Солнечная модульная энергетическая установка

 

Использование: в гелиоэнергетике, на солнечных электростанциях для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Сущность изобретения: насыщенный пар, генерируемый в приемниках 4 солнечного излучения парогенератора, разделенного на экономайзерную 1 и испарительную 2 поверхности теплообмена, направляется в парожидкостный сепаратор 5, из которого сухой насыщенный пар подается либо непосредственно в турбину 8, либо через пароперегревательную поверхность 6 теплообмена с топливоподводом. Получаемая в сепараторе 5 насыщенная жидкость запасается в баке 7 и может быть использована для получения пара для обеспечения работы станции при отсутствии солнечной инсоляции или с иной целью. Установка может снабжать потребителей тепловой энергией, отпускаемой через водо-водяной теплообменник 16, связанный с баком 7, и через газо-водяной теплообменник 17, утилизирующий тепло уходящих газов пароперегревателя 6. Электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрическими преобразователями 18, используется для покрытия собственных нужд станции, в том числе при запуске, что обеспечивает ее автономность. Подогреватель 21, являющийся системой охлаждения фотоэлектрических преобразователей 18, может замещать регенеративные подогреватели 11, увеличивая выработку энергии. 1 ил.

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к установкам для преобразования солнечной энергии в электрическую и для теплоснабжения.

Известна солнечная одноконтурная пароводяная установка с центральным приемником солнечного излучения, установленным на башне, и окружающим его полем плоских гелиостатов. Насыщенный пар, получаемый в приемнике - солнечном парогенераторе, поступает в пароводяной аккумулятор и заряжает его. Когда параметры пара в аккумуляторе достигнут рабочих, открывается соответствующая арматура, и сухой насыщенный пар поступает в паротурбинную часть установки, после чего питательная вода вновь подается на вход приемника-парогенератора (Ахмедов Р. Б., Баум И.В., Пожарнов В.А. и др. Солнечные электрические станции. Итоги науки и техники. сер. Гелиоэнергетика, М.: ВИНИТИ, 1986, т.1, с.52-54).

Недостатками такой установки являются сложная АСУ поля гелиостатов и высокие затраты электроэнергии на управление полем за счет индивидуального наведения большого числа гелиостатов по двум координатным осям, большая продолжительность периода запуска из-за предварительного заряда пароводяного аккумулятора и низкий КПД паротурбинного цикла из-за работы на насыщенном паре.

Известна солнечная модульная двухконтурная энергетическая установка с параболоцилиндрическими концентраторами солнечной энергии. В первом контуре установки, содержащем поле параболоцилиндрических концентраторов с приемниками солнечного излучения, параллельно подключенный к полю концентраторов газовый котел-дублер и промежуточные теплообменники, циркулирует однородный теплоноситель (органическая жидкость), который отдает тепло воде и водяному пару второго контура. В нем энергия пара преобразуется в электрическую в обычном паротурбинном цикле. Предусмотрена также возможность промежуточного перегрева пара высокотемпературным теплоносителем в специальном теплообменнике.

Недостатками этой установки являются большая продолжительность времени запуска из-за необходимости предварительного разогрева большой массы теплоносителя, содержащегося в промежуточных теплообменниках и приемниках излучения, снижение КПД цикла вследствие ограничений максимальной температуры теплоносителя (до 400^оС) в соответствии с технологией его эксплуатации и повышенные затраты энергии на прокачку теплоносителя из-за его высокой вязкости.

Цель изобретения - повышение эффективности использования солнечной энергии и обеспечение автономного запуска установки.

На чертеже приведена схема солнечной модульной энергетической установки.

