RU2249162C1

RU2249162C1 - Solar steam turbine plant

Info

Publication number: RU2249162C1
Application number: RU2003128594/06A
Authority: RU
Inventors: Гаврил Захарович Марко (MD); Гаврил Захарович Марко; Б.Г. Марко (RU); Б.Г. Марко; А.Г. Марко (RU); А.Г. Марко
Original assignee: Гаврил Захарович Марко; Марко Борис Гаврилович; Марко Александр Гаврилович
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-03-27

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: plant has a circuit for circulation of working fluid. The circuit comprises steam generator provided with branch pipes for supplying fluid and discharging steam, steam turbine combined with the electric generator, regenerative heater with branch pipes for supply and discharge of heating and heated fluids, circulation pump for pumping fluid, circuit for circulation of heat carrier tank for exhaust heat carrier, and circulation pump for heat-transfer agent. The solar receiver is made of independent sections interconnected in parallel. The heat carrier circulation circuit is provided with pressure vessel.

EFFECT: enhanced serviceability and simplified design.

5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, в частности к паротурбинным установкам малой мощности с органическими рабочими телами, использующими приемники солнечного излучения в качестве источников тепловой энергии, и может быть использовано для электроснабжения малых потребителей, в частности в сельском хозяйстве, лесоперерабатывающей промышленности, а также в качестве источника электроэнергии и горячей воды в местах временной, сезонной или спонтанно возникшей потребности в энергоносителях, в местностях с нарушенной инфраструктурой (при ликвидации последствий стихийных бедствий или техногенных катастроф), а также в других экстремальных условиях, обусловленных природным, техногенным или человеческим фактором.The invention relates to the field of energy, in particular to low-power steam turbine units with organic working fluids that use solar radiation detectors as sources of thermal energy, and can be used to power small consumers, in particular in agriculture, forestry industry, and also as source of electricity and hot water in places of temporary, seasonal or spontaneous need for energy, in areas with poor infrastructure nd (at disaster or manmade disasters), and also in other extreme conditions, due to natural, or man-made human factor.

Известна (RU, патент 2170852, 2001) солнечная энергетическая установка, содержащая приемник солнечной энергии в виде бассейна, заполненного рабочим телом и герметично закрытым прозрачной пленкой, при этом в указанном бассейне дополнительно расположено твердое тело, поглощающее энергию. Кроме того, установка содержит конденсатор отработанного рабочего тела, выход которого соединен с объемом указанного бассейна, и парогазовую турбину, на одной оси с которой расположены газовый компрессор и электрогенератор. Пространство над рабочим телом в бассейне соединено с входом парогазовой турбины.Known (RU, patent 2170852, 2001) is a solar power installation containing a solar energy receiver in the form of a pool filled with a working fluid and a hermetically sealed transparent film, while in this pool there is an additional solid body that absorbs energy. In addition, the installation contains a condenser of the spent working fluid, the output of which is connected to the volume of the specified pool, and a combined cycle gas turbine, on the same axis with which there is a gas compressor and an electric generator. The space above the working fluid in the pool is connected to the input of the combined cycle gas turbine.

Недостатком известного устройства следует признать невозможность его работы при низкой солнечной активности, поскольку концентрация паров рабочего тела может быть недостаточна для работы парогазовой турбины.A disadvantage of the known device should be recognized as the impossibility of its operation at low solar activity, since the concentration of the vapor of the working fluid may be insufficient for the operation of a combined cycle gas turbine.

