一种斜温层厚度可调控熔盐储热系统及其运行方法

技术领域

本发明属于储热技术领域，具体地，涉及一种斜温层厚度可调控熔盐储热系统及其运行方法。

背景技术

近年来，随着经济的快速发展，化石能源短缺及其造成的环境污染问题越来越突出，可再生能源逐渐成为能源领域的研究热点，而储热技术是可再生能源的关键技术之一。熔盐储热罐作为一种储热设备可适用于火电厂深度调峰、热电解耦、低谷电利用、消纳弃风弃光可再生能源、太阳能利用、工业余热利用等储热系统，具有较高的能源效率，并且安全清洁高效。单罐熔盐储热系统相较于双罐熔盐储热系统所用材料少，总体成本减小35％，这一优势使其成为研究重点。由于国内技术起步晚，单罐斜温层熔盐储热在我国仍未大范围实现。

斜温层储热的原理是利用冷热介质的密度差异，形成自然分层，将低温介质和高温介质储存在一个罐内，中间为一定厚度的斜温层。由于熔盐储热温差较大，冷热熔盐同时储存在一个罐体中，储-放热过程中罐体受到的热应力较大，尤其是斜温层区域温度梯度最大，对罐壁造成的应力影响也最大，严重者会造成熔盐泄露，影响熔盐储热罐的安全运行。因此保证单罐熔盐储热中斜温层厚度运行在合适的范围内，是斜温层熔盐单罐储热技术亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有斜温层熔盐储热技术及方法存在的问题，本发明的目的在于提出了一种斜温层厚度可调控熔盐储热系统及其运行方法，该储热系统能够实时监测斜温层厚度，根据储热和放热要求，精确调控储热温度、储热流量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种斜温层厚度可调控熔盐储热系统，包括斜温层熔盐储热罐101、上布盐器102、下布盐器103、罐内温度检测装置201、高温熔盐出口温度检测器202、低温熔盐出口温度检测器203、低温熔盐入口温度检测器204、高温熔盐入口温度检测器205、低温熔盐入口阀301、高温熔盐出口阀302、低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305、高温熔盐循环泵401、低温熔盐循环泵402、超声波流量计501、冷源装置601、外部冷介质入口602、外部冷介质出口603、热源装置701、外部热介质入口702、外部热介质出口703和控制器；所述的斜温层熔盐储热罐101中上部和下部分别设置上布盐器102和下布盐器103；上布盐器102和高温熔盐循环泵401的入口通过高温熔盐出口阀302连通；高温熔盐出口温度检测器202布置在高温熔盐出口阀302和上布盐器102之间的高温熔盐出口管道上；高温熔盐循环泵401的出口与超声波流量计501的入口通过管道连通；超声波流量计501的出口与冷源装置601的高温熔盐入口通过管道连通；冷源装置601的低温熔盐出口与下布盐器通过低温熔盐入口阀301连通；低温熔盐入口温度检测器204设置在冷源装置601的低温熔盐出口处；冷源装置601中设置外部冷介质入口602和外部冷介质出口603；下布盐器103和低温熔盐循环泵402的入口通过低温熔盐出口阀303连通；低温熔盐出口温度检测器203布置在低温熔盐出口阀303和下布盐器103之间的低温熔盐出口管道上；低温熔盐循环泵402的出口与超声波流量计501的入口通过管道连通；超声波流量计501的出口与热源装置701的低温熔盐入口通过管道连通；热源装置701的高温熔盐出口与上布盐器通过高温熔盐入口阀304连通；在低温熔盐循环泵402的出口和超声波流量计501的入口之间设置高温熔盐温度调节支路，在高温熔盐温度调节支路上设置高温熔盐温度调节阀305；高温熔盐入口温度检测器205设置在高温熔盐温度调节阀305与高温熔盐入口阀304之间；热源装置701中设置外部热介质入口702和外部热介质出口703；所述罐内温度检测装置201、低温熔盐入口阀301、高温熔盐入口阀302、低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305、高温熔盐循环泵401、低温熔盐循环泵402均与所述控制器连接，控制器根据所述的罐内温度检测装置201得到的水温分布得出斜温层熔盐储热罐101内的斜温层厚度并根据斜温层厚度控制所述的低温熔盐入口阀301、高温熔盐出口阀302、低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305、高温熔盐循环泵401和低温熔盐循环泵402的打开与关闭。

