RU2032082C1

RU2032082C1 - Modular solar-electric plant

Info

Publication number: RU2032082C1
Application number: SU904794790A
Authority: RU
Inventors: Э.П. Волков; Г.В. Циклаури; М.М. Колтун; А.И. Рзаев; В.И. Кабаков; Л.Л. Филатов; Л.Д. Додонов; И.И. Кохова
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "Ди Си Ди"
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: solar power engineering. SUBSTANCE: saturated steam produced in solar receiver 4 of steam generator having economizer heating surface 1 and evaporator heating surface 2 is conveyed to steam-liquid separator 5 wherefrom dry saturated steam is supplied either directly or via fuel-fed steam reheat transfer surface 6 to turbine 8. Saturated liquid produced in separator 5 is stored in tank 7 and can be used to produce steam for plant operation in absence of solar insolation or for any other purpose. Plant may be used to supply heat energy to users through water-to-water heat exchanger 16 communicating with tank 7 and through gas-to-water heat exchanger 17 ytilizing heat of exit gases from steam reheater 6. Electrical energy generated by photoelectric converters 18 is used to supply auxiliaries of power plant which ensures its off-line operation. Heater 21 that functions as cooling system of photoelectric converters 18 may be used insteadof heater 11 to raise power output. EFFECT: improved stability of heat and power supply, simplified design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к установкам для преобразования солнечной энергии в электрическую и для теплоснабжения. The invention relates to solar technology, in particular to installations for converting solar energy into electrical energy and for heat supply.

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). Known solar single-circuit steam-water installation with a Central receiver of solar radiation mounted on the tower, and the surrounding field of flat heliostats. Saturated steam received in the receiver - the solar steam generator, enters the steam-water battery and charges it. When the steam parameters in the accumulator are reached by the workers, the corresponding valves open and dry saturated steam enters the steam-turbine part of the installation, after which the feed water is again fed to the input of the steam generator receiver (Akhmedov R. B., Baum I.V., Pozharnov V.A. . and other Solar power plants. Results of science and technology. ser. Helioenergetics, M.: VINITI, 1986, v.1, p.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. The disadvantages of this installation are the complex ACS of the heliostat field and the high energy costs of controlling the field due to the individual guidance of a large number of heliostats along two coordinate axes, the long start-up period due to the preliminary charge of the steam-water battery and the low efficiency of the steam-turbine cycle due to operation on saturated steam .

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. Known solar modular dual-circuit power plant with parabolic cylinders of solar energy. In the first circuit of the installation, which contains a field of parabolic cylindrical concentrators with solar radiation receivers, a gas double boiler and intermediate heat exchangers connected in parallel to the concentrator field, a homogeneous heat carrier (organic liquid) circulates, which transfers heat to water and water vapor of the second circuit. In it, the energy of the steam is converted into electrical energy in a conventional steam turbine cycle. The possibility of intermediate superheating of steam by a high-temperature coolant in a special heat exchanger is also provided.

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.Disadvantages of this installation are longer duration start time because of the necessity of preheating the large mass of coolant contained in the intermediate heat exchangers and the radiation receivers, reduced cycle efficiency due to the limitations of maximum flow temperature (400 ° ^C) in accordance with the technology of its operation and increased energy costs to pump coolant due to its high viscosity.

Цель изобретения - повышение эффективности использования солнечной энергии и обеспечение автономного запуска установки. The purpose of the invention is to increase the efficiency of use of solar energy and to ensure autonomous start-up of the installation.

На чертеже приведена схема солнечной модульной энергетической установки. The drawing shows a diagram of a solar modular power plant.

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. The installation comprises a steam generator, consisting of economizer 1, evaporative 2 heat exchange surfaces made in the form of fields of parabolic cylindrical modular concentrators 3 with receivers 4 of solar radiation. The exit from the evaporating surface 2 of the heat exchange is connected to the inlet of the separator tank, structurally made of the separator 5, the steam output of which is connected to the inlet of the superheater surface (superheater) 6 of the heat exchange of the steam generator with a fuel supply, and the tank 7 is a hot water accumulator interconnected as steam and liquid. A steam generator, consisting of heat exchange surfaces 1, 2 and 6, is connected in series with a turbine 8, a condenser 9 and a feed water supply system with a condensate pump 10, regenerative heaters 11 of low pressure, deaerator 12, feed pump 13 and regenerative heaters successively placed in it 14. high pressure. The water outlet of the tank 7 is connected to the feed water supply system behind the deaerator 12. A generator 15 is located on the same shaft with the turbine 8. The water volume of the tank 7 is connected to the inlet of the water-to-water heat exchanger 16 of the heat supply system, the water outlet of which is connected to the deaerator 12. The flue gas exit of the superheater surface 6 is connected to a gas-water heat exchanger 17 of the heat supply system. The system of photovoltaic converters (FEP) 18 installed in parabolic cylindrical concentrators 19 of solar radiation, similar in design to the concentrators 3, is electrically connected to the inverter 20. The feed water heater 21, which is also the cooling circuit of the FEP 18, is connected to the feed water supply system parallel to the low heater 11 pressure. A cold water tank 22 is connected to the output of the condensate pump 10, at the outlet of which an additional circulation pump 23 is installed, the output of which is connected to the input of the feed water heater 21. The connecting piping of the installation is equipped with control and shut-off valves 24-39.

Солнечная модульная энергетическая установка работает следующим образом. Solar modular power plant operates as follows.