Установка содержит парогенератор, состоящий из экономайзерной 1, испарительной 2 поверхностей теплообмена, выполненных в виде полей параболоцилиндрических модульных концентраторов 3 с приемниками 4 солнечного излучения. Выход из испарительной поверхности 2 теплообмена соединен со входом бака-сепаратора, конструктивно выполненного из сепаратора 5, выход по пару которого соединен со входом пароперегревательной поверхности (пароперегреватель) 6 теплообмена парогенератора с топливоподводом, и бака 7 - аккумулятора горячей воды, соединенных между собой как по пару, так и по жидкости. Парогенератор, состоящий из поверхностей теплообмена 1, 2 и 6, последовательно соединен с турбиной 8, конденсатором 9 и системой подачи питательной воды с последовательно размещенными в ней конденсатным насосом 10, регенеративными подогревателями 11 низкого давления, деаэратором 12, питательным насосом 13 и регенеративными подогревателями 14 высокого давления. Выход по воде бака 7 подключен к системе подачи питательной воды за деаэратором 12. На одном валу с турбиной 8 находится генератор 15. Водяной объем бака 7 соединен со входом водо-водяного теплообменника 16 системы теплоснабжения, выход по воде из которого подключен к деаэратору 12. Выход по дымовым газам пароперегревательной поверхности 6 соединен с газоводяным теплообменником 17 системы теплоснабжения. Система фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) 18, установленных в параболоцилиндрических концентраторах 19 солнечного излучения, аналогичных по конструкции концентраторам 3, электрически соединена с инвертором 20. Подогреватель 21 питательной воды, являющийся одновременно системой охлаждения ФЭП 18, подключен к системе подачи питательной воды параллельно подогревателю 11 низкого давления. К выходу конденсатного насоса 10 подключен бак 22 холодной воды, на выходе из которого установлен дополнительный циркуляционный насос 23, выход из которого подсоединен ко входу подогревателя 21 питательной воды. Соединительные трубопроводы установки снабжены регулирующими и запорными вентилями 24-39.

Солнечная модульная энергетическая установка работает следующим образом.

При нормальном уровне солнечной инсоляции в течение дня питательная вода из системы подачи питательной воды поступает на вход экономайзерной 1, а затем испарительной 2 поверхностей теплообмена парогенератора. Выходящий из испарителя насыщенный пар, имеющий массовое паросодержание от 0,5 до 0,9 (в зависимости от уровня солнечной инсоляции), поступает в сепаратор 5, где происходит разделение пара и находящейся в нем насыщенной жидкости. Отсепарированный сухой насыщенный пар по линии с открытыми вентилями 25 и 27 подается в пароперегревательную поверхность 6 теплообмена парогенератора, где доводится до требуемых параметров. В качестве топлива в пароперегревателе 6 используется природный газ с максимальной температурой продуктов сгорания 500-700^оС, что позволяет снизить до минимума вредные выбросы. Тепло уходящих газов, имеющих 400-450^оС, утилизируется в газо-водяном теплообменнике 17 системы теплоснабжения, после чего уходящие газы с температурой менее 120^оС выбрасываются в атмосферу. Насыщенная жидкость из сепаратора 5 по линии с вентилем 24 запасается в баке 7, служащим в качестве аккумулятора горячей воды. Подпитка контура для восполнения воды, запасаемой в баке 7, осуществляется из бака 22 холодной воды, подаваемой насосом 23 по линии с открытым вентилем 39, вентиль 38 при этом закрыт. Одновременно с генератором 15 выработку электроэнергии осуществляют ФЭП 18, преобразующие собранное концентраторами 19 солнечное излучение непосредственно в постоянный ток, который после преобразования в инверторе 20 в ток промышленных параметров может быть использован на собственные нужды установки, либо отдан в электрическую сеть. Поскольку ФЭП 18 эффективно работают при нагреве их до температуры не выше 75-80^оС и имеют КПД преобразования не более 20%, они охлаждаются питательной водой и служат, таким образом, подогревателем 21 питательной воды. При этом подогреватель 21 при открытых вентилях 32 и 34 и закрытых вентилях 33 и 35 замещает подогреватели 11 низкого давления, увеличивая пропуск пара через турбину 8 и, следовательно, выработку электроэнергии. В таком режиме работы установка имеет максимальную мощность.

При необходимости снижения электрической мощности (например, в период дневного минимума нагрузки) пароперег- реватель 6 отключается, вентиль 27 закрывается, вентиль 28 открывается, и в турбину 8 подается сухой насыщенный пар, что снижает ее мощность. В этом случае избыточное количество горячей воды из бака 7 используется для теплоснабжения. Вода по линии с открытым вентилем 29 подается в водо-водяной теплообменник 16 системы теплоснабжения, где отдает тепло сетевой воде, а затем сбрасывается в деаэратор 12.

