一种扰流型超高压储热蒸汽电锅炉系统及调控方法

本发明涉及一种利用谷电储热的超高压蒸汽锅炉系统及调控方法，具体为一种扰流型超高压储热蒸汽电锅炉系统及调控方法，属于工业蒸汽生产领域。

背景技术：

1、随着风、光等具有波动性和随机性的新能源装机容量在电力系统中的占比逐步提高，储能的重要性和经济价值也逐渐体现。目前，工业蒸汽供应的主力仍然是燃煤锅炉，也有少部分燃气锅炉。在国家新的能源政策下，未来碳指标收紧是必然趋势，采用更清洁的方式供应工业蒸汽是最具挑战的技术难点。热泵作为一种节能提效的技术，可以以各种工业余热、空气源、水源、土壤等作为热源，产生120 ℃左右的蒸汽，且具有较高的能效，在小容量、低参数的蒸汽供应领域具有一定的发展潜力。但对于大规模工业应用，受限于热泵热源的能量密度和品质，以及生产更高温度蒸汽时，能效较低且技术瓶颈较多等问题，因此大规模蒸汽供应，或更高参数（150 ℃–200 ℃）蒸汽供应需要新的技术途径。同时，考虑到未来新能源消纳成本向工业用户转移以及峰谷电差逐步增大的趋势，高效利用谷电储能生产工业蒸汽具有经济和环保双重价值。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种扰流型超高压储热蒸汽电锅炉系统及调控方法，涉及用户端储能，替代燃煤和燃气为原料的高排放蒸汽锅炉。本发明提供的一种利用谷电加热水储能的装备、系统和调控方法，将谷电以水的潜热储存在高温高压水（250 ℃–350 ℃）中，待峰电期间通过闪蒸的方法释放给定参数的工业蒸汽。本发明提供的系统可以实现模块化和集成化，且储能密度可达260 kj.kg–1–1260 kj.kg–1，比一般的相变储能（储能密度一般在200kj.kg–1 – 500 kj.kg–1）储能密度更高。

2、本发明中，以水为储能介质，将用电低谷期的过剩电能转化为热能，将超高压锅炉中的水加热达到储能效果，通过自增压、闪蒸的方法，将水转化为工业蒸汽，针对电网中火电、核电、水电电能过剩，应用于电网的深度调峰领域，可减轻电网调峰压力；针对电网中风能、光能出力波动性的特点，本发明所涉及的变功率电加热装置可有效消纳风电、光电，减少风、光电的弃用率，实现能源的合理利用。

3、本发明提供了一种扰流型超高压储热蒸汽电锅炉系统，包括：水处理模块（a）、蒸汽扰流模块（b）、蒸汽发生模块（c）、补偿加热模块（d）、管路连接与信息传递模块。

4、所述水处理模块包括普通水箱、水处理设备、净化水水箱；普通水箱内为市政用水，该水箱经过第一电磁阀和第一普通水泵和水处理设备相连，水处理设备另一端连通净化水水箱，净化水水箱有两个出口和一个入口，入口在水箱上部，与水处理设备相连；左侧出口与第二电磁阀相连，经该电磁阀、第一液体流量计和第二高压泵与蒸汽扰流模块相连；右侧出口与第三电磁阀相连，水处理模块经该电磁阀和高压水泵与蒸汽发生模块相连。

5、所述蒸汽扰流模块包括扰流罐及保温层、扰流罐电加热器、扰流罐汽水分离器、扰流罐电子液位计、扰流罐压力传感器、扰流罐第一、二温度传感器、扰流罐就地液位计。扰流罐内有电加热器和汽水分离器，扰流罐上方有蒸汽出口，出口与扰流罐电磁阀相连；扰流罐左侧接有就地液位计，扰流罐右侧由上到下依次与扰流罐电子液位计、压力传感器、第一、第二温度传感器相连。进一步地，所有温度传感器，压力传感器和电子液位计均会将信号传递给控制端，电子液位计用于监测罐内液位；压力计用于监测罐内压力；第一温度传感器用于监测罐内温度；第二温度传感器用于监测保温层外部温度，检验保温效果；就地液位计可直观了解罐内液位状况。

6、所述蒸汽发生模块含有n组电加热单元，所有电加热单元并联连接。所述电加热单元由电加热锅炉及其配套设备组成，每个单元的电加热锅炉与配套设备连接方式一致；

7、每个电加热单元包括一个电加热锅炉，电加热锅炉内部含有电加热器、蒸汽扰流管路和汽水分离器，电加热锅炉炉体外部包有保温层，炉体左侧由上到下依次设有电子液位计、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器；炉体右侧与就地液位计相连。所述炉体上方有蒸汽出口，该出口与第一电磁阀相连，蒸汽由此电磁阀、第一闪蒸电磁阀和第一气体流量计构成蒸汽通道进入电补偿加热模块；第一电加热锅炉蒸汽排出通路由此电磁阀、第一电加热锅炉气体流量计和与之相连的蒸汽通道组成。电加热锅炉炉体底部从左到右依次设有进水口、泄压口和排水口，进水口与第一液体流量计相连，净化水由高压泵经第二电磁阀和第一液体流量计进入电加热锅炉；泄压口由安全泄压阀控制，当加热过程中炉体内出现超压情况时，可以将炉内部分水从第一泄压阀排出达到减压效果；排水口与第三电磁阀相连，经第三电磁阀将加热炉内的水排出。进一步地，所有温度传感器、压力传感器和电子液位计均会将信号传递给控制端，电子液位计用于监测炉内液位；压力传感器用于监测炉内压力；第一温度传感器用于监测炉内温度；第二温度传感器用于监测保温层外部温度，检验保温效果。就地液位计可直观了解炉内液位状况。

