CN109915802B - 利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置，包括电源系统，外部管道，控制系统，技术要点是：利用外部管道依次连接有设置在饱和蒸汽发生器及过热蒸汽发生器内部的吸热管道、低温蓄热装置的传热管道而使之成为一个相连通的循环管道网络；低温蓄热装置的传热管道与高温蓄热装置内的吸热管道相连接；在饱和蒸汽发生器，过热蒸汽发生器，低温蓄热装置和高温蓄热装置的内部传热管道上均设置有输出端口，该输出端口通过阀门组与热用户端相连接；饱和蒸汽发生器的下联箱端口与低温蓄热装置的冷凝水端口之间还装置有循环泵；在饱和蒸汽发生器的下联箱端口和低温蓄热装置的冷凝水端口之间分别通过补水管路及补水泵与软化水箱相连接。

Description

利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置

技术领域

本发明涉及电热存储技术领域，特别涉及一种适合发电侧：热电机组进行灵活性调峰，实现热、电解耦和负荷侧的利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置。是用户利用廉价的低谷电能，制取高温饱和蒸汽和过热蒸汽的电热转换设备。

背景技术

本申请人在2016年按用户每天7小时蓄热24小时放热的技术要求，应用高电压固体蓄热式电锅炉技术，先后在丹东金山电厂、铁岭调兵山电厂、长春第四热电厂、伊春华能热电厂向用户交付了16台66kV电压等级的蓄热式电锅炉。设备投运后，发现当初可研报告给出的技术指标：每天7小时蓄热24小时放热（即在额定电输入功率的条件下，设备的热输出功率不大于电输入功率的三分之一）不符合调峰实际规律，经常连续出现无调峰需求的天气，还会出现大风气象条件下风力发电机组满发，需要电锅炉的蓄热时间大于7小时甚至大于24小时连续工作的情况。由于蓄热式电锅炉连续蓄热工作时间超过设计时间热交换器不能快速释放热能，造成蓄热式电锅炉内部的固体储能体累积的温度超过蓄热温度上限，致使设备不能24小时连续加电而影响调峰工作。本发明人虽然在总结三年实际运行数据的基础上，2018年在沈阳华润电厂推出可以每天24小时连续蓄热工作24小时放热的产品，弥补了2016年产品的不足，还想寻求更好的解决方案，克服因拉长连续工作时间要增加3倍换热器的换热功率和换热风机的通风量带来的设备体积变大、驱动风机的电动机功耗增加，投资额加大的问题；此解决方案的研制过程同时也兼顾考虑负荷侧：用户在蓄热环境下的大功率输出高温饱和蒸汽和过热蒸汽的需要。

发明内容

本发明的目的是改变现有固体蓄热式电锅炉的热存储方式和热交换方式，提供一种利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置。以解决原有设备占地面积大，改变固体蓄热式电锅炉由电能转换成热能必须经过“电发热→固体蓄热→热交换器→热用户”能量的传递过程。本发明以管道内的蒸汽为能量传递介质实现“电发热→热用户”和“电发热→固体蓄热→热用户”并行传递，取消固体蓄热式电锅炉必备的“热交换器”部件，克服因固体储能体累积的温度超过蓄热温度上限时，不能连续工作的弊端，还能减少设备投资额。

本发明所采用的技术方案是：利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置，包括电源系统，饱和蒸汽发生器，过热蒸汽发生器，低温蓄热装置，高温蓄热装置，外部管道，控制系统，阀门组，循环泵，其特征在于：用外部管道依次连接有设置在饱和蒸汽发生器内部的吸热管道、过热蒸汽发生器内部的吸热管道、低温蓄热装置内部的传热管道而使之成为一个相连通的可承受工作蒸汽压力和传递温度的循环管道网络，在外部管道上设置有循环泵；在低温蓄热装置内部的传热管道的输出端还与设置在高温蓄热装置内部的吸热管道输入端相连接；在饱和蒸汽发生器，过热蒸汽发生器，低温蓄热装置和高温蓄热装置的内部传热管道上均设置有输出端口，该输出端口通过阀门组与热用户端相连接；饱和蒸汽发生器的下联箱端口与低温蓄热装置的冷凝水端口之间还装置有循环泵；在饱和蒸汽发生器的下联箱端口和低温蓄热装置的冷凝水端口之间分别通过补水管路及补水泵与软化水补水箱相连接。

