CN110553236A - 一种储热电锅炉系统及其充热运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储热电锅炉系统及其充热运行方法，所述储热电锅炉系统包括单罐储热装置、导热介质回路、旁路管路以及控制系统，所述单罐储热装置内设有储热介质以及多个电加热器，所述多个电加热器的长度不同，以在所述储热介质中插入不同深度，所述导热介质回路包括太阳能集热装置和换热装置，所述太阳能集热装置包括若干集热管，所述换热装置布局在所述单罐储热装置外表面；所述充热运行方法包括夜间谷电运行模式以及日间光热运行模式。本发明提供的储热电锅炉系统使用槽式太阳能集热单元进行热量补充，解决了储热介质储罐体积大、造价高等问题，同时具有换热装置不会被腐蚀、储热介质受热均匀、换热效率高等优点。

Description

一种储热电锅炉系统及其充热运行方法

技术领域

本发明属于储热领域，具体涉及一种储热电锅炉系统及其充热运行方法。

背景技术

目前，电厂与用户之间的供需矛盾造成了巨大的经济损失和能源浪费，而储热技术是解决电网峰谷差及环保问题的有效手段，它利用低谷廉价电力将所需能量储存起来，以供需要时使用，从而解决了电网峰谷差加大，机组调峰困难等问题。

熔盐蓄热密度高，导热性能好，是现在广泛应用的新型蓄热材料。采用电加热熔盐来进行集中供暖，可以在用电低谷时将多余的电力转换成热能储存于高温熔盐中，当用电高峰期时再将蓄存的热量释放出来进行供暖，解决空气污染和电网调峰的问题。专利CN102338483A公开了一种熔盐加热融化的方法及设备，该设备是利用太阳能将吸收器内的导热油加热，高温导热油通过熔盐罐底部的导热油加热盘管将熔盐罐内的熔盐融化，这种加热设备及方法会造成熔盐加热的不均匀和加热盘管的腐蚀。专利CN108007247A公开了一种外置加热式熔盐储热系统，该系统包括高低温两个熔盐储罐，并分别配有外置式加热组件，通过加热单元的外置拓宽了加热器的选型范围，降低了罐体设计的难度，提高了加热效率，该系统结构复杂，耗电量大，运行成本高。

鉴于此，需要提出一种能有效减少加热装置腐蚀、加热温度均匀、加热效率高、运行成本经济的储热电锅炉系统。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种能有效减少加热装置腐蚀、加热温度均匀、加热效率高、运行成本经济的储热电锅炉系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种储热电锅炉系统，包括单罐储热装置、导热介质回路、旁路管路以及控制系统；

所述单罐储热装置内设有储热介质以及用于加热所述储热介质的电加热装置，所述电加热装置包括多个电加热器，所述多个电加热器的长度不同，使所述多个电加热器在所述储热介质中插入不同深度；

所述导热介质回路包括太阳能集热装置和换热装置以及第一管路，所述太阳能集热装置包括若干集热管，所述若干集热管与所述换热装置通过所述第一管路相互连通，内设有导热介质；所述第一管路上设有导热介质输送泵，用于输送导热介质；所述换热装置布局在所述单罐储热装置外表面，用于将所述太阳能集热装置采集的热量通过所述导热介质传递给所述储热介质；

所述旁路管路的一端连接到所述换热装置的第一进口端，所述旁路管路的另一端连接到所述换热装置的第一出口端，所述第一进口端上设有第一电磁阀，所述旁路管路上设有第二电磁阀；

所述控制系统包括运行控制模块，用于控制所述储热电锅炉系统的运行。

上述储热电锅炉系统，其中，所述电加热器包括加热段和非加热段，所述加热段位于所述电加热器的端部并靠近位于所述电加热器的根部的所述非加热段，所述加热段沿着远离所述非加热段的方向加热丝的布置逐渐加密，使所述加热段的加热功率沿着远离所述非加热段的方向逐渐增大。

