U型列管式熔盐蒸汽发生装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能中高温热利用、余热利用和核能发电技术领域，特别涉及一种U型列管式熔盐蒸汽发生装置及方法。
【背景技术】
[0002]能源短缺和化石燃料的环境问题目前已成为制约全球经济和社会发展的重大瓶颈。我国近年来已成为世界第一大石油消耗国和第二大原油进口国，节能减排形势日益严峻。为解决能源短缺和环境问题，在大力发展化石燃料、核能与水电基础上，必须提高能源利用效率并大力开发可再生能源。工业是节能潜力最大的领域，目前我国电力、钢铁、建材等大规模工业的能源利用效率与余热回收利用率远低于国际先进水平，主要原因之一是间歇式高品质余热没有得到有效利用，因此急需高效蓄热材料存储高温余热并稳定使用。
[0003]规模化可再生能源是未来我国能源的发展重点，但由于其间歇性和不能稳定供应的缺陷，不能满足工业化大规模连续供能的要求，因而需要利用高效传热蓄热介质进行热能储存与转换利用。熔盐具有热容量大、稳定性高、工作温度范围广的显著优势，是工业余热利用、可再生能源和核能领域广泛采用的传热蓄热介质。在钍基熔盐堆核能系统等核发电站中，也必须使用熔盐作为高温传热介质进行能量传递和转换。由于蒸汽便于输运和使用，广泛应用于发电、化工、食品等行业，因此如何把高温熔盐热能转化为高品质蒸汽成为关键的能源转换技术。熔盐蒸汽发生器在多个方面具有独特的优势，熔盐使用温度广泛，可以存储和利用太阳能、核能和高温余热等多种能源，而蒸汽输出可进行发电和其他热能利用，因此熔盐蒸汽发生器的研究和开发对节能减排有着特别重要的作用。
[0004]目前，本领域技术人员已开发了多种基于熔盐传热蓄热材料的蒸汽发生器。太阳能熔盐套管式蒸汽发生装置中，使用套管外壁耐高温选择性涂层吸收太阳辐射能，并将吸收热量传递给熔盐套管内的熔盐，进一步传给蛇形内管的水形成蒸汽，但该装置存在水蒸汽参数不易控制、吸热套管结构复杂、加工难度大等不足。熔盐管壳式蒸汽发生装置，包括管壳式换热器、蒸汽分离输出组件和加热保温组件，加热保温组件可以防止熔盐凝固，壳体内流经熔盐具有有效蓄热容量大、参数稳定的优点，但其存在壳体内底部熔盐不易回流的问题。熔盐盘管式蒸汽发生装置，包括水箱系统、盘管系统、蒸汽输出系统，具有蒸汽发生稳定性好与可控性强的优点，但熔盐在盘管内流程路经长，流动阻力和回流阻力相对较大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种换热量大、蒸汽参数稳定、熔盐易于回流的U型列管式熔盐蒸汽发生装置，通过该装置能较好地满足太阳能中高温热利用、余热利用和核能发电的要求。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的U型列管式熔盐蒸汽发生方法。
[0007]本发明通过以下技术方案实现:U型列管式熔盐蒸汽发生装置，包括U型列管换热系统、蒸汽输出系统、熔盐输入输出系统，所述U型列管换热系统包括一由顶部连接封头、管体、管板围成的空腔，空腔内为液态水和/或水蒸汽，在所述空腔内设有若干个U型列管，在所述管板上对应设有若干个通孔，在所述管板的下方设有进口管箱和出口管箱，U型列管其中一个开口通过所述通孔与进口管箱密封相连，另一个开口通过所述通孔与出口管箱密封相连；所述蒸汽输出系统设于顶部连接封头的上方；所述熔盐输入输出系统用于将高温熔盐输入到进口管箱，同时将流经U型列管后的熔盐从出口管箱输出。采用U型列管，可使熔盐与管外液态水/水蒸汽的换热面积较大，蒸汽产量大，具有热效率高的优点。
[0008]优选的，所述U型列管换热系统的管体为筒体结构；顶部连接封头为上下两端开口的椭圆结构；进口管箱和出口管箱为一体化设计，整体为椭圆结构，中间用隔板隔开。
[0009]优选的，所述U型列管与管板之间通过焊接密封，固定形成一体式结构，U型列管在管板上交错排列；管体与顶部连接封头采用法兰连接；管板与进口管箱和出口管箱通过法兰固定。
[0010]优选的，所述空腔内设有用于蒸汽发生过程中保证液位稳定的液位控制器，所述管体一侧设有进水管道。
