固体颗粒物蓄放热装置及包含该装置的蓄放热系统的制作方法

本技术属于储能，特别涉及到热储能。

背景技术：

1、为降低二氧化碳排放所造成的温室效应，保护环境，使用清洁能源是必由之路。

2、近年来风电、光伏发电、光热发电取得了长足的进步，特别是风电和光伏发电两方面，其中光热发电的发展显得相对较落后，这其中原因有多种，但其中蓄热技术不能充分满足光热发电的多方面要求是重要原因之一。

3、尽管目前的常规认识是：熔盐蓄热技术在光热发电领域的应用已经取得长足进步，但本实用新型发明人认为仍有较大的改进空间，主要是两个方面：如何降低整个蓄热系统的造价和避免随着温度的提高熔盐腐性增加及相关的问题。

4、此外，随着风电、光电等波动性清洁能源的发展，电网发电量的波动量加剧，为实现这些清洁能源的有效消纳，火力发电厂必须具有良好的灵活调节能力，储能是火力发电厂的主要调节手段。尽管近年来，能源行业人士研究开发了多种灵活性调节技术，但大都存在“能源效率低”（例如电固体锅炉调峰技术、电熔盐锅炉调峰技术、电极锅炉调峰技术等）、“投资高”（例如电池储能技术）的问题。

5、所以，开发出一种可有效降低成本、能有效解决腐蚀性问题并且还能提高能源效率的储热技术一直是储热行业的关键工作。

6、本实用新型提供一种“固体颗粒物蓄热装置”及其系统应用方法，可在光热发电领域与火电灵活性蓄热领域取得较大的技术提升，主要包括：成本降低、腐蚀性问题降低、热效率提升、施工方便等等。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种“固体颗粒物蓄热装置”及其应用方法，以实现光热发电及火电灵活性改造技术领域的技术提升，主要包括：成本降低或可控、提高用户侧的热效率、施工方便等方面。

2、本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

3、为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

4、一种蓄放热装置，包括：蓄热介质、介质容器、蓄放热换热器、循环介质；所述蓄热介质为蓄放热温度区间内物理性质、化学性质稳定且易于就地取材的颗粒状物质如沙粒、煤渣、石子等，蓄热介质填充于介质容器内部；所述蓄放热换热器的传热单元分布于蓄热介质之间；蓄放热换热器由一系列管状传热单元、热端集管、冷端集管等组成，所述管状传热单元的外表面与蓄热介质相接触，管内为循环介质的流动通道；所述循环介质为流体物质；管状传热单元的管路两端分别与热端集管和冷端集管连接形成完整的蓄放热换热器并可通过热端集管和冷端集管与外部管路或设备连接，实现蓄热或放热过程。

5、为较好地说明上述技术方案的优势，这里仍以熔盐光热发电的蓄热系统为例进行说明。为此，首先介质一下目前光热发电所用蓄热设备“熔盐蓄热系统”，如附图3所示。其基本组成包括：高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温罐熔盐泵、低温罐熔盐泵、相关管路和阀门等。