上述储热电锅炉系统，其中，所述单罐储热装置包括多组热电偶，多组所述热电偶的测点均布于所述单罐储热装置的罐体的中轴线上。

上述储热电锅炉系统，其中，所述导热介质回路上还设有导热介质储罐，连通在所述第一管路上，所述导热介质储罐上端设有排气阀，用于排除导热介质中的水分。

上述储热电锅炉系统，其中，所述太阳能集热装置还包括若干槽式反射镜，所述若干槽式反射镜为圆弧形，所述若干槽式反射镜的圆心处均设置有所述集热管，所述若干槽式反射镜中的每一所述槽式反射镜与对应的所述集热管构成一组太阳能集热单元。

上述储热电锅炉系统，其中，所述太阳能集热装置包含所述若干太阳能集热单元，所述若干太阳能集热单元的连接方式为并联、串联或混联。

上述储热电锅炉系统，其中，所述控制系统还包括跟踪控制模块，用于控制所述槽式反射镜。

上述储热电锅炉系统，其中，所述控制系统还包括电加热控制模块，用于控制所述电加热装置对所述储热介质的加热过程。

上述储热电锅炉系统，其中，所述第一进口端位于所述换热装置的下端，所述第一出口端位于所述换热装置的上端。

一种储热电锅炉系统充热运行方法，包括夜间谷电运行模式：

步骤A1，所述控制系统根据电网所处的供电时段与所述单罐储热装置内储热介质的温度的耦合判断条件对所述储热电锅炉系统进行控制；

判断是否电网处于夜间谷电时段且所述单罐储热装置内储热介质的温度低于第一预设温度值；

若是，转向步骤A2；若否，则继续重复A1；

步骤A2，关闭所述导热介质输送泵停止所述导热介质回路的循环；

步骤A3，启动所述电加热装置，对所述储热介质进行加热；

步骤A4，判断所述单罐储热装置内储热介质的温度是否达到第一预设温度值；

若是，则结束夜间谷电运行模式；若否，则继续重复A4。

一种储热电锅炉系统充热运行方法，还包括日间光热运行模式：

步骤B1，所述控制系统根据当地时段与当地光照强度的耦合判断条件对所述储热电锅炉系统进行控制；

判断是否当地处于日间时段且当地光照强度充足；

若是，转向步骤B2；若否，则继续重复B1；

步骤B2，开启所述导热介质输送泵开始所述导热介质回路的循环；

步骤B3，关闭所述第一电磁阀，打开所述第二电磁阀，使所述导热介质储罐中的所述导热介质流过所述集热管进行循环加热；

步骤B4，判断所述导热介质储罐中的所述导热介质的温度是否达到第二预设温度值；

若是，转向步骤B5；若否，则继续重复B4；

步骤B5，打开所述第一电磁阀，关闭所述第二电磁阀，使得所述导热介质流过所述换热装置对所述储热介质进行加热；

步骤B6，判断所述单罐储热装置内储热介质的温度是否达到第三预设温度值；

若是，则结束日间光热运行模式；若否，则继续重复B6。

本发明的优点是：

本发明提供的储热电锅炉系统使用单罐储热装置，同时使用槽式太阳能集热单元进行热量补充，解决了储热介质储罐体积大、造价高等问题；本系统：首先，换热装置采用外螺旋管式设计，缠绕在熔盐储罐外壁面，使换热装置与储热介质不直接接触，不会造成换热装置的腐蚀；其次，换热装置采用外螺旋管式设计，导热介质与储热介质形成良好换热，使导热介质对储热介质的加热较为均匀；最后，单罐储热装置中通过布置不同插入深度和不同密度的加热丝的电加热器，使单罐储热装置中储热介质的温度更加均匀，且电加热器分为加热段和非加热段，强化了储热介质内部的自然对流，使储热介质的受热均匀，同时换热效率高。

附图说明

包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了符合本发明的装置和方法的实施方案，并与详细描述一起用于解释符合本发明的优点和原理。在附图中：

