一种高温固体显热蓄热式蒸汽过热器及其蓄热放热方法

技术领域

本发明涉及一种高温固体显热蓄热式蒸汽过热器及其蓄热放热方法，属于显热蓄热换热技术领域。

背景技术

随着“双碳”目标和能源消费结构优化调整的目标的提出，蓄热技术在解决清洁能源供给和需求的时间，空间差，清洁供热，电力“移峰填谷”，废热和余热回收利用等问题上将发挥更加重要的作用。显热蓄热由于导热性能优良，热稳定性好，工作温区大等诸多优势成为储热领域最常用的蓄热方法。

显热蓄热是通过蓄热体的温度升高或降低而实现热量的储存或释放。常见的显热蓄热材料包括水，混凝土，耐火砖，高温陶瓷，石墨等。由于蓄热体的温度会随着换热过程不断变化，固体显热蓄热器较难实现稳定的输出功率。为解决这类问题，中国专利CN105953202A和CN106016219A提出采用并联和串联管路的方式，通过在不同温区段切换相应数量的管路增加换热面积来解决此问题。该方法可以实现高温固体蓄热器换热功率在允许范围内波动以满足工程实际需求。但是，由于蓄热体尺寸和结构布局的限制，管道分段数量不能无限制增加，无法实现更加精确的调控，因此稳定换热功率的效果有限，过多管路也会造成部件可靠性降低。如何克服蓄热温度下降导致的高温显热蓄热器的放热功率下降的问题，成为提高高温固体显热蓄热器性能的重点和难点之一。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种高温固体显热蓄热式蒸汽过热器及其蓄热放热方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高温固体显热蓄热式蒸汽过热器，其包括入口主管路、入口截止阀、流量计、主路节流阀、入口集箱、入口温度传感器、入口压力传感器、换热管组开关阀、若干并联换热管组、高温显热蓄热体、出口混合集箱、饱和蒸汽旁路管、旁路节流阀、过热蒸汽出口连接管、蓄热体加热元件、出口温度传感器、出口压力传感器、若干蓄热温度传感器、加热及流量分配调节控制器；

入口主管路与入口集箱相连，入口主管路上依次设有入口截止阀、流量计和主路节流阀，入口集箱与出口混合集箱之间通过若干并联换热管组相连，过热蒸汽出口连接管与出口混合集箱相连；各并联换热管组的入口分别安装有换热管组开关阀，若干并联换热管组均匀内嵌安装于高温显热蓄热体内；饱和蒸汽旁路管一端与主路节流阀前端的入口主管路相连，另一端与出口混合集箱相连，饱和蒸汽旁路管上安装有旁路节流阀；入口集箱中分别安装有入口温度传感器和入口压力传感器，出口混合集箱分别安装有出口温度传感器和出口压力传感器，蓄热体加热元件和若干蓄热温度传感器分别内嵌安装于高温显热蓄热体内；流量计、入口温度传感器、入口压力传感器、出口温度传感器、出口压力传感器、蓄热体加热元件和若干蓄热温度传感器分别与加热及流量分配调节控制器相连。

作为优选，所述的蓄热体加热元件为电阻加热元件，其类型包括电阻加热棒和减阻加热丝，其均匀内嵌于高温显热蓄热体内。

作为优选，所述的蓄热体加热元件的内嵌方向包括平行于并联换热管组和垂直于并联换热管组。

作为优选，所述的高温显热蓄热体的蓄热材料类型包括石墨、混凝土、铸铁、镁砖及其组合体。

作为优选，所述的高温显热蓄热体包括蓄热材料和开设于蓄热材料中的内嵌安装槽，其中内嵌安装槽包括加热元件安装槽、管道安装槽和温度传感器安装槽。

作为优选，所述的内嵌安装槽通过模块化开槽或直接浇注成槽。

另一方面，本发明提供了一种利用所述高温固体显热蓄热式蒸汽过热器的蓄热放热方法，该方法需根据存在热需求的不同时间段分别进行蓄热放热控制，其中：

当热负荷需求仅为峰电时间段时：预先在谷电工况下通过加热及流量分配调节控制器控制高温显热蓄热体内的蓄热体加热元件利用谷电进行加热，直至达到设定的最高蓄热温度后停止加热；在峰电时间段存在过热蒸汽需求但热源蒸汽品位仅为饱和蒸汽时，加热及流量分配调节控制器根据入口饱和蒸汽的温度、压力和流量以及高温显热蓄热体的温度参数，对主路节流阀和旁路节流阀的开度进行调节以改变流量分配比例，同时控制换热管组开关阀开启的数量，使得入口主管路输入的一部分饱和蒸汽经并联换热管组在高温显热蓄热体中被加热升温后，在出口混合集箱中与另一部分直接经饱和蒸汽旁路管输出的饱和蒸汽混合，达到满足用户所需要的过热度的过热蒸汽；同时，通过出口温度传感器和出口压力传感器对混合后的过热蒸汽参数进行检测并实时反馈给加热及流量分配调节控制器从而对流量分配比例进行微调；随着蓄热体温度的下降，当仅通过流量分配比例调节已无法使出口过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数时，加热及流量分配调节控制器增加换热管组开关阀开启的数量，进而增加高温显热蓄热体内管道的换热面积，再继续对流量分配比例进行调节，使出口过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数；

