本发明涉及太阳能中高温热利用技术领域，具体来说是一种熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置及方法。
背景技术：
太阳能具有储量丰富、覆盖范围大、清洁无污染等特点，是极具应用前景的可再生能源。太阳能利用主要有光电利用和光热利用两种方式。太阳能中高温热利用技术是我国实现可持续发展的战略性新能源技术，其应用系统主要由聚光系统、吸热系统、蓄热系统和热利用系统组成，根据热利用系统的不同主要分为太阳能制氢、太阳能产蒸汽、太阳能海水淡化等实施方式。
太阳能具有不稳定性，难以满足工业化供能的连续性和稳定性要求，因此亟需发展高效传蓄热技术，以切实解决太阳能的储存、运输以及转换问题。目前太阳能中高温热利用系统采用的传蓄热工质主要有导热油、熔盐、压缩气体、液态金属等，其中熔盐以其工作温度范围广、热容大、热稳定性好等显著优势而得到广泛应用，因此开发高效稳定的熔盐蓄热系统和熔盐蒸汽发生系统是太阳能中高温热利用技术的研究重点之一。
高温熔盐蓄热系统主要有单罐和双罐系统。双罐熔盐蓄热系统由于运行稳定、技术成熟，被广泛用于聚光太阳能热发电站等系统。双罐蓄热系统按蓄热方式分为直接式和间接式。直接式蓄热系统内的蓄热介质直接吸收外来热量，主要用于塔式太阳能热电站；而间接式蓄热系统内的蓄热介质则吸收换热器内传热介质的热量，主要用于槽式太阳能热电站。斜温层单罐蓄热系统是目前最具经济性的研发对象，相比双罐系统可以降低35％的成本。单罐和双罐系统普遍只具备蓄放热功能，需要通过外置热利用系统进行放热，热利用效率较低且熔盐使用量较大。
中高温太阳能规模化热利用的一种主要形式是太阳能产蒸汽，蒸汽发生器主要分为平板集热式蒸汽发生器与聚光吸热式蒸汽发生器。聚光吸热式蒸汽发生器主要分为直接式与间接式两类，其中间接式蒸汽发生器主要利用熔盐、导热油作为传蓄热工质。目前常用的间接式熔盐蒸汽发生器有套管式蒸汽发生器、管壳式蒸汽发生器、盘管式蒸汽发生器等，但这些蒸汽发生器普遍缺乏蓄放热功能，需要配备额外的蓄热系统以保证蒸汽发生过程的稳定进行，系统稳定性不强且成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供了一种稳定性强、蓄热性能好、且将蓄热系统和蒸汽发生系统一体化的熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置。同时，本发明的另一目的在于提供了一种熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置，包括内部填充有多孔固体蓄热材料的箱体、饱和蒸汽盘管、过热蒸汽盘管、进水管、出汽管、水位控制器、汽包和水泵，所述饱和蒸汽盘管和过热蒸汽盘管分别安装于箱体内的下端和上端，所述饱和蒸汽盘管的下端伸出箱体后与进水管连接，所述过热蒸汽盘管的上端伸出箱体后与出汽管连接，所述饱和蒸汽盘管的上端伸出箱体后与汽包的一端连接，所述过热蒸汽盘管的下端伸出箱体后与汽包的另一端连接；位于所述箱体内的饱和蒸汽盘管和过热蒸汽盘管均被多孔固体蓄热材料包裹；所述水位控制器与汽包连接，同时，所述水位控制器还与水泵连接，所述水泵与进水管连接，所述出汽管连接有压力控制器。
优选的，所述箱体包括主体、顶盖和底盖，所述顶盖与主体的上端密封连接，且所述顶盖与主体形成第一缓冲腔，所述顶盖连接有用于进出熔盐的第一管道，此第一管道与第一缓冲腔连通，所述第一缓冲腔通过第一均流机构与主体的内腔连通；
所述底盖与主体的下端密封连接，且所述底盖与主体形成第二缓冲腔，所述底盖连接有用于进出熔盐的第二管道，所述第二缓冲腔通过第二均流机构与主体的内腔连通。
优选的，所述第一均流机构包括多根第一均流管，多根第一均流管均安装于主体的上端，且多根第一均流管均匀分布；
优选的，所述第二均流机构包括多根第二均流管，多根第二均流管均安装于主体的下端，且多根第二均流管均匀分布。
优选的，所述主体的外侧壁、顶盖的外壁及底盖的外壁均设有保温层。
优选的，所述多孔固体蓄热材料为石英岩或硅质沙或两者组合。
优选的，所述饱和蒸汽盘管和过热蒸汽盘管均通过焊接安装于箱体内。
优选的，所述饱和蒸汽盘管、过热蒸汽盘管、进水管和出汽管均通过圆形不锈钢管制成。
