā)電量9.8億kWh，實際太陽能利用效率達(dá)到28.7%。我國太陽能熱發(fā)電發(fā)展晚于國外，但越來越受到國家的重視。國內(nèi)首座ISCC電站一寧夏鹽池哈納斯槽式太陽能燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站于2011年10月開工建設(shè)，計劃2013年10月建成投產(chǎn)。建成后，年發(fā)電量約3.04 X 108kffh,相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10.4萬噸，與相同年發(fā)電量的常規(guī)火力發(fā)電廠相比，每年減少二氧化碳排放量21萬噸。
[0009]J.Dersch將ISCC系統(tǒng)、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了對比，指出在設(shè)計工況下，ISCC系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)68.6%，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)為56.5%，而槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)僅為34.7%。在太陽能調(diào)度模式下，ISCC系統(tǒng)的CO2排放量比傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)電站小，并且ISCC系統(tǒng)的發(fā)電成本(Levelized energy cost, LEC)低于單純槽式太陽能熱發(fā)電站。M.Horn等為在埃及建造的ISCC電站進(jìn)行了技術(shù)評估和經(jīng)濟(jì)可行性研究，文中提出了兩種耦合系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)均將太陽能收集的熱量用于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的底部蒸汽循環(huán)，但其太陽能集熱器不同，一種采用了拋物面槽式太陽能集熱器，另一種采用了 PHOEBUS的塔式空氣接收器，分析得出這兩種系統(tǒng)的成本均低于單純太陽能熱發(fā)電站。M.A.H.El-Sayed提出了評估ISCC電站經(jīng)濟(jì)性的方法，并利用此方法為在埃及建造的2X130MW的ISCC電站進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評估，分析得出當(dāng)太陽能集熱器成本下降至74%、燃?xì)鈨r格漲至166%，CO2的減排成本達(dá)到15$/t-C時，這種ISCC電站是經(jīng)濟(jì)的。
[0010]2.太陽能直接蒸汽發(fā)生技術(shù)(DSG技術(shù)):
[0011]傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)采用HTF (Heat Transfer Fluid)太陽能集熱場，太陽能將管內(nèi)的導(dǎo)熱油加熱后，流經(jīng)換熱器加熱水以產(chǎn)生蒸汽。Zarza在1996年最初提出了 DISS (DirectSolar Steam)工程,這是一項先進(jìn)的太陽能直接蒸汽發(fā)生技術(shù)(DSG技術(shù))。太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)將預(yù)熱的給水直接轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽，并且產(chǎn)生的蒸汽溫度高，同時，減少了油-水換熱時的能量損失，所以系統(tǒng)的效率較高。這種裝置避免了中間油水換熱設(shè)備，降低了成本，研究表明集成DSG技術(shù)的太陽能電廠的發(fā)電成本可以降低10%。
[0012]Nezammahalleh研究了三種系統(tǒng):太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)匹配組成的ISCC-DSG系統(tǒng)，單純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的槽式太陽能集熱場與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)集成的ISCC-HTF系統(tǒng)。研究表明，ISCC-DSG系統(tǒng)的凈效率t匕ISCC-HTF系統(tǒng)的凈效率高；ISCC-DSG的CO2排放量比ISCC-HTF系統(tǒng)低2.5% ；ISCC-DSG的發(fā)電成本(Levelized Energy Cost, LEC)最低。Montes研究了由燃?xì)廨啓C(jī)與太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)匹配組成的ISCC-DSG系統(tǒng)的性能，該裝置將太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與高壓蒸汽輪機(jī)底循環(huán)集成，對阿梅利亞和拉斯維加斯兩個地方的ISCC電站進(jìn)行全年性能模擬。經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)，這是可以降低聚光式太陽能發(fā)電成本的有效方法，同時指出系統(tǒng)是否能夠降低成本與ISCC系統(tǒng)中太陽能的匹配密切相關(guān)。