В вечернее время при пониженном уровне солнечной инсоляции открывается вентиль 30, и горячая вода из бака 7 подается на вход питательного насоса 13, увеличивая температуру питательной воды на входе в экономайзер 1, что позволяет поддерживать расход пара через турбину 8 на заданном уровне.

При отсутствии солнечной инсоляции (в период кратковременной облачности или в ночное время) питание паром турбины 8 осуществляется от бака 7. При этом вентили 24 и 25 закрываются, а с помощью вентиля 26 давление редуцируется таким образом, что получается сухой насыщенный пар определенных параметров. Путем переключения вентилей 27 и 28 этот пар может подаваться либо непосредственно в турбину 8, либо через пароперегреватель 6 в зависимости от требуемой мощности генератора 15. При этом конденсат насосом 10 по линии с открытым вентилем 38 запасается в баке 22. Регенеративные подогреватели 11 и 14 в таком режиме отключены, что способствует дополнительной выработке электроэнергии. При необходимости и достаточной емкости бака 7 возможен отпуск тепловой энергии с использованием либо газо-водяного теплообменника 17 (при работающем пароперегревателе), либо водо-водяного теплообменника 16.

В утренние часы запуск установки осуществляется следующим образом.

По окончании работы установки в вечернее или ночное время концентраторы 19 ФЭП 18 ориентируются по направлению восхода солнца. Поэтому утром ФЭП 18 сразу начинают вырабатывать электроэнергию, которая расходуется на собственные нужды установки, в том числе на привод насосов 10 и 13 и функционирование системы ориентации концентраторов 3 экономайзерной 1 и испарительной 2 поверхностей теплообмена. Кроме того, оставшаяся в баке 7 вода, имеющая температуру около 150^оС, которая уже не может быть использована для получения пара рабочих параметров, используется при прогреве установки перед запуском. Для этого горячая вода из бака 7 по линиям с открытыми вентилями 30 и 37 при закрытом вентиле 36 насосом 13 подается в экономайзер и испаритель, затем в сепаратор 5 и по линии с открытым вентилем 24 возвращается в бак 7. Пар с давлением 0,5-0,6 МПа, получаемый из бака 7, нагревается в пароперегревателе 6 и направляется на прогрев турбины 8. Такая последовательность действий позволяет существенно сократить время запуска установки и обеспечить его полную автономность.

Использование подогревателя 21 питательной воды, служащего системой охлаждения ФЭП 18 и замещающего подогреватель 11, в большинстве перечисленных выше режимов позволяет повысить эффек- тивность использования солнечной энергии и выработать дополнительное количество электроэнергии. Бак 7 с запасом горячей воды, накапливаемой при высоком уровне солнечной инсоляции, используется для подпитки парогенератора при пониженной инсоляции и для целей теплоснабжения, что также повышает эффективность использования солнечной энергии. Общий КПД электростанции существенно повышается.

Формула изобретения

СОЛНЕЧНАЯ МОДУЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, включающая последовательно соединенные в паросиловом контуре парогенератор с экономайзером, испарительной и пароперегревательной поверхностями теплообмена, турбину с генератором и конденсатором, а также систему подачи питательной воды с последовательно размещенными в ней регенеративным подогревателем низкого давления, дозатором и питательным насосом, при этом экономайзерная и испарительная поверхности теплообмена выполнены в виде параболоцилинрических модульных концентраторов, а пароперегревательная - с топливоподводом, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и обеспечения автономного запуска, она дополнительно снабжена баком-сепаратором и подогревателем питательной воды, при этом последний выполнен в виде параболоцилиндрических модульных концентраторов с размещенными в них фотоэлектрическими преобразователями и подключен к системе подачи питательной воды параллельно подогревателю низкого давления, а бак-сепаратор размещен между испарительной и пароперегревательной поверхностями теплообмена и подключен входом к выходу из испарительной поверхности теплообмена, выходом по пару - к пароперегревательной поверхности теплообмена, а выходом по воде - к системе подачи питательной воды за деаэратором.

РИСУНКИ

Рисунок 1