一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统及操作方法

技术领域

本发明涉及工业用蒸汽或民用供暖领域，具体涉及一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统及操作方法。

背景技术

储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用率的先进技术和有效手段。该技术可以缓解企业由于峰谷电价差导致的制造成本增加，平衡电网峰谷负荷,缓解电厂和输配电设施的建设投资压力。基于储能技术的蓄热技术开发是众多企业追求的目标，但传统蓄热技术(水蓄能、固体储热、蒸汽蓄热、导热油蓄热)存在体积大、能量密度低，液汽相变过程中存在压力高、投资大等缺点。以相变熔盐为基础的蓄热技术具有蓄热密度高、体积小、安全性高等优势，成为目前最具前景的发展技术之一。但是在实际相变熔盐应用中，随着温度的变化熔盐导热效率不稳定，因此如何使用高效率的换热系统是制约着熔盐在整个储热系统中的快速发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统及操作方法，以解决在实际相变熔盐应用中，随着温度的变化熔盐导热效率不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统，包括蒸汽发生器模块、熔盐储热模块、熔盐换热模块、地源热泵和太阳能集热器；熔盐换热模块设置在熔盐储热模块上，蒸汽发生器模块与熔盐换热装置连接；蒸汽发生器模块包括给水泵、蒸汽换热器和喷水减温器，给水泵、蒸汽换热器和喷水减温器依次连接；熔盐换热模块包括导热油泵和熔盐换热装置，熔盐换热装置的一端通过导热油泵与蒸汽换热器连接，熔盐换热装置的另一端连接到蒸汽换热器形成闭环；熔盐换热装置的另一端还连接太阳能集热器，蒸汽换热器还连接到地源热泵，地源热泵和太阳能集热器互相连接。

可选的，熔盐储热模块包括熔盐储热箱和电加热器；电加热器均匀布置在熔盐储热箱内部。

可选的，熔盐换热装置和蒸汽换热器内的工质不同；熔盐换热装置中的工质为导热油，蒸汽换热器内的工质为水。

可选的，在熔盐换热装置与蒸汽换热器之间设置阀门V002；在盐换热装置与太阳能集热器之间设置阀门V001，地源热泵与蒸汽换热器之间设置阀门V003。

可选的，熔盐换热装置在熔盐储热箱内呈Z字形布置。

可选的，熔盐储热箱中是单种或多种相变熔盐。

可选的，喷水减温器出口与消音器连接，消音器安装在气液分离器中。

可选的，给水泵出口一路直接与喷水减温器直接连接。

可选的，给水泵和导热油泵为变频泵。

可选的，一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统的操作方法，包括以下步骤：

电加热器使用低谷电对熔盐储热箱中单级或多级熔盐进行加热，等到加热到所有熔盐在熔融状态后停止；同时也可以使用太阳能集热器和地源热泵对熔盐进行加热；

当白天用户需要热量时，开启给水泵和导热油泵；或使用太阳能集热器和地源热泵对蒸汽换热器进行辅助加热，打开V001、V003阀门，关闭V002阀门，导热油分别在熔盐储热箱、太阳能集热器和地源热泵中吸收热量，通过导热油泵输送至蒸汽换热器中与水进行换热；进入蒸汽换热器中的水经过加热变成过热蒸汽进入喷水减温器中，同时给水泵的另一路水之间进入喷水减温器，对过热蒸汽进行减温之后输送至气液分离器中，分离出蒸汽中的水，产生用户需要的饱和蒸汽；当夜晚用户需要热量时，关闭V001、V003阀门，打开V002阀门，导热油在熔盐储热箱中吸收热量，通过导热油泵输送至蒸汽换热器中与水进行换热；

当用户的需求温度升高或需求量增加时，则增加导热油泵的频率，从而增加导热油的取热量，给水泵的流量不发生变化，最终气液分离器的出口温度升高或出气量增加。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统，其中蒸汽发生器系统中给水泵通过蒸汽换热器与喷水减温器连接，喷水减温器出口与消音器连接，消音器安装在气液分离器中。熔盐换热系统中导热油泵通过有熔盐换热装置与蒸汽换热器连接，同时蒸汽换热器与熔盐换热装置连接形成闭环，在熔盐换热装置与蒸汽换热器之间设置一个阀门V002。熔盐储热系统中导热油泵通过盐换热装置与太阳能集热器和地源热泵连接，地源热泵通过蒸汽换热器与导热油泵连接，形成闭环，在盐换热装置与太阳能集热器之间设置一个阀门V001，地源热泵与蒸汽换热器之间设置一个阀门V003，可以实现在取热和放热过程中互不干扰。

进一步的，熔盐换热系统和蒸汽发生器系统是不同的工质，由于熔盐的导热系数比较低，而且当用户需求为蒸汽时，就会使的整个熔盐储热箱为一个压力容器，增加了制造难度，因此使用导热油作为中间介质，导热油在高温状态下依然是液态、常压，而且导热油与用户工质的的换热系数大于熔盐与用户工质的换热系数，增加热效率。

