储能式蒸汽发生系统

1.本发明涉及蒸汽发生技术领域，具体为储能式蒸汽发生系统。


背景技术：

2.蒸汽作为一种高效的能源，尤其是100℃-200℃的高温蒸汽，被广泛应用于烹饪、杀菌、干燥、加热等各种工艺过程中。
3.由于蒸汽密度小，直接储能的难度大。目前常采用其他储热介质储热，再与水换热产生蒸汽。成熟的储热介质主要有水、导热油、熔盐等。导热油具有良好的蓄热性能，但需要定期更换，成本和建设资金较高。熔盐储热在核能和太阳能发电中应用较多，但是，熔盐在低于220℃时容易发生凝固，并且熔盐的腐蚀性相对水和导热油较强，对使用的锅炉或管道的材料要求较高。
4.闪蒸作为一种特殊的蒸发工艺，利用高压的饱和液体进入比较低压的容器中后，由于压力的突然降低，这些饱和液体变成一部分容器压力下的饱和蒸汽和饱和液体，闪蒸具有传热速度快、冷却效果好、蒸汽产生量大等特点。但在产生蒸汽的过程中，为了保护锅炉和管道往往会添加化学药剂，且在蒸汽的输送过程中，碳钢输送管道往往存在污垢和铁锈等，因此制备的蒸汽可能会含有铁锈、污垢及其它化学物质等。且由于闪蒸是当液体进入低于其温度所对应饱和压力的环境时，液体过热引发的快速汽化现象，这个过程中水的一部分热量会传递给空气，导致蒸发效率低。
5.现有技术中，也有采用太阳能吸热器制备蒸汽的工艺，太阳光照射到太阳能吸热器表面，太阳能吸热器内的水受热部分变成水蒸汽，水或汽水混合物与吸热器内壁间被水蒸汽膜隔开，导致吸热器传热系数急剧下降，管壁温度急剧升高，甚至出现过烧的现象，水蒸汽在管内换热会出现传热恶化现象。


技术实现要素：

6.针对以上问题，本发明提供了一种结构简单、蒸发效率高的储能式蒸汽发生系统及储热方法，至少解决上述部分问题。
7.本发明提供一种储能式蒸汽发生系统，包括依次连通形成闭式循环回路的低温高压介质储罐、第一循环泵、加热装置、高温高压介质储罐、第二循环泵及蒸发器，高温高压介质储罐和低温低压介质储罐还通过气体平衡装置连通，气体平衡装置用于维持低温高压介质储罐和高温高压介质储罐内的气压；蒸发器内设有换热介质；
8.低温高压介质储罐出口的低温高压储热介质经第一循环泵泵送至加热装置加热后以高温高压液态形式储存于高温高压介质储罐，高温高压介质储罐出口的高温高压储热介质经第二循环泵泵送至蒸发器并与换热介质换热后进入低温高压介质储罐完成一次循环，换热介质换热后转变为高温换热介质蒸汽。
9.通过对低温高压储热介质进行升温处理得到高温高压储热介质并储存，利用高温高压储热介质与蒸发器内的换热介质进行换热，使换热介质升温转化为换热介质蒸汽，高
温高压储热介质换热后温度下降进入低温高压介质储罐。与闪蒸相比，本实施方式采用高温高压储热介质间接加热蒸发器的方式，可以减少空气与换热介质的传热传质过程，减少了能量损失，有效地提高了蒸汽制备的效率；与传统的太阳能吸热器制备蒸汽相比，蒸发器内的换热介质与液态的高温高压储热介质(而非汽水混合物或储热介质蒸汽)换热转化为换热介质蒸汽，避免了传热恶化，采用高温高压热水与换热介质换热制备换热介质蒸汽保证了传热能力及传热效果。
10.本发明的可选技术方案中，加热装置为不含汽包的承压非相变式太阳能吸热器。
11.根据该技术方案，太阳能为清洁能源，且成本低，采用不含汽包的的承压非相变式太阳能吸热器加热低温高压储热介质，低温低压储热介质吸热后不会产生蒸汽，而是以液态形式存在，克服了常规水蒸气吸热器直接产生蒸汽，导致传热恶化导致及吸热器温度过高被烧坏的问题，提高了系统的安全性及运行可靠性。
12.本发明的可选技术方案中，加热装置为烟气换热器或电加热装置。
13.根据该技术方案，电能及烟气余热均可以作为热量来源加热低温高压储热介质，热量来源灵活性强；进一步地，电能可以由废弃的风能、谷电等能源转化而来，提高了废弃能源的转化率及利用率，有利于节约能源。
14.本发明的可选技术方案中，蒸发器包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口及热侧出口，冷侧入口用于输入低温换热介质，热侧出口用于输出换热介质蒸汽，热侧入口与高温高压介质储罐连通，冷侧出口与低温高压介质储罐连通。