本发明所述的电源系统是可以接入0.1kV-1kV或1kV-66kV工作电压的开关操作系统。

本发明所述的饱和蒸汽发生器由汽包、下联箱和若干根带加热组件的连接在汽包底部和下联箱之间的吸热管道构成；加热组件是由内部设有与电源系统相连接的电加热元件并冲满六氟化硫绝缘气体，焊接在饱和蒸汽发生器内部吸热管道外表面的耐热金属壳体构成的密闭腔体；电加热元件是用穿在耐高温绝缘管内每圈间留有大于2毫米缝隙的螺旋电加热丝，缠绕在吸热管道外表面螺旋支架间隔中，再沿吸热管道轴线方向设置防电加热丝脱落云母卷材制成；汽包上部设置与阀门组相连接的饱和蒸汽的输出A口和与过热蒸汽发生器输入H口连接的饱和蒸汽输出B口。

本发明所述的过热蒸汽发生器是由若干根带加热组件的吸热管道经串、并联相接构成，加热组件是由内部设有与电源系统相连接的电加热元件并冲满六氟化硫绝缘气体，焊接在过热蒸汽发生器内部吸热管道外表面的耐热金属壳体构成的密闭腔体；所述电加热元件是用穿在耐高温绝缘管内每圈间留有2-5毫米缝隙的螺旋电加热丝，缠绕在吸热管道外表面螺旋支架间隔中，再沿吸热管道轴线方向设置有防电加热丝脱落的云母卷材；若干根过热蒸汽发生器内部的吸热管道经串、并联相接，形成的过热蒸汽发生器输出C口与阀门组连接，形成的过热蒸汽发生器输出D口与低温蓄热体热能输入L口连接。

本发明所述的低温蓄热装置是阵列并联设置的预制固体储能体单元的集合，预制固体储能体单元是利用设在低温蓄热装置内部的传热管道外表面金属伞裙内，固体物质存储热能的杆状构件；低温蓄热体热能输出E口与饱和蒸汽热用户之间接有阀门组；低温蓄热体热能输出F口连接高温蓄热装置内的吸热管道输入M口。

本发明所述的高温蓄热装置是由设在保温壳体内的电蓄热式固体蓄热体、高温风机和吸热管道组成；电蓄热式固体蓄热体内阵列分布空气流通孔洞，在孔洞内设置与电源系统相连接的电加热丝；高温蓄热装置的输出G口与过热蒸汽热用户之间接有阀门组；

本发明所述的控制系统是能够有效采集各种温度、压力数据，能按要求处理数据准确发出控制指令并能有数据互联互通功能的PLC控制器；

本发明所述的固体物质是设置在导热管道外侧，完成吸收导热管道内的蒸汽热能或向导热管道内释放存储热能的耐火固体材料；

本发明所述的固体蓄热体是高温状态下具有满足额定工作电压绝缘要求的耐火砌块组合结构体。

本发明所述电加热丝的耐高温绝缘管是云母、陶瓷、耐热玻璃或/和石英玻璃管材构成。

本发明具有的优点及积极效果是：本发明由于设立的阀门组同时控制直热式饱和蒸汽、直热式过热蒸汽、蓄热式饱和蒸汽、蓄热式过热蒸汽四个面向热用户的输出端口，为用户用热提供了非常方便实用的用热选择，在实际使用中用户可以去除不需要的输出方式简化结构节省投资。本发明在电加热丝加电放热时间段以直热式饱和蒸汽、直热式过热蒸汽的输出为主可以长时间工作，还可以兼顾将一部分热能储存在低温蓄热装置中；联通设置在饱和蒸汽发生器、过热蒸汽发生器、低温蓄热装置、高温蓄热装置内部的吸热、导热管道，用管道内的流动的蒸汽传递热能，省去了原有固体蓄热式电锅炉必备的“热交换器”部件，克服了因固体储能体累积的温度超过蓄热温度上限时，不能连续工作的弊端，在热能存储、热能输出过程中不需要驱动风机消耗电能，提高了热转换效率还能减少设备建设投资。

