CN109654928A - 一种熔盐储热和导热油传热系统及导热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种熔盐储热和导热油传热系统，包括熔盐储热罐、导热油循环主管路、换热器组和加热系统；其中熔盐储热罐灌装有储热熔盐，通过电网低谷电能启动加热装置对储热熔盐和导热油进行加热，同时加热后的导热油与储热熔盐换热，进一步加快储热熔盐升温过程，直至储热熔盐到达设定温度，缩短系统的启动时间，提高系统的运行效率，储热完成后通过换热器组对外供介质进行加热。该系统通过利用电网低谷电能对储热熔盐进行加热，完成电热转换，再通过转换的热能对外供介质进行加热，实现热电解耦，提高能源的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及新能源利用技术领域，具体为一种熔盐储热和导热油传热系统及导热方法。
背景技术
近年来，一方面我国的新能源电站发展迅速，主要包括：光伏、风力发电站及太阳能光热电站，装机规模保持高速增长态势。特别是光伏发电和风力发电作为典型的间歇性电源，其发电出力具有随机性和波动性的特点，由于其供电的随机性和波动性将对电力系统产生较大影响；另一方面，我国近期及未来一段时间内电力过剩情况较为突出，热电联产机组供热需求增加迅速和供电负荷增加缓慢或负增加的矛盾凸显。以上这两种情况造成电网调峰困难，弃风、弃光严重，热电机组在冬季采暖期难以实现热电解耦，电网稳定问题凸显。
为了满足电网调峰需求，保证电网的安全稳定运行，急需研究一种新的储能技术。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种熔盐储热和导热油传热系统，能够既将光伏和风力发电的间歇性电能储存起来，根据冬季采暖期电网的调峰要求，消纳北方热电联产机组的部分电能，在满足电网调峰要求的前提下，满足居民采暖及工业用汽需求，从而实现热电解耦。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种熔盐储热和导热油传热系统，包括熔盐储热罐、导热油循环主管路、换热器组和加热系统；
其中，熔盐储热罐包括灌装有储热熔盐的罐体，储热熔盐中预埋有导热油换热管组，导热油换热管组的入口和出口穿过罐体分别与导热油循环主管路的出口和入口连接，导热油循环主管路上设置有导热油循环泵组，加热系统分别与罐体和导热油循环主管路连接，用于对导热油和储热熔盐加热；
换热器组的热侧串联在导热油循环主管路上，换热器组的热侧的入口和出口分别设置有换热器组入口电动阀和换热器组出口电动阀，在换热器组入口电动阀的入口端和换热器组出口电动阀的出口端还并联有换热器组旁路管道，换热器组旁路管道上设置有旁路电动阀。
优选的，所述加热系统包括内置加热器和外置加热系统，内置加热器和外置加系统分别与电力系统连接；
所述内置加热器设置在罐体中用于对储热熔盐加热，外置加热系统设置在导热油循环主管路上，用于对导热油进行加热。
优选的，所述外置加热系统包括第二主路电动阀和外置加热器；第二主路电动阀设置在导热油循环主管路的出口端，外置加热器通过管路并联在第二主路电动阀的两端，外置加热器的入口和出口还分别设置有电动阀。
优选的，所述导热油循环主管路上还设置有流量调节系统；
所述流量调节系统包括第一主路电动阀和电动调节阀，第一主路电动阀设置在导热油循环主管路的入口端，电动调节阀通过管路并联在第一主路电动阀的两端，电动调节阀的入口和出口还分别设置有电动阀。
优选的，所述导热油循环泵组包括第一导热油循环泵和第二导热油循环泵；
所述第一导热油循环泵串联在导热油循环主管路上，第二导热油循环泵通过管路并联在第一导热油循环泵的两端。
优选的，所述导热油换热管组包括第一管路、第二管路和多个换热盘管；
所述第一管路设置在罐体的上部，第二管路设置在罐体的下部，多个换热盘管设置在第一管路和第二管路之间，换热盘管的出口与第一管路连接，换热盘管的入口与第二管路连接；第一管路的出口与导热油循环主管路的入口连接，第二管路的入口与导热油循环主管路的出口连接。
优选的；当换热器组的外供介质为热水时，该换热器组为油水换热器；
当换热器组的外供介质为饱和蒸汽时，该换热器组包括串联的蒸发器和给水预热器；
