一种槽式光热电站回路双向循环预热系统及其操作方法

摘要

本发明的目的在于提供一种槽式光热电站回路双向循环预热系统，所述系统包括：风机(2)，阀门组(4)，以及管道系统(3)；所述阀门组(4)包括第一阀门(4‑1)、第二阀门(4‑2)、第三阀门(4‑3)及第四阀门(4‑4)；第一阀门(4‑1)两端分别与风机(2)的入口及回路(1)的回路入口旁路阀(1‑1)相连；第二阀门(4‑2)两端分别与风机(2)的出口及回路入口旁路阀(1‑1)相连；第三阀门(4‑3)两端分别与风机(2)的入口及回路(1)的回路出口旁路阀(1‑2)相连；第四阀门(4‑4)两端分别与风机(2)的出口及回路出口旁路阀(1‑2)相连；通过阀门组(4)中阀门的开关调整改变回路中预热介质的流向，对回路进行预热。同时公开了相应的操作方法。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电的应用技术，且特别涉及一种槽式光热电站回路使用的双向循环预热系统及其操作方法。

背景技术

太阳能光热发电(Concentrated Solar Power,简称为“CSP”)是一种太阳能聚光热发电技术，依靠各种聚光镜面将太阳的直接辐射(DNI)聚集，通过加热流体工质(heattransfer fluid，下称“HTF”)收集热量，再经过热交换产生高温蒸汽，推动汽轮机发电。CSP目前主流的技术路线都是按照太阳能采集方式来划分的，主要分为塔式、槽式、菲涅尔式和碟式四类，目前全球范围内已建成或在建的项目，以槽式技术为最多。槽式太阳能热发电将众多槽式抛物面聚光集热器经过串并联的方式排列，通过流体工质收集热量达到较高温度，然后通过进一步换热产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。槽式太阳能热发电主要由聚光集热装置(或称“镜场”)、换热系统、储热装置和汽轮发电装置四部分组成。其系统示意图如图1所示。

槽式电站镜场由很多个回路组成。单个回路由四个集热器(Solar CollectorAssembly，简称为“SCA”)串联组成，每个SCA长度约为150米，温度传感器一般安装于每个SCA的中间位置。单个回路中的四个SCA，前两个、后两个各自连成一列后相互平行布置，两列之间通过跨接管连接。每个回路的进出口分别与冷导热介质母管和热导热介质母管相连，将冷导热介质母管带来的导热介质加热后送回到热导热介质母管。回路与母管的连接管道上安装有阀门，用于必要时切断回路与母管连接。如图2所示，虚线框部分为单条回路1，通过回路入口阀10-1和回路出口阀10-2分别与冷热导热介质母管10相连，同时回路1配有回路入口旁路阀1-1和回路出口旁路阀1-2。

槽式项目目前所使用的导热流体工质主要有导热油和熔盐等，具有在低温下凝固的特点。基于太阳辐照情况的考虑，目前国内项目选址多处于西北地区，部分地区的气温最低可达零下三四十摄氏度，一年中有数月的平均气温处于导热工质的凝固点之下，在这段时间向镜场回路注入导热工质会有凝固风险。通过事先加热导热工质，将导热工质保持在一定温度以上，可以解决凝固问题。但因为此时回路温度很低，导热工质与集热管之间的温差超过一定温度时，将很容易造成集热管不可逆的弯曲变形甚至损坏。因此，目前槽式项目对镜场回路进行导热工质注入操作时，经常会受到环境温度的限制，从而大大限制了一年中镜场可注入导热工质的操作窗口期。

总体上，目前向回路注入导热工质存在以下问题：

1、槽式光热电站初次投入运行前，由于需要先对母管注入导热工质，然后再注入各条回路，当环境温度不足以支持同时完成母管和回路的导热工质注入时，将无法对回路进行注油，会大大延后槽式项目的投产时间；

