专利名称：一种新型的过热蒸汽存储装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种蓄热装置，尤其涉及一种过热蒸汽存储装置，特别适用于直接产生蒸汽的太阳能热发电系统。
背景技术：
太阳能热发电是太阳能热利用的重要方向，是实现大功率发电、替代常规能源的最为经济的手段之一。太阳能热发电有三种常用方式:塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电和碟式太阳能热发电，其中槽式太阳能热发电是目前发展最为成熟、商业化水平最高的热发电方式。目前，直接产生蒸汽的太阳能热发电系统代表了一种先进的槽式太阳能热发电系统，相比于传统的双回路的太阳能热发电系统，直接产生蒸汽的太阳能热发电系统具有系统效率高、投资维护费用低等一系列优点。虽然直接产生蒸汽的太阳能热发电系统是一种非常有前途的太阳能热发电方式，但是蓄热依然是制约其发展的关键问题。由于太阳能存在不连续性，且容易受到天气变化的影响，系统输出功率存在不稳定性。因此，太阳能热发电系统需要使用蓄热装置，来保证系统能量持续、稳定的输出。特别是针对直接产生蒸汽的太阳能热发电系统而言，蓄热存储的对象是气态的水蒸气，相比传统液态的导热油或者熔融岩蓄热，需要新型的存储设备来满足系统的要求。在直接产生蒸汽的太阳能热发电的蓄热环节中，现有技术中常用的蓄热方法是使用高温蓄热器蓄积过热蒸汽的过热热，使用低温蓄热换热器蓄积饱和蒸汽的汽化潜热用以加热通入换热器中的冷却水，使饱和蒸汽转化为饱和水进入太阳能吸热装置进行下一次循环，被加热的冷却水则通入高温蓄热器之后进入蒸汽发电回路进行发电。现有技术中的这种蓄热方式，不能大规模地蓄积过热蒸汽，容易受到天气变化的影响，不利于发电系统稳定地输出功率，且存在蓄热设备多、蓄热材料消耗大、投资费用高、维护不方便等问题，因此在技术方案上具有进一步优化的空间。
发明内容为了改进直接产生蒸汽的太阳能热发电系统中过热蒸汽存储技术，本实用新型提供了一种新型的过热蒸汽存储装置。该装置不仅可以将过热蒸汽的过热热和汽化潜热分别储存，实现热能的高质量保存，而且可以实现将热量和蒸汽存储于同一设备之中，明显简化系统，节约设备投资和运行维护费用，并且可以大大降低系统受天气变化的影响，有利于发电系统稳定地输出功率。为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:一种新型的过热蒸汽存储装置，包括填充床蓄热器、蒸汽蓄热器，其特征在于:所述填充床蓄热器包括热端管道和冷端管道，其中所述热端管道作为所述装置的进出口，与太阳能热发电系统的主蒸汽管道相连，且所述热端管道上设有主蒸汽阀门；所述冷端管道与所述蒸汽蓄热器的进汽管道和排汽管道同时相连；所述蒸汽蓄热器还包括设置在进汽管道上的进汽止回阀及截止阀、与进汽管道相连的充热蒸汽管及位于其末端的多个蒸汽喷嘴，蒸汽蓄热器的排汽管道上设有排汽截止阀及止回阀及调压阀组；蓄热前，所述蒸汽蓄热器内预先装有水，充水系数为50%-90%，且其内部压力小于蒸汽压力。优选地，所述蒸汽蓄热器还包括汽水分离器、排气阀、进水阀、排水阀、液位计、压力计、温度计及人孔，所述充热蒸汽管包括充热蒸汽总管和若干，所述蒸汽喷嘴设置于各支管的末端，各所述蒸汽喷嘴外套有循环导流筒。优选地，所述装置存储的过热蒸汽的工质为蒸汽水，所述填充床蓄热器存储过热蒸汽的过热热，所述存储过热蒸汽的汽化潜热和冷凝水，所述调压阀组将通过其的蒸汽调低至一恒定的压力。优选地，所述装置包括至少一个填充床蓄热器，每个所述填充床蓄热器连接有至少一个蒸汽蓄热器。优选地，所述的填充床换热器内部的蓄热工质为砾石、混凝土、砖、铝、铸铁、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化钠中的一种或者几种，或，所述的填充床换热器为内部装有蓄热液体的瓶子。