附图说明

图1是本发明的系统装置结构示意简图；

图2是本发明中饱和蒸汽发生器内部结构示意简图；

图3是本发明中过热蒸汽发生器内部结构示意简图；

图4是本发明中低温蓄热装置内部结构示意简图；

图5是本发明中高温蓄热装置内部结构示意简图；

图6是本发明电加热元件安装结构示意简图。

图中序号说明：1电源系统，2饱和蒸汽发生器，3过热蒸汽发生器，4低温蓄热装置，5高温蓄热装置，6控制系统，7阀门组，8循环泵，9补水泵，10软化水补水箱，11外部管道，12输出A口，13输出B口，14输出C口，15输出D口，16输出E口,17输出F口,18输出G口，19输入H口，20输入L口,21输入M口，22下联箱端口,23冷凝水端口,24饱和蒸汽热用户,25过热蒸汽热用户，201汽包，202耐500℃温度的绝缘子，203电加热元件，204六氟化硫气体，205下联箱，206金属壳体，207吸热管道，208下降管，209电源引线；301吸热管道；401固体物质，402传热管道，403金属伞裙；501保温壳体，502吸热管道，503耐500℃温度高电压穿墙套管，504电加热丝，505高温风机，506绝缘瓷柱，507电蓄热式固体蓄热体，508孔洞，601电加热丝，602云母卷材，603耐高温绝缘管，604螺旋金属支架。

下面将结合附图并通过实例对本发明作进一步详细说明，但下述的实例仅仅是本发明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求为准。

具体实施方式

实施例1：

由图1所示，图中的1为高压电源系统，2为饱和蒸汽发生器，3为过热蒸汽发生器，4为低温蓄热装置，5为高温蓄热装置，11为外部管道，6为控制系统，7为阀门组；用外部管道11依次连接有：经下联箱端口22进入设置在饱和蒸汽发生器2内部的吸热管道207，经输出B口13及输入H口19进入过热蒸汽发生器3内部的吸热管道301，再经输出D口15及输入L口20进入低温蓄热装置4内部的传热管道402，又经冷凝水端口23返回至外部管道11中而使之成为一个相连通的可承受工作蒸汽压力和传递温度的循环管道网络，在外部管道11上设置有循环泵8；在低温蓄热装置4内部传热管道402的输出端还与设置在高温蓄热装置5内部的吸热管道502输入端相连接；在饱和蒸汽发生器2，过热蒸汽发生器3，低温蓄热装置4和高温蓄热装置5的内部传热管道上均设置有一输出A口12、输出C口14、输出E口16和输出G口18，该输出端的输出A口12、输出C口14、输出E口16和输出G口18分别通过各自的阀门组7与热用户端的饱和蒸汽热用户24及过热蒸汽热用户25相连接；饱和蒸汽发生器的下联箱端口22与低温蓄热装置的冷凝水端口之间还装置有循环泵；在饱和蒸汽发生器2的下联箱端口和低温蓄热装置4的冷凝水端口23之间分别通过补水管路及补水泵9与软化水补水箱10相连接。

当阀门组7全部处于关闭状态时本装置无能量输出，用外部管道11连接的饱和蒸汽发生器2内部的吸热管道、过热蒸汽发生器3内部的吸热管道、低温蓄热装置4内部的传热管道和设置在高温蓄热装置5内部的吸热管道成为一个相连通可承受工作蒸汽压力密闭的管道网络。

所述的饱和蒸汽发生器2（如图2所示）包括汽包201、下联箱205和若干根连接在汽包201底部和下联箱205之间的加热组件构成；所述加热组件为：内部安装与高压电源系统相连接的电加热丝601和冲满六氟化硫绝缘气体204，设置在饱和蒸汽发生器内部吸热管道外表面的耐热金属壳体206构成的密闭腔体，吸热管道207，下降管208，耐500℃温度的绝缘子202及电源引线209；汽包上部设置与阀门组7相连接的饱和蒸汽的输出A口12和与过热蒸汽发生器输入H口19连接的饱和蒸汽输出B口13。

本发明所述的过热蒸汽发生器3是（如图3所示）由若干根吸热管道经串、并联相接的加热组件构成，每根加热组件是内部安装与电源系统相连接的电加热丝和冲满六氟化硫绝缘气体，设置在过热蒸汽发生器内部的吸热管道外表面的耐热金属壳体构成的密闭腔体，该结构与饱和蒸汽发生器2相同，只是吸热管道为301；若干根过热蒸汽发生器内部的吸热管道经串、并联相接，形成的过热蒸汽发生器输出C口14与阀门组7连接，形成的过热蒸汽发生器输出D口15与低温蓄热体热能输入L口20连接。