进一步的，熔盐储热箱中设置电加热器，可以采用低谷电加热熔盐，同时也可以随时补充热量。

进一步的，熔盐储热系统中包括熔盐储热箱中可以是单种或多种箱变熔盐，可以实现梯级换热，换热方式为逆流换热，增加熔盐储热系统热量利用率。

进一步的，给水泵出口一路直接与喷水减温器直接连接，可以实时调节喷水减温器出后蒸汽的参数，减少蒸汽在气液分离器中的激爆现象。

进一步的，给水泵和导热油泵为变频泵。通过变频调节在一定范围内可以实现导热油在在熔盐的去热量实时控制，同时在一定范围内也可以实现蒸汽产生量的调节。

综上所述，本发明针对高换热效率的相变熔盐储能设备，使的相变材料在储能过程中有高效储能技术与储能过程中有高效换热技术，采用梯级储能与多工质结合，实现能量的最大化利用。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中：1.给水泵；2.蒸汽换热器；3、喷水减温器；4.消音器；5.气液分离器；6.导热油泵；7.熔盐换热装置；8.熔盐储热箱；9.电加热器；10.太阳能集热器；11.地源热泵。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统，包括蒸汽发生器模块、熔盐储热模块、熔盐换热模块、地源热泵(11)和太阳能集热器(10)；熔盐换热模块设置在熔盐储热模块上，蒸汽发生器模块与熔盐换热装置连接；蒸汽发生器模块包括给水泵(1)、蒸汽换热器(2)和喷水减温器(3)，给水泵(1)、蒸汽换热器(2)和喷水减温器(3)依次连接；熔盐换热模块包括导热油泵(6)和熔盐换热装置(7)，熔盐换热装置(7)的一端通过导热油泵(6)与蒸汽换热器(2)连接，熔盐换热装置(7)的另一端连接到蒸汽换热器(2)形成闭环；熔盐换热装置(7)的另一端还连接太阳能集热器(10)，蒸汽换热器(2)还连接到地源热泵(11)，地源热泵(11)和太阳能集热器(10)互相连接。

其中蒸汽发生器系统中给水泵1通过蒸汽换热器2与喷水减温器3连接，喷水减温器3出口与消音器4连接，消音器4安装在气液分离器5中。熔盐换热系统中导热油泵6通过有熔盐换热装置7与蒸汽换热器2连接，同时蒸汽换热器2与熔盐换热装置7连接形成闭环。熔盐储热系统中导热油泵6通过盐换热装置7与太阳能集热器10和地源热泵11连接，地源热泵11通过蒸汽换热器(2)与导热油泵6连接，形成闭环，在盐换热装置7与太阳能集热器10之间设置一个阀门V001，地源热泵11与蒸汽换热器2之间设置一个阀门V003。

熔盐换热系统和蒸汽发生器系统是不同的工质，由于熔盐的导热系数比较低，而且当用户需求为蒸汽时，就会使的整个熔盐储热箱为一个压力容器，增加了制造难度，因此使用导热油作为中间介质，导热油在高温状态下依然是液态、常压，而且导热油与用户工质的的换热系数大于熔盐与用户工质的换热系数，增加热效率。

熔盐储热箱8中设置电加热器9，可以采用低谷电加热熔盐，同时也可以随时补充热量。

熔盐储热系统中包括熔盐储热箱8中可以是单种或多种箱变熔盐，可以实现梯级换热，增加熔盐储热系统热量利用率。

给水泵1出口一路直接与喷水减温器3直接连接，可以实时调节喷水减温器出后蒸汽的参数，减少蒸汽在气液分离器中的激爆现象。

给水泵1和导热油泵9为变频泵。通过变频调节在一定范围内可以实现导热油在在熔盐的去热量实时控制，同时在一定范围内也可以实现用户工质产生量的调节。

本发明一种基于梯级相变储能的天地互补型供热系统，具体工作过程为：

电加热器可以使用低谷电对熔盐储热箱中单级或多级熔盐进行加热，等到加热到所有熔盐在熔融状态后停止。同时也可以使用太阳能集热器和地源热泵对熔盐进行加热，

当白天用户需要热量时，开启给水泵和导热油泵。也可以使用太阳能集热器和地源热泵对蒸汽换热器进行辅助加热，打开V001、V003阀门，关闭V002阀门，导热油分别在熔盐储热箱、太阳能集热器和地源热泵中吸收热量，通过导热油泵输送至蒸汽换热器中与水进行换热。

进入蒸汽换热器中的水经过加热变成过热蒸汽进入喷水减温器中，同时给水泵的另一路水之间进入喷水减温器，对过热蒸汽进行减温之后输送至气液分离器中，分离出蒸汽中的水，产生用户需要的饱和蒸汽。

当夜晚用户需要热量时，关闭V001、V003阀门，打开V002阀门，导热油在熔盐储热箱中吸收热量，通过导热油泵输送至蒸汽换热器中与水进行换热。

当用户的需求温度升高或需求量增加时，则增加导热油泵的频率，从而增加导热油的取热量，给水泵的流量不发生变化，最终气液分离器的出口温度升高或出气量增加，反之亦然。

为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。