一种用于热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统

摘要

本发明涉及一种热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统，包括：热源回路、热量输入回路、热量输出回路、相变蓄热箱、用热回路以及热量控制装置。本发明以热电厂或分布式三联供为热源，当以上热源的热量输出大于热量实际需求时，利用相变储能实现热量存储，并且在热量需求增大时释放相变储能，从而实现了电、热两种能量产出与实际需求的匹配与整体能源效率优化。本发明实现精确化、智能化的相变蓄能容量的监测与调节，保证热量存储和输出两方面与相变储能的蓄能能力匹配。本发明改进了热量输入与输出的拓扑和切换管路结构，可以有效适配分布式三联供制冷制热机组；本发明对相变蓄能箱进行了结构改进，增强了其热效率。

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，特别涉及一种用于热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统。

背景技术

电能和热能都是人类生活所必须的基础能源，且这两种能量形式往往共同被生产和分配。目前我国能源利用率约36.3％，比发达国家低10％左右，其中一个重要原因在于发电余热利用不充分，携带余热的烟气被白白排放到大气之中。余热属于温度在250摄氏度以下的中低品位能量，考虑到距离和损耗等因素，在有限空间范围内进行能源梯级运用是实现余热回收利用的有效手段。

传统的余热利用方式是通过热电厂实现热电联产，发电机组的高温蒸汽通过换热器对供暖网络的回水进行加热，从而热电厂同时产生并对外输出供电和热能，可以同时保障城乡用电和用热的需求。近年来又新兴了适应小规模、模块化能量生产需求的分布式冷热电三联供CCHP(Combined Cooling，Heating and Power，简称为分布式三联供)，其以天然气为主要燃料带动燃气轮机等燃气发电设备运行，产生的电力供应用户的电力需求，系统发电后排出的350-550摄氏度的高温烟气送入余热回收利用设备(余热锅炉等)，利用高温烟气的余热蒸发产生蒸汽，该蒸汽可以通过换热器加热供暖回水，向用户供热，也可以将蒸汽通过换热产生热媒水，热媒水送入溴化锂吸收式机组进行制冷；通过这种方式大大提高整个分布式三联供系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。

可见，热电厂和分布式三联供都存在对外的热量和电能供给。但是，外界的热量和电量需求并不总是完全匹配的。当电能的实际需求较大时，经常会出现热量供给过剩的情况，如果让过剩的热量白白散失掉显然又产生了新的能源浪费；因此，当热量供给大于实际的热量需求，就需要进行热能的储能。相反，当外界的热量需求较大时，热电厂和分布式三联供系统为了供应足够的热能，又面临电能产出过剩的问题，而电能却不易储存，特别是对于分布式三联供体系又难以实现电能对系统外的输出，因此仍然存在能源被白白消耗的缺陷。

发明内容

为克服上述现有技术存在的至少一种缺陷，本发明提供了一种用于热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统。本发明以热电厂或分布式三联供为热源，当以上热源的热量输出大于热量实际需求时，利用相变储能实现热量存储，并且在热量需求增大时释放相变储能，从而实现了电、热两种能量产出与实际需求的匹配与整体能源效率优化。本发明实现精确化、智能化的相变蓄能容量的监测与调节，保证热量存储和输出两方面与相变储能的蓄能能力匹配。本发明改进了热量输入与输出的拓扑和切换管路结构，可以有效适配分布式三联供制冷制热机组；本发明对相变蓄能箱进行了结构改进，增强了其热效率。

所述用于热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统，其特征在于，包括：热源回路、热量输入回路、热量输出回路、相变蓄热箱、用热回路以及热量控制装置；