图1为储热电锅炉系统的系统图。

图2为储热电锅炉系统在夜间谷电运行模式下充热运行流程图。

图3为储热电锅炉系统在日间光热运行模式下充热运行流程图。

1-单罐储热装置；

11-储热介质；

12-电加热装置；

121-电加热器；122-加热段；123-非加热段；

13-热电偶；

2-导热介质回路；

21-太阳能集热装置；

211-集热管；212-槽式反射镜；213-太阳能集热单元；

22-换热装置；

221-第一进口端；222-第一出口端；223-第一电磁阀；

23-第一管路；

24-导热介质；

25-导热介质输送泵；

26-导热介质储罐；

261-排气阀；

3-旁路管路；

31-第二电磁阀；

4-控制系统；

41-运行控制模块；42-跟踪控制模块；43-电加热控制模块。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，本发明并不局限于以下描述的实施方式。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合，且本发明的技术理念可以与其他公知技术或与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

第一实施例：

如图1所示，示出了一种储热电锅炉系统，包括单罐储热装置1、导热介质回路2、旁路管路3以及控制系统4(图中未示出)；

单罐储热装置1内设有储热介质11以及用于加热储热介质11的电加热装置12，电加热装置12包括多个电加热器121，多个电加热器121 的长度不同，使多个电加热器121在储热介质11中插入不同深度，使多个电加热器121在储热介质11中形成不同的加热区域，不同加热区域内储热介质11受热后密度变小而上升使单罐储热装置1内储热介质 11形成自然对流，从而强化了单罐储热装置1内部的储热介质11对流换热，使储热介质11受热更均匀，同时提高了储热介质11的换热效率；

导热介质回路2包括太阳能集热装置21和换热装置22以及第一管路23，太阳能集热装置21包括若干集热管211，若干集热管211与换热装置22通过第一管路23相互连通，内设有导热介质24；第一管路23上设有导热介质输送泵25，用于输送导热介质24；换热装置22采用外螺旋管式设计，布局在单罐储热装置1外表面，用于将太阳能集热装置21采集的热量通过导热介质24传递给储热介质11：一方面，使导热介质24与储热介质11形成良好换热，使导热介质24对储热介质11的加热较为均匀；另一方面，使换热装置22与储热介质11不直接接触，不会造成换热装置22的腐蚀；

旁路管路3的一端连接到换热装置22的第一进口端221，旁路管路 3的另一端连接到换热装置22的第一出口端222，第一进口端221上设有第一电磁阀223，旁路管路3上设有第二电磁阀31，当储热电锅炉系统在充热运行时，第一电磁阀223与第二电磁阀31进行开合配合使储热电锅炉系统处于不同的充热运行模式；

控制系统4包括运行控制模块41(图中未示出)，用于控制储热电锅炉系统的运行。

具体的，储热介质11为熔盐、导热油或水。

具体的，导热介质24为导热油。

进一步的，作为一种较佳的实施例，电加热器121包括加热段122 和非加热段123，加热段122位于电加热器121的端部并靠近位于电加热器121的根部的非加热段123，加热段122沿着远离非加热段123的方向加热丝的布置逐渐加密，使加热段122的加热功率沿着远离非加热段123的方向逐渐增大，此设计与多个电加热器121插入深度不同的设计，进一步强化单罐储热装置1内部的储热介质11的对流换热，使储热介质11受热更加均匀，并进一步提高储热介质11的换热效率。

进一步的，作为一种较佳的实施例，单罐储热装置1包括多组热电偶13，多组热电偶13的测点均布于单罐储热装置1的罐体的中轴线上，可以获得更精确的温度测量。

进一步的，作为一种较佳的实施例，导热介质回路2上还设有导热介质储罐26，连通在第一管路23上，导热介质储罐26用于缓冲和储存导热介质回路2中流动的导热介质24，导热介质储罐26上端设有排气阀261，用于排除导热介质24中的水分。

进一步的，作为一种较佳的实施例，太阳能集热装置21还包括若干槽式反射镜212，若干槽式反射镜212为圆弧形，若干槽式反射镜212 的圆心处均设置有集热管211，若干槽式反射镜212中的每一槽式反射镜212与对应的集热管211构成一组太阳能集热单元213。

进一步的，作为一种较佳的实施例，太阳能集热装置21包含若干太阳能集热单元213，若干太阳能集热单元213的连接方式为并联、串联或混联，并联可以增大导热介质24的流量，串联可以延长导热介质 24加热路径，为了最大限度地提高太阳能集热装置21的聚热效果，若干太阳能集热单元213可以采用混联的模式。

