本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置。
背景技术：
热电厂实现热电联产，同时产生并对外输出供电和热能，可以同时保障城乡用电和用热的需求。
但是，热电厂的生产电能和热能的高峰基本同步，而城乡用热和用电高峰是错开的。为了保证用电高峰时的供电，随着电能产量的加大，此时热量产出就会大于实际的热量需求。多余的热量如果白白散失掉，显然造成了巨大的能源浪费。另一方面，在供热季的夜间，供电负荷处于低谷时期，但供热负荷却处于高峰时期，此时为保证供热负荷的需求，热电厂中的热电联产机组都处于高出力运行状态，高于实际用电需求，但电能不能被大规模储存，因此也存在能源效率不高的问题。
可见，面对上述实际情况，有必要通过热能储能实现面向热电厂的蓄热调峰。也就是，在用电高峰时，将伴随产出的多余热能储存起来；而当夜间用热高峰到来时，通过释放储存的热能来弥补供热需求的不足。
技术实现要素：
为满足上述现有技术存在的需求，本发明提供了一种热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置。本发明从热电厂的热电联产机组中压缸抽气，换热至热输入介质并引入到相变储热装置，通过调节储热装置的蓄热和释热，实现在用电高峰阶段对富余热量储存以及在用热高峰阶段的热能补充；本发明打破热电联产机组“以热定电”的电-热刚性耦合方式，实现热电联产机组的热电解耦，能够调节用热高峰与用热高峰的时差，提高能源综合效率。另外，本发明的发明目的还包括实现相变蓄热调峰系统的拓扑结构及其切换方式、传热效率、控制智能化精确化方面的改进。
一种热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置，该装置包括热量输入回路、热量输出回路以及相变蓄热箱；
所述热量输入回路包括蒸汽-水换热器，从热电厂中压缸中抽取的蒸汽通过所述蒸汽-水换热器与热量输入回路中的水进行换热，换热后热水作为热输入介质；所述热量输入回路还具有第一交换接口以及第二交换接口，热输入介质通过第一交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，将携带的热量存储于该相变蓄热箱，然后通过第二交换接口从所述相变蓄热箱回到热量输入回路；所述热量输出回路获得供热网回水，作为热输出介质；所述热量输出回路具有第三交换接口以及第四交换接口，所述供热网回水通过第三交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，获得热量，然后通过第四交换接口从所述相变蓄热箱回到热量输出回路，将相变蓄热箱存储的热量携带至供热网；
并且，所述相变蓄热箱包括热介质输入总管和热介质输出总管；所述热介质输入总管选择性地连通所述第一交换接口或者第三交换接口，并且所述热介质输出总管选择性地连通所述第二交换接口或者第四交换接口；所述相变蓄热箱包括若干个相变蓄热单元，每个相变蓄热单元具有一根热介质输入支管和一根热介质输出支管，每根所述热介质输入支管连通所述热介质输入总管，每根所述热介质输出支管连通所述热介质输出总管；
每个所述相变蓄热单元包括储能箱、相变材料、至少两组热管以及若干片管翅；其中每组热管的入口端连通所述热介质输入支管，并且每组热管的出口端连通所述热介质输出支管；每组所述热管在所述储能箱内弯曲延伸；所述若干片管翅彼此平行地设置在所述储能箱内，每片管翅与每组热管的外壁面交界；并且每个相变蓄热单元储能箱内填充相变材料，通过相变材料的固液相变实现热能的储存与释放。
优选的是，所述热介质输入总管和热介质输出总管均包括压力泵以及流量控制阀；所述流量控制阀用于打开或者闭合所述热介质输入总管或者热介质输出总管，以及控制热输入介质或者热输出介质进出所述相变蓄热箱的流量。
优选的是，所述热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置包括热量控制单元；所述热量控制单元根据所述相变蓄热箱的热量储存容量，设置流量控制信号，并发送给所述流量控制阀，使所述流量控制阀根据该流量控制信号控制热输入介质或者热输出介质进出所述相变蓄热箱的流量。
优选的是，每个所述相变蓄热单元具有的热介质输入支管和热介质输出支管分别具有开关阀门，所述热量控制单元根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，设置单元开关信号，并发送给该相变蓄热单元的开关阀门，使所述开关阀门根据该单元开关信号打开或者关闭热介质输入支管和热介质输出支管。