8、所述补偿加热模块包括补偿加热罐、补偿加热罐保温层、补偿加热器、补偿加热罐第一、二温度传感器和压力传感器。所述补偿加热罐内设补偿加热器，罐外部包裹保温层，左侧壁面与第一、二温度传感器、压力传感器相连。补偿加热罐底部连接第二干路气体流量计。进一步地，所有温度传感器、压力传感器均会将信号传递给控制端，压力传感器用于监测罐内压力，第一温度传感器用于监测罐内温度，第二温度传感器用于监测保温层外部温度、检验保温效果。

9、所述管路连接与信息传递模块为整个储热锅炉系统的连接与控制模块，所述模块包括水通道、蒸汽通道、信号通道、普通水泵、高压泵、电磁阀、闪蒸电磁阀、液体流量计、气体流量计和安全泄压阀，整个系统附有保温层。所述普通水泵分别位于普通水箱和水处理设备之间；高压泵均采用高压锅炉给水泵，分别位于水处理模块与蒸汽发生模块和蒸汽扰流模块之间；电磁阀、安全泄压阀、闪蒸电磁阀和流量计较多，之后会具体介绍其分布情况。阀门、流量计和泵与水通道以及蒸汽通道采用法兰连接。所述水通道和蒸汽通道用于输送水和蒸汽，所述信号通道保证各模块中压力、温度传感器、液位计、泵、电加热装置和电磁阀与计算机终端的连接，计算机终端获得数据信号并经该通道控制电磁阀开闭，泵和电加热装置的启停，维持整个系统的正常运行。

10、进一步地，以第一电加热炉中的蒸汽通道为例，所述通道包含有蒸汽扰流分路，该分路由扰流干路、扰流支路、扰流传导管和扰流u形管四部分组成，扰流分路交叉分布于电加热器之间，具体设计为：每个电加热炉内的扰流分路分为三层，均与电加热器在同一水平面，扰流分路的扰流u形管包围于电加热器周围；扰流支路与电加热器在同一水平面以一定间隔（0.3~0.5 m）交叉分布。

11、扰流干路的管道内径为85 mm–95 mm，壁厚5 mm–10 mm，在一个电加热锅炉中的长度为3 m–8 m，与扰流干路垂直方向均匀分别有3–6个扰流支路，扰流支路与扰流干路相连，位于蒸汽发生模块的电加热锅炉内，扰流支路穿插分布在电加热器周围，扰流u形管与扰流支路通过扰流传导管连接，在扰流支路的上端、下端或中部分别设有扰流传导管，扰流传导管的曲率范围为0.8~1，以减小沿程损失。扰流支路、扰流u形管和扰流传导管的内径均为30mm–50 mm，壁厚5 mm–10 mm。扰流u形管将电加热器包围，扰流u形管上有孔径为2 mm–4 mm的扰流蒸汽喷射孔，分为水平和斜向上两个方向，其夹角为30°–60°。将炉体内净化水加热至沸腾状态后，由于炉内电加热器的热流密度较大，使表面产生较大的蒸汽薄膜将其包裹，热量只能通过蒸汽传递给水，传热效率大大降低，造成传热恶化现象，严重时甚至导致加热器烧毁。为避免此类现象发生，本发明加入蒸汽扰流分路，蒸汽扰流罐产生的高压蒸汽经蒸汽通道中的蒸汽扰流分路，从扰流u形管的扰流蒸汽喷射孔喷射蒸汽形成扰流，冲散包裹在电加热器上的气膜，达到强化传热和避免传热恶化的目的。

12、本发明提供了上述扰流型超高压储热蒸汽电锅炉系统的调控方法，蒸汽扰流罐的工作压力为4.2 mpa–16.7 mpa，电加热锅炉工作压力为4 mpa –16.5 mpa，产生120 ℃ –220 ℃工业蒸汽。电加热锅炉装水量，需根据罐内体积和目标工况饱和水的密度计算，为运行安全留有30%裕度。

13、本发明应用于电厂调峰，将谷电期间超额电能转为热能形式储存，并能够提供工业蒸汽，实对清洁能源的消纳，节约能源。

14、本发明的有益效果：

15、（1）本发明将谷电期间超额电能以热能形式的存储，满足电厂调峰需求；

16、（2）本系统可实对清洁能源的消纳，节约能源；

17、（3）参与沸腾换热的蒸汽电加热锅炉设计有扰流蒸汽管路，可喷射扰流蒸汽，强化对流换热的同时将电加热器壁面形成的大股蒸汽气泡吹散，阻止气膜的形成，避免了传热恶化；

18、（4）本系统可以提供工业蒸汽，满足各行业对蒸汽的需求；

19、（5）系统的各部分功能由电磁阀通断控制，易于实现自动化作业；

20、（6）本系统为高温高压工况，储能密度远高于一般相变储能效果。