[0011]优选的，所述蒸汽输出系统包括蒸汽通道、过滤网、蒸汽包、蒸汽参数测控器与蒸汽出口，所述蒸汽通道与U型列管换热系统的顶部连接封头相连，蒸汽通道内设有过滤网，蒸汽包位于蒸汽通道上方，蒸汽出口设有蒸汽参数测控器。
[0012]优选的，所述熔盐输入输出系统包括进口四通阀和出口三通阀，所述进口四通阀分别与熔盐进口、熔盐卸出口、高温气体进口、进口管箱连接，所述出口三通阀分别与熔盐出口、高温气体出口、出口管箱连接。进而在进行加热时，可先通入高温气体进行预热，保证后面蒸汽输出的稳定。
[0013]本发明还提供了一种通过上述装置实现的U型列管式熔盐蒸汽发生方法，包括步骤:工作开始，通过熔盐输入输出系统向U型列管内灌注高温熔盐，同时向管体内灌注液态水，液态水吸收高温熔盐热能后形成水蒸汽继而进入蒸汽包，当蒸汽包内的蒸汽温度与压力达到设定值后，输出蒸汽；工作停止后，熔盐利用自重流出U型列管换热系统。
[0014]优选的，所述U型列管式熔盐蒸汽发生方法还包括预热步骤，即:在向U型列管内灌注高温熔盐前，先向进口管箱、U型列管、出口管箱通入高温气体进行预热，直至内部温度高于熔盐凝固点温度。
[0015]具体的，包括以下步骤:
[0016](I)预热过程:调节进口四通阀，关闭熔盐进口与熔盐卸出口，打开高温气体进口 ；调节出口三通阀，关闭熔盐出口，打开高温气体出口 ；通入高温气体进入U型列管、进口管箱与出口管箱预热，直至温度高于熔盐凝固点温度；
[0017](2)熔盐灌注:调节进口四通阀，打开熔盐进口，关闭熔盐卸出口与高温气体进口 ；调节出口三通阀，打开熔盐出口，关闭高温气体出口 ；从熔盐进口向U型列管内灌注高温熔盐，熔盐充满整个U型列管后从熔盐出口流出；
[0018](3)蒸汽发生:从进水管道向管体内灌注液态水，液态水吸收高温熔盐热能后形成水蒸汽，管体内部采用液位控制器调节液位高度和蒸汽发生速度；
[0019](4)蒸汽输出:管体内产生的蒸汽经过滤后进入蒸汽包，当蒸汽包内的蒸汽温度与压力达到设定值后，从蒸汽出口输出蒸汽；
[0020](5)系统停止:放空管体内高温热水；调节进口四通阀，关闭熔盐进口与高温气体进口，打开熔盐卸出口，进口管箱一侧的熔盐通过该熔盐卸出口卸出流回外部熔盐槽；保持熔盐出口打开和高温气体出口关闭，把出口管箱一侧的熔盐卸出流回外部熔盐槽；待熔盐基本卸出后，调节进口四通阀，关闭熔盐进口与熔盐卸出口，打开高温气体进口，用高温气体清理U型列管。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0022]1、本发明蒸汽产量大与参数可控。U型列管内熔盐与管外液态水/水蒸汽的换热面积较大，并可通过增加列管数增大换热面积，蒸汽产量大。液位控制器与蒸汽参数测控器可实现蒸汽流量和温度压力的控制。
[0023]2、本发明熔盐容易回流且不易堵塞。蒸汽发生装置停止后，熔盐流经的U型列管和进出口管箱，均可以借助重力作用让熔盐顺利流出，避免出现熔盐凝固在内部的现象；高温气体预热防止开机阶段熔盐的凝固。
[0024]3、本发明系统热效率高。高温熔盐主要流经U型列管内，热能绝大部分被管外液态水/水蒸汽吸收，散热损失少，系统热效率高。
[0025]4、本发明结构简单、使用寿命长、便于推广。U型列管换热系统的管体与顶部连接封头和管箱均用法兰连接，易于加工且安装简便，且便于拆解与疏通；U型列管结构可以减小热应力，使用寿命长；系统可以广泛应用于太阳能中高温热利用、余热利用和核能发电技术领域。
【附图说明】
[0026]图1为本发明实施例的装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0028]本实施例一种U型列管式熔盐蒸汽发生装置，其结构如图1所示，包括U型列管换热系统、蒸汽输出系统、熔盐输入输出系统；蒸汽输出系统设于U型列管换热系统顶部，熔盐输入输出系统设于U型列管换热系统底部。本实施例中熔盐输入输出系统通过设置进口四通阀3以及出口三通阀22，不仅可输入输出熔盐进行加热，还可输入输出高温气体进行预热。
[0029]本实施例中，所述U型列管换热系统从上到下主要包括顶部连接封头9、管体8、管板18、进口管箱5和出口管箱20，管体8内部设有U型列管15，管板上设有若干个通孔，进口管箱和出口管箱设置在管板的下方。U型列管其中一个