优选的是，所述热量控制单元具体包括：蓄能监测单元、储存容量测算单元、控制信号生成单元；其中，每个相变蓄热单元设置一组蓄能监测单元，每组蓄能监测单元包括若干个相变监测器，所述相变监测器设置在填充的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态图像；储存容量测算单元用于从每组蓄能监测单元实时获得一组相变形态图像，通过将该组相变形态图像与预存的相变形态模板比对，确定每个相变蓄热单元的热量存储容量；所述控制信号生成单元根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，设置针对每个相变蓄热单元的单元开关信号，以及设置所述流量控制信号。
优选的是，所述相变监测器包括耐高温隔热透明管，以及设置在所述耐高温透明管内的微型摄像头，所述耐高温隔热透明管设置在所述相变材料内部；并且所述微型摄像头密封于所述耐高温隔热透明管的内部，用于获取所述相变材料内部的相变形态图像。
优选的是，所述热量控制单元根据相变蓄热单元的热量存储容量，确定相变蓄热箱整体的可用余量，并且根据预存储的可用余量与流速的映射关系，确定所述流量控制信号。
优选的是，所述热量控制单元包括图形人机接口，所述图形人机接口用于显示每个相变蓄热单元的热量存储容量。
优选的是，所述热量输入回路还将所述热输入介质输入至热网首站换热器，在所述热网首站换热器与热量输出回路的供热网回水进行热交换。
优选的是，所述相变蓄热单元在热管和管翅围成的填充空间内设置有换热格栅。
本发明通过相变储能装置进行热能储存，从而可以将热电厂在生产高峰时产生的热量积蓄在该装置中，并且待用热高峰到来后予以释放，从而起到调节供热高峰与用热高峰时间差的作用，本发明设计了实现热量调峰的拓扑切换回路。本发明采用相变储能，储能密度高，而且热量主要分布在相变温度附近，因此实际利用比较容易。本发明对相变蓄能箱进行了结构改进，增强了其热效率。本发明涉及了对蓄能相变箱的蓄能状态监测、热量容量评估以及自动控制机制，实现了智能化、可视化的精确控制能力。
附图说明
以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。
图1是本发明提供的热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置整体结构示意图；
图2是本发明提供的相变蓄能单元整体结构剖视图；
图3是本发明提供的相变蓄能单元热管和管翅结构立体示意图；
图4是本发明提供的相变蓄能单元管翅结构剖面图；
图5是本发明提供的热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置热量控制示意图；
图6是本发明提供的相变监测器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1所示，本发明提供了一种热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置。本发明提供了一种热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置。本发明从热电厂的热电联产机组中压缸抽气，换热后引入到相变储热装置，通过调节储热装置的蓄热和释热，实现在用电高峰阶段对富余热量储存以及在用热高峰阶段的热能补充；本发明打破热电联产机组“以热定电”的电一热刚性耦合方式，实现热电联产机组的热电解耦，能够调节用热高峰与用热高峰的时差，提高能源综合效率。
参见图1，示出了本发明的热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置的整体结构，该装置总体看包括热量输入回路1、热量输出回路2以及相变蓄热箱3。
所述热量输入回路1包括蒸汽-水换热器103，从热电厂中压缸中抽取的蒸汽通过所述蒸汽-水换热器103与热量输入回路1中的水进行换热，换热后热水作为热输入介质；所述热量输入回路还具有第一交换接口101以及第二交换接口102，热输入介质通过第一交换接口101进入所述相变蓄热箱3进行热量交换，将携带的热量存储于该相变蓄热箱3，然后通过第二交换接口102从所述相变蓄热箱3回到热量输入回路1，并经热量输入回路1重新进入蒸汽-水换热器103，从而进行储能的循环。
所述热量输出回路2获得供热网回水，作为热输出介质；所述热量输出回路2具有第三交换接口201以及第四交换接口202，所述供热网回水通过第三交换接口201进入所述相变蓄热箱3进行热量交换，获得热量温度升高，然后通过第四交换接口202从所述相变蓄热箱3回到热量输出回路2，将相变蓄热箱3存储的热量携带至供热网。