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.With a normal level of solar insolation during the day, the feed water from the feed water supply system enters the inlet of economizer 1 and then evaporative 2 surfaces of the heat exchange of the steam generator. The saturated steam leaving the evaporator, having a mass vapor content of 0.5 to 0.9 (depending on the level of solar insolation), enters the separator 5, where the vapor is separated from the saturated liquid in it. Separated dry saturated steam through a line with open valves 25 and 27 is supplied to the superheater surface 6 of the heat exchange of the steam generator, where it is brought to the required parameters. As fuel in the superheater 6, natural gas is used with the maximum combustion temperature of 500-700 ^{° C,} which allows to minimize harmful emissions. Heat flue gases having ^about 400-450 C, is utilized in the gas-water heat exchanger 17, the heating system, after which the exhaust gases with a temperature of less than 120 ^{° C} are emitted into the atmosphere. Saturated liquid from the separator 5 along the line with the valve 24 is stored in the tank 7, which serves as a hot water accumulator. Make-up of the circuit to replenish the water stored in the tank 7 is carried out from the cold water tank 22 supplied by the pump 23 through a line with open valve 39, the valve 38 is closed. At the same time as the generator 15, electric power generation is carried out by a photovoltaic converter 18, which converts the solar radiation collected by the concentrators 19 directly into direct current, which, after conversion in the inverter 20 to a current of industrial parameters, can be used for the plant’s own needs or supplied to the electric network. Since the FEP 18 effectively operate when heated to a temperature no higher than 75-80 ^{° C} and have a conversion efficiency of 20%, they are cooled feedwater and are thus feedwater preheater 21. In this case, the heater 21 with open valves 32 and 34 and closed valves 33 and 35 replaces the low pressure heaters 11, increasing the passage of steam through the turbine 8 and, therefore, the generation of electricity. In this mode of operation, the installation has maximum power.

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. If it is necessary to reduce electric power (for example, during the daily minimum load), the superheater 6 is turned off, the valve 27 closes, the valve 28 opens, and dry saturated steam is supplied to the turbine 8, which reduces its power. In this case, the excess amount of hot water from the tank 7 is used for heat supply. Water through the open valve line 29 is supplied to the water-to-water heat exchanger 16 of the heat supply system, where it transfers heat to the network water, and then is discharged to the deaerator 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. In the evening, at a reduced level of solar insolation, the valve 30 opens, and hot water from the tank 7 is supplied to the inlet of the feed pump 13, increasing the temperature of the feed water at the inlet to the economizer 1, which allows maintaining the steam flow through the turbine 8 at a given level.

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. In the absence of solar insolation (during a period of short cloud cover or at night), the steam of the turbine 8 is supplied from the tank 7. At the same time, the valves 24 and 25 are closed, and with the help of valve 26, the pressure is reduced so that dry saturated steam of certain parameters is obtained. By switching valves 27 and 28, this steam can be supplied either directly to the turbine 8, or through a superheater 6 depending on the required power of the generator 15. In this case, condensate is stored in the tank 22 through the open valve 38 line through the open valve 38. Regenerative heaters 11 and 14 This mode is disabled, which contributes to the additional generation of electricity. If necessary, and a sufficient capacity of the tank 7 is possible release of thermal energy using either a gas-water heat exchanger 17 (with a working superheater), or a water-water heat exchanger 16.

В утренние часы запуск установки осуществляется следующим образом. In the morning hours, the installation is launched as follows.

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.At the end of the installation in the evening or night time, the concentrators 19 of the solar cells 18 are oriented in the direction of the sunrise. Therefore, in the morning, FEP 18 immediately begins to generate electricity, which is spent on the plant’s own needs, including the drive of pumps 10 and 13 and the functioning of the orientation system of concentrators 3 of economizer 1 and of evaporative 2 heat exchange surfaces. In addition, the remaining water in the tank 7, which has a temperature of about ¹⁵⁰ ° C which can not be used to produce steam operating parameters used during heating installation, before starting. To do this, hot water from the tank 7 along the lines with open valves 30 and 37 with the closed valve 36 is pumped 13 to the economizer and evaporator, then it is returned to the separator 5 and through the line with the open valve 24 to the tank 7. Steam with a pressure of 0.5- 0.6 MPa, obtained from the tank 7, is heated in the superheater 6 and sent to warm up the turbine 8. This sequence of actions can significantly reduce the start-up time of the installation and ensure its complete autonomy.

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. The use of feedwater heater 21, which serves as the cooling system of solar cells 18 and replaces heater 11, in most of the above modes allows to increase the efficiency of solar energy use and generate additional electricity. Tank 7 with a supply of hot water accumulated at a high level of solar insolation is used to feed the steam generator with low insolation and for heat supply, which also increases the efficiency of solar energy use. The overall efficiency of the power plant is significantly increased.

Claims

SUNNY MODULAR POWER INSTALLATION, which includes a steam generator with an economizer in series, connected in a steam power circuit, an evaporator and superheater heat exchange surfaces, a turbine with a generator and condenser, as well as a feed water supply system with a regenerative low-pressure heater, a metering unit and a feed pump the economizer and evaporative heat transfer surfaces are made in the form of parabolocilinar modular concentrators, and p reheater - with fuel supply, characterized in that, in order to increase efficiency and ensure autonomous start-up, it is additionally equipped with a separator tank and feed water heater, the latter being made in the form of parabolic cylindrical modular concentrators with photovoltaic converters placed in them and connected to the feed system feed water parallel to the low pressure heater, and a separator tank is placed between the evaporative and superheater surfaces of the heat exchange a and input connected to the output of the evaporator heat transfer surface, a pair of output - to the superheater heat exchange surface, and the yield of the water - to a feed water system for deaerator.