在太阳能水箱中聚积蒸汽的系统和方法 |
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| 申请号 | CN201080027465.6 | 申请日 | 2010-06-18 | 公开(公告)号 | CN102803662B | 公开(公告)日 | 2015-02-25 |
| 申请人 | 阿文戈亚太阳能新技术公司; | 发明人 | R·奥拉瓦里亚罗德里格斯-艾兰格; E·加西亚拉米雷斯; J·巴拉甘希梅内斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种在 太阳能 水 箱中聚积 蒸汽 的系统和方法，该系统由两组路斯型水箱组成，分别为基本组水箱(1)和 过热 组水箱(2)，基本组水箱(1)和过热组水箱(2)彼此相同并且每一组都具有： 饱和蒸汽 入口(3)、安装在水箱(1、2)内部的蒸汽注入器(10)、具有 阀 (13)的蒸汽出口(4、4’)和排出装置(11)。 热交换器 (6)安装在两组水箱(1、2)之间。存储的方法由水箱加载阶段和水箱排出阶段组成，水箱排出阶段包括两个排出步骤，第一步骤从最大压强降低到中间压强，第二步骤从中间压强降低到低压强。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在太阳能水箱中聚积蒸汽的系统，其特征在于，该系统包括：一对路斯型水箱，以及安装在所述一对路斯型水箱之间的热交换器，其中所述一对路斯型水箱分别为基本组水箱(1)和过热组水箱(2)，基本组水箱(1)和过热组水箱(2)彼此相同并且每一水箱都具有：饱和蒸汽入口(3)、安装在水箱(1、2)内部的蒸汽注入器(10)、具有阀(13)的蒸汽出口(4、4’)和排出装置(11)， |
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| 说明书全文 | 在太阳能水箱中聚积蒸汽的系统和方法技术领域背景技术[0003] 对于由于太阳能领域需要的巨大投入而产生的全面收益，存储能量是关键的。同时，其也是必要的，从而这种可再生技术产生的能量被视为是易管理的。 [0004] 在发电站中，这种易管理性近来成为一个越来越不可或缺的需求。 [0005] 在太阳能发电厂中，存储能量有若干目的。一方面，其允许提升产能，既增加高辐照度的负载小时，也将其延伸到夜晚期间。如前所述，这样实现了最大化的投资的收益。另一方面，即使在多云期间(辐照的瞬变状态)，其也允许持续运行。最后，其允许涡轮机长期运行，由此减少启动和停止周期，并因此减少了涡轮机受到的热应力。 [0006] 热应力是导致涡轮机的大多数严重故障的原因，而涡轮机是热电站的关键且昂贵的元件。 [0007] 很大程度上，本领域内在太阳能热电站中聚积能量的现状涉及通过流体手段(热油或熔盐)来聚积。 [0008] 除了这两种技术成本高昂之外，它们还有其他缺陷。热油的主要缺陷在于其环境影响，这是由于其是易燃产品并且具有一定程度的毒性。关于盐，其缺陷更多地是由于技术风险。盐在运行的常规条件下具有冻结的风险，这是由于盐的冰点非常高(在140-230℃之间)。这需要对管理和设备的布局进行昂贵且复杂的设计。 [0009] 而聚积蒸汽时，所有的这些风险被完全地消除了，并且除了存储盐和油的变种的成本之外，市场变得独立了。 [0010] 太阳能热电站利用了来自太阳的直接辐射的优势，将辐射聚集并产生蒸汽。然而，太阳辐射表现为依赖于许多因素(包括云层)的可变曲线。云层使得到达太阳能发电厂的收集器表面的辐射在短时间内显著波动。系统的反应时间应该尽可能地接近这些变化的反应时间，从而防止这些变化影响发电系统或涡轮机(可能对其耐久性产生致关重要的影响)。这些短暂时期的频率根据电厂在地球上的位置而不同，但在任何情况下都不可能消除这些短暂时期。 [0011] 不像盐和油，利用聚积蒸汽，确保了对发电系统或涡轮机近似于即时的供应。 [0012] 即使如此，聚积蒸汽的主要优势在于需要的大容量的成本。本发明提出了一个建议，其利用水箱以最小化能量存储的价格，该水箱以大范围的压强存储并且具有足够大的几何尺寸。 [0013] 水箱的存储容量与水箱工作的压强差成比例。因此，使用相同的容量时，使用的容量越大，压强差也越大。 [0014] 水箱中压强的增加带来了一个缺点，即需要更大的缓冲的阻力。