所述热量输入回路1还将通过所述蒸汽-水换热器103与中压缸蒸汽换热之后的所述热输入介质输入至热网首站换热器4，在所述热网首站换热器4与热量输出回路2的供热网回水进行热交换，供热网回水经热交换获取热量，携带热量至供热网。
在用电高峰所形成的热量，一部分进入热网首站换热器4，满足实时的供热需要，而高于供热网实际需求的热量可以经热量输入回路1进入相变蓄热箱3储能，防止多余热量散失。而在用热高峰时段，相变蓄热箱3的热量经热量输出回路2进入供热网，从而补充热电厂产热不足。因此，本发明实现热电联产机组的热电解耦，能够调节用热高峰与用热高峰的时差，提高能源综合效率。
相变蓄热箱填充相变材料，实现热能的储存与释放。相变材料具有如下温度特性：温度升高达到相变温度时，相变材料的物理状态发生变化，而相变材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，这一过程中，大量相变热被吸收或释放出来。从而，在相变阶段，产生了一个比较宽的温度平台，这个平台的出现，使得我们能够获得一个相对稳定的恒温时间。相变储能的储能密度高，而且热量主要分布在相变温度附近，因此实际利用比较容易，对于控制供热网热输出具有良好效果。配合供热网温度范围，本发明所选取的相变材料可以采用六水合硝酸镁。
如图1，所述相变蓄热箱3包括热介质输入总管305和热介质输出总管306；所述热介质输入总管305通过切换阀315选择性地连通所述第一交换接口101或者第三交换接口201，并且所述热介质输出总管306通过切换阀316选择性地连通所述第二交换接口102或者第四交换接口202。从而，在蓄能阶段，热介质输入总管305连通所述第一交换接口101，热介质输出总管306连通第二交换接口102，相变蓄热箱3实现热输入介质的循环。在释能阶段，热介质输入总管305连通第三交换接口201，热介质输出总管306连通第四交换接口202，相变蓄热箱3实现热输出介质的循环。所述热介质输入总管305和热介质输出总管306均包括压力泵307、308以及流量控制阀309、310。所述流量控制阀309、310分别用于打开或者闭合所述热介质输入总管305或者热介质输出总管306，以及控制热输入介质或者热输出介质进出所述相变蓄热箱3的流量。流量控制阀309、310的打开、关闭以及流量由后面介绍的热量控制单元来决定。
所述相变蓄热箱3包括若干个相变蓄热单元，例如图1示出了两个相变蓄热单元3a与3b。每个相变蓄热单元3a、3b具有一根热介质输入支管和一根热介质输出支管，例如相变蓄热单元3a的热介质输入支管311和热介质输出支管312。每根所述热介质输入支管311连通所述热介质输入总管305，每根所述热介质输出支管312连通所述热介质输出总管306。在蓄热或者释热阶段，热输入介质或者热输出介质经每根热介质输入支管和热介质输出支管进出每个相变蓄热单元，实现循环。每个所述相变蓄热单元的热介质输入支管和热介质输出支管分别具有开关阀门，例如开关阀门313、314，用于在热量控制单元的控制下打开或者关闭每个相变蓄热单元。
如图2和图3所示，每个所述相变蓄热单元包括储能箱301、相变材料302、至少两组热管303以及若干片管翅304。其中每组热管303的入口端连通所述热介质输入支管，并且每组热管303的出口端连通所述热介质输出支管。每组所述热管303在所述储能箱301内弯曲延伸；热管303有多根相互平行的热管横管303a，所述热管横管303a垂直穿过所述管翅304，每片管翅304与每根热管横管303a的外壁面交界；热管303的多根热管横管303a之间通过设置在端部的热管曲管303b连接成为一根迂回的热管整管。相邻的两组热管303内热输入介质或热输出介质的流向相反，如图3的箭头所示，这样有利于热量在储能箱301内整体分布均匀。所述若干片管翅304彼此平行地设置在所述储能箱301内，每片管翅304与每组热管303的外壁面交界；所述管翅304将所述储能箱301内的空间划分为多个填充区域，区域内填充相变材料。热管303与管翅304通过热传导与相变材料302进行热交换，通过相变材料302的固液相变实现热能的储存与释放。作为参数优化设计，热管303采用软钛不锈钢管，管壁厚度0.5-0.7mm，优选0.6mm，管内径12-16.5mm，优选14.8mm。每片管翅304是一体成型的，延伸范围分布在整个储能箱301的内部空间；管翅304的厚度为0.1-0.3mm，优选为0.2mm，且相邻两片管翅304的间距为2-6mm，优选为5mm。