專利名稱：一種新型的過熱蒸汽存儲裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄熱裝置 及方法，尤其涉及一種過熱蒸汽存儲裝置及方法，特別適用于直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽能熱發(fā)電是太陽能熱利用的重要方向，是實現(xiàn)大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最為經(jīng)濟(jì)的手段之一。太陽能熱發(fā)電有三種常用方式塔式太陽能熱發(fā)電、槽式太陽能熱發(fā)電和碟式太陽能熱發(fā)電，其中槽式太陽能熱發(fā)電是目前發(fā)展最為成熟、商業(yè)化水平最高的熱發(fā)電方式。目前，直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)代表了一種先進(jìn)的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的雙回路的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有系統(tǒng)效率高、投資維護(hù)費用低等一系列優(yōu)點。雖然直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是一種非常有前途的太陽能熱發(fā)電方式，但是蓄熱依然是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題。由于太陽能存在不連續(xù)性，且容易受到天氣變化的影響，系統(tǒng)輸出功率存在不穩(wěn)定性。因此，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)需要使用蓄熱裝置，來保證系統(tǒng)能量持續(xù)、穩(wěn)定的輸出。特別是針對直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，蓄熱存儲的對象是氣態(tài)的水蒸氣，相比傳統(tǒng)液態(tài)的導(dǎo)熱油或者熔融巖蓄熱，需要新型的存儲設(shè)備來滿足系統(tǒng)的要求。在直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電的蓄熱環(huán)節(jié)中，現(xiàn)有技術(shù)中常用的蓄熱方法是使用高溫蓄熱器蓄積過熱蒸汽的過熱熱，使用低溫蓄熱換熱器蓄積飽和蒸汽的汽化潛熱用以加熱通入換熱器中的冷卻水，使飽和蒸汽轉(zhuǎn)化為飽和水進(jìn)入太陽能吸熱裝置進(jìn)行下一次循環(huán)，被加熱的冷卻水則通入高溫蓄熱器之后進(jìn)入蒸汽發(fā)電回路進(jìn)行發(fā)電?，F(xiàn)有技術(shù)中的這種蓄熱方式，不能大規(guī)模地蓄積過熱蒸汽，容易受到天氣變化的影響，不利于發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定地輸出功率，且存在蓄熱設(shè)備多、蓄熱材料消耗大、投資費用高、維護(hù)不方便等問題，因此在技術(shù)方案上具有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

發(fā)明內(nèi)容
為了改進(jìn)直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中過熱蒸汽存儲技術(shù)，本發(fā)明提供了一種新型的過熱蒸汽存儲裝置及方法，不僅可以將過熱蒸汽的過熱熱和汽化潛熱分別儲存，實現(xiàn)熱能的高質(zhì)量保存，而且可以實現(xiàn)將熱量和蒸汽存儲于同一設(shè)備之中，明顯簡化系統(tǒng)，節(jié)約設(shè)備投資和運行維護(hù)費用，并且可以大大降低系統(tǒng)受天氣變化的影響，有利于發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定地輸出功率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的過熱蒸汽存儲裝置的技術(shù)方案如下一種新型的過熱蒸汽存儲裝置，包括填充床蓄熱器、蒸汽蓄熱器，其特征在于所述填充床蓄熱器包括熱端管道和冷端管道，其中所述熱端管道作為所述裝置的進(jìn)出口，與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽管道相連，且所述熱端管道上設(shè)有主蒸汽閥門；所述冷端管道與所述蒸汽蓄熱器的進(jìn)汽管道和排汽管道同時相連；所述蒸汽蓄熱器還包括設(shè)置在進(jìn)汽管道上的進(jìn)汽止回閥及截止閥、與進(jìn)汽管道相連的充熱蒸汽管及位于其末端的多個蒸汽噴嘴，蒸汽蓄熱器的排汽管道上設(shè)有排汽截止閥及止回閥及調(diào)壓閥組；蓄熱前，所述蒸汽蓄熱器內(nèi)預(yù)先裝有水，充水系數(shù)為50%-90%，且其內(nèi)部壓力小于蒸汽壓力；蓄熱時，打開所述主蒸汽閥門和進(jìn)汽止回閥及截止閥，關(guān)閉所述排汽截止閥及止回閥，所述主蒸汽管道中的部分過熱蒸汽通過所述熱端管道進(jìn)入所述裝置，通過所述填充床蓄熱器后轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?，之后進(jìn)入蒸汽蓄熱器，經(jīng)所述蒸汽噴嘴噴入蒸汽蓄熱器內(nèi)部，并與其內(nèi)部較低壓力的飽和水進(jìn)行充分摻混，當(dāng)蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力等于進(jìn)入的飽和蒸汽壓力時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門和進(jìn)汽止回閥及截止閥；放熱時，打開所述主蒸汽閥門和排汽截止閥及止回閥，關(guān)閉所述進(jìn)汽止回閥及截止閥，調(diào)節(jié)所述調(diào)壓閥組到一低于所述蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力的設(shè)定的蒸汽壓力，所述蒸汽蓄熱器產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)所述冷端管道進(jìn)入填充床蓄熱器，之后逐步吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽，過熱蒸汽通過所述熱端管道排出所述裝置，并通過所述主蒸汽閥門進(jìn)入到主蒸汽管道中，當(dāng)所述蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力等于所述調(diào)壓閥組設(shè)定的蒸汽壓力值時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門和排汽截止閥及止回閥。所述的過熱蒸汽存儲裝置中，填充床蓄熱器既是換熱器，也是蓄熱器，具體作用·是在蓄熱過程中，填充床蓄熱器吸收并存儲過熱蒸汽的過熱熱，過熱蒸汽通過填充床蓄熱器后，為該壓力下的飽和蒸汽；在放熱過程中，填充床蓄熱器釋放存儲的熱量，加熱來自蒸汽蓄熱器的蒸汽，提高蒸汽的過熱度。優(yōu)選地，填充床蓄熱器內(nèi)部的蓄熱材料為礫石、混凝土、磚、鋁、鑄鐵、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉的一種或者幾種，也可以是裝有蓄熱液體(如水)的瓶子。優(yōu)選地，填充床蓄熱器內(nèi)部中間部分設(shè)有網(wǎng)狀擱板，用于堆放蓄熱工質(zhì)；兩端設(shè)有導(dǎo)流板，保證過熱蒸汽能夠沿流動截面均勻流動。填充床蓄熱器外部設(shè)有足夠厚度的保溫層，保溫材料可以為巖棉、聚氨酯發(fā)泡等材料。熱端管道上裝有截止閥，作為裝置與系統(tǒng)之間的主蒸汽閥門。所述的過熱蒸汽存儲裝置中，蒸汽蓄熱器既是換熱器，也是蒸汽及其汽化潛熱的存儲器，具體作用是在蓄熱過程中，蒸汽蓄熱器吸收并存儲飽和蒸汽的汽化潛熱和液化后的飽和水；在放熱過程中，蒸汽蓄熱器釋放飽和蒸汽及其汽化需要的汽化潛熱。蒸汽蓄熱器至少包括進(jìn)汽管道、進(jìn)汽止回閥及截止閥、充熱蒸汽總管和支管、蒸汽噴嘴、循環(huán)導(dǎo)流筒、汽水分離器、排氣閥、排汽截止閥及止回閥、排汽管道、進(jìn)水閥、排水閥、液位計、壓力計、溫度計、人孔等。蓄熱前，蒸汽蓄熱器內(nèi)預(yù)先裝有水，作為蓄熱工質(zhì)，充水系數(shù)為50%-90%。蒸汽蓄熱器內(nèi)壓力小于蒸汽壓力。蒸汽蓄熱器外部設(shè)有保溫層，保溫材料為巖棉、聚氨酯發(fā)泡