[0013]3.熱管式真空管技術(shù):
[0014]熱管式真空管太陽能集熱器被認(rèn)為是繼悶曬式、平板式、全玻璃真空管集熱器后的第四代太陽能集熱產(chǎn)品，在太陽能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。熱管式真空管太陽能集熱器以其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和安全可靠的運行模式，正在替代其它類型的太陽能集熱器產(chǎn)品，并逐漸成為太陽能熱水器市場的主流。
[0015]熱管式真空管集熱器由熱管式真空管組成。熱管是一種利用汽化潛熱高效傳遞熱能的強(qiáng)化傳熱原件，熱管的蒸發(fā)段在下部，冷凝段在上部。當(dāng)太陽光照射到熱管的蒸發(fā)段時，熱管內(nèi)部的工質(zhì)受熱沸騰汽化，蒸汽上升至冷凝段，在此放出汽化潛熱冷凝為液體，冷凝工質(zhì)沿管壁回流至蒸發(fā)段，完成一個循環(huán)。冷凝段把獲得的汽化潛熱傳導(dǎo)給水箱中的水，使水溫上升。
[0016]國內(nèi)對熱管式真空管及其集熱器的研究始于1986年。北京太陽能研究所何梓年等在早期研究了熱管式真空管及其集熱器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、制造方法、熱性能分析、熱性能測定方法等內(nèi)容。中科院王志峰對比研究了熱管式真空管集熱器和平板型太陽能集熱器，研究發(fā)現(xiàn)，熱管式真空管集熱器的最高效率略低于平板型太陽能集熱器，但是隨著集熱溫度升高，熱管式真空管集熱器的集熱效率波動較小，并穩(wěn)定在較高的水平。
[0017]與悶曬型、平板型和全玻璃真空管集熱器相比，熱管式真空管具有啟動快、可靠性強(qiáng)、承壓性能好、傳熱性能好等特點。與聚光式集熱器相比，這種非聚光式集熱器可以聚集全部太陽輻射，包括太陽直射輻射和散射輻射，而聚光式集熱器只能接收70%的直射輻射，所以熱管式真空管集熱器可實現(xiàn)更高效的太陽能轉(zhuǎn)功；且真空管集熱器成本低、占地面積小，所以熱管式真空管集熱器有更好的熱力性能和經(jīng)濟(jì)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的主要目的是提供一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置，以實現(xiàn)太陽能熱轉(zhuǎn)功效率的提高，降低成本，減少化石能源消耗及相應(yīng)的CO2排放，并實現(xiàn)太陽能與化石能源的互補(bǔ)和綜合梯級利用，為太陽能的高效利用提供了新的低成本的選擇。
[0019]本發(fā)明所述的方法采用了以下技術(shù)方案:
[0020]將不同種類的太陽能集熱器按其集熱品位的不同分別與動力子系統(tǒng)各個熱力過程相耦合，利用DSG太陽能集熱器取代余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器并加熱給水，產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽返回余熱鍋爐過熱后送往汽輪機(jī)高壓缸中做功；利用熱管式真空管集熱器取代余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器并加熱給水，產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽返回余熱鍋爐過熱后送往汽輪機(jī)低壓缸中做功。
[0021]本發(fā)明還提供了一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的裝置，具體方案為:
[0022]空氣壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)馔钙揭来芜B接后，接入余熱鍋爐的高溫?zé)煔馊肟?；
[0023]所述余熱鍋爐的高溫?zé)煔馊肟谂c低溫?zé)煔獬隹谥g依次設(shè)置高壓過熱器、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發(fā)器、低壓省煤器；[0024]所述高壓過熱器的出口與汽輪機(jī)高壓缸的入口連接，汽輪機(jī)高壓缸的出口和汽輪機(jī)中壓缸的入口連接，汽輪機(jī)中壓缸的出口與汽輪機(jī)低壓缸的入口連接；汽輪機(jī)低壓缸的抽汽口與除氧器連接，汽輪機(jī)低壓缸的出口依次與冷凝器、第三升壓泵串聯(lián)后接入除氧器；除氧器的出口與第一升壓泵連接后再接入低壓省煤器的入口；