6、相比现有光热发电用蓄热装置，本实用新型所述蓄热装置具有如下优势：

7、a.利用沙粒或煤渣等固体颗粒物作为蓄热介质，相比需要工业过程生产或经过采矿提炼之后才能得到的熔盐蓄热介质，具有显著的成本优势；

8、b.将熔盐双罐(双容器)改变成单个固体颗粒容器，在同等基准下(同等蓄热量、同等输出热工工况参数等),固体颗粒物蓄热装置的总占地面积及占用空间将减小；

9、c.沙子类固体颗粒物在沙漠地带，可谓取之不尽，相比熔盐介质，可减少制造、运输等过程的时间和成本，有利于缩短工程的实施周期并进一步降低成本；

10、d.沙粒、煤渣等固体颗粒物介质可以耐高温、无腐蚀，因此，固体蓄热介质容器相比于熔盐罐，对相关材料的要求大幅度降低，有利于降低成本，大幅度延长使用寿命；

11、e.即使需要在介质容器中安装蓄放热换热器，会增加一部份成本，但经过分析，不难发现：本实用新型蓄热装置的总造价仍有很大的成本优势；

12、f.采用固体颗粒物作为蓄热介质，其介质充装的要求不高，而熔盐介质在现场充装时，要求较高，因为其高温熔解等工艺过程较为复杂；

13、g.在非使用期间，无需担忧蓄热介质温度降低；而熔盐则必须保持在较高的温度，以避免因温度降低而凝固的事故；

14、h.该蓄热装置应用于火力发电设备的发电灵活性调节时，还同时解决了电厂的一部份煤渣的处理工作量及相应的费用；

15、i.本实用新型的蓄热装置还具备使用建筑垃圾作为蓄热介质的可行性，减少建筑垃圾的处理过程和费用。

16、此外，使用砂粒等固体颗粒物蓄热的技术方案虽然已经有人提出来，但所提出的具体实施方案却与本实用新型不相同(主要包括：蓄热过程方法不同， 取热或放热过程方法不同，蓄热容器的建造方法不同、保温方法不同、用热方法不同等等)，例如下列专利技术都有多方面与本实用新型不相同：

17、对比专利1：申请号为202210493237.2由上海电气集团股份有限公司申请的“一种储换热一体的固体颗粒储热设备”；

18、对比专利2：申请号为202210548899.5由湖南大学申请的“一种太阳能跨季节沙子高温蓄热建筑采暖”；

19、对比专利3：申请号为202221647288.8由中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司申请的“基于沙子储热的火电机组”；

20、对比专利4：申请号为202110268220.2由华中科技大学申请的“一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统”；

21、本实用新型发明人认为，这些采用了固体颗粒物蓄热的技术方案没有提出良好的、更易于实施的具体技术方案，例如：

22、对比专利1：保温结构复杂；蓄热装置采用电加热装置，内置于蓄热介质的下部，不利于外部蓄热装置的应用，不利于加热装置的选择(电加热装置的加热温度也将很高，因为难以将热量传递到上部的蓄热介质)

23、对比专利2：保温结构复杂，施工难度大；蓄热和放热换热器采用了双换热器（增加成本和复杂性）；可适用的应用范围小；

24、对比专利3和专利4：采用了“砂子流动”和“双介质容器”的方案，显著增加了系统的复杂性；

25、优选地，本实用新型将蓄热介质选定为适合于蓄热温度为300-800℃、以硅酸盐为主的物质，这类物质在这个温度范围内、甚至温度高到1500℃时，都不会出现物理性质、化学性质的改变，可放心使用。碳酸盐类颗粒物质则不适合于此应用，因为会出现分解、结块等现象。

26、在这个温度范围内，可选循环介质范围比较广泛，也非常适合于本实用新型的蓄热装置在光热发电领域的应用。

27、优先地，所述蓄放热换热器采用多通路蛇形管结构，包括：热端集管、冷端集管、蛇形管，所述蛇形管有多根，蛇形管的一端与热端集管连接，另一端与冷端集管连接。采用该技术方案，可使换热器的加工难度降低、安装和维护的难度降低，使本实用新型的实施可行性提高。

28、优选地，所述介质容器的保温材料直接使用与蓄热介质相同的材料，并且蓄热介质直接接触容器内表面。这就使蓄热容器的结构大幅度简化、成本大幅度降低，因为不需要进行复杂的保温结构设计和建造，介质容器外壳的材料可以使用常规材料。

29、优选地，在蓄热介质的表面覆盖薄层强化导热性能的物质，从而在成本投入增加不多的情况下，有效提升固体颗粒蓄热介质的导热性能，提升传热效率，还可间接起到降低蓄放热换热器成本的作用，总体成本可下降。

30、优选地，本实用新型采用蓄热介质小温差蓄热放热的设计、运行方式，即蓄热介质的蓄热完毕温度与放热完毕温度差值范围为60℃到135℃之间。采用这种技术方案，可以大幅度提高该蓄热系统的用户侧的用热温度，即提升用户的用热品位，提升用户的使用效率，例如：应用于光热发电时，可以使发电机组工作在超临界工况，显著提升发电效率。另一方面，如果热用户并不需要很高的用热温度时，采用这种技术方案则可以使热源侧的供热温度降低，可提高热源侧的供热效率。例如，如果热源设备为太阳能光热设备的话，可以降低光热设备的吸热装置的吸热温度，从而提升吸热的效率。

