CN119085142A - 一种预热系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预热系统及运行方法，应用于太阳能热利用技术领域，通过设置热泵循环系统和气体预热系统，热泵循环系统能够将大气环境和/或吸热系统内部的低品位热能转化为高品位热能，进而能够利用高品位热能将气体预热系统中的低温预热气体加热为高温预热气体，并将高温预热气体输送至吸热系统内部，以对吸热系统进行预热，采用此方式，一方面，热泵系统能够对低品位热能进行利用，提高了热能利用率，降低了太阳能热利用系统的厂用电成本，另一方面，采用高温预热气体对吸热系统进行预热，由于预热气体能够充分扩散到吸热系统内部的管道、阀门、容器等各个部件处，能够对吸热系统进行更充分和更均匀地预热。

Description

一种预热系统及其运行方法

技术领域

本发明属于太阳能热利用技术领域，尤其涉及一种用于对塔式太阳能热利用系统中的吸热系统进行预热的预热系统。

背景技术

塔式太阳能热利用系统是一种新兴的太阳能利用技术，其是通过塔式太阳能集热系统（每个太阳能集热系统包括定日镜场和对应设置在吸热塔上的吸热系统）将低温吸热介质转化为高温吸热介质，之后将高温吸热介质输送至用热系统放热，以实现对太阳能的利用。

吸热系统中的吸热介质（如熔融盐）通常具有较高的凝固点，因此，在每次向吸热系统充填吸热介质或者将吸热系统中的吸热介质疏放出来时，都需要保证吸热系统内部的管道、容器等部件的温度在吸热介质的凝固点以上，以防止吸热介质在吸热系统内发生凝固。目前行业内普遍通过在吸热系统的管道、容器等相关部件的外部设置电伴热，以实现对管道、容器等部件的预热及保温，但电伴热从管道或者容器的外壁加热，加热效果不理想且存在因夹缝漏风影响导致无法升温或加热不均匀、预热不充分，容易发生吸热介质在部分位点发生凝固堵塞整个吸热系统的现象，进而导致弃光、光资源利用率降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种预热系统及其运行方法，以解决现有太阳能吸热系统电伴热方案预热效果不佳、堵管风险较大且弃光率高的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种预热系统，用于对塔式太阳能热利用系统中的吸热系统进行预热，包括：

吸热系统；

气体预热系统，被配置为输出高温预热气体至所述吸热系统中，以对所述吸热系统进行预热或保温；

热泵循环系统，用于将低温热源中的低温热能转化为高温热能，并利用所述高温热能加热所述气体预热系统内的低温预热气体，以将所述低温预热气体转化为所述高温预热气体；

所述气体预热系统包括气体传输管路和设置在所述气体传输管路上的气体输送泵；

所述气体传输管路的入口设有入口隔离阀，所述气体传输管路的出口设有出口隔离阀；

所述气体传输管路的出口与所述吸热系统的预热气体输入端连接。

本发明的预热系统，所述热泵循环系统包括热泵介质循环管路和依次设置在所述热泵介质循环管路上的节流装置、蒸发器、压缩机、换热器；

所述热泵介质在所述蒸发器中吸收所述低温热源中的所述低温热能；

所述压缩机用于压缩自所述蒸发器中输出的热泵介质，以提升所述热泵介质的温度；

自所述压缩机中输出的热泵介质与所述气体预热系统中的所述低温预热气体在所述换热器中耦合换热，以将所述热泵介质中的热能转移至所述低温预热气体中，进而将所述低温预热气体转化为所述高温预热气体；

节流装置，用于降低自所述换热器中输出的热泵介质的温度和压力。

本发明的预热系统，所述热泵循环系统中还包括热能输送装置，所述热能输送装置用于将所述低温热源中的所述低温热能输送至所述蒸发器中。

本发明的预热系统，所述吸热系统包括吸热器和出口罐；

所述气体传输管路的输入端连接于所述出口罐的预热气体输出端，所述气体传输管路的输出端与所述吸热器的预热气体输入端连接，所述吸热器的预热气体输出端与所述出口罐的预热气体输入端连接。