[0025]低壓省煤器的一個出口與低壓汽包連接，另一個出口通過第二升壓泵與高壓省煤器的入口連接；
[0026]熱管式真空管集熱器的出口、低壓蒸發(fā)器的出口分別與低壓汽包連接；低壓汽包的氣體出口與低壓過熱器的入口連接，低壓汽包的水出口分別與熱管式真空管集熱器的入口、低壓蒸發(fā)器的入口連接；低壓過熱器的出口與汽輪機(jī)低壓缸的入口連接；
[0027]高壓省煤器的出口、DSG太陽能集熱器的出口以及高壓蒸發(fā)器的出口分別與高壓汽包連接；高壓汽包的氣體出口與高壓過熱器的入口連接，高壓汽包的水出口分別與DSG太陽能集熱器的入口、高壓蒸發(fā)器的入口連接。
[0028]所述燃?xì)馔钙脚c第一發(fā)電機(jī)連接，汽輪機(jī)與第二發(fā)電機(jī)連接。
[0029]所述汽輪機(jī)高壓缸的出口和汽輪機(jī)中壓缸的入口之間設(shè)置再熱器。
[0030]在該裝置中，給水經(jīng)除氧后分別被送到余熱鍋爐的低壓省煤器和高壓省煤器中加熱，經(jīng)過預(yù)熱的給水分別進(jìn)入熱管式真空管集熱器和DSG太陽能集熱器，進(jìn)一步蒸發(fā)生成低壓、高壓飽和蒸汽，低壓、高壓飽和蒸汽回到余熱鍋爐，分別與余熱鍋爐低壓、高壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽混合，送到余熱鍋爐低壓、高壓過熱器中生成過熱蒸汽，最后進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。
[0031]相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0032](I)本發(fā)明將不同種類的太陽能集熱器按其集熱品位的不同分別與動力子系統(tǒng)各個熱力過程相耦合，利用DSG太陽能集熱器取代余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器，同時，將熱管式真空管集熱器取代余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器，產(chǎn)生的蒸汽返回余熱鍋爐，并最終在汽輪機(jī)中實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)了太陽能與化石能源的互補(bǔ)和綜合梯級利用。
[0033](2)本發(fā)明中，太陽能的熱集成改善了余熱鍋爐的換熱匹配，增加了底循環(huán)工質(zhì)的流量，增加了系統(tǒng)的出力，余熱鍋爐排煙損失可進(jìn)一步降低，實現(xiàn)了太陽能熱轉(zhuǎn)功效率的提高，降低了成本，減少了化石能源消耗及相應(yīng)的CO2排放。傳統(tǒng)的太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)(ISCC)通常只有一級太陽熱能輸入，即槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與動力系統(tǒng)中某一固定的能量轉(zhuǎn)化過程耦合，太陽能發(fā)電份額低，過程存在較大的不可逆損失，變工況時，系統(tǒng)性能惡化嚴(yán)重。本發(fā)明試圖從“分級”的角度出發(fā)，尋求不同種類的太陽能集熱裝置按其工作溫度的不同分別與動力系統(tǒng)各個熱力過程的品位匹配和梯級互補(bǔ)關(guān)系，模擬分析得出:分級式ISCC系統(tǒng)的太陽能熱輸入份額為27.8%，與相同燃料輸入下的傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)相比，其太陽能凈發(fā)電效率和化石燃料節(jié)約率分別比傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)高7.7%及16.8% ;分級式ISCC系統(tǒng)的燃料基發(fā)電效率達(dá)到74%，比傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)及CCGT系統(tǒng)分別高4.5%及31%?；趯崃W(xué)第二定律的考慮，分級式ISCC系統(tǒng)畑效率為60.9%，比傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)及CCGT系統(tǒng)分別高4.3%和12.2%?？梢?，本方法實現(xiàn)了太陽能高效熱功轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)熱力性能的改善。從系統(tǒng)初步經(jīng)濟(jì)估算中得出:本發(fā)明中系統(tǒng)的發(fā)電成本為0.06$/kWh，投資回收期為6.1年，體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)性能。
