一种产生工业蒸气的超高压储热系统及方法

本发明涉及一种产生工业蒸气的超高压储热系统及方法，属于储热领域。

背景技术：

1、相变储热技术在在太阳能发电、工业余热回收利用、分布式能源系统等领域有广泛的应用。在中高温储热领域，无机盐类相变储热材料及金属/合金类相变储热材料已有广泛的研究应用，利用这些物质实现工业蒸汽的生产一般都会涉及换热的过程，但换热过程中不可避免存在热损失及㶲损失，以上问题增加了熔盐储热系统的复杂性，降低了熔盐储热技术生产工业蒸汽的整体经济性。

2、利用谷电等低价电进行生产不仅降低工厂的生产成本，同时对环境保护具有重要意义。高压水是一种优良的储热材料，通过闪蒸的方法可以直接生产温度较低的工业蒸汽，同时配合工厂或热力电厂的净化水系统，可以实现低成本储热系统的建设。高压水结合低价电进行储热并生产工业蒸汽的储能技术，既可以降低工厂的生产成本与建设成本，其应用于深度调峰领域，也可减轻电网调峰压力。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种产生工业蒸气的超高压储热系统及方法，采用高压净化水作为储能介质，在用电低谷期将电能转化成热能储存起来，并在需要的时候生产工业蒸气，应用于电网的深度调峰领域，可减轻电网调峰压力。

2、本发明中，一种产生工业蒸气的超高压储热系统及方法，该系统在储热阶段，采用电加热的方式加热高压水并储存于储热罐中；在释热阶段，通过储热罐内的闪蒸，并配合电补偿加热的方式得到所需工业蒸气。

3、本发明提供了一种产生工业蒸气的超高压储热系统及方法。储热系统分为6部分：水处理模块a、高压水加热模块b、远程信号采集与处理模块c、储热模块d、蒸气加热模块e、管路连接与控制模块f，其特征在于储热工质的加热在高压水加热模块中完成，储热工质的储存与释热在储热模块中完成。图1中水处理模块a、高压水加热模块b、远程信号采集与处理模块c、储热模块d、蒸气加热模块e，均用带阴影的虚线框标出，而管路连接与控制模块f的各元件位置相对分散，未标出。为描述方便，本发明对系统中状态不同的工质进行以下命名：自来水厂的来水命名为市政用水，经水处理设备过滤的水命名为第一常压水，流过换热器冷水段的水命名为第二常压水，高压水加热罐加热后的水命名为第一高压水，闪蒸后存留的水命名第二高压水，流过换热器热水段的水命名为第三高压水，储热罐出来的饱和蒸气命名为第一高压蒸气，蒸气加热罐补偿加热后的蒸气命名为第二高压蒸气。

4、所述管路连接与控制模块为整个储热系统的流程控制模块，包括钢管、第一至第二普通水泵、第一至第三高压泵、第一至第七三通管、第一至第十九电磁阀、第一至第十六流量计。所述钢管为整个系统（除远程信号采集与处理模块）的连通元件。所述普通水泵工作环境常温常压，仅提供工质流动的动力，无需对工质进行加压；进一步地，第一普通水泵位于普通水箱与水处理设备之间，第二普通水泵位于第一净化水水箱与第二净化水水箱之间。所述高压泵均采用高压锅炉给水泵；进一步地，第一高压泵位于第一流量计与第二电磁阀之间，其常温下工作，直接将工质加压到第一高压水所需的压力；第二高压泵位于第四电磁阀与第十一流量计之间，将第三高压水加压到第一高压水所需的压力；第三高压泵位于第六电磁阀与第十三电磁阀之间，不对工质进行加压。本发明中所述三通管、所述电磁阀、所述流量计均需满足系统运行中的压力、温度要求，同时需针对系统运行的温度压力采用合适的密封方式。

5、所述水处理模块包括普通水箱、水处理设备、第一净化水水箱、第二净化水水箱、第一保温层、换热器。所述普通水箱储有市政用水，普通水箱经过第一电磁阀、第一普通水泵连接水处理设备。水处理设备后接第一净化水水箱，进一步地，水处理设备需达到《火力发电厂水汽标准》的净化标准，以维持整个系统安全稳定运行；第一净化水水箱体积需保证系统单次运转中的用水所需。第一净化水水箱后依次连接第三流量计、第二普通水泵、第五电磁阀、换热器，最终连接第二净化水水箱，第二净化水水箱外包裹第一保温层，第二净化水水箱的体积需保证系统单次运转中的用水所需。所述换热器是保证第四高压泵正常运转的关键组件，进一步地，换热器冷水入口与第五电磁阀相连，换热器冷水出口与第二净化水水箱相连，换热器热水入口与第五三通管相连，换热器热水出口与第六电磁阀相连，第六电磁阀后接第四高压泵。

6、所述高压水加热模块包括交流电源、第一电加热丝、高压水加热罐、第二保温层、第一就地压力计、第一就地温度计。所述高压水加热罐罐外包裹第二保温层，罐内均匀布有第一电加热丝。第一电加热丝与交流电源相连，进一步地，交流电源采用10000 v的工业用电，电加热丝可采用铁铬铝合金或高温强度好的镍铬合金。高压水加热罐的流体出口附近设有第一就地温度计与第一就地压力计，用于就地观测高压水加热罐内高压水的状态；高压水加热罐工质出口通过管路连接与控制模块分别接通储热模块中的第一至第n储热罐。高压水加热罐的工质入口通过钢管依次连接第二流量计、第一三通管。第一三通管一侧连接第二电磁阀、第一高压泵、第一流量计，并最终与水处理模块的第二净化水水箱相连；另一侧通过钢管依次连接第四电磁阀、第二高压泵、第十一流量计、第十五电磁阀、第n+1储热罐。

