用於使用太陽能加熱系統來加熱給水的系統和方法

2023-05-16 18:00:56 1

專利名稱：用於使用太陽能加熱系統來加熱給水的系統和方法
技術領域：
本發明涉及在蒸汽輪機的運行期間被鍋爐消耗的給水；並且更具體而言，涉及結 合太陽能加熱系統來加熱給水的系統和方法。
背景技術：
結合了蒸汽輪機的動力設備典型地集成有冷凝器和鍋爐。冷凝器接收蒸汽輪機排 出的低能蒸汽或蒸汽-水混合物。在接收低能蒸汽之後，冷凝器從蒸汽中抽取熱量，蒸汽冷 凝而形成給水。鍋爐接收和加熱給水，直到轉換成蒸汽為止，蒸汽被傳送到蒸汽輪機，並且 重複這個閉環過程。一些鍋爐，例如(但不限於)熱回收蒸汽發生器(HRSG)，用來自燃氣輪 機的排氣的能量來加熱給水。其它的鍋爐通過從蒸汽輪機抽取的蒸汽來加熱給水。用以加 熱給水的這兩種方法均減少了動力設備的輸出。太陽能是可再生能源，它的應用和使用越來越多。太陽能的使用在渦輪機暴露於 足夠量的陽光的區域中可為有利的。使用太陽能的一些好處包括(但不限於)提高渦輪 機的輸出和效率，以及減少渦輪機排放。太陽能系統的效率根據使用的太陽能技術的類型 而不同。這種不同可使得對渦輪機現場增加太陽能技術在成本方面非常高昂。如果太陽能 系統可構造成以便加熱給水，則通常用於給水加熱的蒸汽將可用來產生功率。出於前述原因，需要一種降低與加熱由鍋爐所消耗的給水相關聯的寄生負荷的系 統。該系統應當結合相對高效的太陽能技術來提高給水的溫度。

發明內容
根據本發明的一個實施例，(提供了)一種用於提高給水的溫度的系統，該系統包 括構造成用於將蒸汽轉換成機械能的蒸汽輪機；與蒸汽輪機集成的冷凝器，其中，冷凝器 構造成用於將從蒸汽輪機排出的蒸汽轉換成給水；以及構造成用於加熱給水的太陽能加熱 系統，其中，太陽能加熱系統接收從冷凝器排出的給水；其中，太陽能加熱系統將給水從第 一溫度加熱到第二溫度。根據本發明的一個備選實施例，(提供了)一種構造成用於升高給水的溫度的動 力設備，該動力設備包括構造成用於將蒸汽轉換成機械能的蒸汽輪機；與蒸汽輪機集成 的冷凝器，其中，冷凝器構造成用於將從蒸汽輪機排出的蒸汽轉換成給水；構造成用於加熱 給水的太陽能加熱系統，其中，太陽能加熱系統接收從冷凝器排出的給水；其中，太陽能加 熱系統將給水從第一溫度加熱到第二溫度；以及構造成用於將給水轉換成蒸汽的鍋爐，其 中，鍋爐接收被太陽能加熱系統排出的、在第二溫度處的給水，以及其中，鍋爐將蒸汽排到 蒸汽輪機；其中，太陽能加熱系統減少了由鍋爐在將給水加熱到允許給水轉換成蒸汽的溫 度時所做的功的量；從而提高了動力設備的整體效率。根據本發明的另一個備選實施例，(提供了)一種升高給水的溫度的方法，該方法 包括提供蒸汽輪機，其中，蒸汽輪機構造成用於將蒸汽轉換成機械能；提供與蒸汽輪機集 成的冷凝器，其中，冷凝器構造成用於將從蒸汽輪機排出的蒸汽冷凝成給水；提供構造成用於加熱給水的太陽能加熱系統，其中，太陽能加熱系統接收從冷凝器排出的給水；以及操作 太陽能加熱系統來將給水從第一溫度加熱到第二溫度。


圖1是示出了本發明的一個實施例可在其中運行的環境的示意圖。圖2是示出了根據本發明的一個實施例的太陽能加熱系統的一個實例的示意圖。圖3是示出了根據本發明的一個備選實施例的太陽能加熱系統的一個實例的示 意圖。部件列表100燃氣輪機105壓縮機110燃燒系統115渦輪區段120 排氣125發電機135 HRSG140 煙囪145 蒸汽150蒸汽輪機155發電機160冷凝器165 給水170 泵175太陽能加熱系統200拋物線型槽系統205線性拋物線型反射器210接收器300太陽能塔架系統305跟蹤反射器310接收器315 塔架