当谷电时间段也存在热负荷需求时，加热及流量分配调节控制器在控制蓄热体加热元件对高温显热蓄热体进行加热的同时，根据当前的蓄热体温度，首先初步确定换热管组开关阀开启的数量，再确定主路节流阀和旁路节流阀的开度控制流量分配比例，同时根据出口混合集箱中出口温度传感器和出口压力传感器检测并反馈的温度和压力进行流量分配比例的微调，使得出口的过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数；同样地，由于谷电公开下加热和放热同时进行，随着运行时间的增加，加热及流量分配调节控制器需要定期根据蓄热体的温度变化情况，在仅通过流量分配比例调节已无法使出口过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数时，先增减换热管组开关阀开启的数量，再进行流量分配比例的微调，使出口过热蒸汽满足用户需要的蒸汽参数。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)旁路的设计实现了蓄热体输出功率更精准的调控，能有效降低显热过热器因为切换管路或蓄热体温度下降而导致的输出功率的波动，提升过热器加热的稳定性。

2)旁路的设计简化了过热器的换热管路结构和布局，减少了投资，提高了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1是一种高温固体显热蓄热式蒸汽过热器的结构示意图；

图2是蓄热体结构示意图；其中：a)为加热元件与换热管组垂直布置，b)为加热元件与换热管组平行布置

图3是蓄热体块分层堆叠布置示意图；其中：a)为加热元件与换热管组垂直布置，b)为加热元件与换热管组平行布置

图4是实施例中有无旁路调节的石墨显热蓄热式蒸汽过热器调节效果对比图

图中：入口主管路1、入口截止阀2、流量计3、主路节流阀4、入口集箱5、入口温度传感器6、入口压力传感器7、换热管组开关阀8、若干并联换热管组9、高温显热蓄热体10、出口混合集箱11、饱和蒸汽旁路管12、旁路节流阀13、过热蒸汽出口连接管14、蓄热体加热元件15、出口温度传感器16、出口压力传感器17、若干蓄热温度传感器18、加热及流量分配调节控制器19、蓄热材料20、加热元件安装槽21、管道安装槽22、温度传感器安装槽23。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

如图1所示，本发明提供了一种高温固体显热蓄热式蒸汽过热器，包括入口主管路1、入口截止阀2、流量计3、主路节流阀4、入口集箱5、入口温度传感器6、入口压力传感器7、换热管组开关阀8、若干并联换热管组9、高温显热蓄热体10、出口混合集箱11、饱和蒸汽旁路管12、旁路节流阀13、过热蒸汽出口连接管14、蓄热体加热元件15、出口温度传感器16、出口压力传感器17、若干蓄热温度传感器18、加热及流量分配调节控制器19。

入口主管路1与入口集箱相连5，入口主管路1上依次设有入口截止阀2、流量计3和主路节流阀4，入口截止阀2用于整体控制入口主管路1中的蒸汽通入，流量计3用于检测入口主管路1中蒸汽总流量，主路节流阀4用于通过开度调节改变主路的蒸汽流量。入口集箱5与出口混合集箱11之间通过若干并联换热管组9相连，过热蒸汽出口连接管14与出口混合集箱11相连。各并联换热管组9的入口分别安装有换热管组开关阀8，若干并联换热管组9分别均匀内嵌安装于高温显热蓄热体10内。每一组并联换热管组9均可通过入口处安装的换热管组开关阀8来启用或者关闭，因此由于所有并联换热管组9是并联形式设置在高温显热蓄热体10内与蓄热体进行换热的，因此总的并联换热管组9启用数量可以通过换热管组开关阀8进行调节，进而改变整体从入口集箱5流至出口混合集箱11过程中与蓄热体之间的换热面积。饱和蒸汽旁路管12两端分别于入口主管路1和出口混合集箱相11连，饱和蒸汽旁路管12上安装有旁路节流阀13。饱和蒸汽旁路管12是一条绕过高温显热蓄热体10的旁路蒸汽输送管道，其中的蒸汽流量可以通过旁路节流阀13的开度进行调节。在高温显热蓄热体10内部蓄热材料被加热至高温的情况下，饱和蒸汽旁路管12中输送的旁路蒸汽温度低于经过高温显热蓄热体10换热后的主路蒸汽温度，因此两者的混合比例会直接改变出口混合集箱相11最终输出的出口蒸汽的参数。因此，本发明中主路蒸汽和旁路蒸汽的流量分配比例，可以通过调节主路节流阀4和旁路节流阀13的开度来进行调整，同时主路蒸汽的换热面积又可以进一步通过换热管组开关阀8的开启数量进行调节，这两方面的调节构成了蒸汽过热器蓄热放热的出口参数控制基础。