2、在槽式光热电站运行过程中，需要对某个或某些回路卸除导热工质进行检修，同样如果因环境温度无法注入导热工质，将导致该回路无法投运，影响电站效益；

3、当回路中的空气/氮气滞止不流动时，温度传感器无法正确反应整个回路的温度情况，影响对能否注入导入工质的准确判断；

4、SCA的集热管在接收太阳光照射时，温度会升高，但SCA之间的连接管道，特别是跨接管，由于长度较长且包裹在保温层之下，无法通过太阳照射的方式对这段管道进行加热。因此当环境温度较低时，集热管和跨接管之间往往形成很大的温度差，无法保证回路中所有位置的温度都在拟注入导热介质温度的±30℃范围内，因此传统的槽式电站中尚无实现各回路的整体预热的相应手段，极大削弱了槽式技术对低温环境的适应性；

5、如果通过多次手动拆卸/安装外接设备和回路之间的法兰连接来调整回路中气流的流动方向，实现回路整体温度均匀化，则需要耗费相当多的人力和时间。同时由于气体的比热容较低，在拆卸和重新安装的时间内，回路温度会因散热而迅速降低，无法实现回路预热的目的。

发明内容

为了解决现有问题，本发明提供了一种槽式光热电站回路双向循环预热系统及其操作方法，通过操作阀门组合或单个阀门快速切换预热气流的方向，实现对槽式回路的整体均匀预热，协助在低温条件下将导热工质注入回路。该系统通过一次或数次切换气流方向，配合集热器散焦跟随太阳，使整个回路预热均匀，并使回路整体温度满足导热工质的注入条件。整个系统配备了相应的设备和管道，同时配置了可选设备，以应对特殊的工况。

本发明的目的在于提供一种槽式光热电站回路双向循环预热系统，包括：

风机(2)，阀门组(4)，以及将风机(2)、阀门组(4)和回路相连接的管道系统(3)；

所述阀门组(4)包括第一阀门(4-1)、第二阀门(4-2)、第三阀门(4-3)及第四阀门(4-4)，阀门为手动或自动型；第一阀门(4-1)一端与风机(2)的入口相连，另一端与回路(1)的回路入口旁路阀(1-1)相连；第二阀门(4-2)一端与风机(2)的出口相连，另一端与回路(1)的回路入口旁路阀(1-1)相连；第三阀门(4-3)一端与风机(2)的入口相连，另一端与回路(1)的回路出口旁路阀(1-2)相连；第四阀门(4-4)一端连接到风机(2)的出口，另一端与回路(1)的回路出口旁路阀(1-2)相连，通过阀门组(4)中阀门的开关调整改变回路中预热介质的流向，对回路进行预热。

优选的，所述风机(2)出口设置温度传感器，监测温度防止风机长时间运行超温，入口安装过滤装置(9)，对进入风机(2)的气体进行过滤。

优选的，所述管道系统(3)使用金属硬管或金属软管，并进行隔热保温，防止人员烫伤，并减少低温环境下的散热。

优选的，所述阀门组(4)由两个三通换向阀(5-1和5-2)或者一个四通换向阀(6)组成。阀门组(4)由两个三通换向阀(5-1和5-2)组成时，第一三通换向阀(5-1)的工作口a同风机(2)出口相连，出口c同回路入口旁路阀(1-1)相连，入口b与回路出口旁路阀(1-2)相连，第二三通换向阀(5-2)的工作口d同风机(2)入口相连，出口e同回路入口旁路阀(1-1)相连，入口f同回路出口旁路阀(1-2)相连。阀门组(4)由一个四通换向阀(6)组成时，四通换向阀(6)相邻的通道口x和通道口y分别连接风机(2)出口和回路入口旁路阀(1-1)，四通换向阀(6)相邻的通道口m和通道口n分别连接风机(2)入口和回路出口旁路阀(1-2)。