31、优选地，本实用新型采用蓄放热换热器小温差换热的设计、运行方式，即蓄放热换热器的热侧温度与冷侧温度的平均温差控制在10℃到30℃之间。与小温差蓄热相似，该技术同样可提高本蓄热装置的热用户的用热品位和用热效率或者提高热源设备的供热效率。

32、优选地，本实用新型提供一种带有模式切换装置的固体颗粒物蓄热装置系统，包括所述固体颗粒物蓄热装置、模式切换装置及相关管路，其中，所述模式切换装置用于蓄热模式、放热模式的切换，包括介质循环泵、进口蓄热阀、出口蓄热阀、进口放热阀、出口放热阀及相关管路组成，进口蓄热阀与进口放热阀的出口连接到介质循环泵的进口，出口蓄热阀与出口放热阀的进口连接到介质循环泵的出口，出口放热阀的出口连接到进口蓄热阀的进口；整套切换装置按这种方式连接后形成其对外的3个接口，即：用于与热源设备的介质进口连接的接口(简称为a接口或热源接口)，进口放热阀的进入接口（简称为b接口或热用户接口），蓄热进入阀进口与放热出口阀出口连接后的共同接口（称称为c接口或蓄热装置接口）；所述蓄热装置的蓄放热换热器冷端接口连接到模式切换装置的蓄热装置接口（c接口）；所述蓄热装置的蓄放热换热器的热端接口用于连接到热用户设备的用户介质进口及热源设备的热源介质出口。

33、由于提供了该蓄热系统，使所述固体颗粒物蓄热装置具有了更优化的使用方法或流程设计方法。所述模式切换装置采用蓄热介质泵动力驱动蓄热介质的循环运动。该模式切换装置对蓄热介质的流程进行了良好的设计，通过阀门和管路的切换，使蓄热介质泵的工作介质终始是来自于蓄热系统中的温度较低的介质，有利于降低介质泵的获取难度、延长泵的使用寿命。

34、采用这种模式切换装置，还使蓄热循环与放热循环过程中热的循环介质始终在蓄热介质(蓄热体)的上部，冷的循环介质始终在蓄热介质(蓄热体)的下部，实现热流方向更有组织的、更有效的热力过程。

35、优选地，本实用新型提供一种带有蓄热介质自然循环的模式切换装置的固体颗粒物蓄放热系统，包括所述固体颗粒物蓄热装置、模式切换装置及相关管路，其中，所述模式切换装置用于蓄热模式、放热模式的切换，包括蓄热阀和放热阀及相关管路，蓄热阀与放热阀并联安装且流动方向相反；整套切换装置管路连接完成后形成其对外部管路的3个连接接口，分别为：蓄热阀进口与放热阀的出口连接后形成其共同对外的接口(简称为c接口或蓄热装置接口)、蓄热阀的出口接口（简称为a接口或接源接口）、放热阀的进口接口（简称为b接口或热用户接口）。模式切换装置的热源接口连接到蓄热装置的蓄放热换热器的冷端接口。所述蓄热装置的蓄放热换热器的热端接口用于连接到热用户设备的用户介质进口及热源设备的热源介质出口。

36、由于提供了该蓄热系统，使所述固体颗粒物蓄热装置具有了另一种优化的使用方法，适用于蓄放热循环过程中循环介质为饱和状态的循环介质。所述模式切换装置采用蓄热介质自然循环的运动原理，使所述蓄热系统的流程更简单。

37、该模式切换装置对蓄热介质的流程进行了良好的设计，通过阀门和管路的切换，使蓄热循环与放热循环过程中，热的循环介质始终在蓄热介质的上部，冷的循环介质始终在蓄热介质的下部，实现更有效的热力过程。