用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统及其运行方法与流程

本发明涉及储能技术领域，更具体地讲，涉及一种用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统及其运行方法。

背景技术：

为了适应国家节能减排要求，提高电厂自身热效率和经济性，利用电厂余热进行供热逐渐成为一种趋势。然而随着用户需求和市场形势的发展，热电厂也面临着一些问题：其一，由于供热用户夜间用汽较少，一方面为满足最低负荷运行要求，另一方面在负荷较低情况下烟气环保排放难以满足要求，热电厂需通过开背压机排汽提升机组负荷；其二，随着城镇化迅速推进带来的集中供热面积飞升，热电厂无法满足用热高峰时段的最大供热需求，缺口越来越大。

为了解决上述问题，需对热电厂进行热量调峰改造。最有效的解决方式是为热电厂增加储热系统，在夜间供热低谷时段将多余的蒸汽热量储存起来，白天供热高峰时段将储热系统中的热量释放出来产汽供热，从而起到调峰供热、提高机组经济性的目的。目前工业上常用的储热方式主要是熔盐储热。然而由于熔盐熔点高，必须有必要的防凝手段，设置可靠的电伴热系统，同时适用于熔盐介质的设备、阀门、仪器仪表等都需要特殊的设计和制造工艺，熔盐储罐的设计制造和防泄漏也是系统难点，以上各种因素导致熔盐储热换热系统建造和运维成本昂贵，一般热电厂业主难以接受。另外，熔盐储换热系统在设计中受换热特性、换热参数等的影响，可能出现热量利用不充分的情况，造成热量的浪费，此时可能还需加入热水辅助储热系统以实现热量的梯级利用，进一步增加系统复杂性、初投资和运维成本。

混凝土由于其价格低廉且没有熔盐的上述问题，被考虑用作储热材料。然而目前对混凝土储换热系统的研究基本还停留在纸面阶段。已知已有实际应用的混凝土储换热系统为直接蒸汽相变充热和直接给水相变取热产汽的系统，然而由于混凝土的储放热特性，从混凝土中直接产生的蒸汽温度是随时间逐渐降低的，不能为后端用户提供稳定的能量(供热或发电)。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统，并对其运行方法进行了方案设计。

本发明的一方面提供了一种用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统，所述混凝土储换热系统包括通过管路连接的混凝土储热单元、取热单元和蒸汽发生单元，混凝土储热单元中设置有混凝土储热材料，其中，

所述混凝土储热单元的热源入口与热源供给单元相连且热源出口与热源回收单元相连；

所述取热单元包括取热工质储罐和取热工质缓冲罐，所述取热工质储罐与混凝土储热单元的取热工质入口相连且混凝土储热单元的取热工质出口与取热工质缓冲罐相连；

所述蒸汽发生单元的取热工质入口与取热工质缓冲罐相连且取热工质出口与取热工质储罐相连，所述蒸汽发生单元的给水入口与给水供给单元相连且蒸汽出口与用户端相连。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的一个实施例，所述混凝土储热单元包括至少一个混凝土储热模块，所述至少一个混凝土储热模块串联和/或并联连接，所述混凝土储热模块中设置有混凝土储热材料和排列的金属换热管，其中，金属换热管中的热源流动方向与取热工质流动方向相反。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的一个实施例，所述蒸汽发生单元包括串联设置的预热器、蒸发器和至少两级过热器，其中，蒸汽发生单元的给水入口设置在预热器侧且给水蒸汽出口设置在过热器侧，蒸汽发生单元的取热工质入口设置在过热器侧且取热工质出口设置在预热器侧，其中，蒸汽发生单元中给水和/或蒸汽的流动方向与取热工质的流动方向相反。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的一个实施例，所述热源供给单元包括热源和设置在热源与混凝土储热单元之间管路上的减压阀和关断阀，所述热源提供的工质包括作为供热工质的来自热电厂系统的高温蒸汽或者作为预热工质的低温热水和/或机组抽汽，所述低温热水为凝结水、除氧水和软化水中的至少一种。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的一个实施例，所述取热单元还包括设置在取热工质储罐与混凝土储热单元之间管路上的第一取热工质泵和关断阀以及设置在取热工质缓冲罐与蒸汽发生单元之间管路上的第二取热工质泵、调节阀和关断阀，其中，所述取热工质为导热油或高温高压的热水。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的一个实施例，所述给水供给单元包括给水源和设置在水源与蒸汽发生单元之间管路上的给水泵、关断阀和调节阀；当蒸汽发生单元设置有两级过热器时，蒸汽发生单元包括与二级过热器并联的旁路管道，所述旁路管道上设置有关断阀和调节阀，所述二级过热器的上游和下游分别设置有关断阀和调节阀，其中，一级过热器和二级过热器均与用户端相连。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的一个实施例，热源回收单元与混凝土储热单元之间的管路上设置有关断阀，混凝土储热单元与取热工质缓冲罐之间的管路上设置有关断阀，蒸汽发生单元与取热工质储罐之间的管路上设置有关断阀，蒸汽发生单元与用户端之间的管路上设置有调节阀和关断阀。