所述的上布盐器102为径向圆盘型布盐器，包括第一上挡板和第一下挡板，第一上挡板和第一下挡板中间有预设间隙，其中第一上挡板固定在斜温层熔盐储热罐101上壁面，第一下挡板中心开口，高温熔盐从开口处进入。

所述的下布盐器103包括第二上挡板和第二下挡板，第二上挡板和第二下挡板中间有预设间隙，其中第二下挡板固定在斜温层熔盐储热罐101下壁面，第二上挡板中心开口，低温熔盐从开口处进入。

所述的斜温层熔盐储热罐101中的储热介质为熔融盐单相流动的采用60％硝酸钠NaNO

所述的熔盐储热温度每下降50℃，斜温层厚度增加4cm；调控后斜温层厚度计算公式如下所示：

其中，h

从所述的低温熔盐循环泵402流出的低温熔盐经过所述的高温熔盐温度调节阀305流向所述的高温熔盐入口阀304形成热盐温度调节循环。

经外部热介质入口702进入热源装置701的外部热介质与低温熔盐换热后经外部热介质出口703流出，经外部冷介质入口602进入冷源装置601的外部冷介质与高温熔盐换热后经外部冷介质出口603流出。

所述的斜温层厚度可调控熔盐储热系统的运行方法，所述的控制器根据所述的罐内温度检测装置201得到的水温分布得出斜温层熔盐储热罐101内的斜温层厚度并根据斜温层厚度控制所述的低温熔盐入口阀301，高温熔盐出口阀302，低温熔盐出口阀303，高温熔盐入口阀304，高温熔盐温度调节阀305，高温熔盐循环泵401，低温熔盐循环泵402；包括以下步骤：

开启低温熔盐出口阀303，低温熔盐循环泵402，高温熔盐入口阀304，从所述热源装置701的高温熔盐出口流出的高温熔盐经过高温熔盐入口阀304流向上布盐器102进入斜温层熔盐储热罐101进行储热循环；储热循环工作时关闭低温熔盐入口阀301、高温熔盐出口阀302和高温熔盐循环泵401；储热循环时所述的斜温层厚度低于预设斜温层厚度下限值时，控制器打开高温熔盐温度调节阀305，增大高温熔盐循环泵402流量，降低经过高温熔盐入口阀304的高温熔盐的温度，直至斜温层厚度大于或等于预设斜温层厚度下限值；

储热循环时，当罐内温度检测装置201检测到实时斜温层厚度高于预设斜温层厚度上限值时，控制器关闭高温熔盐温度调节阀305，减小高温熔盐循环泵402流量，增大经过高温熔盐入口阀304的高温熔盐的温度，直至斜温层厚度低于预设斜温层厚度上限值；

开启高温熔盐出口阀302、高温熔盐循环泵401和低温熔盐入口阀301，从所述冷源装置601的低温熔盐出口流出的低温熔盐经过低温熔盐入口阀301流向所述的下布盐器103进入斜温层熔盐储热罐101进行放热循环；放热循环时关闭低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305和低温熔盐循环泵402；放热循环时，当罐内温度检测装置201检测到实时斜温层厚度低于预设斜温层厚度下限值时，控制器增大高温熔盐循环泵401的流量，直至斜温层厚度大于或等于预设斜温层厚度下限值；

放热循环时，当罐内温度检测装置201检测到实时斜温层厚度高于预设斜温层厚度上限值时，控制器减小高温熔盐循环泵401的流量，直至斜温层厚度低于预设斜温层厚度上限值。

相对于现有的技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过设置高温熔盐温度调节阀305，低温熔盐循环泵402等关键设备及管道形成外部温度调节回路，并根据罐内温度检测装置201得到的斜温层厚度，实时调整储放热温度和流量，维持斜温层厚度在预设范围内，减小斜温层区域罐壁的热应力损害，提高系统运行的安全性。