坐寸o所述的過熱蒸汽存儲裝置中，蒸汽蓄熱器的排汽管道上設(shè)有調(diào)壓閥組。調(diào)壓閥組的作用是保證其后的蒸汽壓力為恒定值，使之與直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)整體所需壓力相匹配。其工作過程為該過熱蒸汽存儲裝置的工作過程分為存儲過程和釋放過程兩個階段。在太陽能充足的時候，直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器產(chǎn)生過熱蒸汽。過熱蒸汽在供給發(fā)電設(shè)備的同時，多余的蒸汽通過主蒸汽管道的支路進(jìn)入該過熱蒸汽存儲裝置。此時，過熱蒸汽存儲裝置處于存儲過程階段。打開裝置的主蒸汽閥門和進(jìn)汽管道上的止回閥及截止閥，關(guān)閉排汽管道上的截止閥及止回閥。過熱蒸汽首先通過存儲設(shè)備的主蒸汽閥門，從填充床蓄熱器的熱端管道進(jìn)入蓄熱器。在過熱蒸汽通過填充床蓄熱器的過程中，與填充床蓄熱器內(nèi)部的蓄熱工質(zhì)發(fā)生熱交換，自身的過熱熱存儲于填充床蓄熱器內(nèi)，自身溫度逐漸降低。過熱蒸汽從蓄熱器冷端口出來后，壓力略有下降，溫度為該壓力下的飽和溫度，蒸汽處于飽和蒸汽狀態(tài)。填充床蓄熱器內(nèi)的蓄熱工質(zhì)因為吸收了過熱蒸汽的熱量，自身溫度上升，且沿蒸汽的流動方向存在溫度分層現(xiàn)象。飽和蒸汽從填充床蓄熱器冷端管道出來后，通過蒸汽蓄熱器的進(jìn)汽管道進(jìn)入蒸汽蓄熱器。飽和蒸汽從蒸汽噴嘴噴入蒸汽蓄熱器內(nèi)部，與其內(nèi)部較 低壓力的飽和水進(jìn)行摻混。在循環(huán)導(dǎo)流筒的作用下，飽和蒸汽在水中進(jìn)行環(huán)流，能夠與水進(jìn)行充分混合，避免了溫度分層現(xiàn)象。由于飽和蒸汽的溫度高于蒸汽蓄熱器內(nèi)部的飽和水，蒸汽釋放出自身的汽化潛熱，相變成為該壓力下的飽和水。蒸汽蓄熱器內(nèi)部水由于吸收飽和蒸汽的汽化潛熱，自身溫度、壓力不斷升高，且始終處于飽和狀態(tài)。當(dāng)蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力等于進(jìn)入的飽和蒸汽壓力時，其蓄熱能力達(dá)到極限。關(guān)閉裝置的主蒸汽閥門和進(jìn)汽管道的止回閥及截止閥，過熱蒸汽存儲裝置的存儲工作階段結(jié)束。當(dāng)出現(xiàn)光照不足等情況時，直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)不能產(chǎn)生蒸汽或者產(chǎn)生的蒸汽不足，該過熱蒸汽存儲裝置向發(fā)電設(shè)備釋放過熱蒸汽，此時過熱蒸汽存儲裝置處于釋放過程階段。打開裝置的主蒸汽閥門和排汽管道上的止回閥和截止閥，關(guān)閉進(jìn)汽管道上的截止閥和止回閥，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥組到發(fā)電設(shè)備需要的蒸汽壓力。由于蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力高于調(diào)壓閥組后的壓力，蒸汽蓄熱器會不斷地產(chǎn)生飽和蒸汽。在該過程中，由于產(chǎn)生蒸汽的過程需要吸收汽化潛熱，蒸汽蓄熱器內(nèi)部的溫度和壓力不斷降低，產(chǎn)生的飽和蒸汽的壓力也逐漸降低。飽和蒸汽在通過調(diào)壓閥組后，壓力下降到設(shè)定值，并且在釋放過程中保持恒定。在調(diào)壓閥組的節(jié)流作用下，蒸汽處于該壓力下的過熱蒸汽狀態(tài)。然后，蒸汽通過填充床蓄熱器的冷端管道進(jìn)入填充床蓄熱器。在該過程中，蒸汽與填充床蓄熱器內(nèi)部的蓄熱工質(zhì)發(fā)生熱交換，自身溫度不斷升高。蓄熱工質(zhì)因為釋放了熱量，自身溫度逐漸下降，且沿蒸汽的流動方向溫度分層現(xiàn)象減弱。從填充床蓄熱器熱端管道出來后，過熱蒸汽通過主蒸汽閥門進(jìn)入到太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽管道。當(dāng)蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力等于調(diào)壓閥組設(shè)定的壓力值時，蒸汽蓄熱器將不再產(chǎn)生飽和蒸汽。關(guān)閉裝置的主蒸汽閥門和蒸汽蓄熱器排汽管道上的截止閥和止回閥，過熱蒸汽存儲裝置的釋放工作階段結(jié)束。