优选的，所述系统搭载氮气系统(7)，包括一个或多个氮气标准气瓶或氮气杜瓦瓶，氮气系统(7)的出口与风机(2)的入口或出口相连；

优选的，所述系统搭载管道加热器(8)，安装于所述风机(2)出口，管道加热器(8)出口安装温度传感器用于监控温度；

本发明的目的还在于提供一种基于上述槽式光热电站回路双向循环预热系统的操作方法，包括如下步骤：

步骤1，关闭所需预热的回路(1)的回路入口阀(10-1)和回路出口阀(10-2)，断开回路(1)与母管之间的连接；

步骤2：通过所述回路(1)的所述回路入口旁路阀(1-1)和回路出口旁路阀(1-2)将本系统的进出口与所述回路(1)进行连接，完成后打开回路入口旁路阀(1-1)和回路出口旁路阀(1-2)；

步骤3：操作阀门组(4)，打开第二阀门(4-2)、第三阀门(4-3)，关闭第一阀门(4-1)、第四阀门(4-4)，使预热系统和回路形成一个完整的正向循环通道，即预热气流将依次通过SCA1、SCA2、SCA3、SCA4；如系统搭载氮气系统(7)，启动风机前将氮气从氮气系统(7)注入到回路里并调节到合适的压力；

步骤4：启动所述风机(2)，通过集热场控制系统操作所述回路(1)的集热器进入散焦跟随模式，将太阳光在集热管附近聚焦，对回路进行预热；如配有所述管道加热器(8)可开启所述管道加热器(8)辅助提高预热速度；预热至四个SCA中各测点的最高温度与拟注入导热工质温差小于30℃时，关闭风机(2)，如配有所述管道加热器(8)，关闭所述风机(2)的同时关闭管道加热器(8)；

步骤5：操作阀门组(4)，关闭第二阀门(4-2)、第三阀门(4-3)，打开第一阀门(4-1)、第四阀门(4-4)，使预热系统和回路形成一个完整的逆向循环通道，即预热气流将依次通过SCA4、SCA3、SCA2、SCA1；

步骤6：启动所述风机(2)，再次预热所述回路(1)，直到观察到回路所有测温点温度均匀且与拟注入导热工质温差小于30℃时，关闭所述风机(2),如配有所述管道加热器(8)，关闭所述风机(2)的同时关闭管道加热器(8)。

步骤7：根据环境温度不同，天气条件不同，拟注入导热介质温度不同，若一次正向循环和一次逆向循环不能满足回路所有测温点温度均匀且与拟注入导热工质温差小于30℃的要求时，可多次重复步骤3至步骤6。温度达到要求后，关闭回路与本系统之间连接的所述回路入口旁路阀(1-1)和回路出口旁路阀(1-2)，断开本系统与所述回路(1)之间的管道连接，进行后续工作。

所述两个三通换向阀(5-1和5-2)组成的阀门组(4)的操作方法如下：

正向循环接通步骤：控制第一三通换向阀(5-1)，使其工作口a与出口c联通，控制第二三通换向阀(5-2)，使其工作口d与入口f联通，使预热系统和回路形成一个完整的正向循环通道，即预热气流将依次通过SCA1、SCA2、SCA3、SCA4。

逆向循环接通步骤：控制第一三通换向阀(5-1)，使其工作口a与入口b联通，控制第二三通换向阀(5-2)，使其工作口d与出口e联通，使预热系统和回路形成一个完整的逆向循环通道，即预热气流将依次通过SCA4、SCA3、SCA2、SCA1。

所述一个四通换向阀(6)组成的阀门组(4)的操作方法如下：

正向循环接通步骤：控制四通换向阀(6)，使其通道口m与通道口n联通，通道口x与通道口y联通，使预热系统和回路形成一个完整的正向循环通道，即预热气流将依次通过SCA1、SCA2、SCA3、SCA4。

逆向循环接通步骤：控制四通换向阀(6)，使其通道口m与通道口y联通，通道口n与通道口x联通，使预热系统和回路形成一个完整的逆向循环通道，即预热气流将依次通过SCA4、SCA3、SCA2、SCA1。

本发明的有益效果：提供了一种槽式光热电站回路双向循环预热系统及其操作方法，可以方便快速均匀的预热回路。解决了在低温天气下单个回路排空检修后，导热工质如何顺利回注的问题。同时对于初次投运电站在母管注入导热工质后如何在低温下安全地向单个回路注入导热工质，本发明也提供了合理的解决方案，从而有效延长了槽式回路注入导热工质的操作窗口期。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为根据现有技术的槽式太阳能热发电系统结构图。