本发明的另一方面提供了如上述用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的运行方法，所述运行方法包括以下步骤：

预热步骤：初次储热时，将来自热源供给单元的作为预热工质的低温热水和/或机组抽汽送入混凝土储热单元对混凝土储热材料进行预热，待混凝土储热材料温度提升直至达到储热阶段设计初始平均温度后，控制放热后的低温热水和/或机组抽汽回流至热源回收单元；

稳定储热阶段：对来自热源供给单元的作为供热工质的高温蒸汽进行降压处理并使其保持高温状态后送入混凝土储热单元对混凝土储热材料进行充热，待混凝土储热材料充分储热后，控制放热后的蒸汽回流至热源回收单元；

放热阶段：将取热工质储罐中的取热工质送入混凝土储热单元中与混凝土储热材料进行热交换并吸收热量，控制吸热后的取热工质进入取热工质缓冲罐中缓冲储存，根据需求将取热工质缓冲罐中吸热后的取热工质送入蒸汽发生单元中与给水进行逆向换热后回流至取热工质储罐，给水换热后成为过热蒸汽并供给用户端；

在运行过程中，循环进行稳定储热阶段和放热阶段以单独或同时提供不同温度和不同压力等级的过热蒸汽。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的运行方法的一个实施例，控制预热步骤中引入的预热工质温度逐渐升高并控制预热工质的温度和流量以控制预热工质与混凝土储热材料之间的温差和混凝土储热材料内部的温升速率在预定幅度内。

根据本发明用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的运行方法的一个实施例，所述稳定储热阶段为夜间用热低谷时期，所述放热阶段为白天用热高峰时期。

与现有技术相比，本发明提出的用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统具有如下优势：

1)初次储热时，预先预热混凝土储热材料并通过控制预热速率等参数防止混凝土储热材料破坏或开裂，益于系统寿命；

2)储热阶段蒸汽不发生相变，金属管内不会残留水工质，避免了后续放热阶段导热油中混入水工质从而影响换热，保证系统安全性和运行性能，省去干燥装置和相关金属管干燥操作，同时使储热过程相对更易于控制；

3)设置取热工质缓冲罐，使进入蒸汽发生单元的取热工质流量可调，从而根据取热工质温度并配合给水流量调整可维持蒸汽温度的稳定，解决了现有的直接产生蒸汽的混凝土储换热系统带来的用户端供热不稳定的问题；

4)设置两级或多级过热器，可以根据用户需求单独地或同时地提供不同温度、不同压力等级的供热蒸汽，系统适应性更强，供热参数更灵活；

5)储热阶段，高温蒸汽对混凝土放热后再次回收至机组回热系统内，不存在热量的浪费，实现了热量的充分利用；

6)系统设置、运行维护较常规熔盐储换热系统更加简单，系统初投资、运维成本较熔盐系统更低。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的流程结构示意图。

附图标记说明：

①-混凝土储热单元、②-取热工质储罐、③-取热工质缓冲罐、④-第一取热工质泵、⑤-第二取热工质泵、⑥-给水泵、⑦-预热器、⑧-蒸发器、⑨-一级过热器、⑩-二级过热器、a-i、o、q-关断阀、j-m、p、r-调节阀、n-减压阀。

图中，实线为取热工质管路、虚线为预热工质/供热工质管路、点划线为给水/过热蒸汽管路，具体见图中标号1＇-17＇。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1示出了根据本发明示例性实施例的用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的流程结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统包括通过管路连接的混凝土储热单元①、取热单元和蒸汽发生单元，混凝土储热单元①中设置有用于储热和放热的混凝土储热材料。其中，混凝土储热单元实现热量的储存和释放，蒸汽发生单元实现过热蒸汽的产出，取热单元则提供取热介质的循环流路。