Известна солнечная паротурбинная установка (SU, авторское свидетельство 826052, 1981), содержащая концентратор солнечной энергии, включенный в контур циркуляции рабочего тела. В состав указанного контура также входят последовательно расположенные парогенератор, турбина, регенератор с патрубками подвода и отвода нагреваемой и нагревающей сред, струйный конденсатор, вход которого соединен с выходом регенератора по нагревающей среде, радиатор, вход которого соединен с выходом струйного конденсатора, а выход - с входом струйного конденсатора.Known solar steam turbine installation (SU, copyright certificate 826052, 1981), containing a solar energy concentrator included in the circulation circuit of the working fluid. The specified circuit also includes a sequentially located steam generator, a turbine, a regenerator with nozzles for supplying and discharging a heated and heating medium, a jet condenser, the input of which is connected to the output of the regenerator through a heating medium, a radiator, the input of which is connected to the output of the jet condenser, and the output - jet capacitor input.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения можно признать (Гелиомеханика, том 1, “Солнечные электрические стации”, § 2.3.5, /под ред. Р.Б.Ахмедова и др./, М. 1986) паротурбинную установку солнечной электростанции башенного типа, содержащую солнечный концентратор, солнечный приемник-теплообменник, емкость аккумулятор горячего теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя, насос циркуляционный теплоносителя, парогенератор, паровую турбину, регенеративный подогреватель, конденсатор и насос циркуляционный рабочего тела.The closest analogue of the present invention can be recognized (Heliomechanics, Volume 1, “Solar electric stations”, § 2.3.5, / under the editorship of RB Akhmedov et al. /, M. 1986) a steam-turbine installation of a tower-type solar power station containing a solar concentrator, a solar receiver-heat exchanger, a capacity of a hot coolant accumulator, a waste heat carrier capacity, a circulation coolant pump, a steam generator, a steam turbine, a regenerative heater, a condenser and a circulating working fluid pump.

Однако в этой паротурбинной установке солнечный приемник-теплообменник расположен в фокальной части единого концентратора, что приводит к усложнению конструкции и удорожанию системы ориентации солнечного приемника. К недостаткам контура теплоносителя следует отнести то, что циркуляцию теплоносителя в приемнике-теплообменнике осуществляет циркуляционным насосом, что требует внешнего источника электроэнергии при запуске солнечной паротурбинной установки.However, in this steam turbine installation, the solar receiver-heat exchanger is located in the focal part of a single concentrator, which leads to a complication of the design and a rise in the cost of the orientation system of the solar receiver. The disadvantages of the coolant circuit include the fact that the coolant is circulated in the receiver-heat exchanger with a circulation pump, which requires an external source of electricity when starting a solar steam turbine installation.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного устройства, состоит в повышении работоспособности и эксплуатационной возможности установки при одновременном упрощении и удешевлении конструкции.The technical problem solved by the proposed device is to increase the efficiency and operational capabilities of the installation while simplifying and cheapening the design.

Технический результат, получаемый в результате реализации предложенного устройства, состоит в уменьшении себестоимости получаемых энергоносителей - электричества и тепловой энергии.The technical result obtained as a result of the implementation of the proposed device is to reduce the cost of energy carriers - electricity and thermal energy.