优选地，所述的填充床蓄热器内部设有用于堆放蓄热工质网状搁板，两端设有导流板，保证过热蒸汽能够沿流动界面均匀流动。优选地，所述的填充床换热器外部设有保温层，保温材料为岩棉或聚氨酯泡沫。优选地，所述的蒸汽蓄热器外部设有保温层，保温材料为岩棉或聚氨酯泡沫。所述的过热蒸汽存储装置中，填充床蓄热器既是换热器，也是蓄热器，具体作用是:在蓄热过程中，填充床蓄热器吸收并存储过热蒸汽的过热热，过热蒸汽通过填充床蓄热器后，为该压力下的饱和蒸汽；在放热过程中，填充床蓄热器释放存储的热量，加热来自蒸汽蓄热器的蒸汽，提高蒸汽的过热度。所述的过热蒸汽存储装置中，蒸汽蓄热器既是换热器，也是蒸汽及其汽化潜热的存储器，具体作用是:在蓄热过程中，蒸汽蓄热器吸收并存储饱和蒸汽的汽化潜热和液化后的饱和水；在放热过程中，蒸汽蓄热器释放饱和蒸汽及其汽化需要的汽化潜热。所述的过热蒸汽存储装置中，蒸汽蓄热器的排汽管道上设有调压阀组。调压阀组的作用是保证其后的蒸汽压力为恒定值，使之与直接产生蒸汽的太阳能热发电系统整体所需压力相匹配。其工作过程为:该过热蒸汽存储装置的工作过程分为存储过程和释放过程两个阶段。在太阳能充足的时候，直接产生蒸汽的太阳能热发电系统的集热器产生过热蒸汽。过热蒸汽在供给发电设备的同时，多余的蒸汽通过主蒸汽管道的支路进入该过热蒸汽存储装置。此时，过热蒸汽存储装置处于存储过程阶段。打开装置的主蒸汽阀门和进汽管道上的止回阀及截止阀，关闭排汽管道上的截止阀及止回阀。过热蒸汽首先通过存储设备的主蒸汽阀门，从填充床蓄热器的热端管道进入蓄热器。在过热蒸汽通过填充床蓄热器的过程中，与填充床蓄热器内部的蓄热工质发生热交换，自身的过热热存储于填充床蓄热器内，自身温度逐渐降低。过热蒸汽从蓄热器冷端口出来后，压力略有下降，温度为该压力下的饱和温度，蒸汽处于饱和蒸汽状态。填充床蓄热器内的蓄热工质因为吸收了过热蒸汽的热量，自身温度上升，且沿蒸汽的流动方向存在温度分层现象。饱和蒸汽从填充床蓄热器冷端管道出来后，通过蒸汽蓄热器的进汽管道进入蒸汽蓄热器。饱和蒸汽从蒸汽喷嘴喷入蒸汽蓄热器内部，与其内部较低压力的饱和水进行掺混。在循环导流筒的作用下，饱和蒸汽在水中进行环流，能够与水进行充分混合，避免了温度分层现象。由于饱和蒸汽的温度高于蒸汽蓄热器内部的饱和水，蒸汽释放出自身的汽化潜热，相变成为该压力下的饱和水。蒸汽蓄热器内部水由于吸收饱和蒸汽的汽化潜热，自身温度、压力不断升高，且始终处于饱和状态。当蒸汽蓄热器内部压力等于进入的饱和蒸汽压力时，其存蓄热力达到极限。关闭装置的主蒸汽阀门和进汽管道的止回阀及截止阀，过热蒸汽存储装置的存储工作阶段结束。当出现光照不足等情况时，直接产生蒸汽的太阳能热发电系统不能产生蒸汽或者产生的蒸汽不足，该过热蒸汽存储装置向发电设备释放过热蒸汽，此时过热蒸汽存储装置处于释放过程阶段。打开装置的主蒸汽阀门和排汽管道上的止回阀及截止阀，关闭进汽管道上的截止阀及止回阀，调节调压阀组到发电设备需要的蒸汽压力。由于蒸汽蓄热器内部压力高于调压阀组后的压力，蒸汽蓄热器会不断地产生饱和蒸汽。在该过程中，由于产生蒸汽的过程需要吸收汽化潜热，蒸汽蓄热器内部的温度和压力不断降低，产生的饱和蒸汽的压力也逐渐降低。饱和蒸汽在通过调压阀组后，压力下降到设定值，并且在释放过程中保持恒定。在调压阀组的节流作用下，蒸汽处于该压力下的过热蒸汽状态。然后，蒸汽通过填充床蓄热器的冷端管道进入填充床蓄热器。在该过程中，蒸汽与填充床蓄热器内部的蓄热工质发生热交换，自身温度不断升高。蓄热工质因为释放了热量，自身温度逐渐下降，且沿蒸汽的流动方向温度分层现象减弱。从填充床蓄热器热端管道出来后，过热蒸汽通过主蒸汽阀门进入到太阳能热发电系统的主蒸汽管道。