本发明的预热系统，所述吸热系统包括吸热器、入口罐和出口罐；

所述气体传输管路的输入端连接于所述出口罐的预热气体输出端，所述气体传输管路的输出端分别与所述吸热器的预热气体输入端和所述入口罐的预热气体输入端连接，所述吸热器的预热气体输出端和所述入口罐的预热气体输出端均分别与所述出口罐的预热气体输入端连接。

本发明的预热系统，所述低温热源为大气中的热能和/或所述吸热系统中的热能。

本发明的一种预热系统的运行方法，所述预热系统为上述任意一项所述的预热系统，所述预热系统的运行方法包括：

启动所述热泵循环系统，将所述气体预热系统内的所述低温预热气体加热为所述高温预热气体，所述气体预热系统中的所述高温预热气体输送至所述吸热系统中对所述吸热系统进行预热或保温。

本发明的一种预热系统的运行方法，所述预热系统为上述任意一项所述的预热系统，所述预热系统的运行方法包括预热一阶段和预热二阶段；

预热一阶段：启动所述热泵循环系统，将所述气体预热系统内的所述低温预热气体加热为所述高温预热气体，所述气体预热系统中的所述高温预热气体输送至所述吸热系统中对所述吸热系统进行预热，直至所述塔式太阳能热利用系统中的定日镜场能够为所述吸热系统提供满足所述预热二阶段要求的太阳能量为止；

预热二阶段：所述热泵循环系统停机，所述气体预热系统维持运行，所述定日镜场向所述吸热系统投射太阳能量，所述气体预热系统向所述吸热系统中输送的预热气体由所述定日镜场向所述吸热系统投射的太阳能量加热，进而利用被太阳能量加热后的预热气体对所述吸热系统中的非受光部分进行预热，直至所述吸热系统满足能够开始正常运行的条件。

本发明的一种预热系统的运行方法，所述预热系统为上述任意一项所述的预热系统，在所述吸热系统的吸热介质疏放阶段，启动所述热泵循环系统，将所述气体预热系统内的所述低温预热气体加热为所述高温预热气体，所述气体预热系统中的所述高温预热气体输送至所述吸热系统的预热气体输入端，以加速所述吸热系统内的吸热介质的疏放。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1、本发明通过设置热泵循环系统和气体预热系统，热泵循环系统能够将大气环境和/或吸热系统内部的低品位热能（如出口罐散失的热量）转化为高品位热能，进而能够利用热泵系统中产出的高品位热能将气体预热系统中的低温预热气体加热为高温预热气体，并进一步将高温预热气体输送至吸热系统内部，以对吸热系统进行预热，采用此种方式，一方面，热泵系统能够将大气环境或吸热系统中的低品位热能进行利用，进而提高了热能的利用率，降低了太阳能热利用系统的厂用电成本，另一方面，通过采用高温预热气体对吸热系统进行预热，由于预热气体能够充分扩散到吸热系统内部的管道、阀门、容器等各个部件处，因此，能够对吸热系统进行更充分和更均匀地预热。

2、本发明通过采用二阶段预热的方式，能够在太阳升起之前利用热泵循环系统向气体预热系统提供的热能对吸热系统进行一阶段的初步预热，并且在太阳升起后，将热泵循环系统停机，利用定日镜场向吸热系统投射的太阳能量为预热气体提供热能，并将预热气体加热到更高的温度以实现对吸热系统进行二阶段的预热，采用此种方式，一方面能够缩短热泵循环系统的运行时间，进一步节省厂用电的成本，另一方面，由于在太阳升起之前已经对吸热系统进行了一阶段预热，因此，能够进而能够有效缩短太阳升起后仍被用于对吸热系统预热的时间，进而能够增加吸热系统正常运行的时间，提高对太阳能的利用率。

3、本发明能够在吸热系统中的吸热介质疏放阶段，利用热泵循环系统加热气体预热系统中的预热气体的同时，通过将加热后的预热气体输入到吸热系统中，一方面能够加快吸热系统中的吸热介质的疏放，另一方面由于预热气体具有较高的温度，还能防止吸热系统中的吸热介质因温度降低而发生凝固。

