一种混合能源蓄热锅炉节电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及锅炉节能技术领域，具体涉及一种混合能源蓄热锅炉节电系统及控制方法。

背景技术

太阳能是一种十分丰富的自然能源和清洁能源，有利于实现我国节能减排的总体目标。尽管太阳能辐射到地球大气层的能量仅占其总辐射能的22亿分之一，但总能量已经非常高了，每秒辐射到地球的总能量相当于500万吨的标准煤。其中我国有2/3的国土年日照在2000小时以上，年平均辐射量超过6000GJ/m

但是，太阳能资源受天气和气候因素影响比较大，具有一定的间歇性和随机性，为延长系统运行时间，通常增设储热装置或蓄能装置，但储热效率低，发电成本增加，究其原因，主要是现有的多种能源互补的发电方式，能量生产和能量消耗之间相关性较小，未形成优势互补，举个热电厂的例子，太阳能电池板可以单独发电并且将电量并入市网，电网中多余的电能无法以某种形式存储，未被热电厂锅炉有效利而白白浪费掉；另一方面，现有的热电厂中园区面积较大，多设置于市郊或乡镇中，多利用传统的化石能源进行发电和供热，由于厂区开阔，太阳辐射量大，太阳能资源很丰富，却未被合理利用。

因此，如何实现太阳能与传统的化石燃料发电互补，最大程度地发挥节能优势，增强能量生产和能量消耗之间的稳定性，维持电网负荷的稳定，成为本领域普通技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

为了更好地解决上述背景技术中的技术难题，本发明提出了一种混合能源蓄热锅炉节电系统及控制方法，其具体方案如下：

一种混合能源蓄热锅炉节电系统，包括常规锅炉、蒸汽轮机、发电机、光伏逆变单元、太阳能光电板、太阳能集热器、储热水箱、蓄热锅炉，其中，所述常规锅炉与蒸汽轮机气路连接，所述蒸汽轮机与发电机机械连接，所述蒸汽轮机带动所述发电机发电，所述发电机与市网（即市政电网）电连接，所述市网的另一端与光伏逆变单元电连接，所述光伏逆变单元与多个太阳能光电板连接；所述蒸汽轮机通过回水管与储热水箱水路连接，所述储热水箱又与太阳能集热器水路连接，所述储热水箱的出水口通过出水管与蓄热锅炉连接，所述蓄热锅炉中具有蓄热体，从出水管流入的高温水在蓄热体内进行储热，通过所述蓄热体加热的后产生的蒸汽，进入蒸汽管中，所述蒸汽管与蒸汽轮机气路连接。

所述常规锅炉与所述蓄热锅炉并联，所述常规锅炉可采用燃气锅炉、燃油锅炉或电锅炉，在白天用电高峰期，所述太阳能光电板接收太阳能，将光能转化为电能，并通过光伏逆变单元转化为符合市网电力要求的交流电，并入市电电网；同时，所述太阳能集热器将光热能转化为热能，将热水源源不断地储存在储热水箱中，加热所述蓄热锅炉中的蓄热体，使得蓄热体温度升高，所述蓄热体采用相变材料；在夜间用电低峰期，利用材料高温相变时释放的相变潜热热量加热蓄热锅炉中的水，是高温水快速汽化，转变为高温高压的水蒸气，同时，接入市网的水泵、控制单元可以利用白天太阳能产生的电量，进而，通过白天燃气+太阳能发电，晚上耗费部分太阳能发电，维持全天市电电网负荷的稳定性，不仅实现了对公用电力系统“削峰填谷”的目的，而且相对于单纯运行常规锅炉，其节能效果更加显著。