当蒸汽蓄热器内部压力等于调压阀组设定的压力值时，蒸汽蓄热器将不再产生饱和蒸汽。关闭装置的主蒸汽阀门和蒸汽蓄热器排汽管道上的截止阀及止回阀，过热蒸汽存储装置的释放工作阶段结束。本实用新型的有益效果是:1.能够为太阳能热发电系统存储过热蒸汽，保证系统的持续运行；2.将过热蒸汽以饱和水的形式存储，极大地节省了空间和投资；3.将过热蒸汽的过热热和汽化潜热分别存储，保证了存储的热能品位；4.将汽化潜热与液化水存储于蒸汽蓄热器，避免使用新的蓄热材料，同时减少了设备的投资；5.可以大大降低系统受天气变化的影响，有利于发电系统稳定地输出功率。
图1本实用新型为本实用新型的过热蒸汽存储装置的结构示意图。图2为填充床蓄热器的结构示意图。图3为蒸汽蓄热器的结构示意图。图中1.主蒸汽阀门，2.热端管道，3.填充床蓄热器，4.保温层，5.蓄热材料，6.网状搁板，7.导流板，8.冷端管道，9.蒸汽蓄热器，10.进汽管道，11.进汽止回阀及截止阀，12.充热蒸汽管，13.蒸汽喷嘴，14.循环导流筒，15.汽水分离器，16.排气管，17.排汽截止阀及止回阀，18.排汽管道，19.进水口，20.排水阀，21.液位计，22.压力计，23.温度计，24.人孔，25.保温层，26.调压阀组。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。以下所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不因此而限定本实用新型的保护范围。该实施例为能够为500kW级的直接产生蒸汽的太阳能热发电系统连续提供6小时过热蒸汽的存储装置。在存储工作过程中，太阳能集热器产生过热蒸汽压力为2.5MPa，温度为305°C，蒸汽流量为7.4吨/小时，其中3.8吨/小时的流量流入过热蒸汽存储装置，存储时间为6小时。在释放工作过程中，过热蒸汽存储装置向发电设备提供3.6吨/小时的过热蒸汽，蒸汽压力为1.5MPa，温度为305°C，释放时间为6小时。如图1所示，该实施例的过热蒸汽存储装置，由一个填充床蓄热器3、三个蒸汽蓄热器9、三套蒸汽调压阀组26，以及相关的管路和阀门组成。其中，填充床蓄热器3的热端管道2作为装置的进出口，通过主蒸汽阀门I与太阳能热发电系统的主蒸汽管道相连；填充床蓄热器3的冷端管道8分为三个支路，分别与三个蒸汽蓄热器9相连；每个支路分为二个分路，分别与各个蒸汽蓄热器的进汽管道10和排汽管道18相连；每个蒸汽蓄热器的排汽管道18上设有一套调压阀组26。如图2所示，该实施例中的填充床蓄热器3，为立式，使用椭圆形封头。其容积为40m3，直径2.4米，筒身高度8.1米，总高9.5米。筒体材料为不锈钢304，壁厚15毫米。填充床蓄热器内中部设有网状搁板6，两端设有导流板7。为保证填充床蓄热器3的保温效果，蓄热器外包有保温层4，保温层4使用聚氨酯发泡工艺，厚度为15厘米。填充床蓄热器3内部孔隙率为40%，装有平均直径为10毫米的石子，作为蓄热材料5。石子装有67吨，体积为25m3。保温层外设有不锈钢材质的保护层。填充床蓄热器3存储过程结束时内部整体温度接近305°C，释放过程结束时内部温度为210°C。如图3所示，该实施例中的蒸汽蓄热器9，为卧式，使用椭圆形封头。根据系统要求，选用3个蒸汽蓄热器并联。每个蒸汽蓄热器容积为200m3，直径4.0米，长度16.9米，总高6.4米。材料为碳钢，壁厚20毫米。蒸汽蓄热器9包括进汽管道10、进汽止回阀及截止阀11、充热蒸汽管12(包括充热蒸汽总管和支管)、蒸汽喷嘴13、循环导流筒14、汽水分离器15、排气阀16、排汽截止阀及止回阀17、排汽管道18、进水阀19、排水阀20、液位计21、压力计22、温度计23、人孔24等。