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種過熱蒸汽蓄熱/放熱方法，用于直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，使用本發(fā)明的過熱蒸汽存儲裝置，其特征在于在太陽能充足時進(jìn)行蓄熱，打開所述主蒸汽閥門和進(jìn)汽止回閥及截止閥，關(guān)閉所述排汽截止閥及止回閥，所述主蒸汽管道中的部分過熱蒸汽通過所述熱端管道進(jìn)入所述裝置，通過所述填充床蓄熱器后轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?，之后進(jìn)入蒸汽蓄熱器，經(jīng)所述蒸汽噴嘴噴入蒸汽蓄熱器內(nèi)部，并與其內(nèi)部較低壓力的飽和水進(jìn)行充分摻混，當(dāng)蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力等于進(jìn)入的飽和蒸汽壓力時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門和進(jìn)汽止回閥及截止閥；當(dāng)光照不足時放熱，打開所述主蒸汽閥門和排汽截止閥及止回閥，關(guān)閉所述進(jìn)汽止回閥及截止閥，調(diào)節(jié)所述調(diào)壓閥組到一低于所述蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力的設(shè)定的蒸汽壓力，所述蒸汽蓄熱器產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)所述冷端管道進(jìn)入填充床蓄熱器，之后逐步吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽，過熱蒸汽通過所述熱端管道排出所述裝置，并通過所述主蒸汽閥門進(jìn)入到主蒸汽管道中，當(dāng)所述蒸汽蓄熱器內(nèi)部壓力等于所述調(diào)壓閥組設(shè)定的蒸汽壓力值時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門和排汽截止閥及止回閥。
優(yōu)選地，在蓄熱過程中，填充床蓄熱器吸收并存儲過熱蒸汽的過熱熱，過熱蒸汽通過填充床蓄熱器后，為該壓力下的飽和蒸汽；在放熱過程中，填充床蓄熱器釋放存儲的熱量，加熱來自所述蒸汽蓄熱器的蒸汽，提高蒸汽的過熱度。優(yōu)選地，在蓄熱過程中，蒸汽蓄熱器吸收并存儲飽和蒸汽的汽化潛熱和液化后的飽和水；在放熱過程中，蒸汽蓄熱器釋放飽和蒸汽及其汽化需要的汽化潛熱。本發(fā)明的有益效果是1.能夠為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)存儲過熱蒸汽，保證系統(tǒng)的持續(xù)運行；2.將過熱蒸汽以飽和水的形式存儲，極大地節(jié)省了空間和投資；3.將過熱蒸汽的過熱熱和汽化潛熱分別存儲，保證了存儲的熱能品位；4.將汽化潛熱與液化水存儲于蒸汽蓄熱器，避免使用新的蓄熱材料，同時減少了設(shè)備的投資；5.可以大大降低系統(tǒng)受天氣變化的影響，有利于發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定地輸出功率。


圖I為本發(fā)明的過熱蒸汽存儲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。·
圖2為填充床蓄熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為蒸汽蓄熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I.主蒸汽閥門，2.填充床蓄熱器熱端管道，3.填充床蓄熱器，4.填充床蓄熱器保溫層，5.填充床蓄熱器蓄熱材料，6.網(wǎng)狀擱板，7.導(dǎo)流板，8.填充床蓄熱器冷端管道，
9.蒸汽蓄熱器，10.蒸汽蓄熱器進(jìn)汽管道，11.進(jìn)汽止回閥及截止閥，12.充熱蒸汽管，13.蒸汽噴嘴，14.循環(huán)導(dǎo)流筒，15.汽水分離器，16.排氣管，17.排汽截止閥及止回閥，18.蒸汽蓄熱器排汽管道，19.進(jìn)水口，20.排水閥，21.液位計，22.壓力計，23.溫度計，24.人孔，