优选地，所述蓄热锅炉内还设置有多个电加热板，每个所述电加热板均与蓄热体间隔设置，所述电加热板通过输电线与市网连接。

回水管上设置有循环水泵，用于驱动水在蒸汽管、回水管、循环水泵、出水管等管路之间进行水路循环。

在太阳能资源较弱的地区，通过电能辅助加热，将高温水转换成水蒸气；由于太阳能光电板可以并网发电，发出的电能充入市网中，根据能量守恒的关系，除去电网热损耗，太阳能光电板发出的绝大部分电能绝大部分用来给电加热板、水泵以及控制单元供电，相对于单纯使用普通的以化石燃料燃烧的供热锅炉，不仅有利于节约能耗，还有利于维持电网负荷的稳定性，实现电力系统“削峰填谷”。

优选地，所述太阳能光电板、太阳能集热器、储热水箱设置在热电厂建筑物的上方，进而充分的利用太阳能进行发电和供热，更好地实现可再生能源的热电联产。

所述蓄热锅炉内设置有多个温度传感器，多个所述温度传感器通过导线与蓄热锅炉外部的控制单元连接，并均匀设置在蓄热锅炉的蓄热室的上方，所述控制单元与触屏显示单元、存储器连接，通过所述触屏显示单元设置预设温度阈值和预设运行时间段，所述预设温度和预设时间数据存储在存储器中，所述预设运行时间段包括第一预设运行时间段和第一预设运行时间段。

在上述混合能源蓄热锅炉节电系统的基础上，本发明又进一步提出了一种用于混合能源蓄热锅炉节电系统的控制方法，所述控制方法包含如下步骤：

SS1：通过触屏显示单元设定预设温度阈值[T

上述第一预设运行时间段ΔH1指混合能源蓄热锅炉节电系统的运行时间，第二预设运行时间段ΔH2指循环水泵运行时的运行时间。

SS2：当时间点处于预设运行时间段ΔH1时，控制所述常规锅炉启动，驱动所述蒸汽轮机、发电机发电，电路接通太阳能光电板；

SS3：在步骤SS2的基础上，当时间点处于预设运行时间段ΔH2时，启动所述循环水泵，实时监测n个温度传感器测量的温度T

SS4：当检测在80%ΔH2时间段内，T

SS5：当T

蒸汽供汽量可通过管道上的阀门进行调节。

SS6：当T

综上所述，本发明提出的一种混合能源蓄热锅炉节电系统，与现有技术相比，其优点在于：

（1）相对于传统的只采用石燃料燃烧的供热锅炉，混合能源蓄热锅炉节电系统，其节电效果显著；

（2）保持市电电网负荷的稳定性，有利于电力系统的“削峰填谷”总目标的实现；

（3）电能和热能均可以通过蓄热锅炉实现存储，充分地利用了电网和太阳能发电各自的优势，既避免了太阳能并网发电未被及时利用而浪费掉，也有利于电网负荷的稳定性；

（4）太阳能光电板和太阳能集热器可设置在热电厂建筑物的顶部，蓄热锅炉温度可自动调控，进而有效结合了燃气发电和太阳能储热系统发电，且使两者可以有效衔接，防止两种供气汽方式衔接不当，给机组造成损失。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种混合能源蓄热锅炉节电系统示意图；

图2为本发明实施例2的一种混合能源蓄热锅炉节电系统示意图；

图3为本发明实施例2的一种蓄热锅炉内部结构详图；

图4为本发明实施例2的蓄热锅炉内的温度随蓄热体变化坐标图；

图中，1-常规锅炉；2-蒸汽轮机；3-发电机；4-市网；5-光伏逆变单元；6-太阳能光电板；7-太阳能集热器；8-储热水箱；9-蓄热锅炉；10-蓄热体；11-电加热板；12-蒸汽管；13-回水管；14-循环水泵；15-出水管；16-供气管；17-隔板；18-燃烧器；

9-1-燃烧室；9-2-蓄热室；9-3-出汽口；9-4-进水口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清晰，以下结合具体实施例及附图，对本发明的技术方案进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不用于限定本发明。