蒸汽蓄热器9的初始充水系数为75%。为保证蒸汽蓄热器9的保温效果，蓄热器外包有保温层25，保温层使用聚氨酯发泡工艺，厚度为15厘米。保温层25外设有不锈钢材质的保护层。蒸汽蓄热器9的压力上限为2.5MPa，压力下限为1.5MPa。该实施例中的调压阀组26，设在蒸汽蓄热器的排汽管道18上。调压阀组26的出口压力设定为1.5MPa。该实施例中的主蒸汽阀门1，设在过热蒸汽存储设备与系统主蒸汽管道之间，控制存储设备与太阳能热发电系统之间的通闭。主蒸汽阀门I使用不锈钢材质，选用截止阀，公称直径为DN100。该实施例中填充床蓄热器的热端管道2和冷端管道8，使用不锈钢材质，管径为DN150 ;各蒸汽蓄热器的进汽管道10和排汽管道18，使用不锈钢材质，管径为DN50。其工作过程为:在存储工作过程中，太阳能集热器产生过热蒸汽压力为2.5MPa，温度为305°C，蒸汽流量为7.4吨/小时，其中3.8吨/小时的流量流入过热蒸汽存储装置，存储时间为6小时。首先，打开存储设备的主蒸汽阀门1、各蒸汽蓄热器进汽管道的进汽截止阀及止回阀11，关闭蒸汽蓄热器排汽管道的排汽截止阀及止回阀17。此时，过热蒸汽首先通过填充床蓄热器3。在填充床蓄热器的热端进口管道2，过热蒸汽的温度为305°C，压力为2.5MPa。通过填充床蓄热器3后，蒸汽因降温达到饱和蒸汽状态，蒸汽压力略有下降，温度为相应压力下的饱和温度224°C。在存储的过程中，填充床蓄热器内部蓄热材料5的温度逐渐上升，最初为210°C，在存储过程结束时，整体温度接近305°C。在此过程中，填充床蓄热器3内部存在温度分层现象。饱和蒸汽通过填充床蓄热器冷端管道8分为三路，分别进入三个蒸汽蓄热器的进汽管道10。通过进汽管道10上的进汽止回阀及截止阀11和蒸汽喷嘴13，饱和蒸汽进入蒸汽蓄热器9。蒸汽喷嘴13外套有循环导流筒14，饱和蒸汽与内部饱和水发生掺混，自身转化为饱和水，存储于蒸汽蓄热器9内。蒸汽蓄热器9在存储过程开始时内部压力为
1.5MPa，温度为198°C，存储过程结束时内部压力为2.5MPa，温度为224°C。蒸汽蓄热器9的单位蓄热量为40kg/m3。通过6小时的存储过程，过热蒸汽存储装置共存储蒸汽22.8吨，蓄热量为68885.64MJ，其中填充床蓄热器3蓄热5002.32MJ，蒸汽蓄热器9蓄热63883.32MJ。在存储工作阶段结束时，关闭装置的主蒸汽阀门I和各蒸汽蓄热器进汽管道的截止阀和止回阀11。在释放工作过程中，过热蒸汽存储装置向直接产生蒸汽的太阳能热发电系统提供过热蒸汽。过热蒸汽压力为1.5MPa，温度为305°C，蒸汽流量为3.6吨/小时，释放时间为6小时。在该过程初期，蒸汽蓄热器9内部压力为2.5MPa，温度为224°C，填充床蓄热器内部温度为305°C。首先，调节调压阀组26的压力为1.5MPa，打开装置的主蒸汽阀门I和排汽管道上的排汽截止阀及止回阀17，关闭进汽管道的进汽止回阀及截止阀11。由于蒸汽蓄热器9内部压力高于调压阀组26后的压力，蒸汽蓄热器9内部的饱和水会不断地产生饱和蒸汽，并通过调压阀组26降压后弓I出蒸汽蓄热器9。此时，蒸汽压力为1.5MPa，蒸汽温度由于节流作用高于其饱和温度。然后，蒸汽通过填充床蓄热器的冷端管道8进入填充床蓄热器3，吸收蓄热工质5的热量，自身温度不断升高。在蒸汽流出填充床蓄热器3后，其压力略低于1.5MPa，温度升高到305°C。从填充床蓄热器热端管道2出来后，过热蒸汽通过主蒸汽阀门I进入到太阳能热发电系统的主蒸汽管道。填充床蓄热器3内的蓄热工质5因为释放了热量，自身温度逐渐下降，且沿蒸汽的流动方向温度分层现象减弱。当蒸汽蓄热器9内部的压力等于调压阀组26设定的压力值时，蒸汽蓄热器9将不再产生饱和蒸汽。关闭装置的主蒸汽阀门I和蒸汽蓄热器排汽管道上的排汽截止阀及止回阀17，过热蒸汽存储装置的释放工作阶段结束。