CN102135270A - 太阳能热发电用储热蒸发一体化装置 - Google Patents

Abstract

太阳能热发电用储热蒸发一体化装置。喷头(2)、蒸发器(3)、熔融盐泵(4)集成安装在熔融盐储热罐(1)内。蒸发器(3)焊接在熔融盐储热罐(1)的底部，并浸泡在熔融盐中。喷头(2)均匀布置在熔融盐液面之上。水自下而上通过蒸发器(3)，在发生蒸汽的过程中，强化了熔融盐自然对流并层化温跃层。本发明使用被动式自然对流强化层化技术，蒸发器不需要额外的泵送系统和长时间预热。

Description

太阳能热发电用储热蒸发一体化装置

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能热发电的储热蒸发一体化装置。

背景技术

太阳能热发电技术区别于其他可再生能源发电技术的一个显著优点就是它可以使用大规模的储热技术以克服太阳能的间歇性和非稳定性对于发电特性的影响，使太阳能热发电能够输出稳定的负荷到电网，保证电网的稳定性。同时，储热器的存在增加了太阳能热发电站的发电量和发电时数，降低了太阳能热发电的成本。目前商业用的最好的太阳能热发电储热技术主要是双罐的熔融盐储热。低温盐罐储存约290℃的低温熔融盐，由泵送系统送至吸热器中产生高温560℃左右的高温熔融盐，然后将高温熔融盐储存到高温盐罐中。当夜间或者云遮时，高温熔融盐被泵送系统送出至蒸发器放热，然后低温熔融盐流回低温盐罐。这种技术的主要缺点是成本高、使用熔融盐量大。为了解决上述问题，可以采用使用单个熔融盐罐，利用熔融盐在不同温度下密度不同会产生流体分层原理的单罐温跃层储热。单罐温跃层储热技术的关键在于温跃层的层化和保持。专利WO201000089、US2010031062、US4523629描述了在熔融盐罐中安装浮动板，使浮动板作为温跃层层化工具，热流体在浮动板的上部，冷流体在浮动板的下部。充放热过程中浮动板可以上下运动，阻止冷热流体混合保持温跃层的层化状态。通常情况下太阳能热发电站的容量非常大，依据储热时间的长短，需要成上万吨的熔融盐，因此，储热器的尺度非常大，所以，采用浮动板在制作和运行工艺上难度极大。论文《Thermal Analysis of Solar Thermal Energy Storage in a Molten-Salt Thermocline》和《Molten Salt Thermal Energy Storage in Thermoclines under Different EnvironmentBoundary Conditions》中描述了一种在熔融盐罐中添加石英砂和砾石等惰性固体材料，利用固体材料导热系数低强化层化的技术。专利200710028077.X和ZL200720051634.5描述了一种是用泡沫陶瓷实现层化的技术。不管是使用何种固体材料作为填料实现层化，都存在材料与熔融盐本身的相容性问题，以及对于熔融盐的污染问题。而且所有上述技术都需要一套高温熔融盐泵送系统，把高温熔融盐送出至蒸发器放热发生水蒸汽，因此，系统复杂成本高。ZL200810198461.9虽然描述了一种套管式的熔融盐水蒸发器，可以用于高温熔融盐的放热传热，但是，它又无法实现储热。

总之，现有单罐温跃层储热都存在温跃层层化困难、需要额外的高温泵送系统将高温熔融盐送至蒸发器、蒸发器外置启动过程预热时间长的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、单罐温跃层储热的温跃层层化问题；