进一步的，作为一种较佳的实施例，控制系统4还包括跟踪控制模块42(图中未示出)，用于控制槽式反射镜212，从而实现太阳能集热单元213精确跟踪太阳光。

进一步的，作为一种较佳的实施例，控制系统4还包括电加热控制模块43，用于控制电加热装置12对储热介质11的加热过程。

进一步的，作为一种较佳的实施例，第一进口端221位于换热装置 22的下端，第一出口端222位于换热装置22的上端。

第二实施例：

图2示出了一种储热电锅炉系统的充热运行方法。

在夜间，储热电锅炉系统充分利用低谷低价电在夜间谷电运行模式下进行充热：

步骤A1，控制系统4根据电网所处的供电时段与单罐储热装置1 内储热介质11的温度的耦合判断条件对储热电锅炉系统进行控制；

判断是否电网处于夜间谷电时段且单罐储热装置1内储热介质11 的温度低于第一预设温度值；

若是，转向步骤A2；若否，则继续重复A1；

步骤A2，关闭导热介质输送泵25停止导热介质回路2的循环；

步骤A3，启动电加热装置12，对储热介质11进行加热；

步骤A4，判断单罐储热装置1内储热介质11的温度是否达到第一预设温度值；

若是，则结束夜间谷电运行模式；若否，则继续重复A4。

具体的，第一预设温度值需要根据热用户的实际用热量以及储热介质11工作温度范围进行综合考虑确定。第一预设温度值的设定既要保证在储热介质11的工作温度范围内，同时还应满足储热介质11的温度在达到第一预设温度值后的有效放热量能尽可能满足热用户的实际用热量的需求。

第三实施例：

第三实施方式的一种储热电锅炉系统的充热运行方法相对于第二实施方式的改进在于：在夜间谷电运行模式下利用低谷低价电进行充热运行之前和/或之后，对储热电锅炉系统利用太阳能在日间光热运行模式下进行补充充热：

步骤B1，控制系统4根据当地时段与当地光照强度的耦合判断条件对储热电锅炉系统进行控制；

判断是否当地处于日间时段且当地光照强度充足；

若是，转向步骤B2；若否，则继续重复B1；

步骤B2，开启导热介质输送泵25开始导热介质回路2的循环；

步骤B3，关闭第一电磁阀223，打开第二电磁阀31，使导热介质储罐26中的导热介质24流过集热管211进行循环加热；

步骤B4，判断导热介质储罐26中的导热介质24的温度是否达到第二预设温度值；

若是，转向步骤B5；若否，则继续重复B4；

步骤B5，打开第一电磁阀223，关闭第二电磁阀31，使得导热介质 24流过换热装置22对储热介质11进行加热；

步骤B6，判断单罐储热装置1内储热介质11的温度是否达到第三预设温度值；

若是，则结束日间光热运行模式；若否，则继续重复B6。

具体的，第二预设温度值需要根据热用户的实际用热量以及导热介质24工作温度范围进行综合考虑确定。第二预设温度值的设定既要保证在导热介质24的工作温度范围内，同时还应满足导热介质24的温度在达到第二预设温度值后的有效放热量能尽可能满足热用户的实际用热量的需求。

具体的，第三预设温度值是在日间光热运行模式下，导热介质24 达到第二预设温度值后与储热介质11进行换热，导热介质24放热、储热介质11吸热后达到温度平衡的结果。其中，第三预设温度值不高于第二预设温度值。

如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。

在以上具体实施例的说明中，方位术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖向”、“横向”和“侧向”等的使用仅仅出于便于描述的目的，而不应视为是限制性的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种储热电锅炉系统，其特征在于，包括单罐储热装置、导热介质回路、旁路管路以及控制系统；

所述单罐储热装置内设有储热介质以及用于加热所述储热介质的电加热装置，所述电加热装置包括多个电加热器，所述多个电加热器的长度不同，使所述多个电加热器在所述储热介质中插入不同深度；

