一种蒸汽固体蓄热装置及其蓄放热方法与流程

1.本发明属于蒸汽蓄热技术领域，具体涉及一种蒸汽固体蓄热装置及其蓄放热方法。


背景技术：

2.社会快速发展所需的能源急剧增加，化石燃料燃烧引起的环境污染问题日益加剧，而储能技术既可以利用新能源，减少温室气体排放；又能够储存废热，提高一次能源的利用效率；还能够削峰填谷维持电网稳定，从而使其受到广泛关注。蓄热技术的发展为高效利用太阳能等稳定性弱、时空分配不均的可再生能源提供可能，从而缓解环境污染问题，提高能源安全。
3.现在常用的蓄热技术有显热、潜热(此两种为热物理蓄热)和热化学蓄热。其中，显热蓄热利用高比热容材料的温升储存热量，储能密度为30-80kwh/m3，其储存方式简单、储能成本低，但系统体积过大且热损失严重。潜热蓄热利用材料的相态变化储存热量，储能密度为83-140kwh/m3，其相变过程中温度稳定，但材料易老化，有些材料腐蚀性强且热损失较大。
4.目前随着清洁能源风电光伏发电装机容量的快速增长，越来越多的燃煤火电或燃气电厂出现了深度调峰和停机备用的情况，但热电厂的工业蒸汽供应又不能中断，如果能够实现利用深度调峰火电机组的调峰蒸汽进行蓄热，在需要的时候进行放热供蒸汽，就可以解决很多热电厂的低负荷或停机状态下的工业蒸汽供应问题。但目前的蒸汽存储技术都是依靠高压高温水罐存储，这样的蒸汽存储设备不但蓄热量有限，而且罐体压力高，安全性较差。如何实现蒸汽的大规模大流量的低压工况的安全存储，成为本技术要解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种蒸汽固体蓄热装置及其蓄放热方法，以实现蒸汽的大规模大流量的低压工况的安全存储。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明第一方面，提供了一种蒸汽固体蓄热装置，包括蓄热体保温层、蓄热体结构、换热风机和盘管换热器；
8.所述蓄热体结构上从第一端到第二端开设有多条贯通的空气换热流道；
9.所述蓄热体结构设置于所述蓄热体保温层之内，且所述蓄热体结构的第一端与所述蓄热体保温层之间设置有第一预留空间，所述蓄热体结构的第二端与所述蓄热体保温层之间设置有第二预留空间；
10.所述第一预留空间内设置有间隔挡板，将所述第一预留空间分隔为第一上预留空间和第一下预留空间两部分；所述换热风机的风机出口连通所述第一上预留空间，所述换热风机的风机入口连通所述第一下预留空间；
11.所述盘管换热器设置于风机入口和风机出口之间的风道内，所述盘管换热器的换
热盘管两端接口分别连接蒸汽进出管路和水进出管路；
12.所述第一上预留空间、与第一上预留空间连通的空气换热流道、第二预留空间、与第一下预留空间连通的空气换热流道、风机入口、风道和风机出口组成风循环结构。
13.进一步的方案中，所述风机入口和风机出口均安装在所述蓄热体保温层的壁面上。
14.进一步的方案中，所述蓄热体保温层安装在蒸汽固体蓄热装置外壳之内，所述蒸汽进出管路和水进出管路穿过所述蒸汽固体蓄热装置外壳连接所述盘管换热器的换热盘管。
15.进一步的方案中，所述蓄热体结构之内设置有电加热元件。
16.进一步的方案中，所述电加热元件设置于所述空气换热流道的内壁面之内。
17.进一步的方案中，所述蓄热体结构的结构为固体蓄热砖堆砌结构，所述空气换热流道为同层相邻固体蓄热砖之间的间隙形成。
18.进一步的方案中，所述蓄热体结构的结构为混凝土分层浇筑结构，所述空气换热流道为：在所述混凝土分层浇筑结构上开设的通道。
19.进一步的方案中，所述蓄热体结构为金属棒或者金属条，外表面包覆耐高温绝缘层，绝缘层外层缠绕电磁加热线圈，利用外接电源给电磁加热线圈供电，实现电磁加热金属蓄热体升温蓄热。
20.本发明第二方面，提供了一种上述蒸汽固体蓄热装置的蓄放热方法，包括下列步骤：
21.蓄热步骤：
