一种利用谷电储热的超高压蒸汽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，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利用谷电储热的超高压（4－16.5mpa）蒸汽锅炉系统，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560 kj.kg–1–1260 kj.kg–1，比一般的相变储能（储能密度一般在200 kj.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，通过电加热自增压、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、本发明提供了一种利用谷电储热的超高压蒸汽锅炉系统，包括：水处理模块（a）、减温减压模块（b）、高压水加热、储热模块（c）、蒸汽发生模块（d）、补偿加热模块（e）、管路连接与信息传递模块。

4、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以及水处理模块和减温减压模块之间；高压泵均采用高压锅炉给水泵，其中第一高压泵位于水处理模块与高压水加热、储热模块之间，第二高压泵位于高压水加热、储热模块与蒸汽发生模块之间；电磁阀、安全泄压阀、闪蒸电磁阀和流量计较多，在下文中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。

5、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，右侧出口与第二电磁阀相连，水处理模块经该电磁阀和第一高压水泵与高压水加热、储热模块相连；净化水水箱下侧出口与第三电磁阀相连，经该电磁阀、第一液体流量计和第二普通泵与减温减压模块相连；左侧入口通过第三普通水泵与减温减压模块相连。

6、所述高压水加热、储热模块含有n组电加热单元（n取3~10000），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，每个单元电加热锅炉与配套设备连接方式一致，以其中一个电加热单元为例描述结构如下：电加热锅炉内部含有电加热器，炉体外部包有保温层，炉体右上部向下依次与电子液位计、压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器相连；炉体左侧与就地液位计相连；炉体上方有一个净化水进口和蒸汽出口，净化水进口与第一电加热锅炉第一液体流量计和第一电加热锅炉第一电磁阀相连，此电磁阀控制第一电加热锅炉补水，净化水经第一高压泵、第二液体流量计、此电磁阀、第一电加热锅炉第一液体流量计组成和与之相连的水通道进入该电加热锅炉；蒸汽出口与第一电加热锅炉第一电磁阀相连，此电磁阀用于控制将炉内剩余蒸汽排出，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。炉体下方有泄压口、出水口和进水口，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，经此泄压阀、第三液体流量计、第一电加热锅炉第一电子闪蒸阀构成的通路进入减温减压模块；下方出水口与电加热锅炉第三电磁阀相连，经此电磁阀、第一电加热锅炉第三液体流量计和第二闪蒸电磁阀形成的通路进入蒸气发生模块；下方进水口与第一电加热锅炉第二液体流量计相连，蒸汽发生模块中的水经第二高压泵、第一电加热锅炉第四电磁阀和此流量计进入电加热锅炉，关闭第二蒸汽闪蒸阀，打开第六电磁阀可以将电加热锅炉水排出。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给控制端，第一电子液位计用于监测炉内液位；第一压力计用于监测炉内压力；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罐内液位状况。

7、所述减温减压模块包括喷淋装置、喷淋罐液位计、喷淋罐。喷淋装置安装于喷淋罐体内顶部，与第二普通水泵相连。喷淋罐左侧为进水口、右侧为出水口，进水口与第一闪蒸电磁阀连接，出水口与第四电磁阀相连，水经第四电磁阀、第三普通水泵进入净化水水箱；罐下侧有排水口，与第五电磁阀相连；

8、喷淋罐的水来自净化水箱，经喷淋装置进入；加热、储热模块的泄压水经第三液体流量计、第一闪蒸电磁阀发生闪蒸，以蒸汽形式进入喷淋罐。

9、罐壁左侧连有喷淋罐液位计。

10、所述蒸汽发生模块包括闪蒸罐、闪蒸罐保温层、汽水分离器、闪蒸罐就地液位计、闪蒸罐电子液位计、闪蒸罐第一、二温度传感器和闪蒸罐压力传感器。所述闪蒸罐内上部出口设有汽水分离器，用于提高蒸汽干度（干度控制在1左右），出口外部与气体流量计相连；罐左下侧由上向下依次为出水口和排水口（出水口的水经管路进入炉体，用于下次加热循环；当体系停止运行时，排水口处的水经第七电磁阀将水排出系统）；整个闪蒸罐包裹保温层，侧壁有就地液位计和电子液位计、第一、二温度传感器和压力传感器。进一步地，电子液位计将信号传递给控制端，电子液位计用于监测罐内液位；就地液位计可直观了解罐内液位状况。

11、所述补偿加热模块包括补偿加热罐、补偿加热罐保温层、补偿加热罐电加热器、补偿加热罐第一、二温度传感器和压力传感器。所述罐内设电加热器，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。闪蒸罐下部入口连接闪蒸罐气体流量计，上部连接电补偿加热罐气体流量计。进一步地，所有温度传感器、压力传感器均会将信号传递控制端，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。

12、本发明提供了上述利用谷电储热的超高压蒸汽锅炉系统的调控方法，电加热锅炉工作压力为4 mpa –16.5 mpa，闪蒸罐工作压力为0.2 mpa – 2 mpa，产生120 ℃ – 220 ℃工业蒸汽。电加热锅炉装水量需要水，需根据炉内体积和目标工况饱和水的密度计算，为运行安全留有3%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，实现对清洁能源的消纳，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）本系统可实现对清洁能源的消纳，节约能源；

17、（4）本系统可以提供工业蒸汽，满足各行业对蒸汽的需求；

18、（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；

19、（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。