实施例1

请考察图1，一种混合能源蓄热锅炉节电系统，包括常规锅炉1、蒸汽轮机2、发电机3、光伏逆变单元5、太阳能光电板6、太阳能集热器7、储热水箱8、蓄热锅炉9，其中，常规锅炉1与蒸汽轮机2气路连接，蒸汽轮机2与发电机3机械连接，蒸汽轮机2的主轴带动发电机的转子转动发电，发电机3与市网4（即市政电网）电连接，市网4的另一端与光伏逆变单元5电连接，光伏逆变单元5与多个太阳能光电板6连接；另一方面，蒸汽轮机2通过回水管13与储热水箱8水路连接，储热水箱8又与太阳能集热器7水路连接，以储存太阳能集热器7换热后的高温水，储热水箱8的出水口通过出水管15与蓄热锅炉9连接，蓄热锅炉9中具有蓄热体10，从出水管15流入的高温水在蓄热体10内进行储热，通过蓄热体10加热的后产生的蒸汽，通过蒸汽管12与蒸汽轮机2连接，通过蒸汽管12的高压高温蒸汽驱动蒸汽轮机2的叶片转动，将热能转化为动能。

混合能源蓄热锅炉节电系统具有常规锅炉1和蓄热锅炉9，常规锅炉1和蓄热锅炉9并联，常规锅炉1可采用燃气锅炉、燃油锅炉或电锅炉，在白天，属于用电高峰期，太阳能光电板6接收太阳能，将光能转化为电能，并通过光伏逆变单元5转化为符合市网电力要求的交流电，同时，太阳能集热器7将光热能转化为热能，将热水源源不断地储存在储热水箱8中，进而输送给蓄热锅炉9，通过蓄热体蓄热，蓄热体采用相变材料，优选Si-Al合金相变材料（属于高温相变材料），由于其沸点比水的沸点较高，低温下可慢速吸热，随着蓄热体温度不断升高，吸热速率增大，当蓄热体达到相变温度时会快速释放相变潜热，使得蓄热锅炉9内的水快速汽化，转变为高温高压的气态水蒸气，进而为驱动蒸汽轮机2运行提供了强大的动力源。

因而，上述混合能源蓄热锅炉节电系统，在白天，室外温度较高时，仅常规锅炉1运转，其产生的高温蒸汽除了工业生产用，还可以驱动蒸汽轮机2转动，并带动发电机3发电，同时，结合太阳能发电，维持电网负荷稳定，防止白天大量用电导致电网波动；而在下午或者夜间，室外温度较低时，由于白天蓄热体10不断被加热，蓄热体10与蓄热锅炉9形成了较高的温度差，蓄热体10相变放热后，高温液态水迅速汽化为高温高压水蒸气，使其变为高温高压的气态水蒸气，此时可以利用蓄热热能发电，减少常规锅炉1的蒸汽量或者停止常规锅炉1运行。

进一步地，蓄热锅炉9内还设置有多个电加热板11，每个电加热板11均与蓄热体10间隔设置，电加热板11通过输电线与市网4连接，这意味着：在一些太阳能资源不丰富的地区，通过太阳能集热器7无法将水转换成水蒸气，因此，还需要电能辅助加热，由于太阳能光电板6可以并网发电，发出的电能充入市网4中

回水管13上设置有循环水泵14，用于驱动水在蒸汽管12、回水管13、循环水泵14、出水管15等管路之间进行水路循环，因此，根据能量守恒的关系，除去电网热损耗，太阳能光电板6发出的绝大部分电能实质上用来给电加热板11以及循环水泵14供电了，因此，电加热板11和循环水泵14并未消耗额外的电能。

另一方面，当蓄热锅炉9内设置电加热板11时，在下午或夜间开启电加热板11和循环水泵14用电，可以实现对电力系统的“削峰填谷”作用，合理利用市电电网的峰谷电，保持市电电网系统的稳定性。