附图说明

图1 为本发明的预热系统的示意图。

附图标记说明：1、节流装置；2、蒸发器；3、压缩机；4、换热器；5、出口隔离阀；6、气体输送泵；7、入口隔离阀；8、第一阀门组件；9、第一管路；10、第二阀门组件；11、上升管；12、吸热介质疏放总管；13、第四阀门组件；14、第五阀门组件；15、下降管；16、第六阀门组件；17、吸热器疏放管；18、入口罐排气管；19、第三阀门组件；20、排气总管；21、第八阀门组件；22、第七阀门组件；23、出口罐排气阀；24、下降管阀门组件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种预热系统及其运行方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例1

参看图1，本实施例提供了一种预热系统，用于对塔式太阳能热利用系统中的吸热系统进行预热，包括吸热系统、气体预热系统和热泵循环系统。

在本实施例中，吸热系统包括吸热器、入口罐和出口罐以及连通各装置的管路；在其他实施例中，吸热系统也可以是包括吸热器、入口罐以及连通各装置的管路的系统，还可以是包括吸热器、出口罐以及连通各装置的管路的系统，或者还可以是包括吸热器的系统。

具体地，在本实施例的吸热系统中，入口罐的吸热介质输入端与上升管11的吸热介质输出端连接，入口罐的吸热介质输出端通过第一管路9与吸热器的吸热介质输入端连接，入口罐的排气端通过入口罐排气管18与出口罐的排气输入端连接；出口罐的吸热介质输出端与下降管15的吸热介质输入端连接，出口罐的吸热介质输入端与吸热器的吸热介质输出端连接；在上升管11和下降管15之间还设置有吸热介质疏放总管12，吸热介质疏放总管12的第一端与上升管11连接，吸热介质疏放总管12的第二端与下降管15连接，吸热器的吸热介质疏放端通过吸热器疏放管17与吸热介质疏放总管12连接；吸热器的吸热介质输入端还与排气总管20连接，具体地，排气总管20的排气输出端与出口罐的排气输入端连接，排气总管20的排气输入端与第一管路9连接；其中，第一管路9上设置有第一阀门组件8；上升管11上设置有第二阀门组件10，第二阀门组件10设置在吸热介质疏放总管12与上升管11的连接点和入口罐的吸热介质输入端之间；入口罐排气管18上设置有第三阀门组件19；吸热介质疏放总管12上设置有第四阀门组件13和第五阀门组件14，吸热器疏放管17与吸热介质疏放总管12的连接点位于第四阀门组件13和第五阀门组件14之间；吸热器疏放管17上设置有第六阀门组件16；排气总管20上设置有第七阀门组件22；出口罐顶部设置有出口罐排气阀23；下降管15上设置有下降管15阀门组件，下降管15阀门组件设置在疏放总管与下降管15连接点的下游。在本实施例中，吸热介质可以为熔融盐（如硝酸钠和硝酸钾的熔融态混合物、钠-钾-锂硝酸盐熔融态混合物、海泰客/X熔融盐、钠钾锂硝酸盐/与亚硝酸盐熔融态混合物、海泰客SS-550、钾锂钙硝酸盐熔融态混合物等）或液态金属。

在本实施例中，气体预热系统被配置为输出高温预热气体至吸热系统中，以对吸热系统进行预热。其中，气体预热系统包括气体传输管路和设置在气体传输管路上的气体输送泵6；气体传输管路的入口设有入口隔离阀7，气体传输管路的出口设有出口隔离阀5；气体传输管路的出口与吸热系统的预热气体输入端连接。具体地，在本实施例中，气体传输管路的入口与出口罐的预热气体输出端连接，气体传输管路的出口与吸热器排气总管20连通，并且，吸热器的排气总管20上还设置有第八阀门组件21，气体传输管路的出口与吸热器的排气总管20的连接点位于第七阀门组件22和第八阀门组件21之间。在本实施例中，气体预热系统中的预热气体为空气，当然，在其他实施例中，也可以使用氮气、氩气等适宜的气体。