25.蒸汽蓄熱器保溫層，26.調(diào)壓閥組。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。以下所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不因此而限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。該實施例為能夠為500kW級的直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)提供6小時過熱蒸汽的存儲裝置。在存儲工作過程中，太陽能集熱器產(chǎn)生過熱蒸汽壓力為2. 5MPa，溫度為305°C，蒸汽流量為7. 4噸/小時，其中3. 8噸/小時的流量流入過熱蒸汽存儲裝置，存儲時間為6小時。在釋放工作過程中，過熱蒸汽存儲裝置向發(fā)電設(shè)備提供3. 6噸/小時的過熱蒸汽，蒸汽壓力為I. 5MPa，溫度為305°C，釋放時間為6小時。如圖I所示，該實施例的過熱蒸汽存儲裝置，由一個填充床蓄熱器3、三個蒸汽蓄熱器9、三套蒸汽調(diào)壓閥組26，以及相關(guān)的管路和閥門組成。其中，填充床蓄熱器3的熱端管道2作為裝置的進(jìn)出口，通過主蒸汽閥門I與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽管道相連；填充床蓄熱器3的冷端管道8分為三個支路，分別與三個蒸汽蓄熱器9相連；每個支路分為二個分路，分別與各個蒸汽蓄熱器9的進(jìn)汽管道10和排汽管道18相連；每個蒸汽蓄熱器9的排汽管道18上設(shè)有一套調(diào)壓閥組26。如圖2所示，該實施例中的填充床蓄熱器3，為立式，使用橢圓形封頭。其容積為40m3，直徑2. 4米，筒身高度8. I米，總高9. 5米。筒體材料為不銹鋼304，壁厚15毫米。填充床蓄熱器3內(nèi)中部設(shè)有網(wǎng)狀擱板6，兩端設(shè)有導(dǎo)流板7。為保證填充床蓄熱器3的保溫效果，蓄熱器外包有保溫層4，保溫層4使用聚氨酯發(fā)泡工藝，厚度為15厘米。填充床蓄熱器3內(nèi)部孔隙率為40%，裝有平均直徑為10毫米的石子，作為蓄熱材料5。石子裝有67噸，體積為25m3。保溫層外設(shè)有不銹鋼材質(zhì)的保護(hù)層。填充床蓄熱器3存儲過程結(jié)束時內(nèi)部整體溫度接近305°C，釋放過程結(jié)束時內(nèi)部溫度為210°C。如圖3所示，該實施例中的蒸汽蓄熱器9，為臥式，使用橢 圓形封頭。根據(jù)系統(tǒng)要求，選用3個蒸汽蓄熱器并聯(lián)。每個蒸汽蓄熱器容積為200m3，直徑4. 0米，長度16. 9米，總高6. 4米。材料為碳鋼，壁厚20毫米。蒸汽蓄熱器9包括進(jìn)汽管道10、進(jìn)汽止回閥及截止閥11、充熱蒸汽管12(包括充熱蒸汽總管和支管)、蒸汽噴嘴13、循環(huán)導(dǎo)流筒14、汽水分離器
15、排氣閥16、排汽截止閥及止回閥17、排汽管道18、進(jìn)水閥19、排水閥20、液位計21、壓力計22、溫度計23、人孔24等。蒸汽蓄熱器9的初始充水系數(shù)為75%。為保證蒸汽蓄熱器9的保溫效果，蓄熱器外包有保溫層25，保溫層使用聚氨酯發(fā)泡工藝，厚度為15厘米。保溫層25外設(shè)有不銹鋼材質(zhì)的保護(hù)層。蒸汽蓄熱器9的壓力上限為2. 5MPa，壓力下限為I. 5MPa。該實施例中的調(diào)壓閥組26，設(shè)在蒸汽蓄熱器的排汽管道18上。調(diào)壓閥組26的出口壓力設(shè)定為I. 5MPa。該實施例中的主蒸汽閥門1，設(shè)在過熱蒸汽存儲設(shè)備與系統(tǒng)主蒸汽管道之間，控制存儲設(shè)備與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)之間的通閉。主蒸汽閥門I使用不銹鋼材質(zhì)，選用截止閥，公稱直徑為DN100。該實施例中填充床蓄熱器的熱端管道2和冷端管道8，使用不銹鋼材質(zhì)，管徑為DN150 ;各蒸汽蓄熱器的進(jìn)汽管道10和排汽管道18，使用不銹鋼材質(zhì)，管徑為DN50。其工作過程為在存儲工作過程中，太陽能集熱器產(chǎn)生過熱蒸汽壓力為2. 5MPa，溫度為305°C，蒸汽流量為7. 4噸/小時，其中3. 8噸/小時的流量流入過熱蒸汽存儲裝置，存儲時間為6小時。首先，打開存儲設(shè)備的主蒸汽閥門I、各蒸汽蓄熱器進(jìn)汽管道的截止閥及止回閥11，關(guān)閉蒸汽蓄熱器排汽管道的截止閥及止回閥17。此時，過熱蒸汽首先通過填充床蓄熱器3。在填充床蓄熱器的熱端管道2,過熱蒸汽的溫度為305°C,壓力為2. 5MPa。通過填充床蓄熱器3后，蒸汽因降溫達(dá)到飽和蒸汽狀態(tài)，蒸汽壓力略有下降，溫度為相應(yīng)壓力下的飽和溫度224°C。在存儲的過程中，填充床蓄熱器內(nèi)部蓄熱材料5的溫度逐漸上升，最初為210°C，在存儲過程結(jié)束時，整體溫度接近305°C。