为了保证蓄热放热控制的可控性和准确性，入口集箱5分别安装有入口温度传感器6和入口压力传感器7，出口混合集箱11分别安装有出口温度传感器16和出口压力传感器17。入口温度传感器6和入口压力传感器7用于分别检测入口蒸汽的温度和压力，出口温度传感器16和出口压力传感器17用于分别检测出口蒸汽的温度和压力。另外，为了实现高温显热蓄热体10内的蓄热材料加热和温度检测，蓄热体加热元件15和若干蓄热温度传感器18分别内嵌安装于高温显热蓄热体10内。流量计3、入口温度传感器6、入口压力传感器7、出口温度传感器16、出口压力传感器17、蓄热体加热元件15和若干蓄热温度传感器18分别于加热及流量分配调节控制器19相连，构成反馈控制调节系统，整个蓄热放热过程由加热及流量分配调节控制器19进行统一控制。

需要说明的是，高温显热蓄热体10理论上可采用任意能够存储热量的显热蓄热设备来实现。其中的蓄热体是由蓄热材料外部包裹保温层来实现的。高温显热蓄热体10的蓄热材料类型包括石墨、混凝土、铸铁、镁砖中的任意一种及其组合体。

由于在本实施例中，该蓄热体内部需要内嵌并联换热管组9、蓄热体加热元件15以及蓄热温度传感器18，因此如图2所示，高温显热蓄热体10的内部包括蓄热材料20、加热元件安装槽21、管道安装槽22、温度传感器安装槽23。加热元件安装槽可以垂直于管道安装槽，如图2a)，也可以平行于管道安装槽，如图2b)，只要能够实现对蓄热材料的均匀加热即可。内嵌安装槽可以通过模块化开槽或直接浇注成槽来实现，对此可不作限制。

另外，蓄热体加热元件15可以是任意能够加热蓄热体的加热设备，本实施例中可采用电阻加热元件，其类型包括电阻加热棒或者减阻加热丝。电阻加热元件需要均匀内嵌于高温显热蓄热体10内，以保证加热的均匀性。同时，加热元件的内嵌方向包括平行于并联换热管组9和垂直于并联换热管组9两种，图3中a)为加热元件与并联换热管组9垂直布置的形式，b)为加热元件与并联换热管组9平行布置的形式，具体形式可根据实际需要进行选择。

基于上述高温固体显热蓄热式蒸汽过热器，本发明还提供了一种蓄热放热方法，其可根据存在热需求的不同时间段分别进行蓄热放热控制，具体如下：

当热负荷需求仅为峰电时间段时，蓄热放热过程如下：

预先在谷电工况下通过加热及流量分配调节控制器19控制高温显热蓄热体10内的蓄热体加热元件15利用谷电进行加热，直至达到设定的最高蓄热温度后停止加热；在峰电时间段存在过热蒸汽需求但热源蒸汽品位仅为饱和蒸汽时，加热及流量分配调节控制器19根据入口饱和蒸汽的温度、压力和流量以及高温显热蓄热体10的温度参数，对主路节流阀4和旁路节流阀13的开度进行调节以改变流量分配比例，同时控制换热管组开关阀8开启的数量，使得入口主管路1输入的一部分饱和蒸汽经并联换热管组9在高温显热蓄热体10中被加热升温后，在出口混合集箱11中与另一部分直接经饱和蒸汽旁路管12输出的饱和蒸汽混合，达到满足用户所需要的过热度的过热蒸汽；同时，通过出口温度传感器16和出口压力传感器17对混合后的过热蒸汽参数进行检测并实时反馈给加热及流量分配调节控制器19从而对流量分配比例进行微调；随着蓄热体温度的下降，当仅通过流量分配比例调节已无法使出口过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数时，加热及流量分配调节控制器19增加换热管组开关阀8开启的数量，进而增加高温显热蓄热体10内管道的换热面积，再继续对流量分配比例进行调节，使出口过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数；