在本实施例中，热泵循环系统用于将低温热源中的低温热能转化为高温热能，并利用高温热能加热气体预热系统内的低温预热气体，以将低温预热气体转化为高温预热气体。具体地，在本实施例中，热泵循环系统包括热泵介质循环管路和依次设置在热泵介质循环管路上的节流装置1、蒸发器2、压缩机3、换热器4；热泵介质在蒸发器2中吸收低温热源中的低温热能；压缩机3用于压缩自蒸发器2中输出的热泵介质，以提升热泵介质的温度；自压缩机3中输出的热泵介质与气体预热系统中的低温预热气体在换热器4中耦合换热，以将热泵介质中的热能转移至低温预热气体中，进而将低温预热气体转化为高温气体；节流装置1，用于降低自换热器4中输出的热泵介质的温度和压力；此外，热泵系统中还包括热能输送装置，热能输送装置用于将低温热源中的低温热能输送至蒸发器2中。在本实施例中，低温热源为大气中的热能和/或吸热系统中的热能，大气中的热能可以是吸热系统周围空气中的热能，吸热系统中的热能可以是出口罐中散发出来的热能、吸热系统中的电伴热等发热组件散发出的热能等，热能输送装置具体可以为风机，风机通过将吸热系统中的出口罐、电伴热等部件周围的热空气导入到蒸发器2中，实现对该部分低品位热能的利用。

如图1所示，为了能够对本实施例中的吸热系统有更为清楚的理解，下面对塔式太阳能热利用系统中的吸热系统的运行过程进行介绍，在该过程中，热泵循环系统和气体预热系统不参与吸热系统的运行：在吸热系统的初始启动阶段，吸热系统中不存在吸热介质，需要先向吸热系统中充填吸热介质，建立吸热介质在吸热系统中流动的流程，此时，出口罐排气阀23打开，开启第二阀门组件10，将低温吸热介质通过上升管11输入入口罐内，吸热介质在入口罐内达到预设液位后，打开第七阀门组件22、第八阀门组件21、第四阀门组件13、第六阀门组件16，使吸热介质依次流经上升管11、疏放总管、吸热器疏放管17后进入吸热器，待吸热器中充满吸热介质，将吸热器内的气体通过排气总管20排出后，吸热介质最终流向出口罐，待出口罐内的吸热介质达到预定液位时，关闭第七阀门组件22、第八阀门组件21、第四阀门组件13和第六阀门组件16，打开第二阀门组件10、第一阀门组件8和下降管15阀门组件，此时即完成在吸热系统内建立吸热介质流动的流程，完成吸热系统的启动。之后吸热系统进入正常吸热阶段，吸热系统在正常吸热阶段，低温吸热介质通过上升管11输入入口罐7后，流经第一阀门组件8后进入吸热器，之后在吸热器中被加热后进入出口罐中，此后经下降管15流出吸热系统。在吸热系统的启动和正常吸热的过程中，第三阀门组件19承担在必要时调节入口罐内气体压力的作用。在吸热系统吸热结束需要停机时（如太阳将要落山的时候），需要将吸热系统中的吸热介质疏放排出，以防止吸热介质在吸热系统中凝固堵塞管路，在吸热系统的停机阶段，吸热器中的吸热介质疏放时，关闭第四阀门组件13、打开第五阀门组件14和第六阀门组件16，吸热器中的吸热介质经吸热器疏放管17、吸热介质疏放总管12和下降管15从吸热器中疏出；入口罐中的吸热介质疏放时，打开第二阀门组件10，使得入口罐中的吸热介质经上升管11疏出；出口罐中的吸热介质疏放时，打开下降管15阀门组件，即可将出口罐中的吸热介质通过下降管15疏放出来。