当换热器组的外供介质为过热蒸汽时，该换热器组包括依次串联的过热器、蒸发器和给水预热器。
本申请还提供了一种熔盐储热和导热油传热系统的导热方法，当所述系统处于启动储热阶段时，加热系统对导热油和储热熔盐加热，加热后的导热油进入导热油换热管组中与储热熔盐进行换热，换热后的导热油经过换热器组旁路管道进入导热油循环泵组，导热油循环泵组对导热油加压后输送至加热系统再次加热，依次循环直至储热熔盐达到设定的温度上限，储热阶段完成。
优选的，当所述系统处于放热阶段时，导热油在导热油换热管组中与储热熔盐进行换热，升温后的导热油进入换热器组的热侧与外供介质进行换热，降温后的导热油经过导热油循环泵加压后再次进入导热油换热管组中进行换热升温，依次循环直至储热熔盐达到设定温度下限，放热阶段结束。
优选的，当所述系统处于低负荷放热阶段时，导热油在导热油换热管组与储热熔盐进行换热升温后，通过流量调节系统控制进入换热器组的导热油流量，换热降温后的导热油自换热器组的热侧出口流出，再次进入导热油换热管组进行换热升温，升温后的导热油循环以上过程直至低负荷放热阶段结束。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种熔盐储热和导热油传热系统，包括熔盐储热罐、导热油循环主管路、换热器组和加热系统；其中熔盐储热罐灌装有储热熔盐，通过电能启动加热装置对储热熔盐和导热油进行加热，同时加热后的导热油与储热熔盐换热，进一步加快储热熔盐升温过程，直至储热熔盐到达设定温度，缩短系统的启动时间，提高系统的运行效率，储热完成后通过换热器组对外供介质进行加热。该系统通过利用过剩的电能对储热熔盐进行加热，完成电热转换，在通过转换的热能对外供介质进行加热，实现热电解耦，提高能源的利用效率。
进一步加热系统包括内置加热器和外置加热系统，实现对导热油和储热熔盐的分别加热，控制方法简单。
进一步，在导热油循环主管路上设置流量调节系统，使该系统能够长时间运行在低负荷放热阶段，满足用户的使用要求，同时避免造成能源浪费。
进一步，该导热油换热管组采用多个预埋在储热熔盐中的换热盘管，增大导热油与储热熔盐的换热面积，提高换热效率。
进一步，该系统通过不同的换热器组实现外供热水、饱和蒸汽或过热蒸汽，提高系统的适用性，同时可降低系统的初期投资成本、运行成本和维护费用。
该导热方法，通过控制电动阀的开闭状态实现控制导热油的运行方式，操作简单便捷。
附图说明
图1是本发明系统启动阶段储热运行示意图；
图2是本发明系统正常运行阶段储热运行示意图；
图3是本发明系统正常运行阶段放热运行示意图；
图4是本发明系统低负荷阶段放热运行示意图；
图5是本发明外供热水换热器结构示意图；
图6是本发明外供饱和蒸汽换热器结构示意图；
图7是本发明外供过热蒸汽换热器结构示意图。
图中：1、熔盐储热罐；2、外置加热系统；3、导热油循环主管路；4、换热器组；5、导热油换热管组；6、内置加热器；7、第一主路电动阀；8、第二主路电动阀；9、换热器组入口电动阀；10、换热器组出口电动阀；11、换热器组旁路管道；12、旁路电动阀；13、流量调节系统；14、外置加热器；15、第一导热油循环泵；16、第二导热油循环泵；17、膨胀油箱；18、换热盘管；19、油水换热器；20、蒸发器；21、给水预热器；22、过热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种熔盐储热和导热油传热系统，包括熔盐储热罐1、外置加热系统2、导热油循环主管路3和换热器组4。
熔盐储热罐包括罐体，罐体中设置有导热油换热管组5，罐体的内部设置有内置加热器6，罐体中灌装储热熔盐，储热熔盐用于存储热能，导热油管路组的出口和入口穿过罐体分别与导热油循环主管路3的入口和出口连接。
导热油循环主管路3的入口处设置有第一主路电动阀7，导热油循环主管路的出口处设置有第二主路电动阀8，换热器组4的热侧串联在导热油循环主管路3上，并位于第一主路电动阀7和第二主路电动阀8之间。
换热器组热侧的入口和出口还分别设置有换热器组入口电动阀9和换热器组出口电动阀10，用于控制换热器组的开启或关闭。换热器组入口电动阀9的入口端和换热器组出口电动阀10的出口端还并联有换热器组旁路管道11，换热器组旁路管道11上设置有旁路电动阀12，换热器组旁路管道用于对换热器组进行隔离。