图2所示为根据本发明实施例的槽式光热电站回路双向循环预热系统结构示意图(使用普通阀门)。

图3所示为根据本发明实施例的槽式光热电站回路双向循环预热系统结构示意图(使用三通换向阀)。

图4所示为根据本发明实施例的槽式光热电站回路双向循环预热系统结构示意图(使用四通换向阀)。

图5所示为根据本发明实施例的槽式光热电站回路双向循环预热系统结构示意图(普通阀门情况下合并安装可选设备)。

其中附图标记分别表示：

1-回路；1-1-回路入口旁路阀；1-2-回路出口旁路阀；2-风机；3-管道系统；4-阀门组；4-1-第一阀门；4-2-第二阀门；4-3-第三阀门；4-4-第四阀门；5-1-第一三通换向阀；5-2-第二三通换向阀；6-四通换向阀；7-氮气系统；8-管道加热器；9-过滤装置；10-冷热导热介质母管；10-1-回路入口阀；10-2-回路出口阀。

具体实施方式

图2所示槽式光热电站回路双向循环预热系统的具体实施案例。风机2和阀门组4通过管道系统3与回路1相连接，风机2、阀门组4及管道系统3构成了槽式光热电站回路双向循环预热系统。阀门组4由四个普通阀门组成，具体为第一阀门4-1，第二阀门4-2，第三阀门4-3及第四阀门4-4。第一阀门(4-1)一端与风机(2)的入口相连，另一端与回路(1)的回路入口旁路阀(1-1)相连；第二阀门(4-2)一端与风机(2)的出口相连，另一端与回路(1)的回路入口旁路阀(1-1)相连；第三阀门(4-3)一端与风机(2)的入口相连，另一端与回路(1)的回路出口旁路阀(1-2)相连；第四阀门(4-4)一端连接到风机(2)的出口，另一端与回路(1)的回路出口旁路阀(1-2)相连。阀门均为手动阀门。

回路所使用的导热工质HTF为26.5％联苯和73.5％联苯醚导热油，其凝固点为12℃。拟注入回路1的HTF温度为80℃。所有其他适用于槽式光热电站的导热工质如有机合成油、熔盐无机盐混合物等都在本专利保护范围。

本实施例中，风机2为鼓风机，出口配置温度传感装置，以防长时间运行超温。风机2由电机驱动，电机通过连接在轴上的风扇和流向机匣翅片的气流进行自冷，风机的叶轮和壳体为单级式。

预热系统内的管道系统3中，全部采用金属硬管，两端采用法兰接口。

金属硬管进行隔热保温，以防止人员烫伤，并减少低温环境下的散热。

本实施案例中，系统包括风机2、管道系统3和阀门组4，此为实现本专利功能的基本构成。为在现场寒冷条件下工作，并避免导热油的氧化，提高预热速度，减少管道系统内可能的颗粒物对风机的损坏，系统还配置了氮气系统7、管道加热器8和过滤装置9，如图5所示。

氮气系统7入口位于风机2出口，包括一个或多个氮气标准气瓶或氮气杜瓦瓶，每个气瓶或杜瓦瓶出口均配备减压阀，在预热之前向预热系统及回路内充满氮气，避免升温后HTF被空气氧化，同时将氮气用于提高回路内气体压力，增加预热速度。

管道加热器8安装于风机2出口，可辅助提高预热速度。管道加热器8可以采用电加热，高温蒸汽加热以及燃烧加热，本实施例中管道加热器8为电加热器。

过滤装置9安装于风机2入口，用于去除回流气流中的残油、残渣、尘土等，保护风机。过滤装置9可以采用旋风过滤器、多孔介质过滤器。本实施例中，过滤装置9是旋风分离器。

本实施例的操作方法，包括如下步骤：

步骤1：关闭所需预热的回路1的回路入口阀10-1和回路出口阀10-2，断开回路1与母管之间的连接；

步骤2：通过金属硬管将本系统的进出口与回路1的两个旁路阀1-1和1-2连接，金属软管两端均为法兰连接，连接完毕后使用保温隔热材料对金属软管和法兰进行保温。完成后打开回路1的两个旁路阀1-1和1-2。