Поставленная задача достигается тем, что в солнечной паротурбинной установке, содержащей контур циркуляции рабочего тела, в котором последовательно соединены между собой трубопроводами парогенератор с патрубками входа жидкого рабочего тела и выхода пара, паровая турбина, совмещенная с электрогенератором, регенеративный подогреватель с патрубками подвода и отвода греющей и нагреваемой сред, конденсатор с патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды и насос циркуляционный рабочего тела, и контур циркуляции теплоносителя, в котором также последовательно соединены трубопроводами в единую цепь солнечный приемник, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, указанный парогенератор с патрубками подвода горячего и отвода отработанного теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя и насос циркуляционный теплоносителя, причем солнечный приемник выполнен в виде отдельных независимых секций, соединенных между собой параллельно в любом количестве, а контур циркуляции теплоносителя снабжен емкостью напорной, подключенной входным патрубком к выходному патрубку насоса циркуляционного теплоносителя, а выходным патрубком к входному патрубку солнечного приемника. Каждая секция солнечного приемника состоит из концентратора солнечной энергии, в фокальной части которого установлен теплообменник, входной патрубок которого соединен с выходным патрубком емкости напорной, а выходной патрубок соединен с входным патрубком емкости-аккумулятора горячего теплоносителя, при этом каждая указанная секция снабжена термостатом, установленным в выходном патрубке теплообменника.The problem is achieved in that in a solar steam-turbine installation containing a circulation circuit of the working fluid, in which a steam generator is connected in series with each other by pipelines of liquid working fluid inlet and steam outlet, a steam turbine combined with an electric generator, a regenerative heater with heating supply and exhaust pipes and heated media, a condenser with nozzles for supplying and discharging a cooled medium and a circulation pump for the working fluid, and a coolant circulation circuit, in which they are also sequentially connected by pipelines into a single circuit: a solar receiver, a hot fluid storage tank, a specified steam generator with hot and exhaust coolant supply pipes, a spent heat storage tank and a circulation coolant pump, the solar receiver being made in the form of separate independent sections interconnected in parallel any quantity, and the coolant circulation circuit is equipped with a pressure tank connected by an inlet pipe to an outlet pipe on wasp circulating coolant, and outlet conduit to the inlet of the solar receiver. Each section of the solar receiver consists of a solar energy concentrator, in the focal part of which a heat exchanger is installed, the inlet pipe of which is connected to the outlet pipe of the pressure vessel, and the outlet pipe is connected to the inlet pipe of the hot fluid storage tank, each of which is equipped with a thermostat installed in heat exchanger outlet pipe.

Предпочтительно для обеспечения возможности запуска паротурбинной установки в условиях отсутствия посторонних источников электроэнергии, в контуре циркуляции теплоносителя емкость напорную располагают выше емкости-аккумулятора горячего теплоносителя, а парогенератор - выше емкости отработанного теплоносителя и ниже емкости-аккумулятора горячего теплоносителя. Обычно парогенератор, емкость-аккумулятор горячего теплоносителя, емкость отработанного теплоносителя, емкость напорная, солнечная сторона теплообменника и трубопроводы, связывающие их между собой снаружи, изолируют от окружающей среды. Предпочтительно, в качестве рабочего тела использовано органическое вещество (жидкость или легковозгоняемое соединение).It is preferable to enable the steam turbine installation to start up in the absence of extraneous sources of electric power, in the coolant circulation circuit, the pressure head tank is located above the hot coolant storage tank, and the steam generator is above the waste coolant tank and below the hot coolant storage tank. Typically, a steam generator, a hot fluid storage tank, an spent heat storage tank, a pressure tank, the solar side of a heat exchanger, and pipelines connecting them from the outside are isolated from the environment. Preferably, an organic substance (liquid or a combustible compound) is used as a working fluid.

На чертеже приведена блок-схема базового варианта предлагаемой солнечной паротурбинной установки.The drawing shows a block diagram of a basic version of the proposed solar steam turbine installation.

В базовом варианте солнечная паротурбинная установка содержит солнечный приемник 1, парогенератор 2, паровую турбину 3 с электрогенератором 4, регенеративный подогреватель 5, конденсатор 6, насос 7 циркуляционный рабочего тела, емкость-аккумулятор 8 горячего теплоносителя, емкость 9 отработанного теплоносителя, насос 10 циркуляционный теплоносителя и емкость 11 напорную. Солнечный приемник 1 содержит секции 12. Каждая секция 12 содержит теплообменник 13, термостат 14 и концентратор 15 солнечной энергии.In the basic version, the solar steam turbine installation includes a solar receiver 1, a steam generator 2, a steam turbine 3 with an electric generator 4, a regenerative heater 5, a condenser 6, a circulation pump 7, a storage tank 8 of a hot heat carrier, a capacity 9 of the spent heat carrier, a circulation pump 10 and capacity 11 pressure head. The solar receiver 1 comprises sections 12. Each section 12 comprises a heat exchanger 13, a thermostat 14, and a solar energy concentrator 15.