具体地，混凝土储热单元①的热源入口与热源供给单元相连且热源出口与热源回收单元相连。混凝土储热单元①包括至少一个混凝土储热模块，该至少一个混凝土储热模块串联和/或并联连接，混凝土储热模块中设置有混凝土储热材料和排列的金属换热管，金属换热管排列方式可以是错列、顺列或其他形式。其中，金属换热管中的热源流动方向与取热工质流动方向相反。

本发明中的热源供给单元包括热源和设置在热源与混凝土储热单元①之间管路1＇上的减压阀n和关断阀f，热源提供的工质包括作为供热工质的来自热电厂系统的高温蒸汽或者作为预热工质的低温热水和/或机组抽汽，该低温热水为凝结水、除氧水和软化水中的至少一种，通过不同的热源工质提供不同的预热或供热作用。

取热单元包括取热工质储罐②和取热工质缓冲罐③，取热工质储罐②与混凝土储热单元①的取热工质入口相连且混凝土储热单元①的取热工质出口与取热工质缓冲罐③相连。

具体地，取热单元还包括设置在取热工质储罐②与混凝土储热单元①之间管路3＇上的第一取热工质泵④和关断阀d以及设置在取热工质缓冲罐③与蒸汽发生单元之间管路5＇上的第二取热工质泵⑤、调节阀k和关断阀b。其中，取热工质可以为导热油、高温高压的热水或其他合适的液体介质，在取热过程中，需保持取热工质在混凝土储能材料内为液体状态。

本发明的取热工质优选为导热油，由于导热油熔点较熔盐大大降低(二元熔盐238℃，三元熔盐142℃，vp-1导热油12℃)，因此本发明的系统不存在熔盐系统的高凝固风险，管道、设备、部件的保温、伴热要求低。且本系统中的导热油为循环使用，其用量同比熔盐系统的熔盐用量大幅下降，加之混凝土价格低廉，整个系统造价和运维成本较熔盐储换热系统更低。

蒸汽发生单元的取热工质入口与取热工质缓冲罐③相连且取热工质出口与取热工质储罐②相连，蒸汽发生单元的给水入口与给水供给单元相连且蒸汽出口与用户端相连。即取热之后的取热工质进入蒸汽发生单元与给水进行热交换后可根据用户需求调整得到不同温度、不同压力的过热蒸汽，从而实现了调峰供热和能源有效利用。

具体地，本发明中的蒸汽发生单元优选地包括串联设置的预热器⑦、蒸发器⑧和至少两级过热器。其中，蒸汽发生单元的给水入口设置在预热器⑦侧且给水蒸汽出口设置在过热器侧，蒸汽发生单元的取热工质入口设置在过热器侧且取热工质出口设置在预热器⑦侧，并且蒸汽发生单元中给水和/或蒸汽的流动方向与取热工质的流动方向相反以实现有效热交换。如图1所示，预热器⑦、蒸发器⑧和至少两级过热器之间还设置有取热工质管路6＇、7＇、8＇和水/过热蒸汽管路11＇、12＇、13＇。蒸汽发生单元的换热器(预热器、蒸发器、过热器)可以是发夹式、管壳式或其他形式，蒸发器可以是带独立汽包的形式，也可以是釜式蒸发器。

给水供给单元包括给水源和设置在水源与蒸汽发生单元之间管路10＇上的给水泵⑥、关断阀a和调节阀j。当蒸汽发生单元设置有两级过热器时，蒸汽发生单元包括与二级过热器⑩并联的旁路管道17＇，旁路管道17＇上设置有关断阀o和调节阀p，二级过热器⑩的上游和下游分别设置有关断阀h、q和调节阀l、r。其中，一级过热器⑨通过管路16＇与用户端相连，二级过热器⑩通过管路15＇与用户端相连。

此外，为了便于控制，本发明还在热源回收单元与混凝土储热单元①之间的管路2＇上设置有关断阀e，混凝土储热单元①与取热工质缓冲罐③之间的管路4＇上设置有关断阀g，蒸汽发生单元与取热工质储罐②之间的管路9＇上设置有关断阀c，蒸汽发生单元与用户端之间的管路上设置有调节阀m和关断阀i。