15.本发明的可选技术方案中，热侧入口、热侧出口及冷侧入口均设有流量计和温度检测器，热侧入口还设有流量调节阀。
16.根据该技术方案，温度检测器用于检测蒸发器的热侧入口、热侧出口及冷侧入口的温度，流量计用于检测进入蒸发器的热侧入口、热侧出口及冷侧入口的水流量，电动调节阀用于调节进入热侧入口的高温高压储热介质流量，通过检测蒸发器热侧入口的温度、流量以及冷侧入口的温度、流量，并通过流量调节阀调节进入热侧入口的高温储热介质流量，能够根据实际需要控制蒸发器内换热介质蒸发所需的热量，提高了高温换热介质蒸汽温度调节的准确性与灵活性。
17.本发明的可选技术方案中，还包括储热介质供给装置，用于提供低温储热介质，储热介质供给装置与低温高压介质储罐的入口连通。
18.根据该技术方案，储热介质供给方式简单、便捷，有利于降低系统复杂程度，节约制造成本。
19.本发明的可选技术方案中，气体平衡装置包括气体平衡管、供气装置及止回阀，气体平衡管连通于高温高压介质储罐和低温高压介质储罐之间，且气体平衡管与供气装置的出口连通，止水阀设于供气装置的出口与气体平衡管的入口之间，止回阀能够防止气体向供气装置方向流动。
20.根据该技术方案，通过气体平衡管及供气装置使得高温高压介质储罐和低温高压介质储罐内的气压维持在较高水平，使得储热介质具有较高的沸点，从而提高储能密度，在与蒸发器换热时能够提供更多的热量，提高蒸汽发生效率。
21.本发明的可选技术方案中，供气装置为空气、氮气或惰性气体供给装置。
22.根据该技术方案，空气、氮气或惰性气体供给装置提供的气体不与高温高压介质
储罐、低温高压介质储罐及输水管道发生反应，有利于提高储能式蒸汽发生系统的使用寿命。
23.本发明的可选技术方案中，换热介质为去离子水，高温高压储热介质或低温高压储热介质为去离子水。
24.根据该技术方案，换热介质与储热介质为同一种物质，且都为去离子水，节约了储热介质的成本，提高了蒸汽发生系统的环保性；去离子水能够减少杂质及化学试剂对介质储罐以及管道的腐蚀，有利于提高储能式蒸汽发生系统的使用寿命。
25.本发明的可选技术方案中，高温高压介质储罐内的水温为180℃-210℃，高温高压介质储罐内的压力为2-2.5mpa。
26.根据该技术方案，通过加热装置将储热介质加热至较高的温度以及使储热介质维持在较高的压力下，能够提高储热介质的沸点以及储热介质的储能密度。
附图说明
27.图1为本发明实施方式中储能式蒸汽发生系统的一种结构示意图。
28.图2为本发明实施方式中储能式蒸汽发生系统的另一种结构示意图。
29.附图标记：
30.高温高压介质储罐1；高温介质入口11；高温介质出口12；低温高压介质储罐2；低温介质入口21；低温介质出口22；低温介质出口截止阀23；低温介质入口截止阀24；储热介质供给装置25；介质供给截止阀26；第一输水管道3；第一循环泵31；加热装置32；第二输水管道4；第二循环泵41；蒸发器42；冷侧入口421；冷侧出口422；热侧入口423；热侧出口424；气体平衡管51；供气装置52；止回阀53。
具体实施方式
31.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
32.如图1所示，本发明提供一种储能式蒸汽发生系统，包括依次连通形成闭式循环回路的低温高压介质储罐2、第一循环泵31、加热装置32、高温高压介质储罐1、第二循环泵41及蒸发器42，高温高压介质储罐1和低温低压介质储罐2还通过气体平衡装置连通，气体平衡装置用于维持低温高压介质储罐2和高温高压介质储罐1内的气压；蒸发器42内设有换热介质；
33.低温高压介质储罐2出口的低温高压储热介质经第一循环泵31泵送至加热装置32加热后以高温高压液态形式储存于高温高压介质储罐1，高温高压介质储罐1出口的高温高压储热介质经第二循环泵41泵送至蒸发器42并与换热介质换热后进入低温高压介质储罐2完成一次循环，换热介质换热后转变为高温换热介质蒸汽。
34.具体地，高温高压介质储罐1，用于储存高温高压储热介质，高温高压介质储罐1具有高温介质出口12及高温介质入口11；低温高压介质储罐2用于储存低温高压储热介质，低温高压介质储罐2具有低温介质入口21及低温介质出口22；第一输水管道3连通于低温介质