具體實施例方式優選實施例的以下詳細描述參照了附圖，附圖示出了本發明的具體實施例。具有 不同的結構和操作的其它實施例並不脫離本發明的範圍。本文公開了詳細的示例性實施例。但是，出於描述示例性實施例的目的，本文公開 的具體結構和功能性細節僅是代表性的。但是，示例性實施例可實施為許多備選形式，並且 不應當被看作僅限於本文闡述的實施例。因此，在示例性實施例能夠具有各種修改和備選形式的同時，在附圖中以實例的方式對其實施例進行了說明，並且將在本文中對其進行詳細描述。但是，應當理解，不意在 將示例性實施例限於公開的特定形式，而是相反，示例性實施例將覆蓋落在示例性實施例 的範圍內的所有修改、等效物和備選方案。將理解，雖然本文可使用用語第一、第二等來描述不同的元件，但是這些元件不應 當受這些用語的限制。這些用語僅用來使不同的元件彼此區分。例如，第一元件可稱為第二 元件，並且類似地，第二元件可稱為第一元件而不脫離示例性實施例的範圍。如本文所用， 用語「和/或」包括相關聯的所列項中的一個或多個的任何和所有組合。本文使用的術語僅是為了描述特定實施例，並且不意在限制示例性實施例。如本 文所用，單數形式「一個」、「一種」和「所述」意在還包括複數形式，除非上下文明確作出其它 表示。將進一步理解，當在本文中使用時，用語「包括」、「包括有」、「包含」和/或「包含有」 規定了存在所陳述的特徵、整體、步驟、操作、元件和/或構件，但是不排除存在或附加一個 或多個其它特徵、整體、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組合。還應當注意，在一些備選實施方式中，所提到的功能/動作可不按照圖中所提到 的順序來發生。例如，取決於涉及的功能/操作，兩個接連的圖可基本同時執行，或者有時 可按相反的順序執行。僅出於方便讀者的原因，本文使用了某些術語，並且它們不應當被看作是對本發 明的範圍的限制。例如，諸如「上，，、「下，，、「左，，、「右，，、「前，，、「後，，、「頂，，、「底，，、「水平，，、「豎 直」、「上遊」、「下遊」、「頭」、「尾」等等的詞語僅對圖中所示的構造進行描述。實際上，本發明 的實施例的元件或多個元件可沿任何方向定向，且因此，術語應當理解為包括這樣的變型， 除非另有規定。本發明可應用於具有蒸汽輪機的多種動力設備，例如但不限於聯合循環動力設 備、聯合發電動力設備、單獨的蒸汽輪機設備等。本發明的一個實施例可應用於或者單個蒸 汽輪機或者多個蒸汽輪機。本發明的一個實施例採用這樣一種系統和方法的形式這種系統和方法可至少使 用至少一個太陽能加熱系統來加熱鍋爐(例如但不限於HRSG)所消耗的給水。本發明的元 件可由可經受太陽能加熱系統可在其中運行和操作的運行環境的任何材料製成。本發明的一個實施例可結合集中式太陽能(CSP)系統。大體上，CSP系統結合了 多個透鏡、反射鏡或它們的組合以及跟蹤系統，以使大面積的陽光聚焦，從而形成小的集中 的光束。集中的光然後可用作熱源。在本發明的一個實施例中，熱源可用來部分地或完全 加熱被HRSG消耗的給水。CSP系統可採用太陽能槽系統、拋物線型盤系統、太陽能塔架系統 等的形式。現在參看附圖，在附圖中，不同的標號貫穿幾幅圖表示相似的元件，圖1是示出了 本發明的一個實施例可在其中操作的環境的示意圖。圖1示出了包括成聯合循環構造的燃 氣輪機100和至少一個太陽能加熱系統175的聯合循環動力設備。燃氣輪機100大體上包 括壓縮機105、燃燒系統110和渦輪區段115。煙囪140可位於渦輪區段115的下遊。大體上，壓縮機105接收和壓縮入口空氣，入口空氣由圖1中的箭頭表示。壓縮空 氣可向下遊流到燃燒系統110，在燃燒系統110中，壓縮空氣與諸如但不限於天然氣的燃料 (未示出)混合，且然後燃燒。在燃燒過程期間釋放的能量向下遊流動，並且驅動渦輪區段 115。諸如但不限於發電機125的負載可聯接到燃氣輪機100上，其中，渦輪區段115中產生的機械扭矩可驅動發電機125。在燃氣輪機100的運行期間產生的排氣120可向下遊流向熱回收蒸汽發生器 (HRSG) 135。HRSG135可結合熱交換過程來將給水165變換成蒸汽145。這裡，本發明的一 個實施例使用太陽能加熱系統175來加熱(部分或完全地)給水165。蒸汽145可向下遊 流到蒸汽輪機150，蒸汽輪機150可聯接到諸如但不限於發電機155的負載上。在蒸汽輪機 150的運行期間，蒸汽145可在冷凝器160中冷凝，從而形成給水165。