(2)本发明在储热过程中通过调整高温熔盐温度调节阀305和低温熔盐循环泵402实时监控储热入口温度和流量，进而实现储热循环的稳定运行，提高系统运行的控制可靠性。

(3)本发明在放热过程中通过调整高温熔盐熔盐循环泵401实时监控储热入口温度和流量，进而实现放热循环的稳定运行，提高系统运行的可靠性。

(3)本发明可以根据冷源装置601和热源装置701中外部介质温度和流量的变化调节热盐和冷盐的流量和温度，保证储放热循环的高效运行。

附图说明

图1为本发明斜温层厚度可调控熔盐储热系统示意图；

附图标记说明

斜温层熔盐储热罐101，上布盐器102，下布盐器103；

罐内温度检测装置201，高温熔盐出口温度检测器202，低温熔盐出口温度检测器203，低温熔盐入口温度检测器204，高温熔盐入口温度检测器205；

低温熔盐入口阀301，高温熔盐入口阀302，低温熔盐出口阀303，高温熔盐入口阀304，高温熔盐调节阀305；

高温熔盐循环泵401，低温熔盐循环泵402；

超声波流量计501；

冷源装置601，外部冷介质入口602，外部冷介质出口603；

热源装置701，外部热介质入口702，外部热介质出口703；

图2是实施该系统及其运行方法时，储热过程中斜温层厚度调控效果图，其中a为调控开始时斜温层厚度示意图，b为调控过程中斜温层厚度示意图，c为调控结束时斜温层厚度示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在幅图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的斜温层厚度可调控熔盐储热系统及其运行方法。

如图1所示，为本发明的斜温层厚度可调控熔盐储热装置，包括斜温层熔盐储热罐101、上布盐器102、下布盐器103、罐内温度检测装置201、高温熔盐出口温度检测器202、低温熔盐出口温度检测器203、低温熔盐入口温度检测器204、高温熔盐入口温度检测器205、低温熔盐入口阀301、高温熔盐出口阀302、低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305、高温熔盐循环泵401、低温熔盐循环泵402、超声波流量计501、冷源装置601、外部冷介质入口602、外部冷介质出口603、热源装置701、外部热介质入口702、外部热介质出口703和控制器；所述的斜温层熔盐储热罐101中上部和下部分别设置上布盐器102和下布盐器103；上布盐器102和高温熔盐循环泵401的入口通过高温熔盐出口阀302连通；高温熔盐出口温度检测器202布置在高温熔盐出口阀302和上布盐器102之间的高温熔盐出口管道上；高温熔盐循环泵401的出口与超声波流量计501的入口通过管道连通；超声波流量计501的出口与冷源装置601的高温熔盐入口通过管道连通；冷源装置601的低温熔盐出口与下布盐器通过低温熔盐入口阀301连通；低温熔盐入口温度检测器204设置在冷源装置601的低温熔盐出口处；冷源装置601中设置外部冷介质入口602和外部冷介质出口603；下布盐器103和低温熔盐循环泵402的入口通过低温熔盐出口阀303连通；低温熔盐出口温度检测器203布置在低温熔盐出口阀303和下布盐器103之间的低温熔盐出口管道上；低温熔盐循环泵402的出口与超声波流量计501的入口通过管道连通；超声波流量计501的出口与热源装置701的低温熔盐入口通过管道连通；热源装置701的高温熔盐出口与上布盐器通过高温熔盐入口阀304连通；在低温熔盐循环泵402的出口和超声波流量计501的入口之间设置高温熔盐温度调节支路，在高温熔盐温度调节支路上设置高温熔盐温度调节阀305；高温熔盐入口温度检测器205设置在高温熔盐温度调节阀305与高温熔盐入口阀304之间；热源装置701中设置外部热介质入口702和外部热介质出口703；所述罐内温度检测装置201、低温熔盐入口阀301、高温熔盐入口阀302、低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305、高温熔盐循环泵401和低温熔盐循环泵402均与所述控制器连接，控制器根据所述的罐内温度检测装置201得到的水温分布得出斜温层熔盐储热罐101内的斜温层厚度并根据斜温层厚度控制所述的低温熔盐入口阀301、高温熔盐出口阀302、低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305、高温熔盐循环泵401和低温熔盐循环泵(402的打开与关闭。