7、所述储热模块包括n+1个储热罐及其配套设备。所述n+1个储热罐包括第一储热罐、第二储热罐、……、第n储热罐、第n+1储热罐。所述第一至第n储热罐的配套设备包括就地压力计、就地温度计、就地液位计、远程压力计、远程温度计、远程液位计、保温层、辅热线、汽水分离器，进一步地，汽水分离器可以过滤闪蒸蒸汽中的小水珠或水雾，提高闪蒸蒸汽的品质；所述第n+1储热罐的配套设备包括第n+2就地压力计、第n+2就地温度计、第n+1就地液位计、第n+1远程压力计、第n+1远程温度计、第n+1远程液位计、第n+3保温层、第n+1辅热线；进一步地，就地压力计、就地温度计、就地液位计用于就地显示储热罐的工作状态，远程压力计、远程温度计、远程液位计通过数据传输线连接数据收集器，并将信号最终输出到计算机，所述液位计在长期运行的过程中中需根据实际情况对液位进行补偿。n+1个储热罐的容积与壁厚完全相同，其外均缠绕辅热线，辅热线外包裹保温层。进一步地，所述第一储热罐上部为第一高压蒸气出口，其通过钢管依次连接第十五电磁阀、第十二流量计、第六三通管；下部为第二高压水出口，其依次连接第八电磁阀、第五流量计、第四三通管；左侧为第一高压水入口，依次连接第四流量计、第七电磁阀、第二三通管；第一储热罐内部上安装第一汽水分离器。所述第二储热罐上部为第一高压蒸气出口，其依次连接第十六电磁阀、第十三流量计、第六三通管；下部为第二高压水出口，依次连接第十电磁阀、第七流量计、第四三通管；左侧为第一高压水入口，依次连接第六流量计、第九电磁阀、第三三通管；第二储热罐内部上安装第二汽水分离器。所述第n储热罐上部为第一高压蒸气出口，其依次连接第十七电磁阀、第十四流量计、第七三通管；下部为第二高压水出口，依次连接第十二电磁阀、第九流量计、第五三通管；左侧为第一高压水入口，依次连接第八流量计、第十一电磁阀、第三三通管；第n储热罐内部上安装第n汽水分离器。为方便高压水的循环使用，设置第n+1储热罐，第n+1储热罐不作储热罐体使用，左侧为第三高压水入口，依次连接第十流量计、第十三电磁阀、第三高压泵；下部为第三高压水出口，依次连接第十四电磁阀、第十一流量计、第二高压泵。进一步地，汽水分离器采用两级汽水分离装置：第一级汽水分离装置采用切向导叶式旋风分离器或立式节流板汽水分离器，以消除汽水混合物的动能，对蒸气进行初步分离；第二级汽水分离装置采用波纹板分离器，以分离蒸气中携带的细小水滴。

8、所述蒸气加热模块包括蒸气加热罐、第n+4保温层、第二电加热丝、第n+3就地温度计、第n+3就地压力计、减压阀。所述蒸气加热罐内设第二电加热丝，外部包裹第n+4保温层，上方设有第n+3就地温度计、第n+3就地压力计。所述第n+3就地压力计与第n+3就地温度计用以测量蒸气加热罐出口的第二高压蒸气的状态；所述第二电加热丝对饱和蒸气补偿加热，以获得合适的蒸气；所述减压阀将闪蒸过程中可能存在的压力更高的蒸气降压，减压阀与第二电加热丝配合以确保闪蒸后的蒸气全部转化为合格蒸气。

9、所述远程信号采集与处理模块包括数据传输线、数据收集器、计算机。所述数据传输线保证数据收集器与储热模块和蒸气发生模块中远程压力计、远程温度计、远程液位计的连接，远程数据经数据收集器收集并进入计算机，计算机处理并修正远程压力计、远程温度计、远程液位计的数据信号。

10、本发明的有益效果：

11、（1）本发明以净化水为储热介质，在工厂或热力电厂现有的净化水设备的基础上进行改造，可实现低成本的改造方案；

12、（2）闪蒸后的残存水再加热时，利用第n+1储热罐配合第一至第n储热罐的辅热线，可有效避免工质加热时储热罐因受热不均的热应力出现安全隐患；

13、（3）储热温度可达250℃-350℃，压力可达4 mpa-16 mpa，质量储热密度最高可达1300 kj.kg-1, 容积储热密度可达0.78 gj.m-3, 与化学储热能量密度相当，是显热或其他相变储热能量密度的3-5倍，可以实现较小的容积内存储大量热能；

14、（4）储能介质与蒸汽产品均源自与水，是水的不同相态，省去了其他储热系统中储热介质与水或蒸汽的换热环节，没有换热损失，且蒸汽释放调节灵活便捷，可以根据需求释放蒸汽，同时蓄热过程为强制对流，可以保障高功率储热，便于部署在热电厂等调峰场景。