在此過程中，填充床蓄熱器3內(nèi)部存在溫度分層現(xiàn)象。飽和蒸汽通過填充床蓄熱器冷端管道8分為三路，分別進(jìn)入三個蒸汽蓄熱器9的進(jìn)汽管道10。通過進(jìn)汽管道10上的止回閥及截止閥11和蒸汽噴嘴13，飽和蒸汽進(jìn)入蒸汽蓄熱器9。蒸汽噴嘴13外套有循環(huán)導(dǎo)流筒14，飽和蒸汽與內(nèi)部飽和水發(fā)生摻混，自身轉(zhuǎn)化為飽和水，存儲于蒸汽蓄熱器9內(nèi)。蒸汽蓄熱器9在存儲過程開始時內(nèi)部壓力為1.5MPa，溫度為198°C，存儲過程結(jié)束時內(nèi)部壓力為2. 5MPa，溫度為224°C。蒸汽蓄熱器9的單位蓄熱量為40kg/m3。通過6小時的存儲過程，過熱蒸汽存儲裝置共存儲蒸汽22. 8噸，蓄熱量為68885. 64MJ，其中填充床蓄熱器3蓄熱5002. 32MJ，蒸汽蓄熱器9蓄熱63883. 32MJ。在存儲工作階段結(jié)束時，關(guān)閉裝置的主蒸汽閥門I和各蒸汽蓄熱器進(jìn)汽管道的截止閥及止回閥11。在釋放工作過程中，過熱蒸汽存儲裝置向直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)提供過熱蒸汽。過熱蒸汽壓力為I. 5MPa，溫度為305°C，蒸汽流量為3. 6噸/小時，釋放時間為6小時。在該過程初期，蒸汽蓄熱器9內(nèi)部壓力為2. 5MPa，溫度為224°C，填充床蓄熱器3內(nèi)部溫度為305°C。首先，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥組26的壓力為I. 5MPa，打開裝置的主蒸汽閥門I和排汽管道上的截止閥及止回閥17，關(guān)閉進(jìn)汽管道的止回閥及截止閥11。由于蒸汽蓄熱器9內(nèi)部壓力高于調(diào)壓閥組26后的壓力，蒸汽蓄熱器9內(nèi)部的飽和水會不斷地產(chǎn)生飽和蒸汽，并通過調(diào)壓閥組26降壓后弓I出蒸汽蓄熱器9。此時，蒸汽壓力為1. 5MPa，蒸汽溫度由于節(jié)流作用高于其飽和溫度。然后，蒸汽通過填充床蓄熱器的冷端管道8進(jìn)入填充床蓄熱器3，吸收蓄熱工質(zhì)5的熱量，自身溫度不斷升高。在蒸汽流出填充床蓄熱器3后，其壓力略低于1.5MPa，溫度升高到305°C。從填充床蓄熱器熱端管道2出來后，過熱蒸汽通過主蒸汽閥門I進(jìn)入到太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽管道。填充床蓄熱器3內(nèi)的蓄熱工質(zhì)5因為釋放了熱量，自身溫度逐漸下降，且沿蒸汽的流動方向溫度分層現(xiàn)象減弱。當(dāng)蒸汽蓄熱器9內(nèi)部的壓力等于調(diào)壓閥組26設(shè)定的壓力值時，蒸汽蓄熱器9將不再產(chǎn)生飽和蒸汽。關(guān)閉裝置的主蒸汽閥門I和蒸汽蓄熱器排汽管道上的截止閥及止回閥17，過熱蒸汽存儲裝置的釋放工作階段結(jié)束。過程結(jié)束時，蒸汽蓄熱器9內(nèi)部壓力降低到I. 5MPa，溫度為對應(yīng)的飽和溫度198°C，填充床蓄熱器3內(nèi)部整體溫度降低到210°C。該過程中，蒸汽蓄熱器9的單位蒸汽量為36kg/·m3，過熱蒸汽存儲裝置可穩(wěn)定持續(xù)6個小時，共產(chǎn)生蒸汽21. 6噸，放熱68885. 64MJ，其中填充床蓄熱器3蓄熱5002. 32MJ，蒸汽蓄熱器9蓄熱63883. 32MJ。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型的過熱蒸汽存儲裝置，包括填充床蓄熱器(3)、蒸汽蓄熱器(9)，其特征在于 所述填充床蓄熱器(3 )包括熱端管道(2 )和冷端管道(8 )，其中所述熱端管道(2 )作為所述裝置的進(jìn)出口，與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽管道相連，且所述熱端管道(2)上設(shè)有主蒸汽閥門(I);所述冷端管道(8)與所述蒸汽蓄熱器(9)的進(jìn)汽管道(10)和排汽管道(18)同時相連； 所述蒸汽蓄熱器(9 )還包括設(shè)置在進(jìn)汽管道(10 )上的進(jìn)汽止回閥及截止閥(11)、與進(jìn)汽管道(10)相連的充熱蒸汽管(12)及位于其末端的多個蒸汽噴嘴(13)，蒸汽蓄熱器(9)的排汽管道(18)上設(shè)有排汽截止閥及止回閥(17)及調(diào)壓閥組(26);蓄熱前，所述蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)預(yù)先裝有水，充水系數(shù)為50%-90%，且其內(nèi)部壓力小于蒸汽壓力； 蓄熱時，打開所述主蒸汽閥門(I)和進(jìn)汽止回閥及截止閥(11)，關(guān)閉所述排汽截止閥及止回閥(17)，所述主蒸汽管道中的部分過熱蒸汽通過所述熱端管道(2)進(jìn)入所述裝置，通過所述填充床蓄熱器(3)后轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?