第一主路电动阀7的入口和出口还并联有流量调节系统13，流量调节系统13包括电动调节阀和设置在其两端的电动阀，流量调节系统的入口与
第一主路电动阀7的入口连接，流量调节系统的出口与第一主路电动阀7的出口连接。
第二主路电动阀8的入口和出口还并联外置加热系统2，外置加热系统2包括外置加热器14和设置在其两端的电动阀，外置加热系统2的入口与第二主路电动阀8的入口连接，外置加热系统2的出口与第二主路电动阀8的出口连接。
导热油循环主管路3上还设置有第一导热油循环泵15，第一导热油循环泵的两端还分别设置有电动阀，第一导热油循环泵的两端通过管路还并联有第二导热油循环泵16，当第一导热油循环泵15出现故障损坏时，启用第二导热油循环泵16。第一导热油循环泵与换热器旁路管道的出口之间的导热油循环主管路上还设置有膨胀油箱17，导热油受热膨胀后，体积增大部分的导热油流入膨胀油箱中，避免对管路和导热油换热管组造成损坏。
导热油换热管组5包括第一管路、第二管路和多个换热盘管18，第一管路设置在罐体的上部，第二管路设置在罐体的下部，多个换热盘管垂直且圆周均布在罐体中，且位于第一管路和第二管路之间，多个换热盘管并联设置，换热盘管的出口与第一管路连接，换热盘管的入口与第二管路连接；第一管路的出口与导热油循环主管路的入口连接，第二管路的入口与导热油循环主管路的出口连接。
储热熔盐为三元硝酸盐，由53％KNO3+40％NaNO2+7％NaNO3混合而成。
外置加热器和内置加热器均与外部电网连接。
下面对换热器组的结构进行详细说明。
1、如图5所示，当对外供应热水时，该换热器组为油水换热器19，油水换热器热侧与导热油循环主管路连接，冷水自冷侧的入口进入，冷水经过换热后自冷侧的出口流出。
优选为管壳式油水换热器。
2、如图6所示，当对外供应饱和蒸汽时，该换热器组包括串联的一台蒸发器20和一台给水预热器21。蒸发器优选为管壳式蒸发器，给水预热器优选为管壳式给水预热器。
该换热器组包括串联的蒸发器20和给水预热器21，蒸发器的热侧入口与换热器组入口电动阀连接，给水预热器21的热侧出口与换热器组出口电动阀10连接，外供介质的入口与给水预热器21的冷侧入口连接，给水预热器21的冷侧出口与蒸发器冷侧入口连接，蒸发器冷侧出口与外供介质的出口连接。
导热油自蒸发器热侧入口端流入，然后流入给水预热器的热侧入口，最后自给水预热器热侧出口流入导热油循环主管路中。
冷水自给水预热器中的冷侧入口进入进行一次换热，加热后的冷水进入蒸发器的冷端进行换热成饱和蒸汽，饱和蒸汽自蒸发器的冷端出口流出。
3、如图7所示，当对外供应过热蒸汽时，该换热器组包括依次串联的过热器22、蒸发器20和给水预热器21；导热油自过热器热侧入口进入，然后依次经过蒸发器的热侧和给水预热器的热侧进行换热，换热后的导热油自给水预热器的热侧出口流入导热油循环主管路中。
冷水自给水预热器的冷侧入口进入，经过给水预热器、蒸发器和过热器换热后，转换为过热蒸汽自过热器的冷端出口流入用户管路中。
导热油循环泵为变频调速泵。
下面对本申请提供的一种熔盐储热和导热油传热系统的导热方法进行详细阐述。
该发明包括以下几个储放热阶段，启动储热阶段、放热阶段、正常储热阶段和低负荷放热阶段。
启动储热阶段
如附图1所示，利用电网低谷电能，通过外置或内置电加热器对储热罐内的硝酸盐进行加热升温，使固态硝酸盐转变为高温液态熔盐，将电能转换化为热能存储起来，具体的过程如下；
当设备和系统长期停运、储热罐内的硝酸盐已全部凝为固态，此时需要启动时，首先对导热油循环主管路中的导热油采用外置加热系统进行加热；导热油的运行方式如下；
打开第一主路电动阀7，关闭电动调节阀两端的电动阀，关闭换热器组入口电动阀9和换热器组出口电动阀10，开启换热器组旁路管道11上的旁路电动阀12，开启第一循环泵15及其进出口电动阀，关闭第二导热油循环泵16及其进出口电动阀，关闭第二主路电动阀8，打开外置加热器14两端的电动阀。
首先，外置加热器14对导热油循环主管路3中的导热油进行加热至200℃，加热后的导热油自导热油换热管组5的入口进入进行换热降温，然后自其出口流出，进入导热油循环主管路3中，然后进入换热器组旁路管道11，导热油自换热器组旁路管道流出后进入第一导热油循环泵15中进行增压后进入外置加热器14中再次加热，升温后的高温导热油进入储热罐将热量传递给储热熔盐，依次循环上述过程，直至储热熔盐全部融化并升温至150℃。