这使得成本增加，然而，如果水箱建造得使其具有理想的应力分布，则可降低这种成本。 [0015] 聚积蒸汽的另一个缺陷在于：仅有可能释放饱和的蒸汽。 [0016] 为了保持汽轮机的耐久性，维持制造商所规定的条件是必要的。汽轮机中一个最关键的点是在最后阶段扩大的流体的水分含量。当在进入涡轮机时从初始状态扩张之后，蒸汽经历了压强降低且同时冷却(这使得流体失去保持的能量以将其转化为机械工作)的过程。最后阶段能量的降低变成部分冷凝。在涡轮机的最后阶段，蒸汽不再是干蒸汽，而是湿蒸汽，就如同那些含有一些液态水滴的蒸汽。这些水滴作为与涡轮机叶片接触的小抛射物，可能损坏叶片。这就是为什么利用加强材料设计蒸汽涡轮机的最后阶段的原因，但即使如此，重要的是确保蒸汽的水分含量不超出限制，否则叶片的加强将不足够并且涡轮机将不可挽回地被损坏。 [0017] 由于这个原因，进入涡轮机的蒸汽的质量是关键参数。如果进入涡轮机的是饱和蒸汽，则该设备可以大量地被供给这种类型的蒸汽，这是由于制造商已经为这种类型的进入物进行了适当的设计。但是，如果是过热蒸汽涡轮机，而涡轮机被供给并不过热的蒸汽(饱和蒸汽)，涡轮机将必然被损坏，这是由于蒸汽在最后阶段的高水分含量。 [0018] 如下所述，本发明通过优化的蒸汽聚积系统解决了上述的所有不足。 发明内容[0019] 本发明提出了在太阳能热电站中通过球形或半球形的高压水箱进行蒸汽聚积来发电，此外，确定了加载和排出的具体程序，从而最佳地利用水箱的容量。 [0020] 因此，本发明提出了将压强大于或等于100bar的蒸汽聚积为压强为20bar范围内的蒸汽，从而确保实现沉积物中的应力分布，本发明考虑使用球形水箱。相比于圆柱形水箱，对于聚积特定压强的蒸汽来说，这种类型的水箱厚度更薄，由于需要的材料的量减少了，这使得成本显著降低。 [0022] 此外，本发明的高压下的存储系统具有另一优点：其不仅可以与饱和蒸汽一起工作，还可以与过热蒸汽一起工作。 [0023] 更具体地，本发明所涉及的蒸汽聚积使用路斯型(Ruths)系统。路斯型系统由沉积物组成，该沉积物一部分是水，余下的部分是蒸汽，水与蒸汽保持平衡。 [0025] 在蓄气器排出时，产生压降，该压降使得其内部发生闪蒸，这将转换为自发地产生蒸汽，该蒸汽随后被排出。这种类型的排出的一个主要特点是：排出蒸汽的压强随着排出的进行而降低。 [0027] 为了完成说明并为了有助于更好地理解本发明的特点，随附了一组附图作为说明的不可分割的一部分，其中，仅出于展示的目的，下述附图包括但不限于： [0028] 图1是蒸汽存储系统的示图。 [0029] 附图标记说明： [0030] 1基本组的蓄气器或水箱 [0031] 2过热组的蓄气器或水箱 [0032] 3蒸汽系统加载 [0033] 4基本组的水箱的排出流体 [0034] 4’过热组的水箱的排出流体 [0035] 5用于涡轮机供给的过热蒸汽 [0037] 8水箱的内部的饱和蒸汽 [0038] 9水箱的内部的饱和流体 [0039] 10注入器 [0040] 11排出管 [0041] 13阀 具体实施方式[0042] 为了更好地理解本发明，将结合附图1描述能量存储系统以及加载和排出的程序。 [0043] 能量存储系统由一组水箱或蓄气器以及两个热交换器组成。将根据太阳能热电站的设计的总体参数以及安装位置的太阳能资源的特点来确定水箱的具体数量。 [0044] 如前所述，水箱具有路斯型(Ruths-like)操作，即，当水箱在排出时，产生蒸汽。 [0045] 水箱被分为两组：基本组1和过热组2，两组的设计相同，因此是可互换的。 [0046] 每种类型的水箱具有若干特征压强： [0047] 1、最大加载压强 [0048] 2、工作压强A [0049] 3、工作压强B [0050] 4、最小排出压强 [0051] 最大加载压强是水箱在其完全加载时所能承受的最大压强。该系统被设计成确保这些压强大于100bar或在100bar的范围内。该压强对于两种类型的水箱来说是一致的。 [0052] 工作压强A和B是置位点值，其可根据操作员的便利而被改变。它们是最大加载和压强和最小排出压强之间的中间压强。对每一水箱来说，工作压强A和B应该被定义为从过热组水箱2的排出所获得的流体4’用在热交换器6中以提高基本组水箱1的排出所产生的流体4的温度。 [0053] 此外，基本组1的工作压强B由涡轮机的技术上最小运行限定。