[0034](3)本發(fā)明不但實現(xiàn)了太陽能熱轉(zhuǎn)功效率的提高，降低了成本，減少了化石能源消耗及相應(yīng)的CO2排放，節(jié)約能源并有效降低環(huán)境污染，還實現(xiàn)了太陽能與化石能源的互補(bǔ)和綜合梯級利用。熱力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性俱佳，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明提供的分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)互補(bǔ)的裝置的示意圖。
[0036]圖中符號:
[0037]1-空氣壓氣機(jī)；2_燃燒室；3_燃?xì)馔钙剑?_除氧器；5_第一升壓泵；6_低壓省煤器；7_低壓汽包；8_熱管式真空管集熱器；9_低壓蒸發(fā)器；10_低壓過熱器；11_第二升壓泵；12_高壓省煤器；13_高壓汽包；14-DSG太陽能集熱器；15_高壓蒸發(fā)器；16_高壓過熱器；17_汽輪機(jī)高壓缸；18_汽輪機(jī)中壓缸；19_汽輪機(jī)低壓缸；20_冷凝器；21_第三升壓泵；22_余熱鍋爐；23_第一發(fā)電機(jī)；24_第二發(fā)電機(jī)。
【具體實施方式】
[0038]本發(fā)明提供了一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0039]本發(fā)明提供的這種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法及裝置，是將不同種類的太陽能集熱器按其集熱品位的不同分別與動力子系統(tǒng)各個熱力過程相耦合，利用太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(DSG)取代余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器，同時，將熱管式真空管集熱器取代余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器，產(chǎn)生的蒸汽返回余熱鍋爐，并最終在汽輪機(jī)中實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。
[0040]太陽能直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和熱管式真空管集熱器的應(yīng)用，增加了太陽能熱輸入份額，節(jié)約了化石能源，實現(xiàn)了太陽能的低成本高品質(zhì)利用，大大提高了能源的綜合利用效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。
[0041 ] 參見圖1，本發(fā)明提供的這種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的裝置，其結(jié)構(gòu)為:
[0042]空氣壓氣機(jī)1、燃燒室2、燃?xì)馔钙?依次連接后，接入余熱鍋爐22的高溫?zé)煔馊肟?；所述余熱鍋爐22的高溫?zé)煔馊肟谂c低溫?zé)煔獬隹谥g依次設(shè)置高壓過熱器16、高壓蒸發(fā)器15、高壓省煤器12、低壓過熱器10、低壓蒸發(fā)器9、低壓省煤器6 ；
[0043]所述高壓過熱器16的出口與汽輪機(jī)高壓缸17的入口連接，再熱器分別與汽輪機(jī)高壓缸17的出口和汽輪機(jī)中壓缸18的入口連接(為保持圖形簡潔，未畫出再熱器)，汽輪機(jī)中壓缸18的出口與汽輪機(jī)低壓缸19的入口連接；汽輪機(jī)低壓缸19的抽汽口與除氧器4連接，汽輪機(jī)低壓缸19的出口依次與冷凝器20、第三升壓泵21串聯(lián)后接入除氧器4 ;除氧器4的出口與第一升壓泵5連接后再接入低壓省煤器6的入口；
[0044]低壓省煤器6的一個出口與低壓汽包7連接，另一個出口通過第二升壓泵11與高壓省煤器12的入口連接；熱管式真空管集熱器8的出口、低壓蒸發(fā)器9的出口分別與低壓汽包7連接；低壓汽包7的氣體出口與低壓過熱器10的入口連接，低壓汽包7的水出口分別與熱管式真空管集熱器8的入口、低壓蒸發(fā)器9的入口連接；低壓過熱器10的出口與汽輪機(jī)低壓缸19的入口連接；[0045]高壓省煤器12的出口、DSG太陽能集熱器14的出口以及高壓蒸發(fā)器15的出口分別與高壓汽包13連接；高壓汽包13的氣體出口與高壓過熱器16的入口連接，高壓汽包13的水出口分別與DSG太陽能集熱器14的入口、高壓蒸發(fā)器15的入口連接。
[0046]所述燃?xì)馔钙?與第一發(fā)電機(jī)23連接，汽輪機(jī)高壓缸17、汽輪機(jī)中壓缸18和汽輪機(jī)低壓缸19與第二發(fā)電機(jī)24串聯(lián)。
[0047]各個部件的功能為:
[0048]空氣壓氣機(jī)I，用于將空氣SI升壓至Brayton循環(huán)的最高壓力，形成壓縮空氣S2輸出給燃燒室2 ；
[0049]燃燒室2，用于合成燃料氣S3和壓縮空氣S2發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到高溫氣體S4 ；
[0050]燃?xì)馔钙?，用于實現(xiàn)高溫氣體S4膨脹做功；
[0051]除氧器4，用于給水S27、給水S30除氧；
[0052]第一升壓泵5，用于輸送給水S6至余熱鍋爐低壓省煤器6 ；