如图2所示，然后，停运第一导热油循环泵15，关闭外置加热器14两端的电动阀，停止外置加热器工作，开启第二主路电动阀8，开启内置加热器6对储热熔盐进一步加热升温，直至罐内熔盐温度升至设定温度420℃，启动储热阶段完成。
放热阶段
放热阶段分为热水供热、过热蒸汽供热或饱和蒸汽供热，放热阶段导热油在导热油循环主管路3和熔盐储热罐1中的运行方式与储热阶段相同，不同之处在于换热器组的结构以及运行方式，上文中已对多种换热器组的结构和运行方式进行了详细的说明，在此只对熔盐储热和导热油传热系统的运行方式进行详细的说明，运行方式如下；
如图3所示，储热阶段完成后，首先，关闭换热器组旁路管道11上的旁路电动阀12，开启换热器组4热侧两端的换热器组入口电动阀9和换热器组出口电动阀10，开启换热器组4冷侧两端的电动阀，关闭外置加热系统2和内置加热器6，关闭电动调节阀，开启第一主路电动阀7和第二主路电动阀8，并开启第一导热油循环泵15。
导热油的运行方式如下，导热油在熔盐储热罐中的导热油换热管组5进行吸热升温，升温后的导热油自导热油循环主管路3的入口进入，经过第一主路电动阀7进入换热器组4中进行换热，经过换热降温后的导热油自换热器组4的热侧出口进入第一导热油循环泵15进行加压，加压后的导热油自导热油循环主管路3的出口再次进入导热油换热管组5中再次换热升温，依次循环直至储热熔盐的温度达到其设定温度的下限。
在放热阶段，当熔盐储热罐内的储热熔盐温度降低到设定温度时，该温度为外供介质温度加9～20℃时，关闭第一导热油循环泵15，放热阶段完成。
正常储热阶段，在放热阶段结束后，启动内置加热器6对储热熔盐进行加热，直至储热熔盐升温至设定温度420℃，然后关闭内置电加热器6，正常储热阶段完成。
当换热器组冷侧出口外供介质的温度高于设定值时，可变频降低第一导热油循环泵15的转速，进而降低进入换热器组4的导热油流量；当换热器组4冷侧出口的外供介质的温度低于设定值时，可变频升高第一导热油循环泵15的转速，增大进入换热器组4的导热油流量。
低负荷放热阶段：该阶段为导热油循环泵在最低转速运行时，所产生的供热量仍然大于用户端所需求的热量。
本阶段的放热过程总体上与正常放热阶段相同，所不同的是：当对外供热负荷较低，超出了导热油循环泵的调速范围时，为了精确控制外供介质的参数，可通过安装在导热油循环主管路3上的电动调节阀，控制进入换热器组4的高温导热油流量，从而实现控制外供介质的参数；导热油的运行方式如下；
如图4所示，首先，关闭第一主路电动阀7，启动电动调节阀，以及打开电动调节阀两端的电动阀。
导热油自导热油换热管组5升温后经过电动调节阀后进入换热器组4进行换热，换热后的导热油自换热器组4热侧出口进入第一导热油循环泵，经升压后再次进入导热油换热管组5进行升温，依次循环，从而实现低负荷放热。
本发明的熔盐储热及导热油传热系统，将置于储热罐中的储热熔盐经外置加热器或内置加热器加热升温由固态转化为液态，液态储热熔盐经进一步加热升温至设定温度进行储能，然后利用导热油吸收储热罐中高温液态储热熔盐的热量，之后通过换热器组中将高温导热油的热量传递给外供介质，被加热的外供介质可为热水、饱和蒸汽或过热蒸汽。在储热介质体积相同的条件下，储热温度更高、储热量更大；采用该传热系统一方面，可实现外供热水、饱和蒸汽或过热蒸汽，外供介质品种多；另一方面，可降低设备和系统的初投资及运行和维护费用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，包括熔盐储热罐(1)、导热油循环主管路(3)、换热器组(4)和加热系统；
其中，熔盐储热罐(1)包括灌装有储热熔盐的罐体，储热熔盐中预埋有导热油换热管组(5)，导热油换热管组(5)的入口和出口穿过罐体分别与导热油循环主管路(3)的出口和入口连接，导热油循环主管路(3)上设置有导热油循环泵组，加热系统分别与罐体和导热油循环主管路(3)连接，用于对导热油和储热熔盐加热；