本发明所述的低温蓄热装置4（如图4所示）是阵列并联设置的预制固体储能体单元的集合，预制固体储能体单元是利用设在低温蓄热装置内部的传热管道402外表面金属伞裙403内，固体物质401存储热能的杆状构件；低温蓄热体热能输出E口16与饱和蒸汽热用户之间接有阀门组；低温蓄热体热能输出F口17连接高温蓄热装置5内的吸热管道输入M口21。

本发明所述的高温蓄热装置5（如图5所示）是由设在保温壳体501内的电蓄热式固体蓄热体507、高温风机505和吸热管道502组成；电蓄热式固体蓄热体507内阵列分布空气流通孔洞508，在孔洞内设置与电源系统相连接的电加热丝504，503为耐500℃温度高电压穿墙套管，506为绝缘瓷柱；高温蓄热装置的输出G口18与过热蒸汽热用户之间接有阀门组。

蓄热循环过程表述：用户先将用热数据置入控制系统6，在电源系统1开通前，首先开启连接在软化水箱10与下联箱端口22之间的补水泵9使饱和蒸汽发生器2中水量具备工作条件后接通电源系统1制热。电能在蒸汽发生器2中转换的饱和蒸汽热能经输出B口13输出，通过相连接的外部管道11送入过热蒸汽发生器3继续加热升温，升温后的过热蒸汽通过输出D口15对固体物质放热后冷凝从冷凝水端口23流出，循环泵8将冷凝水驱动送入饱和蒸汽发生器2的下联箱22补充蒸汽发生器2中的软化水。在低温蓄热装置4进行蓄热的同时高温蓄热装置5也通过电源系统1接通电源蓄热，当存储的热能达到热用户用热需求时关闭高压电源系统1，完成本装置的蓄热过程。

存储热能饱和蒸汽放热过程表述：用户先将用热数据置入控制系统6，只要低温蓄热装置4存有满足需要的热能，开启设在输出E口16上的阀门组7就能将低温蓄热装置4内的热能以饱和蒸汽的形式输出给饱和蒸汽热用户24，调节设在冷凝水端口23与软化水箱10之间补水泵9的流量可以改变输出E口16的饱和蒸汽流量。

存储热能过热蒸汽放热过程表述：用户先将用热数据置入控制系统6，只要低温蓄热装置4和高温蓄热装置5中存有满足需要的热能，开启设在输出G口18上的阀门组7就能将低温蓄热装置4内的热能以饱和蒸汽的形式从输出F口17输出给高温蓄热装置5内的吸热管道，吸收存储在高温蓄热装置5内电蓄热式固体蓄热体的热能使饱和蒸汽过热后输出给过热蒸汽热用户25，调节设在冷凝水端口23与软化水箱10之间补水泵9的流量可以改变输出G口18的过热蒸汽流量，调节设在高温蓄热装置5内的高温风机转速可以改变输出过热蒸汽的温度。

饱和蒸汽连续放热过程表述：用户先将用热数据置入控制系统6，蒸汽发生器2中水量具备工作条件的状态下，接通蒸汽发生器2的电源系统1制热，开启设在输出A口12上的阀门组7将热能输出给饱和蒸汽热用户24。饱和蒸汽热用户24如果有热水需求可以用换热器制取或饱和蒸汽经减温减压后制取热水。

过热蒸汽连续放热过程表述：用户先将用热数据置入控制系统6，蒸汽发生器2中水量具备工作条件的状态下，接通蒸汽发生器2和过热蒸汽发生器3的电源系统1制热，电能在蒸汽发生器2中转换的饱和蒸汽热能经输出B口13输出，通过相连接的外部管道11送入过热蒸汽发生器3继续加热升温。开启设在输出C口14上的阀门组7将过热蒸汽输送给过热蒸汽热用户25。过热蒸汽热用户25如果有热水需求可以用换热器制取或饱和蒸汽经减温减压后制取热水。