出口22与高温介质入口11之间，第一输水管道3的水流方向上依次设有第一循环泵31及加热装置32；第二输水管道4，连通于高温介质出口12与低温介质入口21之间，第二输水管道4的水流方向上依次设有第二循环泵41及蒸发器42；蒸发器42包括冷侧入口421、冷侧出口422、热侧入口423及热侧出口424，冷侧入口421用于输入低温换热介质，热侧出口424用于输出高温换热介质蒸汽，热侧入口423与高温介质出口12连通，冷侧出口422与低温介质入口21连通。
35.本实施方式通过对低温高压储热介质进行升温处理得到高温高压储热介质并储存，利用高温高压储热介质与蒸发器42内的换热介质进行换热，使换热介质升温转化为换热介质蒸汽，高温高压储热介质换热后温度下降进入低温高压介质储罐2。与闪蒸相比，本实施方式采用高温高压储热介质间接加热蒸发器42的方式，可以减少空气与换热介质的传热传质过程，减少了能量损失，有效地提高了蒸汽制备的效率；与传统的太阳能吸热器制备蒸汽相比，蒸发器42内的换热介质与液态的高温高压储热介质(而非汽水混合物或储热介质蒸汽)换热转化为换热介质蒸汽，避免了传热恶化，采用高温高压热水与换热介质换热制备换热介质蒸汽保证了传热能力及传热效果。
36.本发明的优选实施方式中，高温高压介质储罐1及低温高压介质储罐2均采用相同的大容量承压结构，优选采用球罐。
37.本发明的优选实施方式中，低温介质出口22处设有低温介质出口截止阀23；低温介质入口21处设有低温介质入口截止阀24；高温介质入口11处设有高温介质入口截止阀13；高温介质出口12处设有高温介质出口截止阀14。通过上述方式，能够根据需要关闭低温介质入口截止阀24、低温介质出口阀23、高温介质出口截止阀14及高温介质入口截止阀13，提高了储能式蒸汽发生系统的灵活性。
38.本发明的优选实施方式中，还包括储热介质供给装置25，与低温介质入口21连通。进一步地，储热介质供给装置25的出口与低温介质入口21之间设有介质供给截止阀26；储热介质供给方式简单、便捷，有利于降低系统复杂程度，节约制造成本；且介质供给截止阀26的设置提高了储热介质供给的灵活性。
39.本发明的优选实施方式中，加热装置32的热量来源于电厂烟气余热、多余蒸汽的热量或者是可再生能源转化的热能。其中可再生能源转化的热能可以是太阳能直接转化的热能、太阳能发电转化的热能、废弃风能发电转化的热能、废弃电力(如低谷电)转化的热能，通过上述方式，能够将废弃能源的热量转化为水的热能进行储存，提高了废弃能源的转化率及利用率，有利于节约能源。如图2所示，加热装置32为为不含汽包的承压非相变式太阳能吸热器。太阳能为清洁能源，且成本低，采用不含汽包的的承压非相变式太阳能吸热器加热低温高压储热介质，低温低压储热介质吸热后不会产生蒸汽，而是以液态形式存在，克服了常规水蒸气吸热器直接产生蒸汽，导致传热恶化导致及吸热器温度过高被烧坏的问题，提高了系统的安全性及运行可靠性。
40.在一些实施例中，加热装置32也可以为电加热装置，电能来源于上述太阳能发电、废弃风能发电、低谷电等，热量来源灵活性强，提高了废弃能源的转化率及利用率，有利于节约能源。在一些实施例中，加热装置32还可以为烟气换热器，利用高温烟气与低温高压储热介质换热。
41.本发明的优选实施方式中，蒸发器42的冷侧入口421、热侧入口423及热侧出口424
均设有热电偶6及流量计7。热电偶6用于检测蒸发器42的热侧入口423的温度，流量计7用于检测进入蒸发器42的热侧入口423的热水流量，通过检测蒸发器42的冷侧入口421的温度及流量，并结合蒸发器42热侧入口423的温度及流量，能够根据实际需要控制蒸发器42内换热介质蒸发所需的热量以及换热介质蒸汽的温度，提高换热介质蒸汽温度调节的准确性。同时蒸发器42的热侧出口424还设有热电偶6及流量计7，根据蒸发器42热侧出口424的热电偶及流量计能够便于控制调节得到规定流量及温度的换热介质蒸汽，从而便于后续的使用，提高了操作的便捷性。进一步地，蒸发器42的热侧入口423与第二循环泵41的出口之间还设有电动调节阀8，电动调节阀8用于调节进入热侧入口423的高温高压储热介质的流量。其中热电偶也可以采用其它温度传感器或温度检测装置替换。