换热器组(4)的热侧串联在导热油循环主管路(3)上，换热器组(4)的热侧的入口和出口分别设置有换热器组入口电动阀(9)和换热器组出口电动阀(10)，在换热器组入口电动阀(9)的入口端和换热器组出口电动阀(10)的出口端还并联有换热器组旁路管道(11)，换热器组旁路管道(11)上设置有旁路电动阀(12)。
2.根据权利要求1所述熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，所述加热系统包括内置加热器(6)和外置加热系统(2)，内置加热器(6)和外置加系统(2)分别与电力系统连接；
所述内置加热器(6)设置在罐体中用于对储热熔盐加热，外置加热系统(2)设置在导热油循环主管路(3)上，用于对导热油进行加热。
3.根据权利要求2所述熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，所述外置加热系统(2)包括第二主路电动阀(8)和外置加热器(14)；第二主路电动阀(8)设置在导热油循环主管路(3)的入口端，外置加热器(14)通过管路并联在第二主路电动阀(8)的两端，外置加热器(14)的入口和出口还分别设置有电动阀。
4.根据权利要求1所述熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，所述导热油循环主管路(3)上还设置有流量调节系统(13)；
所述流量调节系统(13)包括第一主路电动阀(7)和电动调节阀，第一主路电动阀(7)设置在导热油循环主管路(3)的入口端，电动调节阀通过管路并联在第一主路电动阀(7)的两端，电动调节阀的入口和出口还分别设置有电动阀。
5.根据权利要求1所述熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，所述导热油循环泵组包括第一导热油循环泵(15)和第二导热油循环泵(16)；
所述第一导热油循环泵(15)串联在导热油循环主管路(3)上，第二导热油循环泵(16)通过管路并联在第一导热油循环泵(15)的两端。
6.根据权利要求1所述熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，所述导热油换热管组(5)包括第一管路、第二管路和多个换热盘管；
所述第一管路设置在罐体的上部，第二管路设置在罐体的下部，多个换热盘管设置在第一管路和第二管路之间，换热盘管(18)的出口与第一管路连接，换热盘管(18)的入口与第二管路连接；第一管路的出口与导热油循环主管路的入口连接，第二管路的入口与导热油循环主管路的出口连接。
7.根据权利要求1所述熔盐储热和导热油传热系统，其特征在于，
当换热器组的外供介质为热水时，该换热器组为油水换热器(19)；
当换热器组的外供介质为饱和蒸汽时，该换热器组包括串联的蒸发器(20)和给水预热器(21)；
当换热器组的外供介质为过热蒸汽时，该换热器组包括依次串联的过热器(22)、蒸发器(20)和给水预热器(21)。
8.一种权利要求1-7任一项所述熔盐储热和导热油传热系统的导热方法，其特征在于，当所述系统处于启动储热阶段时，加热系统对导热油和储热熔盐加热，加热后的导热油进入导热油换热管组(5)中与储热熔盐进行换热，换热后的导热油经过换热器组旁路管道(11)进入导热油循环泵组，导热油循环泵组对导热油加压后输送至加热系统再次加热，依次循环直至储热熔盐达到设定的温度上限，储热阶段完成。
9.根据权利要求8所述熔盐储热和导热油传热系统的导热方法，其特征在于，当所述系统处于放热阶段时，导热油在导热油换热管组(5)中与储热熔盐进行换热，升温后的导热油进入换热器组(4)的热侧与外供介质进行换热，降温后的导热油经过导热油循环泵(15)加压后再次进入导热油换热管组(5)中进行换热升温，依次循环直至储热熔盐达到设定温度下限，放热阶段结束。
10.根据权利要求8所述熔盐储热和导热油传热系统的导热方法，其特征在于，当所述系统处于低负荷放热阶段时，导热油在导热油换热管组(5)与储热熔盐进行换热升温后，通过流量调节系统(13)控制进入换热器组(4)的导热油流量，换热降温后的导热油自换热器组(4)的热侧出口流出，再次进入导热油换热管组(5)进行换热升温，升温后的导热油循环以上过程直至低负荷放热阶段结束。
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