[0053]低壓省煤器6，用于將給水S7加熱至低壓飽和水S8 ；
[0054]低壓汽包7，用于汽水的匯集、分離；
[0055]熱管式真空管集熱器8，用于聚集中低溫太陽熱能并加熱飽和水Sll至低壓飽和蒸汽S12 ；
[0056]低壓蒸發(fā)器9，用于加熱飽和水S9至低壓飽和蒸汽SlO ；
[0057]低壓過熱器10，用于加熱飽和蒸汽S13至低壓過熱蒸汽S14 ；
[0058]第二升壓泵11，用于輸送給水S15至高壓省煤器12 ；
[0059]高壓省煤器12，用于將給水S16加熱至高壓飽和水S17 ；
[0060]高壓汽包13，用于汽水的匯集、分離；
[0061]DSG太陽能集熱器14，用于聚集中溫太陽熱能并加熱飽和水S20至高壓飽和蒸汽S21 ；
[0062]高壓蒸發(fā)器15，用于加熱飽和水S18至高壓飽和蒸汽S19 ；
[0063]高壓過熱器16，用于加熱飽和蒸汽S22至高壓過熱蒸汽S23 ；
[0064]汽輪機(jī)高壓缸17、汽輪機(jī)中壓缸18、汽輪機(jī)低壓缸19，用于余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓過熱蒸汽S14、高壓過熱蒸汽S23和再熱蒸汽S25膨脹做功；
[0065]冷凝器20，用于將低壓缸排氣S28冷凝，以便循環(huán)利用；
[0066]第三升壓泵21，用于接收來自冷凝器20的凝結(jié)水S29，并將凝結(jié)水送至除氧器4 ;
[0067]余熱鍋爐22，用于接收燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的高溫?zé)煔釹5和釋放熱量后的低溫?zé)煔釹31，利用所述高溫?zé)煔釹5加熱蒸汽發(fā)電機(jī)組的給水以產(chǎn)生過熱蒸汽S14和S23，還利用所述高溫?zé)煔釹5加熱汽輪機(jī)高壓缸17的排氣S24以產(chǎn)生再熱蒸汽S25。
[0068]本發(fā)明的分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的系統(tǒng)，其流程為:給水經(jīng)除氧后分別被送到余熱鍋爐的低壓省煤器和高壓省煤器中加熱，經(jīng)過預(yù)熱的給水分別進(jìn)入熱管式真空管集熱器和DSG太陽能集熱器，進(jìn)一步蒸發(fā)生成低壓、高壓飽和蒸汽，低壓、高壓飽和蒸汽回到余熱鍋爐，分別與余熱鍋爐低壓、高壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和蒸汽混合，送到余熱鍋爐低壓、高壓過熱器中生成過熱蒸汽，最后進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。
[0069]系統(tǒng)流程具體的可描述為:
[0070]第三升壓泵21將凝結(jié)水S29抽出至除氧器4，經(jīng)除氧器4除氧后的給水S6被分別送到低壓省煤器6和高壓省煤器12中預(yù)熱，生成低壓飽和水S8和高壓飽和水S17 ；
[0071 ] 低壓飽和水S8在低壓汽包7中，一部分飽和水S9進(jìn)入余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器9內(nèi)蒸發(fā)生成低壓飽和蒸汽S10，一部分飽和水Sll進(jìn)入熱管式真空管集熱器8中生成低壓飽和蒸汽S12并回到低壓汽包7中；
[0072]低壓飽和蒸汽SlO和低壓飽和蒸汽S12混合后，送入低壓過熱器10加熱成低壓過熱蒸汽S14，然后送至汽輪機(jī)低壓缸19中做功；
[0073]高壓飽和水S17在高壓汽包13中，一部分飽和水S18進(jìn)入高壓蒸發(fā)器15內(nèi)蒸發(fā)生成高壓飽和蒸汽S19，一部分飽和水S20進(jìn)入DSG太陽能集熱器14中生成高壓飽和蒸汽S21并回到高壓汽包13中；
[0074]高壓飽和蒸汽S19和高壓飽和蒸汽S21混合后，送入高壓過熱器16加熱成高壓過熱蒸汽S23，然后送至汽輪機(jī)高壓缸17中做功，從高壓缸出來的排氣S24送回余熱鍋爐22再熱產(chǎn)生再熱蒸汽S25后再送到汽輪機(jī)中壓缸18中繼續(xù)膨脹做功；
[0075]冷凝器20將低壓缸排氣S28冷凝至凝結(jié)水S29狀態(tài)，以便循環(huán)利用；
[0076]第一發(fā)電機(jī)23、第二發(fā)電機(jī)24分別與燃?xì)饧罢羝钙竭B接，將透平產(chǎn)生的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為電能輸出。