2、储热器与蒸发器独立，需要额外的泵送系统的问题；

3、蒸发器启动过程预热时间长，影响电站运行时数的问题。

本发明解决上述技术问题采用的方案是：

本发明采用一种储热蒸发一体化装置以解决上述技术问题。本发明采用常规的圆柱形立式熔融盐罐作为熔融盐储热罐，其直径和高度的大小根据储热容量确定。在熔融盐储热罐的底部焊接多个蒸发器。多个蒸发器可以在熔融盐罐中采用规则的三角形、方形、圆形等排列，间距由蒸发量的大小和检修要求决定。蒸发器浸没在熔融盐储热罐的熔融盐中，在发生蒸汽的过程中强化熔融盐储热罐的温跃层层化，变主动式的层化技术，如：浮动板、惰性填料，为被动式自然对流层化技术。蒸发器的底部设有水联箱，水联箱的底部设有冷水进口。蒸发器上部设有蒸汽联箱，蒸汽联箱的上部设有蒸汽出口。水联箱和蒸汽联箱通过换热管连接起来。蒸发器的外隔罩与辐板焊接在一起。辐板与水联箱焊接在一起，通过外隔罩解决温跃层层化问题。在熔融盐储热罐的顶部和熔融盐液面之间安装多个喷头。喷头的排列可以采用规则的三角形、四方形和圆形等布置。喷头按照常规方法安装在高温熔融盐管道上。高温熔融盐管道从熔融盐储热罐顶部进入熔融盐罐并在与熔融盐液面平行的方向上分支，按照喷头的排列方式设计熔融盐管道的分支方式。来自吸热器的高温熔融盐从熔融盐储热器顶部经过喷头的分布和雾化之后进入熔融盐储热罐。熔融盐泵垂直安装在熔融盐储热罐的上部，熔融盐泵将熔融盐底部的低温熔融盐抽出送到吸热器加热。集成在熔融盐储热罐中的蒸发器浸泡在高温熔融盐中，不需要额外的高温熔融盐泵送系统将高温熔融盐送至蒸发器，克服了常规的蒸发器设置在储热罐外，需要额外的泵送系统输送高温熔融盐进入蒸发器的缺点。由于蒸发器一直浸泡在高温熔融盐中，因此，设备温度一直较高，不需要常规蒸发器启动时的长时间预热，解决了蒸发器的启动预热问题。其工作过程是：水工质从蒸发器的底部进入，由于蒸发器浸没在熔融盐储热器中。高温熔融盐通过自然对流将热量传递给水，水在蒸发器中蒸发产生高温高压满足汽轮机参数要求的蒸汽进入汽轮机做功发电，而在储热器内自然对流的熔融盐，在蒸发器的底部温度较蒸发器上部的温度低，热流体由于密度低漂浮在上部，冷流体自然下沉，实现熔融盐的层化。蒸发器的外隔罩将自然对流限制在蒸发器表面和外隔罩之间，从而强化和保护温跃层。

本发明利用蒸发器冷流体需要熔融盐传热蒸发的特点，在水蒸发的过程中使蒸发器外侧的熔融盐自然对流，实现自然的层化，不需要任何浮动板或者填料以及泵送系统，结构简单，蒸汽器启动时间短，储热与蒸发一体化。

附图说明

图1储热蒸发一体化装置结构图；

图2蒸发器主视图；

图3蒸发器俯视图；

图中：1熔融盐储热罐、2喷头、3蒸发器、4熔融盐泵、5蒸汽联箱、6换热管、7水联箱、8支撑腿、9外隔罩、10辐板。

具体实施方式

图1是本发明储热蒸发一体化装置结构图。熔融盐储热罐1内布置有喷头2、蒸发器3和熔融盐泵4。多个喷头2安装在熔融盐储热罐1顶部和熔融盐液面之间，位于熔融盐液面以上，并按照规则的三角形、方形或圆形均匀分布。喷头按照常规方法安装在高温熔融盐管道上。高温熔融盐管道从熔融盐储热罐顶部进入熔融盐罐并在与熔融盐液面平行的方向上分支，按照喷头的排列方式设计熔融盐管道的分支方式。来自于吸热器的高温熔融盐通过均匀分布的喷头2分流以后，低速均匀地掉落在熔融盐储热罐1的熔融盐液面上，高温熔融盐密度低自然而然停留在熔融盐储热器1的上部。分流的熔融盐流量和流速较低，可以防止流体进入时对于熔融盐储热罐1内熔融盐的扰动，有利于保持熔融盐的温度分层。多个蒸发器3均匀分布并浸泡在熔融盐储热罐1中的熔融盐中，按照规则的三角形、方形或圆形等排列并焊接在熔融盐储热罐1的底部。低温水从蒸发器3的底部进入，冷水在蒸发器内自下而上流动，周围的高温熔融盐加热冷水发生所需参数的蒸汽。在蒸发器发生蒸汽的过程中，周围的高温熔融盐会自然而然的产生自然对流，低温的熔融盐密度大沉到熔融盐储热罐1的底部，高温熔融盐密度小会上浮到熔融盐储热罐1的上部，这样在熔融盐储热罐1中自然形成温跃层。垂直安装在熔融盐储热罐1顶部的熔融盐泵4一直深入到熔融盐中，直至接近熔融盐储热罐1的底部，从熔融盐储热罐1的底部抽出低温熔融盐，泵送到吸热器内吸热产生高温熔融盐，高温熔融盐从熔融盐储热罐1的顶部经喷头2重新流回熔融盐储热罐1中。