22.过热蒸汽通过蒸汽进出口管路进入盘管换热器的换热盘管内，与换热盘管外的空气进行对流换热，过热蒸汽经过放热逐渐转化为饱和蒸汽、湿蒸汽，最后降温成为冷凝水，从水进出口管路排出；
23.空气在换热风机驱动下，流经盘管换热器与换热盘管内的蒸汽进行换热，加热后的空气送入蓄热体结构内的空气换热流道，将热量对流换热给蓄热体结构；
24.放热步骤：
25.低温给水通过水进出口管路进入盘管换热器的换热盘管内，与换热盘管外的热空气进行对流换热，水在换热盘管内蒸发并进一步过热为过热蒸汽，从蒸汽进出口管路排出；
26.空气在风机驱动下，流经盘管换热器加热管内的给水，放热后的空气送入蓄热体结构内的空气换热流道，进一步吸收蓄热体结构的热量而升高温度，然后再进入盘管换热器加热换热盘管内的给水。
27.有现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
28.1)本发明提供的蒸汽固体蓄热装置，通过利用蓄热体结构来存储过热蒸汽的热量，安全性高，能够实现蒸汽的大规模大流量的低压工况的安全存储。固体蓄热体内设置空气换热流道，可以高效地实现空气将蒸汽中的热量传递给固体蓄热体。既可以实现蒸汽的蓄热，然后放热时候既可以产生饱和蒸汽或过热蒸汽，也可以产生热水。
29.2)本发明提供的蒸汽固体蓄热装置，利用金属材料良好的传热性能、蓄热性能和易加工性，本技术的固体蓄热体具有价格便宜、加工方便和蓄热量高的优点。
附图说明
30.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
31.图1为本发明实施例蒸汽固体蓄热装置的结构示意图。
32.图2为本发明实施例中固体蓄热砖堆砌结构的结构示意图。
33.图3为本发明实施例中堆垛的圆柱形金属棒结构示意图。
34.图4为本发明实施例中固体蓄热体中间打贯穿孔作为空气换热流道结构示意图。
35.图5为本发明实施例中蒸汽固体蓄热装置蓄热步骤流程图。
36.图6为本发明实施例中蒸汽固体蓄热装置放热步骤流程图。
37.其中：1-蒸汽固体蓄热装置外壳；2-蓄热体保温层；3-蓄热体结构；4-空气换热流道；5-风机入口；6-风机出口；7-间隔挡板；8-盘管换热器；9-蒸汽进出管路；10-水进出管路；11-电加热元件；100-第一预留空间；200-第二预留空间。
具体实施方式
38.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
40.如图1所示，本发明第一方面，提供了一种蒸汽固体蓄热装置，包括蓄热体保温层2、蓄热体结构3、换热风机和盘管换热器8；蓄热体结构3上从第一端到第二端开设有多条贯通的空气换热流道4；蓄热体结构3设置于蓄热体保温层2之内，且蓄热体结构3的第一端与蓄热体保温层2之间设置有第一预留空间100，蓄热体结构3的第二端与蓄热体保温层2之间设置有第二预留空间200；第一预留空间100内设置有间隔挡板7，将第一预留空间100分隔为第一上预留空间和第一下预留空间两部分；换热风机的风机出口6连通第一上预留空间，换热风机的风机入口5连通第一下预留空间；盘管换热器8设置于风机入口5和风机出口6之间的风道内，盘管换热器8的换热盘管两端接口分别连接蒸汽进出管路9和水进出管路10；第一上预留空间、与第一上预留空间连通的空气换热流道4、第二预留空间200、与第一下预留空间连通的空气换热流道4、风机入口5、风道和风机出口6组成风循环结构。空气通过风机入口5进入盘管换热器8，与换热盘管内的蒸汽或水进行换热，加热或散热后的空气进入蓄热体结构3内的空气换热流道4，与固体蓄热体进行换热。
41.通过上述设置，本发明能够实现蒸汽的大规模大流量的低压工况的安全存储，可以高效地实现空气将蒸汽中的热量传递给固体蓄热体。既可以实现蒸汽的蓄热，然后放热时候既可以产生饱和蒸汽或过热蒸汽，也可以产生热水。