当除了峰电时间段存在热负荷需求之外，谷电时间段也存在热负荷需求时，蓄热放热过程如下：

加热及流量分配调节控制器19在控制蓄热体加热元件15对高温显热蓄热体10进行加热的同时，根据当前的蓄热体温度，首先初步确定换热管组开关阀8开启的数量，再确定主路节流阀4和旁路节流阀13的开度控制流量分配比例，同时根据出口混合集箱11中出口温度传感器16和出口压力传感器17检测并反馈的温度和压力进行流量分配比例的微调，使得出口的过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数；同样地，由于谷电公开下加热和放热同时进行，随着运行时间的增加，加热及流量分配调节控制器19需要定期根据蓄热体的温度变化情况，在仅通过流量分配比例调节已无法使出口过热蒸汽达到用户需要的蒸汽参数时，先增减换热管组开关阀8开启的数量，再进行流量分配比例的微调，使出口过热蒸汽满足用户需要的蒸汽参数。

需要说明的是，不论在峰电时间段还是谷电时间段，当存在热负荷需求时，加热及流量分配调节控制器19都需要综合入口饱和蒸汽的温度、压力和流量，以及高温显热蓄热体10内蓄热体的当前温度参数，确定一个初始的换热管组开关阀8开启的数量以及主路节流阀4和旁路节流阀13的开度，然后再通过出口蒸汽的参数来反馈调节，使得出口蒸汽的参数逐渐满足用户需求。在该过程中，这些初始参数的设定可根据实际的专家经验、相关试验或者热力学计算进行确定。例如，初始的换热管组开关阀8开启的数量可预先根据专家经验、相关试验或者热力学计算进行确定，不同的蓄热体温度区间可设置不同的换热管组开关阀8最佳开启数量。而主路节流阀4和旁路节流阀13的初始开度亦可基于根据专家经验、相关试验或者热力学计算进行确定，以尽可能接近最佳值为准，缩短反馈调节所需的时间。在初始的换热管组开关阀8开启的数量随对应的换热面积能够满足换热需求时，仅通过蒸汽的流量分配比例即可微调出口蒸汽的参数，但假如高温显热蓄热体10内蓄热体与入口饱和蒸汽的温差过小时，则光靠流量分配比例已经难以满足出口蒸汽温度的要求，此时需要先增大换热面积，而不能仅仅继续调节流量分配比例。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明上述高温固体显热蓄热式蒸汽过热器及对应蓄热放热方法的具体应用和技术效果。应指出，下述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

以一台结构如图1所示且内部采用石墨作为蓄热材料的高温石墨显热蓄热式过热器为例，入口饱和蒸汽参数为0.5MPa,160℃，用户需求的蒸汽参数为0.5MPa,220℃。该高温石墨显热蓄热式过热器工作时，通过电加热将高温石墨显热蓄热式过热器温度升至600℃，蒸汽流量为1t/h。换热管组中的换热管均为圆管，长度为3.5m，内径15mm，共设置4根。蓄热体在不同的温度区间开启不同数量的换热管组开关阀进而调节开启的换热管数量：在石墨平均温度区间为600-530℃时，开启的换热管数量为1；在石墨平均温度区间为530-450℃时，开启的换热管数量为2；在石墨平均温度区间为450-370℃时，开启的换热管数量为3；在石墨平均温度区间为370-300℃时，开启的换热管数量为4。石墨蓄热体平均温度每降低10℃，需调节主路节流阀和旁路节流阀的开度控制流量分配比例，使得旁路管道的流量占总流量的比例η满足如下关系式：

f＝(1.8lgRe-1.5)

式中，N

通过上述计算可以得到，在600℃时，流量比例系数η为0.67；590℃时，流量比例系数η为0.64。另外，其他温度的流量比例系数均可通过上述关系式计算，从而实现对出口蒸汽温度的更加精确控制。

在本实施例中，为了对比设置饱和蒸汽旁路管进行流量分配比例调节的效果，在本发明的上述高温石墨显热蓄热式过热器基础上，对具有饱和蒸汽旁路管的有旁路调节方案和去掉饱和蒸汽旁路管的无旁路调节方案进行了对比，石墨蓄热体平均温度每下降10℃取一次样，得到两种方案中出口蒸汽温度随蓄热体温度变化情况如图4所示。从结果可见，经过旁路调控的蒸汽过热器出口温度相对设定值的标准差为1.82；而相同条件下，没有旁路调控的相对设定值的标准差为34.06。由此可见，本发明通过设置饱和蒸汽旁路，不仅可以更加精确调节因为显热蓄热体温度下降导致的功率波动，而且可以有效调节因为管路切换而导致的功率波动，最终提升过热器稳定性，使得出口蒸汽温度更稳定。