在实施例中，所述的储热系统使用的储热介质采用60％硝酸钠(NaNO

如图1所示，本发明斜温层厚度可调控熔盐储热系统分为储热运行过程和放热运行过程两个独立的过程。

在储热过程中，开启低温熔盐出口阀303，低温熔盐循环泵402，高温熔盐入口阀304构建储热循环，并关闭低温熔盐入口阀301，高温熔盐出口阀302和高温熔盐循环泵401。低温熔盐从下布盐器103被抽出进入热源装置701进行换热，温度达标先后经过高温熔盐入口阀304和上布盐器102进入斜温层熔盐储热罐101。当罐内温度检测装置201检测到实时斜温层厚度低于预设斜温层厚度下限值时，控制器打开高温熔盐温度调节阀305，增大高温熔盐循环泵402流量，降低经过高温熔盐入口阀304的高温熔盐的温度，直至斜温层厚度大于或等于预设斜温层厚度下限值。如图2所示，为储热过程中斜温层厚度调控时各阶段示意图。如图2中(a)所示，此时温度检测装置检测到斜温层厚度较薄，控制器控制相关阀门和熔盐泵开始工作，进行斜温层厚度调控。如图2中(b)所示，调控过程开始发挥作用，斜温层厚度明显开始增加。如图2中(c)所示，此时斜温层厚度达到预设斜温层厚度的下限值，斜温层厚度调控过程结束，开始正常储热过程。

当罐内温度检测装置201检测到实时斜温层厚度高于预设斜温层厚度上限值时，控制器关闭高温熔盐温度调节阀305，减小高温熔盐循环泵402流量，增大经过高温熔盐入口阀304的高温熔盐的温度，直至斜温层厚度低于预设斜温层厚度上限值。当热源装置701的外部热介质的温度较高时，高温熔盐入口温度检测器205检测到的温度高于最高设定温度时，通过增大高温熔盐温度调节阀305的开度或者低温熔盐循环泵402的通流出力，匹配热源装置701的换热量降低蓄热温度，并保证高温熔盐的温度在运行范围内，使斜温层熔盐储热罐101始终高效运行。当热源装置701的外部热介质的温度较低时，高温熔盐入口温度检测器205检测到的温度低于最低设定温度时，通过减小高温熔盐温度调节阀305的开度或者低温熔盐循环泵402的通流出力，匹配热源装置701的换热量增加蓄热温度，并保证高温熔盐的温度在运行范围内，使斜温层熔盐储热罐101始终高效运行。

在放热过程中，开启高温熔盐出口阀302、高温熔盐循环泵401和低温熔盐入口阀301构建放热循环并关闭低温熔盐出口阀303、高温熔盐入口阀304、高温熔盐温度调节阀305和低温熔盐循环泵402。高温熔盐从上布盐器102被抽出进入冷源装置601进行换热，温度达标先后经过低温熔盐入口阀301和下布盐器103进入斜温层熔盐储热罐101。当罐内温度检测装置201检测到实时斜温层厚度低于预设斜温层厚度下限值时，增大低温熔盐循环泵401的流量，直至斜温层厚度大于或等于预设斜温层厚度下限值。当罐内温度检测装置201检测到斜温层厚度高于预设斜温层厚度上限值时，减小低温熔盐循环泵401的流量，直至斜温层厚度低于预设斜温层厚度上限值。

当冷源装置601的外部冷介质的温度较高时，低温熔盐入口温度检测器204检测到的温度高于低温熔盐最高设定温度时，减小高温熔盐循环泵401的通流出力，匹配冷源装置601的换热量降低低温熔盐入口温度检测器204的温度，并保证低温熔盐的温度在运行范围内，使斜温层熔盐储热罐101始终高效运行。当冷源装置601的外部冷介质的温度较低时，低温熔盐入口温度检测器204检测到的温度低于低温熔盐最低设定温度时，增大高温熔盐循环泵401的通流出力，匹配冷源装置601的换热量增加低温熔盐入口温度检测器204的温度，并保证低温熔盐的温度在运行范围内，使斜温层熔盐储热罐101始终高效运行。