实施例2

请考察图2，一种混合能源蓄热锅炉节电系统，包括常规锅炉1、蒸汽轮机2、发电机3、市网4、光伏逆变单元5、太阳能光电板6、太阳能集热器7、储热水箱8、蓄热锅炉9，其中，常规锅炉1与蒸汽轮机2气路连接，蒸汽轮机2与发电机3机械连接，蒸汽轮机2的主轴带动发电机的转子转动发电，发电机3与市网4电连接，市网4的另一端与光伏逆变单元5电连接，光伏逆变单元5与多个太阳能光电板6连接；另一方面，蒸汽轮机2通过回水管13与储热水箱8水路连接，储热水箱8又与太阳能集热器7水路连接，以储存太阳能集热器7换热后的高温水，储热水箱8的出水口通过出水管15与蓄热锅炉9连接，蓄热锅炉9中具有蓄热体10，从出水管15流入的高温水在蓄热体10内进行储热，通过蓄热体10加热的后产生的蒸汽，通过蒸汽管12蒸汽轮机2中，驱动蒸汽轮机2的叶片转动，将热能转化为动能。

混合能源蓄热锅炉节电系统具有常规锅炉1和蓄热锅炉9，常规锅炉1和蓄热锅炉9气路连接，在本实施例中，常规锅炉1可采用燃气锅炉。在白天，属于用电高峰期，太阳能光电板6接收太阳能，将光能转化为电能，并通过光伏逆变单元5转化为符合市网电力要求的交流电，同时，太阳能集热器7将光热能转化为热能，将热水源源不断地储存在储热水箱8中，进而输送给蓄热锅炉9，通过蓄热体蓄热，蓄热体采用相变材料。

因而，上述混合能源蓄热锅炉节电系统，在白天，室外温度较高时，仅常规锅炉1运转，其产生的高温蒸汽除了工业生产用，还可以驱动蒸汽轮机2转动，并带动发电机3发电，同时，结合太阳能发电，维持电网负荷稳定，防止白天大量用电导致电网波动；在夜间，室外温度较低时，由于白天蓄热体10不断被加热，蓄热体10与蓄热锅炉9形成了温度差，蓄热体10在较高温度下发生相变释放相变潜热，使得蓄热锅炉9内的水快速汽化，转变为高温高压的气态水蒸气，进而为驱动蒸汽轮机2运行提供了强大的动力源。

在本实施例中，蓄热锅炉9连接供气管16，供气管16的另一端连接常规锅炉1，在阴雨天气或冬天时，由于室外温度较高，通过太阳能集热器7获得的太阳辐射热量较少，因而传递给蓄热体10的热量也较少，无法将水加热成水蒸气，因此，通过燃气进行辅助加热，使得蓄热锅炉9内的中温水加热汽化。

进一步地，请考察图3，蓄热锅炉9采用卧式筒体，蓄热锅炉9的一端连接燃烧器18，燃烧器18与供气管16连接，蓄热锅炉9内部设置有密封的隔板17，通过隔板17将蓄热锅炉9的内部分隔为两个独立的腔室，即位于下部的燃烧室9-1和位于上部的蓄热室9-2，蓄热室9-2内嵌设有多个蓄热体10，多个蓄热体10相互间隔设置，以便于水在蓄热体之间流动，蓄热体10的上部形成过流通道，便于水蒸气流动。

蓄热室9-2的顶部贯穿设置有出汽口9-3和进水口9-4，且出汽口9-3与蒸汽管12连接，进水口9-4与出水管15连接。特别说明地是，进水口9-4在远离燃烧器18的蓄热室9-2的一侧设置，这样有利于形成逆流换热，增强较强的换热效果。

为了进一步说明本发明蓄热锅炉结构的换热效果，请考察图4，若以靠近出汽口9-3的最末一级蓄热体为1#蓄热体，靠近进水口9-4的最末一级为N#蓄热体，那么，在热水的来流方向上，蓄热室内的温度呈阶梯状逐渐递减，而蓄热室内的温度呈指数型逐渐递增，由于下部蓄热室9-2内燃气燃烧最终用于对上部的蓄热体10加热，通过将进水口9-4在远离燃烧器18的蓄热室9-2的一侧设置，可以使得每一级蓄热体的最终温度能够基本上保持一致，进而，不仅有利于增强换热，提高换热效率，还有利于维持蓄热室9-2内各个部分蒸气压平衡和换热稳定。