[0077]以ASPEN PLUS軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，單元模型基于能量守恒、質(zhì)量守恒和物料守恒。氣體及水的物性分別采用RK-SOAVE、STEAM-TA方程。燃?xì)廨啓C(jī)選用GE公司的7FA系列，燃?xì)馔钙嚼鋮s采用空氣摻混冷卻模型，燃料選用天然氣，采用低NOx燃燒技術(shù)。蒸汽動力單元選用雙壓再熱式的汽輪機(jī)和余熱鍋爐，再熱循環(huán)是為了提高平均做功溫度和降低濕度。為了簡化模擬，假設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)全年在額定工況運行。太陽能子系統(tǒng)分別按照DSG太陽能集熱器和熱管式真空管集熱器設(shè)計。日照參數(shù)采用陜西榆林地區(qū)數(shù)據(jù)，海拔1058m，環(huán)境溫度恒為25°C，設(shè)計點取夏至日正午12時輻照強(qiáng)度800W/m2。系統(tǒng)運行采用太陽能調(diào)控模式，在太陽能條件充足時，系統(tǒng)以互補(bǔ)形式運行；在太陽能條件不充足時，系統(tǒng)以傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)方式運行。
[0078]具體實施例在設(shè)計工況下的模擬基本假設(shè)見表I。主要有關(guān)條件為:系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀況下，燃燒室壓損3% ;壓氣機(jī)效率88% ;高壓蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度為560°C;余熱鍋爐節(jié)點溫差為15°C，最低排煙溫度80°C ;DSG太陽能集熱器設(shè)計點集熱溫度為300°C ;熱管式真空管集熱器設(shè)計點集熱溫度為150°C。
[0079]具體實施例設(shè)計工況的熱力性能如表2，在相同的假設(shè)條件下，同時對常規(guī)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)CCGT、傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)及本發(fā)明分級式ISCC系統(tǒng)進(jìn)行了模擬對比?？梢姡谙嗤剂陷斎胂?，分級式ISCC系統(tǒng)的太陽能熱輸入份額高于傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)，其太陽能凈發(fā)電效率和化石燃料節(jié)約率分別比傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)高7.7%及16.8% ;由于太陽熱能輸入的增力口，余熱鍋爐產(chǎn)汽量增加，使得分級式ISCC系統(tǒng)的凈輸出功高于傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)及CCGT系統(tǒng)；由于凈輸出功的增加，分級式ISCC系統(tǒng)的燃料基發(fā)電效率升至74%，而傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)的燃料基發(fā)電效率為70.8%, CCGT系統(tǒng)僅為56.5%?；趯崃W(xué)第二定律的考慮，分級式ISCC系統(tǒng)畑效率為60.9%，比傳統(tǒng)ISCC系統(tǒng)及CCGT系統(tǒng)分別高4.3%和12.2%。
[0080]從熱力性能對比分析中可以看出，分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，將DSG太陽能集熱器取代余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器，同時，將熱管式真空管集熱器取代余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器，進(jìn)一步增加了太陽能輸入，大大提高了太陽能利用率。并且，太陽能的熱集成改善了余熱鍋爐的換熱匹配，增加了底循環(huán)工質(zhì)的流量，增加了系統(tǒng)的出力，余熱鍋爐排煙損失可進(jìn)一步降低，提高了能源利用效率。
[0081]針對本發(fā)明提出的這種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的系統(tǒng)，進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)性能分析，具體實施例的系統(tǒng)投資估算假設(shè)如表3。假設(shè)電廠壽命為30年；燃?xì)廨啓C(jī)單元、汽輪機(jī)單元及太陽能單元設(shè)備占總投資的5%，2%及2% ;貼現(xiàn)率i取值8% ;天然氣價格為7.6$/GJ ；電價取0.08$/kWh。表3系統(tǒng)投資估算假設(shè)均參考自文獻(xiàn)“ConceptualDesign and Techno-Economic Assessment of Integrated Solar Combined Cycle Systemwith DSG Technology，，、“Performance Analysis of an Integrated Solar CombinedCycle Using Direct Steam Generation in Parabolic Trough Collectors，，和 “ZeroCO2Emission SOLRGT Power System，，。