這裡，在一些動力設 備構造中，來自蒸汽輪機150的抽取物可部分地加熱給水。諸如但不限於鍋爐供給泵的泵 170可將給水165驅動到HRSG135中，在HRSG135中可重複前述過程。在流過HRSG135之 後，排氣120可流過煙囪140。太陽能加熱系統175的第一個實施例可包括拋物線型槽系統200，如圖1和2所 示。拋物線型槽系統200的一個實施例可包括多個線性拋物線型反射器205，其將陽光集中 到沿著拋物線型反射器205的焦線定位的接收器210上。線性拋物線型反射器205設計成 以便通過沿著至少一個軸線(，未在圖中示出)進行跟蹤來在白天時間期間跟隨陽光。接收 器210可包括給水165可流過其中的管。這裡，太陽能加熱系統175可通過對流形式的傳 熱(例如但不限於強制對流、自然對流等)來加熱給水165。太陽能加熱系統175的第二個實施例可包括太陽能塔架系統300，如圖3所示。太 陽能塔架系統300的一個實施例可結合多個跟蹤反射器305，以用於將陽光集中到塔架315 的頂部附近的中央接收器310上。接收器310可包括給水165可流過其中的管。這裡，太 陽能加熱系統175可通過對流形式的傳熱(例如但不限於強制對流、自然對流等)來加熱 給水165。在使用中，該至少一個太陽能加熱系統175可將給水165從第一溫度加熱到第二 溫度。這裡，第一溫度可看作離開冷凝器160的給水165的溫度。在本發明的一個實施例 中，第一溫度可高達約150度華氏溫度。此外，第二溫度可看作給水165的加熱溫度。在本 發明的一個實施例中，第二溫度可高達約700度華氏溫度。該至少一個太陽能加熱系統175可對用戶提供多個好處。在本發明的一個實施例 中，該至少一個太陽能加熱系統175可提供高達約8兆瓦的由典型的重型渦輪機產生的等 效功率。在本發明的一個實施例中，該至少一個太陽能加熱系統175可具有高達約85%的效率。本發明的一個實施例可提供控制系統，以便以用來共同加熱給水165的方式操作 結合了太陽能加熱系統175和HRSG135的構造。這裡，控制系統可確定將給水165轉換成 蒸汽所必需的熱量的量。接下來，控制系統可確定太陽能加熱系統175當前可用的熱量的 量，以及必需由HRSG135提供的剩餘的熱量(如果有的話)的量。接下來，控制系統可操作 這個構造，從而使得使用可從太陽能加熱系統175獲得的最大量的熱量來加熱給水165，剩 餘的熱量從HRSG135獲得，如果有的話。本發明的一個備選實施例可提供控制系統，以便以用來共同加熱給水165的方式 操作結合了太陽能加熱系統175和蒸汽輪機150的抽取物的構造。這裡，控制系統可確定將 給水165轉換成蒸汽所必需的熱量的量。接下來，控制系統可確定太陽能加熱系統175當 前可用的熱量的量，以及必需由蒸汽輪機150提供的剩餘的熱量(如果有的話)的量。接 下來，控制系統可操作這個構造，從而使得使用可從太陽能加熱系統175獲得的最大量的熱量來加熱給水165，剩餘的熱量從蒸汽輪機150獲得，如果有的話。本文使用的術語僅是出於描述特定實施例的目的，並且不意在限制本公開。如本 文所用，單數形式「一個」、「一種」和「所述」意在還包括複數形式，除非上下文明確作出其 它表示。將進一步理解，在本說明書中使用時，用語「包括」和/或「包括有」規定了存在所 陳述的特徵、整體、步驟、操作、元件和/或構件，但是不排除存在或附加一個或多個其它特 徵、整體、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組。雖然本文對具體實施例進行了說明和描述，但是應當理解，打算實現相同目的的 任何布置可代替所示具體實施例，並且本發明具有在其它環境中的其它應用。本申請意在 覆蓋本發明的任何修改或變型。所附權利要求書決不意圖將本發明的範圍限制於本文描述 的具體實施例。如本領域普通技術人員將理解的，可進一步選擇性地應用上面關於若干示例性實 施例所描述的許多不同的特徵和構造，以形成本發明的其它可行的實施例。本領域技術人 員將進一步理解，未提供或詳細論述本發明的所有可行的重複，但是由若干所附的權利要 求書或其它方式包含的所有組合和可行的實施例意在成為本申請的一部分。