以上对本实施例中的吸热系统的正常运行过程作了详细介绍，在吸热系统正常启动之前，由于吸热系统中的吸热器、入口罐等处于冷态，如果直接向吸热系统中充填低温吸热介质，低温吸热介质可能会在吸热系统中发生凝固，因此，在向吸热系统中输入吸热介质之前，需要先利用本实施例中的预热系统对吸热系统进行预热，下面对本实施例中的预热系统的运行方法（即普通预热方法）进行详细介绍：启动热泵循环系统和气体输送泵6，打开入口隔离阀7、出口隔离阀5、第七阀门组件22、第六阀门组件16、第一阀门组件8、第三阀门组件19、第五阀门组件14、下降管15阀门组件，关闭第八阀门组件21、第四阀门组件13、出口罐排气阀23，气体输送泵6将出口罐中的低温预热气体（如空气）输送至换热器4中吸收热泵循环系统中热泵介质的热量，转化为高温预热气体后通过排气总管20和第一管路9分别输送至吸热器的吸热介质输入端和入口罐的吸热介质输出端（在预热过程中，吸热器的吸热介质输入端相当于吸热器的预热气体输入端，入口罐的吸热介质输出端相当于入口罐的预热气体输入端），以对吸热器和入口罐进行预热，在入口罐中完成放热的预热气体自入口罐的排气端（在预热过程中，入口罐的排气端相当于入口罐的预热气体输出端）输出后通过入口罐排气管18输送到出口罐的排气输入端（在预热过程中，出口罐的排气输入端相当于在入口罐的预热回路上对应的出口罐的预热气体输入端）进入到出口罐中，在吸热器中完成放热的预热气体依次通过吸热器疏放管17、吸热介质疏放总管12、下降管15输送到出口罐的吸热介质输出端（在预热过程中，出口罐的吸热介质输出端相当于预热气体在吸热器预热回路上对应的出口罐的预热气体输入端），进入到出口罐中，之后开始下一次的预热循环，如果将吸热系统预热至预设温度后继续保持热泵系统和气体预热系统运行，能够实现对吸热系统的保温。

当本实施例中的预热系统无法直接将吸热系统预热至预设温度时（如吸热介质的凝固点高于热泵循环系统能够将预热气体加热到的最高温度时），预热系统按照如下的运行方法进行运行：在预热一阶段：启动热泵循环系统，将气体预热系统内的低温预热气体加热为高温预热气体，气体预热系统中的高温预热气体输送至吸热系统中对吸热系统进行预热，直至塔式太阳能热利用系统中的定日镜场能够为吸热系统提供满足预热二阶段要求的太阳能量为止，预热一阶段的具体运行方法与前述的普通预热方法相同；预热二阶段：热泵循环系统停机，气体预热系统维持运行，定日镜场向吸热系统投射太阳能量，气体预热系统向吸热系统中输送的预热气体（在此过程中，气体预热系统的流动与前述普通预热方法中的流动方式相同，只是由于热泵循环系统停止运行，预热气体在进入换热器4时不再被热泵介质加热）由定日镜场向吸热系统投射的太阳能量加热（太阳能量被定日镜场投射到吸热器表面），进而利用被太阳能量加热后的预热气体对吸热系统中的非受光部分进行预热，直至吸热系统满足能够开始正常运行的条件。

当需要对吸热系统中的吸热介质进行疏放时（如太阳将要落山吸热系统需要停机时），利用本实施例中的预热系统，能够加速吸热系统中的吸热介质的疏放，具体的运行方法为：启动热泵循环系统，将气体预热系统内的低温预热气体加热为高温预热气体，气体预热系统中的高温预热气体输送至吸热系统的预热气体输入端，以加速吸热系统内的吸热介质的疏放，同时，可以对吸热系统内部管路进行吹扫，防止吸热介质在吸热器内部残留，进而能够避免发生吸热介质凝固堵塞管路的风险，此外，由于高温预热气体具有较高的温度，与直接用压缩空气吹扫的方案相比，能够进一步降低吸热介质发生凝固的风险。其中，气体预热系统中的高温预热气体单独输送至吸热器的预热气体输入端，能够加速吸热器中的吸热介质疏放；气体预热系统中的高温预热气体单独输送至入口罐的预热气体输入端，能够加速入口罐中的吸热介质疏放；气体预热系统中的高温预热气体同时输送至吸热器的预热气体输入端和入口罐的预热气体输入端时，能够同时加速吸热器和入口罐中的吸热介质疏放。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种预热系统，用于对塔式太阳能热利用系统中的吸热系统进行预热，其特征在于，包括：