回水管13上也设置有循环水泵14，用于驱动水在蒸汽管12、回水管13、循环水泵14、出水管15等管路之间进行水路循环。循环水泵14接入市网4，可以利用太阳能产生的电能。

相对于实施例1中的技术方案，本实施例中的混合能源蓄热锅炉节电系统，在太阳能较丰富的天气下，仅开启常规锅炉1运转，进行发电，同时，结合太阳能发电，向市网中补充电能，维持电网负荷稳定；而在阴雨天气或冬天时，采用燃气对蓄热锅炉9辅助加热，使得蓄热体10迅速升温并发生相变，有利于中温液态水迅速汽化转变为气态水蒸气，此时利用蓄热热能发电。显然，即使在太阳能不丰富时，也能利用太阳能和燃气产生电能，相对于单纯利用燃气发电，其节能效果是显而易见的。

实施例3

一般来说，热电厂远离市中心设置，地点多位于市郊、乡镇和山谷中，多利用传统的化石燃料进行发电和供热，由于热电厂厂区开阔，接收到的太阳辐射热量大，太阳能资源很丰富，因此，将太阳能光电板6、太阳能集热器7、储热水箱8均设置在热电厂建筑物的上方，可以充分的利用太阳能进行发电和供热，更好地实现可再生能源的热电联产。

蓄热锅炉9内设置有多个温度传感器，多个温度传感器通过导线与蓄热锅炉外部的控制单元连接，温度传感器采用K型热电偶温度计，n个K型热电偶温度计均匀设置在蓄热锅炉的蓄热室9-2的上方，控制单元与触屏显示单元、存储器连接，通过触屏显示单元可设置预设温度阈值和预设运行时间，预设温度和预设时间数据存储在存储器中。

在实施例1的基础上，本发明又进一步提出了一种用于混合能源蓄热锅炉节电系统的控制方法，该控制方法基于一种用于混合能源蓄热锅炉节电系统，所述控制方法包含如下步骤：

SS1：通过触屏显示单元设定预设温度阈值[T

上述第一预设运行时间段ΔH1指混合能源蓄热锅炉节电系统的运行时间，第二预设运行时间段ΔH2指循环水泵14运行时的运行时间，例如，ΔH1可以是5年、10年，ΔH2可以是夏季的am9:00~pm7:00，也可以是冬季的am10:30~pm6:30，用户可根据当地的气候调节进行设置。

SS2：当时间点处于预设运行时间段ΔH1时，控制常规锅炉1启动，驱动蒸汽轮机2、发电机3发电，电路接通太阳能光电板6；

SS3：在步骤SS2的基础上，当时间点处于预设运行时间段ΔH2时，启动循环水泵14，实时监测n个温度传感器测量的温度T

SS4：当检测在80%ΔH2时间段内，T

SS5：当T

蒸汽供汽量可通过管道上的阀门进行调节。

SS6：当T

综上所述，本发明提出的混合能源蓄热锅炉节电系统，与现有的热电厂锅炉系统相比，其节电效果显著，实现电力系统“削峰填谷”的目的；电能和热能均可以通过蓄热锅炉实现存储，充分利用了电网和太阳能发电各自的优势，既避免了太阳能并网发电未被及时利用而浪费掉，也有利于电网负荷的稳定性；此外，太阳能光电板和太阳能集热器可设置在热电厂建筑物的顶部，蓄热锅炉温度可自动调控，进而有效结合了燃气发电和太阳能储热系统发电，且使两者可以有效衔接，防止两种供气汽方式衔接不当，给机组造成损失。

以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。