因此，这些压强对于每种类型的水箱一定不同，在任何情况下，符合下述关系： [0054] -基本组水箱1的工作压强A＜过热组水箱2中的工作压强A [0055] -基本组水箱1的工作压强B＜过热组水箱2中的工作压强B [0056] 最小排出压强是水箱排出的最小压强。最小排出压强在1bar左右。该压强对于两种类型的水箱1和2来说是一致的。 [0057] 下文描述了能量存储系统的加载和排出的过程，从而确保了两个主要方面：使用来自每个水箱具有全部范围内的压强的蒸汽并且获得用于涡轮机供给的过热蒸汽5。出于这个目的，给个一个实例。 [0058] 该实例中的水箱的特征压强在下表中限定： [0059] [0060] 加载方法 [0061] 系统3加载的蒸汽可源自常规汽锅或设施中的汽锅或太阳能接收器。在这两种情况下，产生的蒸汽将是处于最大加载压强的饱和蒸汽。该阶段的目的是将蓄气器1、2提升到最大加载阶段。 [0062] 通过入口引入蒸汽3，并且通过注入器10将蒸汽注入到水箱中。在水箱内，饱和蒸汽8将与饱和流体9平衡。 [0063] 由于在不活动期间存在加载损失，有必要在该阶段进行排出11，从而我们可以延续水箱的平衡曲线。排出的流体被送往除气器或排气器中。 [0064] 除气器是蒸汽涡轮机的循环的传统元件，其除了从水中去除气体之外，还作为从涡轮机的一些提取物中接收蒸汽的混合加热器，从而预热供给汽锅(在这种情况下是太阳能接收器)的水。 [0065] 排出方法 [0066] 排出通过两个阶段完成： [0067] ●阶段I或称为涡轮机阶段 [0068] 阶段I包括将蓄气器1和2从存储的最大压强排出到工作压强B。在该阶段，有两个步骤。在第一步骤，水箱1和2从最大加载压强排出到工作压强A，在第二步骤从工作压强A排出到工作压强B。 [0069] 总的来说，这种类型的水箱的排出是有特色的，这是因为压强持续降低。此外，该方法具有阀13，该阀13将每个水箱的出口压强降低到固定值，其等于每个步骤的最小值(阶段I的第一步骤中的工作压强A以及阶段I的第二步骤中的工作压强B)。 [0070] 因此，在我们的实例中，在阶段I的第一步骤中，自过热水箱2获得的流体4’具有85bar的恒定压强，而基本组1的流体4的压强为23bar。在第二步骤中，压强将分别为40bar和10bar。 [0071] 实现每个步骤中的排出压强差的目的是：利用过热组的流体4’使基本组1的流体4过热，从而能够顺畅地向涡轮机供给。 [0072] 在该阶段的第一步骤中，85bar的流的温度对应于299.23℃的饱和状态，这足以使温度为219.55℃的23bar的流过热。 [0073] 类似地，在第二步骤中，温度为250.33℃的40bar的流用于使初始温度为179.88℃的10bar的流过热。 [0074] ●阶段II或称为预热阶段 [0075] 阶段II包括蓄气器1和2从工作压强B排出到最小排出压强。 [0076] 一旦所有的蓄气器1、2被排出到工作压强B，剩余的聚积的蒸汽8将用于第二天的运行。假定为了供给涡轮机，可用压强已经非常低了，则蒸汽将用于循环中不需要高压强的地方。 [0077] 在该阶段中，水箱的容量几乎全部地被使用。仍保持聚积的蒸汽可用于多种用途，下文描述了一种最直观的用途。 [0078] 在第二天的运行中，将发现水箱1、2的压强略微小于对应的工作压强B。这是由于夜间的损耗造成的。在任何情况下，水箱1、2的压强都足以进行接下来的操作。将使用下述两种应用中(图1中未示出)的蒸汽4、4’将蓄气器1、2排出到最小压强： [0079] 1、水箱的一部分将在涡轮机的提取物5的最后阶段被排出。为了维持循环中质量的平衡，并且一旦蒸汽8被用于提取物中，其将被运送到另一水箱(称为凝结存储水箱)并被用于供给给水箱或蓄气器。 [0080] 2、蒸汽8中残余在水箱中的另一部分将通过使流通过第二交换器而排出。在该交换器中，热量将用于对将被供给到太阳能接收器的水进行预热。如前一种情况一样，为了维持循环中质量的平衡，一旦该流体被使用，则其被运送到凝结存储水箱。 [0081] 凝结存储水箱是存储用于加载存储水箱的水的设备。加载程序中的水从凝结存储水箱中排出，通过增加其温度的交换器，然后被送入蒸汽涡轮机循环中的除气器。从除气器中，水将通过循环的预加热器直到到达汽锅(在这种情况下是太阳能接收器)，并且一旦蒸汽达到加载条件，正如加载程序中所解释的那样，蒸汽将被送往存储水箱。 |
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