42.本发明的优选实施方式中，换热介质为去离子水，高温高压储热介质或低温高压储热介质为去离子水。换热介质与储热介质为同一种物质，且都为去离子水，与导热油、熔盐等储热系统相比，工艺设备简单，能够最大程度降低成本和建设资金，且绿色环保；去离子水能够减少杂质及化学试剂对介质储罐以及管道的腐蚀，有利于提高储能式蒸汽发生系统的使用寿命。并且不需要在被蒸发液体水中添加化学药剂防止腐蚀，可以产生较为纯净的蒸汽。
43.在其它实施方式中，储热介质也可以是水以外的其它液体，蒸汽类型也可以是水蒸气以外的其它类型，可以根据需要选择不同的储热介质及换热介质，不限于本实施方式所示例的水。
44.本发明的优选实施方式中，还包括气体平衡管51和供气装置52，连通于高温高压介质储罐1和低温高压介质储罐2之间，气体平衡管51与供气装置52的出口连通，供气装置52用于提供高压气体以维持低温高压介质储罐2和高温高压介质储罐1内的气压。通过气体平衡管51及供气装置52使得高温高压介质储罐1和低温高压介质储罐2内的气压维持在较高水平，使得储热介质具有较高的沸点，从而提高储能密度，在与蒸发器42换热时能够提供更多的热量，提高蒸汽发生效率。具体地，供气装置52为空气、氮气或惰性气体供给装置。空气、氮气或惰性气体供给装置提供的气体不与高温高压介质储罐1、低温高压介质储罐2、输水管道及水发生反应，有利于提高储能式蒸汽发生系统的使用寿命。优选地，也可以是其它溶解度低的气体。进一步地，供气装置52的出口还设有止回阀53，止回阀53能够防止气体向供气装置52方向流动。止回阀53的设置使得供气装置5能够稳定地输出高压气体，有利于保证高温高压介质储罐1及低温高压介质储罐2中气压的稳定。另外，储热介质去离子水在储能式蒸汽发生系统中做闭式循环，可以解决蒸汽不纯净，设备结垢、腐蚀等问题。
45.本发明的优选实施方式中，高温高压介质储罐1内的水温为180℃-210℃，高温高压介质储罐1内的压力为2-2.5mpa。通过加热装置32将储热介质加热至较高的温度以及使储热介质维持在较高的压力下，能够提高储热介质的沸点以及储热介质的储能密度。
46.以上具体说明了本发明实施方式储能式蒸汽发生系统的结构，以下本实施例以2mpa、200℃高压热水在蒸发器中与换热介质换热产生0.5mpa、180℃水蒸汽为例说明其运行方法。
47.(1)准备工作
48.系统运行前，首先经储热介质供给装置25向低温高压介质储罐2内以及第一输水管道3中注入去离子水，然后启动供气装置52对低温高压介质储罐2和高温高压介质储罐1
内输入高压气体以使得罐内气压达到压力设定值2mpa以上；后续系统运行后，气体压力下降时，供气装置52自动启动，对系统进行补气，维持气体压力不低于压力设定值2mpa；
49.(2)储热过程
50.低温高压介质储罐2中的冷水通过第一循环泵31进入加热装置32，加热到高温设定值200℃后，送入高温高压介质储罐1进行储存，高温高压介质储罐1中的高压气体随着水位上升通过气体平衡管51进入低温高压介质储罐2，低温高压介质储罐2水位下降至保护水位，储热过程结束。
51.(3)蒸发过程
52.高温高压介质储罐1中的热水通过第二循环泵41进入蒸发器42内，可以通过调节第二循环泵41的流量和电动调节阀8的开度来调节进入蒸发器42的热侧入口423的200℃热水流量，使蒸发器42内的液态水汽化到0.5mpa下180℃，换热结束后，储热介质送至低温高压介质储罐2进行储存，低温高压介质储罐2中的高压气体随着水位上升通过气体平衡管51进入高温高压介质储罐1，高温高压介质储罐1水位下降至保护水位，蒸发过程结束。
53.本实施例中，产生1吨0.5mpa、180℃的蒸汽，需要12.85吨2mpa、200℃热水，蒸发效率较高。需要说明的是，高温高压储热介质的温度和压力不限于本实施方式所示例的数值，技术人员可以根据实际需要调节高温高压储热介质的温度、压力以及换热介质蒸汽的温度和压力。