图2、图3分别是蒸发器的主视图和俯视图。蒸发器3的受热面是由换热管6所组成的管束形成的。多根换热管6按照圆形、三角形等方式排列，换热管6的下端插入到圆柱形封闭的水联箱7中，换热管6的上端插入到圆柱形封闭的蒸汽联箱5中。换热管束内的每根换热管6之间有留有足够的空间，不能紧密排列。水联箱7和蒸汽联箱5分别由水管和蒸汽管连接起来，用于供水和出蒸汽。辐板10与水联箱7和外隔罩9焊接在一起以固定。为消除外隔罩9与换热管6组成的管束之间由于膨胀量不同可能引起的应力，辐板10与蒸汽联箱5之间接触但不固定，可相对滑动，以使换热管6组成的管束、水联箱7和蒸汽联箱5能相对于外隔罩9上下移动。支撑腿8与外隔罩9和水联箱7焊接在一起，并焊接在熔融盐储热罐1的底部，防止蒸发器3在熔融盐储热罐1内漂移。蒸发器3连同外隔罩9一起浸泡在熔融盐储热罐1中。冷水从水联箱7进入，下部的熔融盐传热给水变成低温熔融盐，随着水在换热管6中上升，逐渐被周围的高温熔融盐加热升温，因此，高度方向上熔融盐在越高的位置温度也越高，外隔罩9与换热管6之间是对流剧烈的区域，换热过的低温熔融盐会自然从外隔罩9底部流出，高温熔融盐从外隔罩9上部流入，即实现了对水的加热，又强化了温跃层的层化。

Claims (5)

1.一种用于太阳能热发电的储热蒸发一体化装置，其特征是：所述的储热蒸发一体化装置包括熔融盐储热罐(1)、喷头(2)、蒸发器(3)和熔融盐泵(4)；喷头(2)、蒸发器(3)和熔融盐泵(4)集成安装在熔融盐储热罐(1)内；熔融盐储热罐(1)内均匀布置有多个喷头(2)，喷头(2)安装在熔融盐储热罐(1)的顶部和熔融盐液面之间，并位于熔融盐液面以上；多个蒸发器(3)浸泡在熔融盐中，并焊接在熔融盐储热罐(1)底部，且均匀布置。

2.按照权利要求1所述的用于太阳能热发电的储热蒸发一体化装置，其特征是：所述的蒸发器(3)包括由多根换热管(6)组成的换热管束、蒸汽联箱(5)、水联箱(7)、支撑腿(8)、外隔罩(9)和辐板(10)；所述的水联箱(7)位于所述的蒸发器(3)的底部；所述的蒸汽联箱(5)位于所述的蒸发器(3)的上部；所述的换热管(6)的下端插入水联箱(7)中，换热管(6)的上端插入蒸汽联箱(5)中；所述的水联箱(7)和外隔罩(9)通过辐板(10)焊接在一起；辐板(10)与外隔罩(9)焊接在一起，辐板(10)与蒸汽联箱(5)接触并相对滑动；支撑腿(8)位于水联箱(7)和外隔罩(9)上，并焊接在熔融盐储热罐(1)底部。

3.按照权利要求2所述的用于太阳能热发电的储热蒸发一体化装置，其特征是：所述的换热管束中，多根换热管(6)按照圆形或三角形方式排列，每根换热管(6)之间有留有空间。

4.按照权利要求1所述的用于太阳能热发电的储热蒸发一体化装置，其特征是：所述的熔融盐泵(4)垂直安装在熔融盐储热罐(1)的顶部，并插入到熔融盐中，直至接近熔融盐储热罐1的底部。

5.按照权利要求1所述的用于太阳能热发电的储热蒸发一体化装置，其特征是：所述的喷头(2)安装在熔融盐储热罐(1)内的高温熔融盐管道上，高温熔融盐管道从熔融盐储热罐(1)的顶部进入熔融盐罐(1)，并在与熔融盐液面平行的方向上分支。

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