所述导热介质回路包括太阳能集热装置和换热装置以及第一管路，所述太阳能集热装置包括若干集热管，所述若干集热管与所述换热装置通过所述第一管路相互连通，内设有导热介质；所述第一管路上设有导热介质输送泵，用于输送导热介质；所述换热装置布局在所述单罐储热装置外表面，用于将所述太阳能集热装置采集的热量通过所述导热介质传递给所述储热介质；

所述旁路管路的一端连接到所述换热装置的第一进口端，所述旁路管路的另一端连接到所述换热装置的第一出口端，所述第一进口端上设有第一电磁阀，所述旁路管路上设有第二电磁阀；

所述控制系统包括运行控制模块，用于控制所述储热电锅炉系统的运行。

2.根据权利要求1所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述电加热器包括加热段和非加热段，所述加热段位于所述电加热器的端部并靠近位于所述电加热器的根部的所述非加热段，所述加热段沿着远离所述非加热段的方向加热丝的布置逐渐加密，使所述加热段的加热功率沿着远离所述非加热段的方向逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述单罐储热装置包括多组热电偶，多组所述热电偶的测点均布于所述单罐储热装置的罐体的中轴线上。

4.根据权利要求1所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述导热介质回路上还设有导热介质储罐，连通在所述第一管路上，所述导热介质储罐上端设有排气阀，用于排除导热介质中的水分。

5.根据权利要求1所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述太阳能集热装置还包括若干槽式反射镜，所述若干槽式反射镜为圆弧形，所述若干槽式反射镜的圆心处均设置有所述集热管，所述若干槽式反射镜中的每一所述槽式反射镜与对应的所述集热管构成一组太阳能集热单元。

6.根据权利要求5所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述太阳能集热装置包含所述若干太阳能集热单元，所述若干太阳能集热单元的连接方式为并联、串联或混联。

7.根据权利要求5所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述控制系统还包括跟踪控制模块，用于控制所述槽式反射镜。

8.根据权利要求1所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述控制系统还包括电加热控制模块，用于控制所述电加热装置对所述储热介质的加热过程。

9.根据权利要求1所述的储热电锅炉系统，其特征在于，所述第一进口端位于所述换热装置的下端，所述第一出口端位于所述换热装置的上端。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的储热电锅炉系统的充热运行方法，其特征在于，所述充热运行方法包括夜间谷电运行模式：

步骤A1，所述控制系统根据电网所处的供电时段与所述单罐储热装置内储热介质的温度的耦合判断条件对所述储热电锅炉系统进行控制；

判断是否电网处于夜间谷电时段且所述单罐储热装置内储热介质的温度低于第一预设温度值；

若是，转向步骤A2；若否，则继续重复A1；

步骤A2，关闭所述导热介质输送泵停止所述导热介质回路的循环；

步骤A3，启动所述电加热装置，对所述储热介质进行加热；

步骤A4，判断所述单罐储热装置内储热介质的温度是否达到第一预设温度值；

若是，则结束夜间谷电运行模式；若否，则继续重复A4。

11.根据权利要求10所述的储热电锅炉系统的充热运行方法，其特征在于，所述充热运行方法还包括日间光热运行模式：

步骤B1，所述控制系统根据当地时段与当地光照强度的耦合判断条件对所述储热电锅炉系统进行控制；

判断是否当地处于日间时段且当地光照强度充足；

若是，转向步骤B2；若否，则继续重复B1；

步骤B2，开启所述导热介质输送泵开始所述导热介质回路的循环；

步骤B3，关闭所述第一电磁阀，打开所述第二电磁阀，使所述导热介质储罐中的所述导热介质流过所述集热管进行循环加热；

步骤B4，判断所述导热介质储罐中的所述导热介质的温度是否达到第二预设温度值；

若是，转向步骤B5；若否，则继续重复B4；

步骤B5，打开所述第一电磁阀，关闭所述第二电磁阀，使得所述导热介质流过所述换热装置对所述储热介质进行加热；

步骤B6，判断所述单罐储热装置内储热介质的温度是否达到第三预设温度值；

若是，则结束日间光热运行模式；若否，则继续重复B6。