54.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种储能式蒸汽发生系统，其特征在于，包括依次连通形成闭式循环回路的低温高压介质储罐、第一循环泵、加热装置、高温高压介质储罐、第二循环泵及蒸发器，所述高温高压介质储罐和所述低温低压介质储罐还通过气体平衡装置连通，所述气体平衡装置用于维持所述低温高压介质储罐和所述高温高压介质储罐内的气压；所述蒸发器内设有换热介质；所述低温高压介质储罐出口的低温高压储热介质经所述第一循环泵泵送至所述加热装置加热后以高温高压液态形式储存于所述高温高压介质储罐，所述高温高压介质储罐出口的高温高压储热介质经所述第二循环泵泵送至所述蒸发器并与所述换热介质换热后进入所述低温高压介质储罐完成一次循环，所述换热介质换热后转变为高温换热介质蒸汽。2.根据权利要求1所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述加热装置为不含汽包的承压非相变式太阳能吸热器。3.根据权利要求1所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述加热装置为烟气换热器或电加热装置。4.根据权利要求1所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述蒸发器包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口及热侧出口，所述冷侧入口用于输入低温换热介质，所述热侧出口用于输出所述换热介质蒸汽，所述热侧入口与所述高温高压介质储罐连通，所述冷侧出口与所述低温高压介质储罐连通。5.根据权利要求4所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述冷侧入口、所述热侧入口、所述热侧出口及所述冷侧入口均设有流量计和温度检测器，所述热侧入口还设有流量调节阀。6.根据权利要求2所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，还包括储热介质供给装置，用于提供低温储热介质，所述储热介质供给装置与所述低温高压介质储罐的入口连通。7.根据权利要求2所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述气体平衡装置包括气体平衡管、供气装置及止回阀，所述气体平衡管连通于所述高温高压介质储罐和所述低温高压介质储罐之间，且所述气体平衡管与所述供气装置的出口连通，所述止水阀设于所述供气装置的出口与所述气体平衡管的入口之间，所述止回阀能够防止气体向所述供气装置方向流动。8.根据权利要求7所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述供气装置为空气、氮气或惰性气体供给装置。9.根据权利要求1至8中任一项所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述换热介质为去离子水，所述高温高压储热介质或所述低温高压储热介质为去离子水。10.根据权利要求9所述的储能式蒸汽发生系统，其特征在于，所述高温高压介质储罐内的水温为180℃-210℃，所述高温高压介质储罐内的压力为2-2.5mpa。

技术总结
本发明提供一种储能式蒸汽发生系统，包括依次连通形成闭式循环回路的低温高压介质储罐、第一循环泵、加热装置、高温高压介质储罐、第二循环泵及蒸发器，高温高压介质储罐和低温低压介质储罐还通过气体平衡装置连通，气体平衡装置用于维持低温高压介质储罐和高温高压介质储罐内的气压；蒸发器内设有换热介质；低温高压介质储罐出口的低温高压储热介质经第一循环泵泵送至加热装置加热后以高温高压液态形式储存于高温高压介质储罐，高温高压介质储罐出口的高温高压储热介质经第二循环泵泵送至蒸发器并与换热介质换热后进入低温高压介质储罐完成一次循环，换热介质换热后转变为高温换热介质蒸汽。本发明可以有效地提高蒸汽制备效率。制备效率。制备效率。


技术研发人员：祝培旺 陈丹 肖刚
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/25