CN114322619A - 一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统。在以蒸汽为热源的熔盐储能系统中，通过设置不小于三个的不同温度的熔盐储罐、改变熔盐流程和优化换热等方式把蒸汽中的热量按品质高低进行梯级存储，使过热段热量存储在温度更高的熔盐介质内。在放热、产汽模式工作时，可以利用更高温度的熔盐提升供汽参数。系统在储热发电的场景下，更高参数的蒸汽可以提升系统的做功能力及发电效率；在储热供汽的场景下，更高参数的蒸汽可以满足更多工艺类型的蒸汽需求，提高熔盐储能系统的适应性。

Description

一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统

技术领域

本发明涉及一种以蒸汽为热源、熔盐为储热介质的储能系统方案，可应用于燃煤机组的灵活性改造、储能调峰、工业加热、蒸汽发电等领域，尤其涉及一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统。

背景技术

近年来，随着光伏、风电成本的迅速下降，我国可再生能源的装机规模增长迅速。截止到2020年底，我国光伏、风电的装机容量在所有装机中的占比超过了24%。但光伏、风电的出力随资源波动而快速变化，由此会给电网带来冲击。当可再生能源的占比逐渐升高时，这个矛盾更加突出。

在我国总装机容量中火电机组占比约53.5%，发电量占比约64%燃煤+燃气，2020年，火电机组的调峰能力对电网安全起到非常重要作用。而对于热电联供的火电机组，由于发电负荷与供热负荷耦合在一起，该类机组的调峰与供热之间更是存在难以解开的矛盾。对于纯凝燃煤发电机组，在锅炉负荷降低到一定限值后，由于面临风煤配比偏差大、炉膛热负荷不均匀、水循环偏离安全范围、燃烧器失稳熄火等风险，导致火电机组的调峰能力受限。参与调峰的机组运行数据表明，锅炉在低于50%负荷运行时，上述风险逐渐增加；而汽轮机的负荷可以下降到30%以下甚至更低，因此需要一定的储能容量以解决机组在调峰时段的出力匹配问题。

近年来，随着我国首批光热发电示范项目的推进，熔盐作为一种理想的储热介质逐渐得到广泛认可。熔盐储热技术用于火电机组的调峰常用的方案主要有两种：一种是利用低谷电直接加热熔盐，另一种是在低谷时段利用高温蒸汽加热熔盐；然后利用熔盐储存的能量，在电网或用户的需求时段对外进行发电或供热。

在火电灵活性改造中，现有的熔盐储能方案通常采用的是双罐系统。系统设置有高温熔盐罐与低温熔盐罐，分别存储不同温度的熔盐。但在以蒸汽为热源的熔盐储热系统中，双罐熔盐储能系统通常面临蒸汽参数较低等问题。当储能系统产生的蒸汽用于做功、发电时，较低的蒸汽参数制约了储能系统的输出功率与发电效率，用于供热时较低的参数也限制了该技术的应用场景。因此，需要性能更优越的方案解决上述储能应用中遇到的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统。在以蒸汽为热源的熔盐储能系统中，通过设置多个熔盐储罐、改变熔盐流程、优化换热等方式把蒸汽中的热量按品质高低进行梯级存储，使过热段热量存储在温度更高的熔盐介质内。在放热、产汽模式工作时，可以利用更高温度的熔盐提升供汽参数。系统在储热发电的场景下，更高参数的蒸汽可以提升系统的做功能力及发电效率；在储热供汽的场景下，更高参数的蒸汽可以满足更多工艺类型的蒸汽需求，提高熔盐储能系统的适应性。

本发明采用如下技术方案：

一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，包括不小于三个的不同温度的熔盐储罐、用于储热的蒸汽-熔盐换热系统（蒸汽放热+熔盐吸热）和用于放热的熔盐-蒸汽换热系统（熔盐放热+蒸汽吸热），在储热过程中，根据蒸汽品质的高低设置不同温度的熔盐储罐，用于储热的蒸汽-熔盐换热系统设置有饱和蒸汽-熔盐换热器和过热蒸汽-熔盐换热器，在不同温度的熔盐储罐连通的管道间分别设置饱和蒸汽-熔盐换热器或过热蒸汽-熔盐换热器，分别通过换热吸收蒸汽管路内蒸汽冷凝段及过热段释放的热量存储入不同温度的熔盐储罐，将热量按品质进行分级存储，在放热过程中，用于放热的熔盐-蒸汽换热系统设置有熔盐-饱和水蒸发器和熔盐-过热蒸汽换热器，在不同温度的熔盐储罐连通的管道间分别设置熔盐-饱和水蒸发器或熔盐-过热蒸汽换热器，给水管路内的冷凝水通过熔盐-饱和水蒸发器换热吸收热量，逐步进行蒸发，蒸发后的饱和蒸汽进入熔盐-过热蒸汽换热器，继续通过换热吸收热量，产生高参数蒸汽输送到发电或供热系统。