Установка в предпочтительном варианте реализации работает следующим образом.Installation in a preferred embodiment works as follows.

Перед началом работы установки емкость 11 напорная, емкость 9 отработанного теплоносителя и солнечный приемник 1 заполнены в необходимой степени теплоносителем, а термостаты 14 закрыты.Before the installation starts, the pressure vessel 11, the waste heat carrier 9 and the solar receiver 1 are filled to the necessary degree with the heat carrier, and the thermostats 14 are closed.

При поступлении солнечной радиации теплоноситель в теплообменниках солнечного приемника 1 нагревается, нагревая при этом чувствительные элементы термостатов 14 секций 12.Upon receipt of solar radiation, the coolant in the heat exchangers of the solar receiver 1 is heated, while heating the sensitive elements of thermostats 14 sections 12.

При достижении температуры теплоносителя в теплообменниках солнечного приемника 1 заданной величины термостаты 14 постепенно открываются в той степени, в какой необходимо для поддержания заданной температуры и под действием напора, создаваемого емкостью 11 напорной, теплоноситель поступает в емкость-аккумулятор 8 горячего теплоносителя и далее самотеком в парогенератор 2 и затем в емкость 9 отработанного теплоносителя. Объем емкости 11 напорной должен быть достаточен для нагрева рабочего тела в парогенераторе до необходимой температуры и запуска паротурбинной установки. Емкость-аккумулятор 8 горячего теплоносителя служит буфером между солнечным приемником 1 и парогенератором 2. По мере опорожнения емкости 11 напорной, периодически действием насоса 10 циркуляционного перекачивают теплоноситель из емкости 9 отработанного теплоносителя в емкость 11 напорную, откуда теплоноситель самотеком снова поступает в солнечный приемник 1 для нагрева.When the temperature of the coolant in the heat exchangers of the solar receiver 1 of a predetermined value, the thermostats 14 gradually open to the extent that it is necessary to maintain the desired temperature and under the influence of the pressure created by the capacity 11 of the pressure head, the coolant enters the storage tank 8 of the hot coolant and then by gravity to the steam generator 2 and then into the container 9 of the waste coolant. The volume of the pressure tank 11 should be sufficient to heat the working fluid in the steam generator to the required temperature and start the steam turbine installation. The storage tank 8 of the hot heat carrier serves as a buffer between the solar receiver 1 and the steam generator 2. As the pressure tank 11 is emptied, the coolant is periodically pumped from the waste heat carrier 9 to the pressure tank 11 by the action of the circulation pump 10, from where the coolant again flows by gravity to the solar receiver 1 for heating up.

Пар из парогенератора 2 поступает в паровую турбину 3, производит работу по вращению турбины и выработке электрического тока, а после выхода из паровой турбины 3 поступает в регенеративный подогреватель 5, дополнительно отдает часть тепла и поступает в конденсатор 6, где происходит его конденсация, после которой он скапливается в нижней части конденсатора в жидком виде. Из конденсатора 6 рабочее тело насосом 7 циркуляционным рабочего тела через регенеративный подогреватель 5 подают снова в парогенератор 2 и цикл повторяют.The steam from the steam generator 2 enters the steam turbine 3, performs the rotation of the turbine and generates an electric current, and after exiting the steam turbine 3 it enters the regenerative heater 5, additionally transfers part of the heat and enters the condenser 6, where it condensates, after which it accumulates in the lower part of the capacitor in liquid form. From the condenser 6, the working fluid is pumped by the circulating working fluid 7 through the regenerative heater 5 to the steam generator 2 again and the cycle is repeated.