42.作为上述实施例的一种具体示例，蓄热体结构3蓄热材料为硅基材料、铝基材料、镁基材料、耐火砖、混凝土、金属、陶瓷等固体材料中的任意一种或组合。具体来说，蓄热体结构3为金属时，采用铸铁、铸钢、生铁、熟铁、碳钢、不锈钢、铜、铝合金等材料中的任意一种或组合。
43.作为上述实施例的一种具体示例，风机入口5和风机出口6均安装在蓄热体保温层2的壁面上，风道独立于蓄热体保温层2之外，并且风道内安装盘管换热器和换热风机，实现热交换。
44.在其他的一些实施例中，蓄热体保温层2安装在蒸汽固体蓄热装置外壳1之内，蒸汽进出管路9和水进出管路10穿过蒸汽固体蓄热装置外壳1连接盘管换热器8的换热盘管。通过设置蒸汽固体蓄热装置外壳1，便于运输。
45.作为本发明的优选实施例，蓄热体结构3之内设置有电加热元件11。具体来说，电加热元件11设置于空气换热流道4的内壁面之内。可以利用调峰调频富余电力加热蓄热体，实现富余电力的蓄热储能。
46.作为示例，蓄热体结构3中的电加热元件11，采用铺设在蓄热体结构3中的电加热管/电加热片/电加热板等，利用外接电源供电对固体蓄热体进行电加热升温。
47.如图2所示，在其他的一些实施例中，蓄热体结构3的结构为固体蓄热砖堆砌结构，空气换热流道4为同层相邻固体蓄热砖之间的间隙形成。作为示例，固体蓄热砖为硅基材料砖、铝基材料砖、镁基材料砖、耐火砖、混凝土砖中的任意一种或组合。
48.如图3所示，在其他的一些实施例中，蓄热体结构3为堆垛在一起的金属棒、金属条、金属块、金属球、金属砖中的任意一种或组合，金属棒、金属条、金属块、金属球、金属砖意一种或组合彼此之间有孔隙用于空气对流换热，形成空气换流流道4；或整体金属结构体中间加工出空气换流流道4。
49.作为上述实施例的一种具体示例，当蓄热体结构3为金属棒或者金属条时，外表面包覆耐高温绝缘层，绝缘层外层缠绕电磁加热线圈，利用外接电源给电磁加热线圈供电，实现电磁加热金属蓄热体升温蓄热。
50.如图4所示，在其他的一些实施例中，蓄热体结构3的结构为混凝土分层浇筑结构。具体来说，混凝土中混合石子、电厂钢厂固体废弃物或加强钢丝或钢筋，混凝土中间埋设钢管构成空气换热流道4；或者在混凝土分层浇筑结构中开设在混凝土分层浇筑结构上开设通道作为空气换热流道4。
51.本发明第二方面，提供了一种上述蒸汽固体蓄热装置的蓄放热方法，包括下列步骤：
52.如图5所示，蓄热步骤如下：
53.高温过热蒸汽通过蒸汽进出口管路9进入盘管换热器8的换热盘管内，与换热盘管外的空气进行对流换热，过热蒸汽经过放热逐渐转化为饱和蒸汽、湿蒸汽，最后降温成为冷凝水，从水进出口管路10排出；
54.空气在换热风机驱动下，流经盘管换热器8与换热盘管内的蒸汽进行换热，加热后的空气送入蓄热体结构3内的空气换热流道4，将热量对流换热给蓄热体结构3；
55.如图6所示，放热步骤如下：
56.低温给水通过水进出口管路10进入盘管换热器8的换热盘管内，与换热盘管外的热空气进行对流换热，水在换热盘管内蒸发并进一步过热为过热蒸汽，从蒸汽进出口管路9排出；
57.空气在风机驱动下，流经盘管换热器8加热管内的给水，放热后的空气送入蓄热体结构3内的空气换热流道4，进一步吸收蓄热体结构3的热量而升高温度，然后再进入盘管换
热器8加热换热盘管内的给水。
58.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
59.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
61.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
62.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。