不小于三个的不同温度的熔盐储罐包括低温熔盐罐、分别用于存储相变潜热的中温熔盐罐，以及用于存储过热段热量的高温熔盐罐，相变潜热段与过热蒸汽段具有完全不同的换热特性：在蒸发或冷凝过程中水和水蒸气的温度基本保持恒定，而在过热蒸汽的换热过程中通常伴随大范围内的温度变化。为提高系统的高温熔盐温度，用于储存过热段热量的熔盐流量通常小于储存相变潜热段的熔盐流量，并可以通过调整过热蒸汽段的熔盐流量达到不同目标熔盐温度的要求。系统在放热、产汽过程中，水的蒸发、过热过程分别与上述相变潜热段、过热蒸汽段的熔盐相匹配，由此可以产生更高参数的蒸汽用于发电或供热，满足多类型用户的能源需求。

储热流程一般需设置饱和蒸汽-熔盐换热器，以及过热蒸汽-熔盐换热器，分别吸收蒸汽冷凝段及过热段释放的热量。以三罐熔盐储能系统为例，在储热过程中，熔盐从低温罐内抽出，吸收饱和蒸汽放出的热量（根据流程的不同，也可能有一部分显热），产生的中温熔盐大部分返回到中温熔盐罐。还有一部分熔盐继续在过热蒸汽-熔盐换热器内吸热升温变成高温熔盐，返回到高温熔盐罐内。在上述过程中，实现了能量按品质（体现在熔盐介质的温度上）进行分级储存的目标。

储热流程蒸汽-熔盐换热器的蒸汽来源可以是一路过热蒸汽，也可以是包括过热蒸汽、再热蒸汽在内的多路蒸汽。

放热流程一般需设置熔盐-饱和水蒸发器，以及熔盐-过热蒸汽换热器。为满足汽水分离的需求，通常还需设置汽水分离装置或汽包。以三罐熔盐系统为例：在放热过程中，冷凝水在熔盐-饱和水蒸发器中吸收中温熔盐放出的热量，逐步进行蒸发，产生的汽水混合物进入到汽水分离装置；经汽水分离后的饱和蒸汽进入熔盐-过热蒸汽换热器，继续吸收高温熔盐放出的热量，产生高参数蒸汽输送到发电或供热系统；中温熔盐主要来自中温熔盐储罐，还有一部分来自放热后的高温熔盐。在上述过程中，根据不同区域的熔盐温度分别实现了水的蒸发与过热过程，该储能系统可以产生更高参数的蒸汽，实现了能量的梯级利用。

在储热流程与放热流程参数匹配的特殊情况下，储热系统与放热系统可以通过一个可实现双向运行的回路进行合并。但这种模式会导致熔盐储能系统运行灵活性的下降，使储热流程与放热流程不能同时进行。

本发明的有益效果是：

1）通过多罐熔盐系统的设置，构建不同参数的熔盐储热及换热流程，实现能量的梯级存储及利用，该熔盐储能系统可以产生更高参数的蒸汽；

2）系统的热源可以是一路过热蒸汽，也可以是包括过热蒸汽、再热蒸汽在内的多种组合；

3）系统通常需分别配置储热流程与放热流程，当储热流程与放热流程的参数匹配时，也可以用一个可双向运行的回路进行合并；

4）系统产生的更高参数蒸汽可以提升熔盐储能系统的发电效率，用于供热时可以增加系统的适应性。

附图说明

图1是本发明在储热模式下的一种原理示意图；

图2是本发明在放热模式下的一种原理示意图；

图中：1、低温熔盐罐，2、中温熔盐罐，3、高温熔盐罐，4、低温熔盐泵，5、中温熔盐泵，6、高温熔盐泵，7、疏水泵，8、中温回路调节阀，9、饱和蒸汽-熔盐换热器，10、过热蒸汽-熔盐换热器，11、熔盐-饱和水蒸发器，12、熔盐-过热蒸汽换热器，13、汽水分离器。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例：如图1和图2所示，一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，包括低温熔盐罐1、中温熔盐罐2、高温熔盐罐3、低温熔盐泵4、中温熔盐泵5、高温熔盐泵6、疏水泵7、中温回路调节阀8、饱和蒸汽-熔盐换热器9、过热蒸汽-熔盐换热器10、熔盐-饱和水蒸发器11、熔盐-过热蒸汽换热器12、汽水分离器13。

系统的储热工作模式，参见图1：

低温熔盐罐1内的熔盐被低温熔盐泵4抽出，进入饱和蒸汽-熔盐换热器9，吸收饱和蒸汽释放的热量升温变成中温熔盐。中温熔盐的大部分进入到中温熔盐罐2储存起来，剩余部分进入过热蒸汽-熔盐换热器10吸收过热蒸汽释放的热量变成高温熔盐，进入到高温熔盐罐3内储存起来。进入中温熔盐罐2与高温熔盐罐3的熔盐比例主要由中温回路调节阀8完成。

过热蒸汽-熔盐换热器10的汽源通常是一路过热蒸汽，也可以是包含过热蒸汽、再热蒸汽在内的多路汽源。

通过上述流程，蒸汽过热段与冷凝段释放的热量被分别储存在高温熔盐罐3和中温熔盐罐2内，通过熔盐流量在高温熔盐回路与中温熔盐回路的优化配置，提升高温熔盐罐3内的熔盐温度，实现蒸汽热量按品质高低进行梯级存储。