另外，根據上 面對本發明的若干示例性實施例的描述，本領域技術人員將想到改進、改變和修改。在本領 域的技術內的這種改進、改變和修改也意在由所附權利要求書覆蓋。另外，應當顯而易見的 是，前述內容僅涉及本申請的所述實施例，並且可在其中作出許多改變和修改，而不脫離由 所附權利要求書及其等效物限定的本申請的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於提高給水(165)的溫度的系統，所述系統包括構造成用於將蒸汽(145)轉換成機械能的蒸汽輪機(150)；與所述蒸汽輪機(150)集成的冷凝器(160)，其中，所述冷凝器(160)構造成用於將從 所述蒸汽輪機(150)排出的蒸汽(14 轉換成給水(165)；以及構造成用於加熱所述給水的太陽能加熱系統(175)，其中，所述太陽能加熱系統(175) 接收從所述冷凝器(160)排出的所述給水(165)；其中，所述太陽能加熱系統(17 將所述給水(16 從第一溫度加熱到第二溫度。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述太陽能加熱系統(175)包括下者中的 至少一個拋物線型槽系統000)、太陽能塔架系統(300)或它們的組合。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述太陽能加熱系統(175)將所述給水 (165)排到鍋爐(135)。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，對於加熱所述給水(165)而言，所述太陽 能加熱系統(175)由所述鍋爐(135)協助。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述給水(165)的所述第一溫度高達約 150度華氏溫度。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述給水(165)的所述第二溫度高達約 700度華氏溫度。
7.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述系統進一步包括燃氣輪機(100)，其 中，所述燃氣輪機(100)將排氣排到所述鍋爐(135)。
8.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述太陽能加熱系統(175)的操作減少了 由所述鍋爐(13 對所述給水(16 執行的加熱的量。
9.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述太陽能加熱系統(175)提供高達約8 兆瓦的太陽能。
10.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述至少一個太陽能加熱系統(175)的 效率高達約85%高效。
全文摘要
本發明涉及用於使用太陽能加熱系統來加熱給水的系統和方法。本發明的一個實施例可採用這樣一種系統和方法的形式這種系統和方法可至少使用至少一個太陽能加熱系統(175)來加熱鍋爐(135)所消耗的給水(165)。本發明的一個實施例可結合集中式太陽能(CSP)。大體上，CSP系統結合了多個透鏡、反射鏡或它們的組合以及跟蹤系統，以使大面積的陽光聚焦，從而形成小的集中式光束。然後集中的光可用作熱源。在本發明的一個實施例中，熱源可用來部分地或完全地加熱鍋爐(135)所消耗的給水(165)。CSP系統可採用太陽能槽系統(200)、拋物線型盤系統(205)、太陽能塔架系統(300)等的形式。
文檔編號F22D1/00GK102102548SQ20101062081
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月22日 優先權日2009年12月22日
發明者M·J·博斯 申請人:通用電氣公司