利用上述系统，储热阶段(夜间用热低谷)由电厂富余的高温蒸汽为混凝土储热单元充热，将蒸汽的热量储存于混凝土储热材料中；放热阶段(白天用热高峰)，导热油等作为取热工质进入混凝土储热材料内吸收热量，取热工质升温后进入取热工质缓冲罐再送入蒸汽发生单元加热给水产生满足用户需求的供热蒸汽。也即，本发明通过热力机组参数的调节，为混凝土储热单元充热，而后在需要时将混凝土储热单元中热量释放供热，实现热电厂调峰供热。

本发明系统储热时蒸汽没有相变，金属换热管内不会残留水工质，避免了后续放热阶段导热油等取热工质中混入水工质从而影响换热，保证系统安全性和运行性能，省去干燥装置和相关金属管干燥操作，同时使储热过程相对更易于控制。优选地利用导热油作为取热工质，再通过换热器将其与水工质换热产生供热蒸汽，设置的取热工质缓冲罐使进入蒸汽发生系统的导热油等取热工质流量可调，从而根据取热工质温度、配合给水流量调整可维持蒸汽温度的稳定，解决了现有的直接产生蒸汽的混凝土储换热系统带来的用户端供热不稳定的问题，同时也为必要时蒸汽流量、温度的调节提供了较为灵活的手段，系统适应性更强。

本发明同时提供了上述用于热电厂调峰供热的混凝土储换热系统的运行方法，以使系统的整体效用发挥至最优。

根据本发明的示例性实施例，所述运行方法主要包括预热步骤、稳定储热阶段和放热阶段三个阶段，稳定后则在运行过程中循环进行稳定储热阶段和放热阶段以单独或同时提供不同温度和不同压力等级的过热蒸汽。

具体地，在预热步骤中，在初次储热时将来自热源供给单元的作为预热工质的低温热水和/或机组抽汽送入混凝土储热单元对混凝土储热材料进行预热，待混凝土储热材料温度提升直至达到储热阶段设计初始平均温度后，控制放热后的低温热水和/或机组抽汽回流至热源回收单元。

其中，控制预热步骤中引入的预热工质温度逐渐升高并控制预热工质的温度和流量以控制预热工质与混凝土储热材料之间的温差和混凝土储热材料内部的温升速率在预定幅度内，从而防止温差和温升速率过大引起混凝土性质破坏或开裂，益于系统寿命。在预热完成后，即可进入后续的稳定储热阶段和放热阶段。

其中，本发明中的稳定储热阶段主要为夜间用热低谷时期。此时，通过对来自热源供给单元的作为供热工质的高温蒸汽进行降压处理并使其保持高温状态后送入混凝土储热单元对混凝土储热材料进行充热，待混凝土储热材料充分储热后，控制放热后的蒸汽回流至热源回收单元。

降压处理可以一方面保证较大的充热热量，一方面使充热蒸汽在整个储热过程中始终保持过热蒸汽状态，益于全系统的安全性及运行性能。放热后的蒸汽根据需求调整参数后可以回收送入机组回收系统等热源回收单元中。

本发明中的放热阶段主要为白天用热高峰时期。此时，将取热工质储罐中的取热工质送入混凝土储热单元中与混凝土储热材料进行热交换并吸收热量，控制吸热后的取热工质进入取热工质缓冲罐中缓冲储存，根据需求将取热工质缓冲罐中吸热后的取热工质送入蒸汽发生单元中与给水进行逆向换热后回流至取热工质储罐，给水换热后成为过热蒸汽并供给用户端；

混凝土储热单元中的混凝土储热材料放热后温度下降，取热工质升温后先进入取热工质缓冲罐，再通过调节阀和第二取热工质泵根据系统具体运行工况调节流量后送入蒸汽发生单元。取热工质依次通过过热器、蒸发器和预热器将热量释放给给水工质，放热后预热器出口的取热工质温度降至取热工质储罐内平均温度，回到取热工质储罐并开始下一次吸热放热循环。

给水则由给水泵送入蒸汽发生单元，通过预热器加热，在蒸发器中进一步被加热发生相变，汽水混合物优选地在汽包内进行汽水分离，分离后的水工质回到蒸发器，饱和蒸汽则进入过热器被进一步加热，产生满足用户需求的过热蒸汽。设置两级或多级过热器以满足不同用户用热需求，通过流量调节可以单独地或同时地提供不同温度、不同压力等级的过热蒸汽。

本系统适用场合不限于热电厂供热调峰，而同样适用于高温蒸汽作为混凝土储热热源，后端用户需求为蒸汽、热水、发电等的场合，如直接产生蒸汽的光热电站(dsg光热电站)等。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例结构如图1所示，需要说明的是，图中所示仅为本专利实施例描述中需要特别指出的关键设备和部件，系统实际还包括其他必要的各类阀门及仪器仪表等。