系统的放热工作模式，参见图2：

来自系统的给水进入到熔盐-饱和水蒸发器11内，在其中吸收中温熔盐放出的热量逐步实现蒸发，产生的汽水混合物进入到汽水分离器13；汽水分离器13出来的饱和水经疏水泵7增压后返回到给水系统；汽水分离器13出来的饱和蒸汽进入到熔盐-过热蒸汽换热器12，吸收高温熔盐释放的热量变成过热蒸汽。

上述过程中，高温熔盐泵6从高温熔盐罐3内抽取高温熔盐，在熔盐-过热蒸汽换热器12内释放热量变成中温熔盐；与中温熔盐泵5从中温熔盐罐2抽取的中温熔盐混合，进入到熔盐-饱和水蒸发器11，在其中释放热量后变成低温熔盐，返回到低温熔盐罐1。

通过上述过程，在熔盐储能系统的放热过程中，使过热段与高温熔盐相对应，蒸发段与中温熔盐相对应，实现能量的梯级利用，由此可以产生更高参数的蒸汽，满足后续流程的供热或发电需求。

一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，在储热过程中，把蒸汽冷凝换热过程与过热蒸汽冷却过程进行有机分离，并通过熔盐流量的分配把热量分别储存在中温熔盐罐与高温熔盐罐内，实现能量的梯级存储；在放热过程中，把水的蒸发、过热过程分别与中温熔盐、高温熔盐的放热过程相对应，实现能量的梯级利用。

通过上述储能方案，系统可以产生更高参数的蒸汽。用于做功发电时，可以提升系统的输出功率和发电效率；用于供热时，较高的蒸汽参数可以适应更多的用热场景。该储能方案消除了双罐熔盐系统存在的不足，在火电机组深度调峰、工业供热、蒸汽发电、余热利用等领域具有广阔的应用前景。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (5)

1.一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，其特征是，其包括不小于三个的不同温度的熔盐储罐、用于储热的蒸汽-熔盐换热系统和用于放热的熔盐-蒸汽换热系统，在储热过程中，根据蒸汽品质的高低设置不同温度的熔盐储罐，用于储热的蒸汽-熔盐换热系统设置有饱和蒸汽-熔盐换热器和过热蒸汽-熔盐换热器，在不同温度的熔盐储罐连通的管道间分别设置饱和蒸汽-熔盐换热器或过热蒸汽-熔盐换热器，分别通过换热吸收蒸汽管路内蒸汽冷凝段及过热段释放的热量存储入不同温度的熔盐储罐，将热量按品质进行分级存储，在放热过程中，用于放热的熔盐-蒸汽换热系统设置有熔盐-饱和水蒸发器和熔盐-过热蒸汽换热器，在不同温度的熔盐储罐连通的管道间分别设置熔盐-饱和水蒸发器或熔盐-过热蒸汽换热器，给水管路内的冷凝水通过熔盐-饱和水蒸发器换热吸收热量，逐步进行蒸发，蒸发后的饱和蒸汽进入熔盐-过热蒸汽换热器，继续通过换热吸收热量，产生高参数蒸汽输送到发电或供热系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，其特征是，所述不小于三个的不同温度的熔盐储罐包括低温熔盐罐、中温熔盐罐，和高温熔盐罐，在储热过程中，熔盐从低温熔盐罐内抽出，吸收饱和蒸汽放出的热量，产生的中温熔盐大部分返回到中温熔盐罐，还有一部分熔盐继续在过热蒸汽-熔盐换热器内吸热升温变成高温熔盐，返回到高温熔盐罐内，将热量按品质进行分级存储，在放热过程中，冷凝水在熔盐-饱和水蒸发器中吸收中温熔盐放出的热量，逐步进行蒸发，产生的饱和蒸汽进入熔盐-过热蒸汽换热器，继续吸收高温熔盐放出的热量，产生高参数蒸汽输送到发电或供热系统，中温熔盐一部分来自中温熔盐储罐，还有一部分来自放热后的高温熔盐。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，其特征是，所述用于放热的熔盐-蒸汽换热系统还设置有汽水分离装置或汽包，冷凝水在熔盐-饱和水蒸发器中吸收热量，逐步进行蒸发，产生的汽水混合物进入到汽水分离装置；经汽水分离后的饱和蒸汽进入熔盐-过热蒸汽换热器，经汽水分离后的冷凝水重新进入熔盐-饱和水蒸发器中吸收热量。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，其特征是，所述用于储热的蒸汽-熔盐换热系统还包括有再热蒸汽管路，再热蒸汽管路通过熔盐-过热蒸汽换热器换热释放热量供熔盐吸收。

5.根据权利要求1所述的一种基于能量梯级利用的多罐熔盐储能系统，其特征是，在储热流程与放热流程参数匹配的特殊情况下，储热系统与放热系统可以通过一个可实现双向运行的回路进行合并。

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