过程结束时，蒸汽蓄热器9内部压力降低到1.5MPa，温度为对应的饱和温度198°C，填充床蓄热器内部整体温度降低到210°C。该过程中，蒸汽蓄热器9的单位蒸汽量为36kg/m3,过热蒸汽存储装置可稳定持续6个小时，共产生蒸汽21.6吨，放热68885.64MJ，其中填充床蓄热器3蓄热5002.32MJ，蒸汽蓄热器9蓄热63883.32MJ。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
权利要求1.一种新型的过热蒸汽存储装置，包括填充床蓄热器(3)、蒸汽蓄热器(9)，其特征在于: 所述填充床蓄热器(3 )包括热端管道(2 )和冷端管道(8 )，其中所述热端管道(2 )作为所述装置的进出口，与太阳能热发电系统的主蒸汽管道相连，且所述热端管道(2)上设有主蒸汽阀门(I);所述冷端管道(8)与所述蒸汽蓄热器(9)的进汽管道(10)和排汽管道(18)同时相连； 所述蒸汽蓄热器(9 )还包括设置在进汽管道(10 )上的进汽止回阀及截止阀(11)、与进汽管道(10)相连的充热蒸汽管(12)及位于其末端的多个蒸汽喷嘴(13)，蒸汽蓄热器(9)的排汽管道(18)上设有排汽截止阀及止回阀(17)及调压阀组(26);蓄热前，所述蒸汽蓄热器(9)内预先装有水，充水系数为50%-90%，且其内部压力小于蒸汽压力。
2.根据权利要求1所述的新型过热蒸汽存储装置，其特征是:所述蒸汽蓄热器(9)还包括汽水分离器(15)、排气阀(16)、进水阀(19)、排水阀(20)、液位计(21)、压力计(22)、温度计(23)及人孔(24)，所述充热蒸汽管(12)包括充热蒸汽总管和若干支管，各所述蒸汽喷嘴(13)分别设置于各支管的末端，各所述蒸汽喷嘴(13)外套有循环导流筒(14)。
3.根据权利要求1所述的新型过热蒸汽存储装置，其特征是:所述装置存储的过热蒸汽的工质为水，所述填充床蓄热器(3)存储过热蒸汽的过热热，所述蒸汽蓄热器(9)存储过热蒸汽的汽化潜热和冷凝水，所述调压阀组(26)将通过其的蒸汽调低至一恒定的压力。
4.根据权利要求1所述的新型过热蒸汽存储装置，其特征是:所述装置包括至少一个填充床蓄热器(3 )，每个所述填充床蓄热器(3 )连接有至少一个蒸汽蓄热器(9 )。
5.根据权利要求1至4任一项所述的新型过热蒸汽存储装置，其特征是:所述的填充床蓄热器(3)内部设有用于堆放蓄热工质(5)网状搁板(6)，两端设有导流板(7)，保证过热蒸汽能够沿流动界面均匀流动。
6.根据权利要求1至4任一项所述的新型过热蒸汽存储装置，其特征是:所述的填充床换热器(3)外部设有保温层(4)，保温材料为岩棉或聚氨酯泡沫。
7.根据权利要求1至4任一项所述的新型过热蒸汽存储装置，其特征是:所述的蒸汽蓄热器(9)外部设有保温层(25)，保温材料为岩棉或聚氨酯泡沫。
专利摘要本实用新型公开了一种新型的过热蒸汽存储装置。该装置由填充床蓄热器、蒸汽蓄热器、调压阀组，以及相关的管路和阀门组成。其中，填充床蓄热器的热端管道与太阳能热发电系统的主蒸汽管道相连；填充床蓄热器的冷端管道设两路分管，分别与蒸汽蓄热器的进汽管道和排汽管道相连；蒸汽蓄热器的排汽管道上设有调压阀组。该装置不仅可以将过热蒸汽的过热热和汽化潜热分别储存，实现能量的高质量保存，而且可以实现将热量和蒸汽存储于同一设备之中，从而明显简化系统结构，节约设备投资和运行维护费用。
文档编号F28D20/00GK202974006SQ20122061779
公开日2013年6月5日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者杨征, 陈海生, 王亮, 王艺斐, 谭春青 申请人:中国科学院工程热物理研究所