一种基于上述熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置的蓄热蒸汽发生一体化方法，包括以下步骤：
(1)蓄热过程：将高温熔盐从第一管道注入，这些高温熔盐依次通过第一缓冲腔和第一均流机构后进入主体的内腔，高温熔盐自主体内的上端落下主体内的下端的过程中多孔固体蓄热材料吸收高温熔盐的热量，从而形成斜温层，以实现蓄热的效果；
(2)蒸汽发生过程：高温熔盐持续不断地自第一管道注入主体的内腔，此时，水泵抽取的水通过进水管进入饱和蒸汽盘管内；位于饱和蒸汽盘管内的水吸收主体内下端的多孔固体蓄热材料和高温熔盐的热量，则饱和蒸汽盘管内的水自液态转化为汽态，转化为汽态的水通过汽包除杂后进入过热蒸汽盘管，继续吸收位于过热蒸汽盘管外多孔固体蓄热材料和高温熔盐的热量，接着再从蒸汽管输出，压力控制器控制蒸汽管的输出压力；
(3)蒸汽发生停止：水泵停止工作，而继续向主体的内腔注入高温熔盐，则残留在饱和蒸汽盘管内液态水继续吸收高温熔盐和多孔固体蓄热材料的热量，则液态水转化为汽态水，依次通过汽包和过热蒸汽盘管；当出汽管的蒸汽量为零时，蒸汽发生结束而停止；
(4)放热过程：停止向第一管道注入高温熔盐，然后低温熔盐自第二管道注入主体的内腔，这些低温熔盐与滞留在主体内的高温熔盐混合后再从第一管道排出；当从第一管道排出的熔盐的温度与从第二管道注入的低温熔盐的温度相差小于或等于5℃时，完成放热。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置具有主要由多孔固体蓄热材料及箱体构成的蓄热系统及主要由饱和蒸汽盘管、过热蒸汽盘管、进水管、出汽管、水位控制器、汽包和水泵构成的蒸汽发生系统，这使蓄热系统及蒸汽发生系统进行有效的组合成一体，故本发明兼具蓄热与蒸汽发生功能，可根据电站系统需要发挥蓄热和蒸汽发生效用，提高了太阳能热发电站的系统灵活性，简化了系统装置，同时也减少了系统的占地面积和初投资成本。
2、本发明可更好地利用斜温层的特点，使位于主体内下端的饱和蒸汽盘管产生高效的饱和蒸汽，而使位于主体内上端的过热蒸汽盘管产生高效的过热蒸汽，这可使高温熔盐中的热量被充分吸收，减少热量的损失。
3、本发明产生的蒸汽品质高，且产生的过热蒸汽温度压力较高且可控，有利于提高太阳能热发电站的系统发电效率。
4、本发明强化了整体一体化装置的换热稳定性，其中由多孔固体蓄热材料及箱体构成的蓄热系统内可形成稳定的斜温层，这减小了由于太阳能间歇性和不稳定性引起的熔盐温度波动。
5、本发明采用水位控制器和水泵，其中水位控制器通过反馈调节水泵控制水位，进而控制管外熔盐与管内水的换热速率，故水位控制器和水泵共同维持蒸发过程的稳定性。
附图说明
图1是本发明的一种熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置的整体结构示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置，包括内部填充有多孔固体蓄热材料1的箱体2、饱和蒸汽盘管3、过热蒸汽盘管4、进水管5、出汽管6、水位控制器7、汽包8和水泵9，所述饱和蒸汽盘管3和过热蒸汽盘管4分别安装于箱体2内的下端和上端，所述饱和蒸汽盘管3的下端伸出箱体2后与进水管5连接，所述过热蒸汽盘管4的上端伸出箱体2后与出汽管6连接，所述饱和蒸汽盘管3的上端伸出箱体2后与汽包8的一端连接，所述过热蒸汽盘管4的下端伸出箱体2后与汽包8的另一端连接；位于所述箱体2内的饱和蒸汽盘管3和过热蒸汽盘管4均被多孔固体蓄热材料1包裹；所述水位控制器7与汽包8连接，同时，所述水位控制器7还与水泵9连接，所述水泵9与进水管5连接，所述出汽管6连接有压力控制器22。其中，所述箱体2包括主体10、顶盖11和底盖12，所述顶盖11与主体10的上端密封连接，且所述顶盖11与主体10形成第一缓冲腔13，所述顶盖11连接有用于进出熔盐的第一管道14，此第一管道14与第一缓冲腔13连通，所述第一缓冲腔13通过第一均流机构15与主体10的内腔连通；所述底盖12与主体10的下端密封连接，且所述底盖12与主体10形成第二缓冲腔16，所述底盖12连接有用于进出熔盐的第二管道17，所述第二缓冲腔16通过第二均流机构18与主体10的内腔连通。