电加热元件制作过程表述：（如图6所示）每只电加热元件按10kV工作电压160kW功率设计选择2mm厚30mm宽的Q345耐热带钢以截距50mm的螺旋线焊接在直径159mm的吸热管道外表面完成螺旋支架604的制作；再用卷簧机将3mm直径的电加热丝601以32mm外径，3mm截距绕制成螺旋电加热丝601；选用内径35mm壁厚5mm长度40mm的石英玻璃制作的耐高温绝缘管603套装在绕制成的电加热丝601螺旋管外面后缠绕在已制作完成的螺旋金属支架604内，外面用1mm厚的云母卷材602包裹牢固。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.利用封闭管道进行蓄热放热循环的系统装置，包括电源系统，饱和蒸汽发生器，过热蒸汽发生器，低温蓄热装置，高温蓄热装置，外部管道，控制系统，阀门组，循环泵，其特征在于：用外部管道依次连接有设置在饱和蒸汽发生器内部的吸热管道、过热蒸汽发生器内部的吸热管道、低温蓄热装置内部的传热管道而使之成为一个相连通的可承受工作蒸汽压力和传递温度的循环管道网络，在外部管道上设置有循环泵；在低温蓄热装置内部的传热管道的输出端还与设置在高温蓄热装置内部的吸热管道输入端相连接；在饱和蒸汽发生器，过热蒸汽发生器，低温蓄热装置和高温蓄热装置的内部传热管道上均设置有输出端口，该输出端口通过阀门组与热用户端相连接；饱和蒸汽发生器的下联箱端口与低温蓄热装置的冷凝水端口之间还装置有循环泵；在饱和蒸汽发生器的下联箱端口和低温蓄热装置的冷凝水端口之间分别通过补水管路及补水泵与软化水补水箱相连接；饱和蒸汽发生器的汽包上部设置与阀门组相连接的饱和蒸汽的输出A口和与过热蒸汽发生器输入H口连接的饱和蒸汽输出B口；若干根过热蒸汽发生器内部的吸热管道经串、并联相接，形成的过热蒸汽发生器输出C口与阀门组连接，形成的过热蒸汽发生器输出D口与低温蓄热体热能输入L口连接；所述的低温蓄热装置是阵列并联设置的预制固体储能体单元的集合，预制固体储能体单元是利用设在低温蓄热装置内部的传热管道外表面金属伞裙内，固体物质存储热能的杆状构件；低温蓄热体热能输出E口与饱和蒸汽热用户之间接有阀门组；低温蓄热体热能输出F口连接高温蓄热装置内的吸热管道输入M口；所述的固体物质是设置在导热管道外侧，完成吸收导热管道内的蒸汽热能或向导热管道内释放存储热能的耐火固体材料；所述的高温蓄热装置是由设在保温壳体内的电蓄热式固体蓄热体、高温风机和吸热管道组成；电蓄热式固体蓄热体内阵列分布空气流通孔洞，在孔洞内设置与电源系统相连接的电加热丝；高温蓄热装置的输出G口与过热蒸汽热用户之间接有阀门组。

2.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于：所述的电源系统为接入0.1kV-1kV或1kV-66kV工作电压的开关操作系统。

3.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于：所述的饱和蒸汽发生器包括汽包、下联箱和若干根带加热组件的连接在汽包底部和下联箱之间的吸热管道构成；所述加热组件为：由内部设有与电源系统相连接的电加热元件并冲满六氟化硫绝缘气体，焊接在饱和蒸汽发生器内部吸热管道外表面的耐热金属壳体构成的密闭腔体；电加热元件是用穿在耐高温绝缘管内每圈间留有大于2毫米缝隙的螺旋电加热丝，缠绕在吸热管道外表面螺旋支架间隔中，再沿吸热管道轴线方向设置防电加热丝脱落云母卷材制成。

4.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于：所述的过热蒸汽发生器是由若干根带加热组件的吸热管道经串、并联相接构成，加热组件是由内部设有与电源系统相连接的电加热元件并冲满六氟化硫绝缘气体，焊接在过热蒸汽发生器内部吸热管道外表面的耐热金属壳体构成的密闭腔体；所述电加热元件是用穿在耐高温绝缘管内每圈间留有2-5毫米缝隙的螺旋电加热丝，缠绕在吸热管道外表面螺旋支架间隔中，再沿吸热管道轴线方向设置有防电加热丝脱落的云母卷材。

5.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于：所述的固体蓄热体是高温状态下具有满足额定工作电压绝缘要求的耐火砌块组合结构体。

6.根据权利要求4所述的系统装置，其特征在于：所述电加热丝的耐高温绝缘管是云母、陶瓷、耐热玻璃或/和石英玻璃管材构成。

7.根据权利要求1所述的系统装置，其特征在于：所述的控制系统是指：将有效采集各种温度、压力数据，按技术要求处理数据准确发出控制指令并能有数据互联互通功能的PLC控制器。