，之后進(jìn)入蒸汽蓄熱器(9)，經(jīng)所述蒸汽噴嘴(13)噴入蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部，并與其內(nèi)部較低壓力的飽和水進(jìn)行充分摻混，當(dāng)蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部壓力等于進(jìn)入的飽和蒸汽壓力時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門(I)和進(jìn)汽止回閥及截止閥(11)； 放熱時，打開所述主蒸汽閥門(I)和排汽截止閥及止回閥(17)，關(guān)閉所述進(jìn)汽止回閥及截止閥(11)，調(diào)節(jié)所述調(diào)壓閥組(26)到一低于所述蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部壓力的設(shè)定的蒸汽壓力，所述蒸汽蓄熱器(9 )產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)所述冷端管道(8 )進(jìn)入填充床蓄熱器(3)，之后逐步吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽，過熱蒸汽通過所述熱端管道(2)排出所述裝置，并通過所述主蒸汽閥門(I)進(jìn)入到主蒸汽管道中，當(dāng)所述蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部壓力等于所述調(diào)壓閥組(26)設(shè)定的蒸汽壓力值時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門(I)和排汽截止閥及止回閥(17)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述蒸汽蓄熱器(9)還包括汽水分離器(15)、排氣閥(16)、進(jìn)水閥(19)、排水閥(20)、液位計(21)、壓力計(22)、溫度計(23)及人孔(24)，所述充熱蒸汽管(12)包括充熱蒸汽總管和若干支管，各所述蒸汽噴嘴(13)分別設(shè)置于各支管的末端，各所述蒸汽噴嘴(13)外套有循環(huán)導(dǎo)流筒(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述裝置存儲的過熱蒸汽的工質(zhì)為水，所述填充床蓄熱器(3)存儲過熱蒸汽的過熱熱，所述蒸汽蓄熱器(9)存儲過熱蒸汽的汽化潛熱和冷凝水，所述調(diào)壓閥組(26)將通過其的蒸汽調(diào)低至一恒定的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述裝置包括至少一個填充床蓄熱器(3 )，每個所述填充床蓄熱器(3 )連接有至少一個蒸汽蓄熱器(9 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述的填充床換熱器(3)內(nèi)部的蓄熱工質(zhì)(5)可以為礫石、混凝土、磚、鋁、鑄鐵、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉的一種或者幾種，也可以是內(nèi)部裝有蓄熱液體的瓶子。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5任一項所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述的填充床蓄熱器(3)內(nèi)部設(shè)有用于堆放蓄熱工質(zhì)(5)的網(wǎng)狀擱板(6)，兩端設(shè)有導(dǎo)流板(7)，保證過熱蒸汽能夠沿流動界面均勻流動。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述的填充床換熱器(3)外部設(shè)有保溫層(4)，保溫材料為巖棉、聚氨酯泡沫等。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7任一項所述的新型過熱蒸汽存儲裝置，其特征是所述的蒸汽蓄熱器(9)外部設(shè)有保溫層(25)，保溫材料為巖棉、聚氨酯泡沫等。