具体的，本发明中的多孔固体蓄热材料1充满主体10的内腔，以保证高温熔盐注入主体10的内腔时可形成稳定的斜温层，故多孔固体蓄热材料1和箱体2构成性能稳定的蓄热系统。而蒸汽发生系统主要由饱和蒸汽盘管3、过热蒸汽盘管4、进水管5、出汽管6、水位控制器7、汽包8和水泵9组成，液态水在饱和蒸汽盘管3内吸收多孔固体蓄热材料1和高温熔盐的热量而产生饱和蒸汽，这些饱和蒸汽通过汽包8时，则饱和蒸汽中的汽态水和液态水可有效分离并除杂，只使汽态水进入过热蒸汽盘管4内，汽态水在过热蒸汽盘管4继续吸收多孔固体蓄热材料1和高温熔盐的热量后再从出汽管6排出，故提高了蒸汽发生系统产生蒸汽的品质。同时，水位控制器7实时监测汽包8内的水位，并将检测的信息反馈给水泵9，则水泵9根据水位控制器反馈的信息及时调整进水管5的进水量，以保证蒸汽发生系统产生蒸汽的稳定性。
所述第一均流机构15包括多根第一均流管19，多根第一均流管19均安装于主体10的上端，且多根第一均流管19均匀分布；所述第二均流机构18包括多根第二均流管20，多根第二均流管20均安装于主体10的下端，且多根第二均流管20均匀分布。第一均流机构15保证蓄热过程中高温熔盐可均匀从第一缓冲腔13内流入主体10的内腔，以保证热传递的均匀性；同时，第一均流机构15也保证放热过程中混合的熔盐可快速自主体10的内腔排出。同理，第二均流机构18与第一均流机构15具有相同的效果。即第二均流机构18保证了低温熔盐均匀快速的进入主体10内，保证传热的均匀性。
所述主体10的外侧壁、顶盖11的外壁及底盖12的外壁均设有保温层21。保温层的结构可使整个一体化装置的稳定性更高，蓄热效果更好。
所述多孔固体蓄热材料1为石英岩或硅质沙或两者组合。多孔固体蓄热材料1不仅限于上述材料，还可采用其他蓄热性能好的材料，如泡沫碳化硅、锆质蓄热球等。
所述饱和蒸汽盘管3和过热蒸汽盘管4均通过焊接安装于箱体2内。焊接方式保证了饱和蒸汽盘管3和过热蒸汽盘管4的结构稳定性，更保证了蓄热系统与蒸汽发生系统的一体化效果。同时，汽包8为圆筒结构，汽包8与饱和蒸汽盘管3的上端、过热蒸汽盘管4的下端均焊接为一体结构。
所述饱和蒸汽盘管3、过热蒸汽盘管4、进水管5和出汽管6均通过圆形不锈钢管制成。此设置更进一步保证了整个一体化装置的稳定性及可靠性。
一种基于上述熔盐斜温层蓄热蒸汽发生一体化装置的蓄热蒸汽发生一体化方法，包括以下步骤：
(1)蓄热过程：将高温熔盐从第一管道注入，这些高温熔盐依次通过第一缓冲腔和第一均流机构后进入主体的内腔，高温熔盐自主体内的上端落下主体内的下端的过程中多孔固体蓄热材料吸收高温熔盐的热量，从而形成斜温层，以实现蓄热的效果；
(2)蒸汽发生过程：高温熔盐持续不断地自第一管道注入主体的内腔，此时，水泵抽取的水通过进水管进入饱和蒸汽盘管内；位于饱和蒸汽盘管内的水吸收主体内下端的多孔固体蓄热材料和高温熔盐的热量，则饱和蒸汽盘管内的水自液态转化为汽态，转化为汽态的水通过汽包除杂后进入过热蒸汽盘管，继续吸收位于过热蒸汽盘管外多孔固体蓄热材料和高温熔盐的热量，接着再从蒸汽管输出，，压力控制器控制蒸汽管的输出压力，从而产生高品质的蒸汽；
(3)蒸汽发生停止：水泵停止工作，而继续向主体的内腔注入高温熔盐，则残留在饱和蒸汽盘管内液态水继续吸收高温熔盐和多孔固体蓄热材料的热量，则液态水转化为汽态水，依次通过汽包和过热蒸汽盘管；当出汽管的蒸汽量为零时，即压力控制器检测的压力值不发生变化时，蒸汽发生结束而停止；
(4)放热过程：停止向第一管道注入高温熔盐，然后低温熔盐自第二管道注入主体的内腔，这些低温熔盐与滞留在主体内的高温熔盐混合后再从第一管道排出；当从第一管道排出的熔盐的温度与从第二管道注入的低温熔盐的温度相差小于或等于5℃时，完成放热。
本发明中将蓄热系统和蒸汽发生系统结合成一体，提高了太阳能热发电站的系统灵活性，简化了系统装置，同时也减少了系统的占地面积和初投资成本。本发明中的高温熔盐为温度350℃～550℃的熔盐；而低温熔盐为温度200℃～350℃的熔盐。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。