吸热系统；

气体预热系统，被配置为输出高温预热气体至所述吸热系统中，以对所述吸热系统进行预热或保温；

热泵循环系统，用于将低温热源中的低温热能转化为高温热能，并利用所述高温热能加热所述气体预热系统内的低温预热气体，以将所述低温预热气体转化为所述高温预热气体；

所述气体预热系统包括气体传输管路和设置在所述气体传输管路上的气体输送泵；

所述气体传输管路的入口设有入口隔离阀，所述气体传输管路的出口设有出口隔离阀；

所述气体传输管路的出口与所述吸热系统的预热气体输入端连接。

2.如权利要求1所述的预热系统，其特征在于，所述热泵循环系统包括热泵介质循环管路和依次设置在所述热泵介质循环管路上的节流装置、蒸发器、压缩机、换热器；

所述热泵介质在所述蒸发器中吸收所述低温热源中的所述低温热能；

所述压缩机用于压缩自所述蒸发器中输出的热泵介质，以提升所述热泵介质的温度；

自所述压缩机中输出的热泵介质与所述气体预热系统中的所述低温预热气体在所述换热器中耦合换热，以将所述热泵介质中的热能转移至所述低温预热气体中，进而将所述低温预热气体转化为所述高温预热气体；

节流装置，用于降低自所述换热器中输出的热泵介质的温度和压力。

3.如权利要求2所述的预热系统，其特征在于，所述热泵循环系统中还包括热能输送装置，所述热能输送装置用于将所述低温热源中的所述低温热能输送至所述蒸发器中。

4.如权利要求1所述的预热系统，其特征在于，所述吸热系统包括吸热器和出口罐；

所述气体传输管路的输入端连接于所述出口罐的预热气体输出端，所述气体传输管路的输出端与所述吸热器的预热气体输入端连接，所述吸热器的预热气体输出端与所述出口罐的预热气体输入端连接。

5.如权利要求1所述的预热系统，其特征在于，所述吸热系统包括吸热器、入口罐和出口罐；

所述气体传输管路的输入端连接于所述出口罐的预热气体输出端，所述气体传输管路的输出端分别与所述吸热器的预热气体输入端和所述入口罐的预热气体输入端连接，所述吸热器的预热气体输出端和所述入口罐的预热气体输出端均分别与所述出口罐的预热气体输入端连接。

6.如权利要求1-5任意一项所述的预热系统，其特征在于，所述低温热源为大气中的热能和/或所述吸热系统中的热能。

7.一种预热系统的运行方法，其特征在于，所述预热系统为权利要求1-6中任意一项所述的预热系统，所述预热系统的运行方法包括：

启动所述热泵循环系统，将所述气体预热系统内的所述低温预热气体加热为所述高温预热气体，所述气体预热系统中的所述高温预热气体输送至所述吸热系统中对所述吸热系统进行预热或保温。

8.一种预热系统的运行方法，其特征在于，所述预热系统为权利要求1-6中任意一项所述的预热系统，所述预热系统的运行方法包括预热一阶段和预热二阶段；

预热一阶段：启动所述热泵循环系统，将所述气体预热系统内的所述低温预热气体加热为所述高温预热气体，所述气体预热系统中的所述高温预热气体输送至所述吸热系统中对所述吸热系统进行预热，直至所述塔式太阳能热利用系统中的定日镜场能够为所述吸热系统提供满足所述预热二阶段要求的太阳能量为止；

预热二阶段：所述热泵循环系统停机，所述气体预热系统维持运行，所述定日镜场向所述吸热系统投射太阳能量，所述气体预热系统向所述吸热系统中输送的预热气体由所述定日镜场向所述吸热系统投射的太阳能量加热，进而利用被太阳能量加热后的预热气体对所述吸热系统中的非受光部分进行预热，直至所述吸热系统满足能够开始正常运行的条件。

9.一种预热系统的运行方法，其特征在于，所述预热系统为权利要求1-6中任意一项所述的预热系统，在所述吸热系统的吸热介质疏放阶段，启动所述热泵循环系统，将所述气体预热系统内的所述低温预热气体加热为所述高温预热气体，所述气体预热系统中的所述高温预热气体输送至所述吸热系统的预热气体输入端，以加速所述吸热系统内的吸热介质的疏放。