所述热源回路为热电厂或者分布式三联供的燃气余热输出回路；所述用热回路为热电厂供热网或者分布式三联供的供热制冷回路；

所述热量输入回路具有第一交换接口以及第二交换接口；第一交换接口引入热输入介质；热输入介质通过第一交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，将携带的热量存储于该相变蓄热箱，然后从所述相变蓄热箱通过第二交换接口回到热源回路；所述热量输出回路具有第三交换接口以及第四交换接口，第三交换接口从用热回路引入热输出介质；所述热输出介质通过第三交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，获得热量，然后从所述相变蓄热箱通过第四交换接口回到用热回路，输出相变蓄热箱存储的热量；

并且，所述相变蓄热箱包括热介质输入总管和热介质输出总管；所述热介质输入总管选择性地连通所述第一交换接口或者第三交换接口，并且所述热介质输出总管选择性地连通所述第二交换接口或者第四交换接口；所述相变蓄热箱包括若干个相变蓄热单元，每个相变蓄热单元具有一根热介质输入支管和一根热介质输出支管，每根所述热介质输入支管连通所述热介质输入总管，每根所述热介质输出支管连通所述热介质输出总管；

每个所述相变蓄热单元包括储能箱、相变材料、至少两组热管以及若干片管翅；其中每组热管的入口端连通所述热介质输入支管，并且每组热管的出口端连通所述热介质输出支管；每组所述热管在所述储能箱内弯曲延伸；所述若干片管翅彼此平行地设置在所述储能箱内，每片管翅与每组热管的外壁面交界；并且每个相变蓄热单元储能箱内填充相变材料，通过相变材料的固液相变实现热能的储存与释放；

所述热量控制装置用于实时监测每个相变蓄热单元的热量存储容量，根据各相变蓄热单元的热量存储容量打开或者关闭其热介质输入支管和热介质输出支管，以及根据所述各相变蓄热单元的热量存储容量控制其热介质输入支管和热介质输出支管的流量。

优选的是，每个相变蓄热单元的热介质输入支管和热介质输出支管均具有流量控制阀，所述流量控制阀用于打开或者闭合所述热介质输入支管或者热介质输出支管，以及控制热输入介质或者热输出介质进出所述相变蓄热单元的流量；并且所述流量控制阀根据热量控制装置的流量控制信号打开、闭合以及控制流量。

进一步优选的是，所述热量控制装置包括蓄能监测单元、储存容量测算单元、流量设置单元；其中，每个相变蓄热单元设置一组蓄能监测单元，每组蓄能监测单元包括若干个相变监测器，所述相变监测器设置在填充的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态图像；储存容量测算单元用于从每组蓄能监测单元实时获得一组相变形态图像，通过将该组相变形态图像与预存的相变形态模板比对，确定每个相变蓄热单元的热量存储容量；所述流量设置单元根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，确定各相变蓄热单元的可用余量，并且根据预存储的可用余量与流速的映射关系，确定针对每个相变蓄热单元的流量控制信号。

进一步优选的是，所述相变监测器包括耐高温隔热透明管，以及设置在所述耐高温透明管内的微型摄像头，所述耐高温隔热透明管设置在所述相变材料内部；并且所述微型摄像头密封于所述耐高温隔热透明管的内部，用于获取所述相变材料内部的相变形态图像。

优选的是，所述热量输入回路的第一交换接口连接蒸汽-水换热器，从热电厂中压缸中抽取的蒸汽通过所述蒸汽-水换热器与热量输入回路中的水进行换热，换热后热水作为热输入介质由第一交换接口输入所述相变蓄热箱进行储能，储能后热输入介质由第二交换接口回流到所述蒸汽-水换热器。

优选的是，所述热量输入回路的第一交换接口连接蒸汽一水换热器，从分布式三联供系统的余热锅炉抽取的蒸汽通过所述蒸汽-水换热器与热量输入回路中的水进行换热，换热后热水作为热输入介质由第一交换接口输入所述相变蓄热箱进行储能，储能后热输入介质由第二交换接口回流到所述蒸汽-水换热器。

进一步优选的是，所述热量输出回路的第三交换接口连接合路阀，所述合路阀分别连接供热网回路以及溴化锂吸收制冷机回路；作为热输出介质由第三交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，获得热量；所述第四交换接口连接分路阀，所述热输出介质通过第四交换接口由分路阀进入供热网回路以及溴化锂吸收制冷机回路。