[0082]分級式ISCC系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能分析見表4。計算表明:所提出的新系統(tǒng)總投資為485.7(106$)，比投資為760.3$/kW，發(fā)電成本為0.06$/kWh，投資回收期為6.1年，經(jīng)濟(jì)性能較好。本發(fā)明提出的這種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的系統(tǒng)，不僅增加了太陽熱能輸入，提高了系統(tǒng)的凈出功，還選用了低成本的熱管式真空管，降低了發(fā)電成本，為太陽能的高效利用提供了新的低成本的選擇。
[0083]本發(fā)明作為一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的系統(tǒng)，解決了單純太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低、成本高的問題，實現(xiàn)了太陽能與化石能源的互補(bǔ)和綜合梯級利用，提高了太陽能的利用率，并實現(xiàn)了節(jié)能減排。熱力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性俱佳，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。
[0084]表1系統(tǒng)模擬基本假設(shè)
[0085]
【權(quán)利要求】
1.一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的方法，其特征在于，利用DSG太陽能集熱器取代余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器并加熱給水，產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽返回余熱鍋爐過熱后送往汽輪機(jī)高壓缸中做功；利用熱管式真空管集熱器取代余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器并加熱給水，產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽返回余熱鍋爐過熱后送往汽輪機(jī)低壓缸中做功。
2.一種分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的裝置，其特征在于，空氣壓氣機(jī)(I)、燃燒室(2)、燃?xì)馔钙?3)依次連接后，接入余熱鍋爐(22)的高溫?zé)煔馊肟?； 所述余熱鍋爐(22)的高溫?zé)煔馊肟谂c低溫?zé)煔獬隹谥g依次設(shè)置高壓過熱器(16)、高壓蒸發(fā)器(15)、高壓省煤器(12)、低壓過熱器(10)、低壓蒸發(fā)器(9)、低壓省煤器(6); 所述高壓過熱器(16)的出口與汽輪機(jī)高壓缸(17)的入口連接，汽輪機(jī)高壓缸(17)的出口和汽輪機(jī)中壓缸(18)的入口連接，汽輪機(jī)中壓缸(18)的出口與汽輪機(jī)低壓缸(19)的入口連接；汽輪機(jī)低壓缸(19)的抽汽口與除氧器(4)連接，汽輪機(jī)低壓缸(19)的出口依次與冷凝器(20)、第三升壓泵(21)串聯(lián)后接入除氧器(4);除氧器(4)的出口與第一升壓泵(5)連接后再接入低壓省煤器(6)的入口 ； 低壓省煤器(6)的一個出口與低壓汽包(7)連接，另一個出口通過第二升壓泵(11)與高壓省煤器(12)的入口連接； 熱管式真空管集熱器(8)的出口、低壓蒸發(fā)器(9)的出口分別與低壓汽包(7)連接；低壓汽包(7)的氣體出口與低壓過熱器(10)的入口連接，低壓汽包(7)的水出口分別與熱管式真空管集熱器(8)的入口、低壓蒸發(fā)器(9)的入口連接；低壓過熱器(10)的出口與汽輪機(jī)低壓缸(19)的入口連接； 高壓省煤器(12)的出口、DSG太陽能集熱器(14)的出口以及高壓蒸發(fā)器(15)的出口分別與高壓汽包(13)連接；高壓汽包(13)的氣體出口與高壓過熱器(16)的入口連接，高壓汽包(13)的水出口分別與DSG太陽能集熱器(14)的入口、高壓蒸發(fā)器(15)的入口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的裝置，其特征在于，所述燃?xì)馔钙?3)與第一發(fā)電機(jī)(23)連接，汽輪機(jī)高壓缸(17)、汽輪機(jī)中壓缸(18)和汽輪機(jī)低壓缸(19)與第二發(fā)電機(jī)(24)串聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分級式太陽能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)互補(bǔ)的裝置，其特征在于，所述汽輪機(jī)高壓缸(17)的出口和汽輪機(jī)中壓缸(18)的入口之間設(shè)置再熱器。
【文檔編號】F02C6/18GK103867411SQ201410133674
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李元媛, 楊勇平, 袁晶 申請人:華北電力大學(xué)