管翅304采用不锈钢翅片；其传热参数相比现有技术中只采用热管结构是3-11倍。各组热管303相邻的热管横管和相邻的管翅304围成的填充空间内，还设置有换热格栅303c，所述换热格栅303c埋设在所述相变材料302内，用于在所述相变材料302内部传导热能，克服相变材料因本身导热性能较差易造成热分布不均匀的缺陷，所述换热格栅303c的网孔截面为蜂窝状。如图4所示，管翅4与属于一组热管的各根热管横管3a相交界，且在每个纵向区域内该组热管3的相邻两根热管横管3a的纵向间距为l；并且在每个纵向区域内，管翅4与每根热管横管3a的交界处管翅的厚度最小；随着管翅4在所述纵向区域内以与每根热管横管的交界处为中心，向上下两侧分别延伸至的间距l的1/2处，管翅的厚度逐渐增加。每片管翅4是一体成型的，并且在所述交界处留有供所述热管横管3a穿过的通孔h，以h为中心，随着管翅4向上下两侧分别延伸至的间距l的1/2处，管翅的厚度逐渐增加，例如，交界处管翅厚度为0.1mm，而在1/2间距l处管翅的厚度为0.3mm，且随着截面厚度增加，管翅外壁面呈图4所示的弧面。由于管翅本身的导热性能要高于所述相变材料，因此，在远离所述热管位置对的管翅的厚度可以适当增厚，从而为远离所述热管处的相变材料传导更多的热量。另外，相变材料在热管外壁凝结成垢现象是影响换热效率的一大因素；通过上述渐变厚度的非均匀弧面管翅，可以实现非均匀热胀冷缩，越接近热管管翅的热胀冷缩效应越明显，可以对凝结相变材料起到搅拌脱离的作用；在液相状态下，相变材料在热管和管翅之间进行对流，管壁的非均匀形状有利于在交界处的对流，使得已经结晶的相变材料能够被对流清除，避免长时间粘结在热管和翅片表面而影响传热。
如图5所示，所述热电厂中压缸抽气相变蓄热调峰装置包括热量控制单元5。在相变材料的整个相变过程中，前期随着相变材料的逐步融化，加大了对流的导热作用，因此蓄热增量比较大；后期随着温差的下降，蓄热速度会逐步降低，直至饱和。所述热量控制单元5根据所述相变蓄热箱已经蓄积的热量储存容量，设置流量控制信号，并发送给所述流量控制阀309、310，使所述流量控制阀309、310根据该流量控制信号控制热输入介质或者热输出介质进出所述相变蓄热箱的流量。所述热量控制单元5还根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，设置单元开关信号，并发送给该相变蓄热单元的开关阀门313、314，使所述开关阀门313、314根据该单元开关信号打开或者关闭每个单元的热介质输入支管和热介质输出支管。
所述热量控制单元5具体包括：蓄能监测单元501、储存容量测算单元502、控制信号生成单元503。其中，每个相变蓄热单元内部设置一组蓄能监测单元501，每组蓄能监测单元501包括若干个相变监测器504。所述相变监测器504设置在填充的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态图像。如图6所示，所述相变监测器504包括耐高温隔热透明管504a，以及设置在所述耐高温透明管内的微型摄像头504b，所述耐高温隔热透明管504a设置在所述相变材料内部；并且所述微型摄像头504b密封于所述耐高温隔热透明管504a的内部，用于获取所述相变材料内部的相变形态图像。回到图5，储存容量测算单元502用于从每组蓄能监测单元501实时获得一组相变形态图像，通过将该组相变形态图像与预存的相变形态模板比对，确定每个相变蓄热单元的热量存储容量。所述控制信号生成单元503根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，设置针对每个相变蓄热单元的单元开关信号，当相变蓄热单元的热量存储容量已经达到饱和则关闭该单元的开关阀门。所述控制信号生成单元503还根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，确定相变蓄热箱整体的可用余量，并且根据预存储的可用余量与流速的映射关系，确定所述流量控制信号。可见，热量控制单元5为了提升智能化精确控制能力，基于监测相变状态，调节每个相变蓄热单元的热管内流量状态，从而使热量输入、输出效率与相变材料的蓄热能力相匹配。所述热量控制单元还包括图形人机接口505，所述图形人机接口505用于显示每个相变蓄热单元的热量存储容量。
需要说明的是：在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。