Тепловую мощность солнечного приемника 1 устанавливают больше тепловой мощности, потребляемой паровой турбиной 3 при работе на номинальной мощности. Это дает возможность создавать запас горячего теплоносителя, который используется при переменной облачности, а в безоблачные дни обеспечивает продолжение бесперебойной работы установки после прекращения поступления солнечной радиации на солнечный приемник 1.The thermal power of the solar receiver 1 is set more than the thermal power consumed by the steam turbine 3 when operating at rated power. This makes it possible to create a reserve of hot coolant, which is used for variable cloud cover, and on cloudless days it ensures continued uninterrupted operation of the installation after the termination of solar radiation to the solar receiver 1.

Наличие в солнечной паротурбинной установке солнечного приемника, состоящего из отдельных секций, снабженных теплообменниками и термостатами, обеспечивающими нагрев теплоносителя до заданной температуры, позволяет использовать солнечные приемники простой конструкции без ориентации или с частичной ориентацией на солнце, что упрощает и удешевляет конструкцию, а возможность накопления запаса горячего теплоносителя повышает работоспособность установки и расширяет эксплуатационные возможности. Наличие в контуре теплоносителя напорной емкости и взаиморасположение в пространстве емкостей и парогенератора, обеспечивающее самотек теплоносителя, позволяет запустить солнечную паротурбинную установку из холодного состояния без иных, кроме солнечного, источников энергии.The presence in the solar steam-turbine installation of a solar receiver, consisting of separate sections, equipped with heat exchangers and thermostats that heat the coolant to a predetermined temperature, allows the use of solar receivers of a simple design without orientation or with a partial orientation to the sun, which simplifies and reduces the cost of construction, and the possibility of accumulating stock hot coolant increases the efficiency of the installation and extends the operational capabilities. The presence in the coolant circuit of the pressure vessel and the relative position in the space of the tanks and the steam generator, which ensures the gravity of the coolant, allows you to start the solar steam turbine installation from a cold state without other than solar sources of energy.

Это обстоятельство обеспечивает полную автономность работы солнечной паротурбинной установки.This circumstance ensures the complete autonomy of the operation of the solar steam turbine installation.

Применение предложенной конструкции позволяет относительно конструкции, использованной в качестве ближайшего аналога, уменьшить себестоимость получаемых энергоносителей - электричества и тепловой энергии примерно на 9,7%.The application of the proposed design allows, relative to the design used as the closest analogue, to reduce the cost of energy carriers - electricity and heat energy by about 9.7%.

Claims

1. A solar steam-turbine installation containing a circulation circuit of the working fluid, in which a steam generator is connected in series with each other with pipes for entering the working fluid and steam outlet, a steam turbine combined with an electric generator, a regenerative heater with pipes for supplying and discharging heating and heated media, a condenser with pipes for supplying and discharging the cooled medium and a circulation pump for the working fluid, and a coolant circulation circuit, in which pipelines are also connected in series Odes into a single circuit include a solar receiver, a hot-water storage tank, a steam generator with hot water supply and waste heat transfer pipes, a waste heat storage tank and a circulation coolant pump, characterized in that the solar receiver is made in the form of separate independent sections interconnected in parallel in any quantity, and the coolant circulation circuit is equipped with a pressure tank connected by the inlet pipe to the outlet pipe of the circulation medium pump, outlet pipe - to the inlet of the solar receiver.

2. Installation according to claim 1, characterized in that each section of the solar receiver consists of a solar energy concentrator, in the focal part of which a heat exchanger is installed, the inlet pipe of which is connected to the outlet pipe of the pressure tank, and the outlet pipe is connected to the inlet pipe of the hot battery coolant.

3. Installation according to claim 2, characterized in that each section is equipped with a thermostat installed in the outlet pipe of the heat exchanger.

4. The installation according to claim 1, characterized in that in the circulation circuit of the coolant, the pressure tank is located above the hot water storage tank, and the steam generator is above the waste heat storage tank and below the hot heat storage tank.

5. Installation according to claim 1, characterized in that the steam generator, the storage tank of the hot coolant, the capacity of the spent coolant, the pressure head, the solar side of the heat exchanger and the pipelines connecting them to each other from the outside, are insulated.