混凝土储热单元由多个混凝土储热模块串联和并联组成，还包括相关连接管道、阀门等组附件；每个混凝土储热模块包括混凝土储热材料和其内部排列的金属换热管。

初次储热时，先利用温度较低的系统热水(如凝结水、除氧水、软化水或其中几种混合)来预热混凝土储热单元，待混凝土储热材料温度提升后，还可利用机组抽汽继续预热，直至储热材料达到储热阶段设计初始平均温度。预热过程中引入的预热工质温度逐渐升高，通过控制预热工质温度和流量控制其与储热材料间的温差以及储热材料内部的温升速率，防止温差和温升速率过大引起混凝土性质破坏或开裂，益于系统寿命。

稳定储热阶段(夜间用热低谷)，打开阀门f、e，先将来自电厂机组的高温蒸汽通过减压阀n进行降压处理并保持蒸汽高温状态；降压后的高温蒸汽经管路1＇进入混凝土储热单元充热，将蒸汽的热量储存于混凝土储热材料中，放热后的蒸汽根据需求调整参数后经管路2＇回收送入机组回热系统内；充热完成后，关闭阀门f、e。

放热阶段(白天用热高峰)，打开阀门d、g、k、b、c、a、j，开启第一取热工质泵，导热油作为取热工质自取热工质储罐通过第一取热工质泵经管路3＇送入混凝土储热单元内吸收热量，放热后混凝土储热材料温度下降，导热油升温后经管路4＇进入取热工质缓冲罐，开启第二取热工质泵，导热油通过调节阀i和第二取热工质泵并根据系统具体运行工况调节流量后经管路5＇送入蒸汽发生单元，导热油依次通过二级过热器、管路6＇、一级过热器、管路7＇、蒸发器、管路8＇和预热器将热量释放给给水工质，放热后预热器出口的导热油温度降至取热工质储罐内平均温度，经管路9＇回到取热工质储罐并开始下一次吸热放热循环。

给水则由给水泵经管路10＇送入蒸汽发生单元，首先通过预热器加热，经管路11＇直接进入汽包，汽包和蒸发器间通过上升管和下降管(图中未示出)连接，进入汽包的水工质与汽包中汽水分离后的饱和水一起经下降管进入蒸发器中进一步被加热发生相变，汽水混合物经上升管进入汽包内进行汽水分离，分离后的饱和蒸汽经管路12＇进入一级过热器被进一步加热，打开阀门l、h、m、i，一级过热器出口的过热蒸汽经管路13＇后在调节阀l、m的调节下，以不同的流量一部分通过管路14＇进入二级过热器被再次加热升温后经管路15＇送至用户端，另一部分则通过管路16＇直接送至用户端；当阀门l、h关闭时，仅提供一级过热器出口蒸汽至用户，此时二级过热器仅作为导热油的通道；当阀门m、i关闭时，仅提供二级过热器出口蒸汽至用户。通过调节给水流量、给水压力、导热油流量、导热油温度等参数调整供热蒸汽参数，同时，还设置旁路管路17＇和相应阀门o、p、q、r，必要时使一级过热器的进口导热油温度可调，进一步增加系统的灵活性和适应性。

本实施例针对某一热电厂的机组参数及供热需求对本系统进行了参数设计。夜间储热9h，白天放热6h，充热用高温蒸汽温度为535℃，取热工质储罐平均温度为40℃，过热蒸汽为230℃，混凝土储热单元充热效率约为67.7％。

对比该电厂设计的第一种方案，即熔盐+热水储换热系统，混凝土储换热系统的主要材料混凝土储热材料、金属换热管及导热油的成本总和仅比第一种方案中熔盐介质价格高出约165万元，而熔盐系统还有高、低温熔盐储罐、高、低温熔盐泵、熔盐阀门、电伴热系统、四个体积约500m³的储水罐及相关管道、阀门、仪器仪表等。除去导热油相关设备，如导热油泵、导热油罐、导热油净化系统等，本发明混凝土储换热系统在系统初投资、运维成本和全生命周期成本上也占有更大的优势。

由此，本发明相比于现有的蒸汽、水直接相变充、放热的混凝土储换热系统，则具有更加稳定的运行性能和更加灵活的调节性能，适应性更广。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。