步骤3：打开第二阀门4-2、第三阀门4-3，关闭第一阀门4-1、第四阀门4-4，使预热系统和回路形成一个完整的正向循环通道，即预热气流将依次通过SCA1、SCA2、SCA3、SCA4。打开氮气系统7的氮气瓶阀门并调节出口氮气压力到0.5-2bar。

步骤4，启动风机2，使预热系统和回路1中的气体循环流动。将集热器运行模式设置为滞后一定的角度散焦跟随太阳，使太阳光部分反射至集热管上。同时开启管道加热器8，辅助提高预热速度。循环预热一段时间后，各SCA的温度升高，且SCA2的温度会高于SCA1，SCA4的温度会高于SCA3。当任意一个SCA的最高温度达到70-90℃时，停止管道加热器8和风机2。

步骤5：，关闭第二阀门4-2、第三阀门4-3，打开第一阀门4-1、第四阀门4-4，使预热系统和回路形成一个完整的逆向循环通道，即预热气流将依次通过SCA4、SCA3、SCA2、SCA1。

步骤6：启动风机2和管道加热器8，再次预热所述回路1，直到观察到回路所有测温点温度均匀且与拟注入导热工质温差小于10℃时，停止风机2和管道加热器8，回路预热完成。一般情况下，应保证回路所有温度测点读数温度在拟注入HTF温度±30℃范围内，且越接近HTF温度越好。

步骤7：根据实际天气条件、环境温度、HTF温度的不同，如果一次正向循环和一次逆向循环不能使回路温度满足注入导热工质要求，应多次重复3-6步骤，直至回路预热温度达到要求。之后，关闭回路与本系统之间连接的所述回路入口旁路阀1-1和回路出口旁路阀1-2，断开本系统与所述回路1之间的管道连接，进行后续工作。

图3为本发明的第二个实施例，其阀门组4由两个三通换向阀5-1和5-2组成，第一三通换向阀5-1的工作口a同风机2出口相连，出口c同回路入口旁路阀1-1相连，入口b与回路出口旁路阀1-2相连，第二三通换向阀5-2的工作口d同风机2入口相连，出口e同回路入口旁路阀1-1相连，入口f同回路出口旁路阀1-2相连。

本实施例阀门组4的操作方法为：

正向循环接通步骤：控制第一三通换向阀5-1，使其工作口a与出口c联通，控制第二三通换向阀5-2，使其工作口d与入口f联通，使预热系统和回路形成一个完整的正向循环通道，即预热气流将依次通过SCA1、SCA2、SCA3、SCA4。

逆向循环接通步骤：控制第一三通换向阀5-1，使其工作口a与入口b联通，控制第二三通换向阀5-2，使其工作口d与出口e联通，使预热系统和回路形成一个完整的逆向循环通道，即预热气流将依次通过SCA4、SCA3、SCA2、SCA1。

图4为本发明的第三个实施例，其阀门组4由一个四通换向阀6组成，四通换向阀6相邻的通道口x和通道口y分别连接风机2出口和回路入口旁路阀1-1，四通换向阀6相邻的通道口m和通道口n分别连接风机2入口和回路出口旁路阀1-2。

本实施例阀门组4的操作方法为：

正向循环接通步骤：控制四通换向阀6，使其通道口m与通道口n联通，通道口x与通道口y联通，使预热系统和回路形成一个完整的正向循环通道，即预热气流将依次通过SCA1、SCA2、SCA3、SCA4。

逆向循环接通步骤：控制四通换向阀6，使其通道口m与通道口y联通，通道口n与通道口x联通，使预热系统和回路形成一个完整的逆向循环通道，即预热气流将依次通过SCA4、SCA3、SCA2、SCA1。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。