9.一種過熱蒸汽蓄熱/放熱方法，用于直接產(chǎn)生蒸汽的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，使用根據(jù)權(quán)利要求I至8任一項所述的過熱蒸汽存儲裝置，其特征在于 在太陽能充足時進(jìn)行蓄熱，打開所述主蒸汽閥門(I)和進(jìn)汽止回閥及截止閥(11)，關(guān)閉所述排汽截止閥及止回閥(17)，所述主蒸汽管道中的部分過熱蒸汽通過所述熱端管道(2)進(jìn)入所述裝置，通過所述填充床蓄熱器(3)后轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼羝?，之后進(jìn)入蒸汽蓄熱器(9),經(jīng)所述蒸汽噴嘴(13)噴入蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部，并與其內(nèi)部較低壓力的飽和水進(jìn)行充分摻混，當(dāng)蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部壓力等于進(jìn)入的飽和蒸汽壓力時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門(I)和進(jìn)汽止回閥及截止閥(11); 當(dāng)光照不足時放熱，打開所述主蒸汽閥門(I)和排汽截止閥及止回閥(17)，關(guān)閉所述進(jìn)汽止回閥及截止閥(11)，調(diào)節(jié)所述調(diào)壓閥組(26 )到一低于所述蒸汽蓄熱器(9 )內(nèi)部壓力的設(shè)定的蒸汽壓力，所述蒸汽蓄熱器(9)產(chǎn)生飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)所述冷端管道(8)進(jìn)入填充床蓄熱器(3)，之后逐步吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽，過熱蒸汽通過所述熱端管道(2)排出所述裝置，并通過所述主蒸汽閥門(I)進(jìn)入到主蒸汽管道中，當(dāng)所述蒸汽蓄熱器(9)內(nèi)部壓力等于所述調(diào)壓閥組(26)設(shè)定的蒸汽壓力值時，關(guān)閉所述主蒸汽閥門(I)和排汽截止閥及止回閥(17)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的過熱蒸汽蓄熱/放熱方法，其特征是所述填充床蓄熱器(3)既是換熱器，也是蓄熱器，在蓄熱過程中，填充床蓄熱器(3)吸收并存儲過熱蒸汽的過熱熱，過熱蒸汽通過填充床蓄熱器(3)后，為該壓力下的飽和蒸汽；在放熱過程中，填充床蓄熱器(3)釋放存儲的熱量，加熱來自所述蒸汽蓄熱器(9)的蒸汽，提高蒸汽的過熱度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的過熱蒸汽存儲裝置及方法。該裝置由填充床蓄熱器、蒸汽蓄熱器、調(diào)壓閥組，以及相關(guān)的管路和閥門組成。其中，填充床蓄熱器的熱端管道與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主蒸汽管道相連；填充床蓄熱器的冷端管道設(shè)兩路分管，分別與蒸汽蓄熱器的進(jìn)汽管道和排汽管道相連；蒸汽蓄熱器的排汽管道上設(shè)有調(diào)壓閥組。該裝置不僅可以將過熱蒸汽的過熱熱和汽化潛熱分別儲存，實現(xiàn)能量的高質(zhì)量保存，而且可以實現(xiàn)將熱量和蒸汽存儲于同一設(shè)備之中，從而明顯簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約設(shè)備投資和運行維護(hù)費用。
文檔編號F28D20/00GK102944131SQ20121047300
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者楊征, 陳海生, 王亮, 王藝斐, 譚春青 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所