进一步优选的是，所述热量输出回路的第三交换接口通过所述合路阀连接供热网的回水管，供热网回水作为热输出介质由第三交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，获得热量；所述热量输出回路的第四交换接口通过所述分路阀连接供热网的上水管，所述供热网回水由四交换接口从所述相变蓄热箱进入供热网。

进一步优选的是，所述热量输出回路的第三交换接口通过所述合路阀连接溴化锂吸收制冷机的发生器；溴化锂吸收制冷机的热媒水作为热输出介质由第三交换接口进入所述相变蓄热箱进行热量交换，获得热量；所述热量输出回路的第四交换接口通过所述分路阀连接溴化锂吸收制冷机的发生器，所述热媒水由第四交换接口从所述相变蓄热箱进入溴化锂吸收制冷机的发生器。

优选的是，所述相变蓄热单元在热管和管翅围成的填充空间内设置有换热格栅。

本发明通过相变储能进行热能储存，从而可以将热电厂和分布式三联供产生的热量积蓄在该装置中，并且在用热回路需要时予以释放，可以缓解热量产出与热量需求之间的不平衡，避免热能产出过多时发生浪费。本发明采用相变储能，储能密度高，而且热量主要分布在相变温度附近，因此实际利用比较容易。本发明智能化程度高，拓扑结构和箱体结构设计高效合理。

附图说明

以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本发明，而不能理解为对本发明的保护范围的限制。

图1是本发明提供的热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统整体结构示意图；

图2是本发明提供的相变蓄能单元整体结构剖视图；

图3是本发明提供的相变蓄能单元热管和管翅结构立体示意图；

图4是本发明提供的相变蓄能单元管翅结构剖面图；

图5是本发明提供的热量控制装置结构示意图；

图6是本发明提供的相变监测器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。

需要说明的是：在附图中，白始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

图1是本发明所述用于热电厂及分布式三联供燃气轮机的蓄热系统整体架构图，包括：热量输入回路1、热量输出回路2、相变蓄热箱3、热源回路4、用热回路5。

所述热源回路4为热电厂或者分布式三联供的燃气余热输出回路；所述用热回路5为热电厂供热网或者分布式三联供的供热制冷回路。其中当用于热电厂时，热源回路4通过蒸汽-水换热器401将从热电厂中压缸中抽取的蒸汽与热量输入回路1中的循环水进行换热，换热后产生的热水通过热量输入回路1输送至用热回路5，并且与用热回路5的热电厂供热网回水通过换热器203再次换热，经过换热后的供热网回水通过热量输出回路2输送回到供热网，实现供热输出。当用于分布式三联供时，热源回路4通过蒸汽-水换热器将从分布式三联供系统的余热锅炉抽取的蒸汽与热量输入回路1中的循环水进行换热，换热后产生的热水通过热量输入回路1输送至用热回路5；用热回路5提供分布式三联供的供热网回水以及溴化锂吸收制冷机的热媒水，通过换热器203再次换热，经过换热后的供热网回水和热媒水通过热量输出回路2分别输送回到供热网以及溴化锂吸收制冷机。

所述热量输入回路1具有第一交换接口101以及第二交换接口102，热输入介质通过第一交换接口101进入所述相变蓄热箱3进行热量交换，将携带的热量存储于该相变蓄热箱3，然后通过第二交换接口102从所述相变蓄热箱3回到热量输入回路1。所述热量输出回路2具有第三交换接口201以及第四交换接口202，热输出介质通过第三交换接口201进入所述相变蓄热箱3进行热量交换，获得热量温度升高，然后携带热量通过第四交换接口202从所述相变蓄热箱3回到热量输出回路2。这样，当热电厂或者分布式三联供的余热输出量大于热量需求，就可以在相变蓄热箱3进行热量存储；相应的，当热量需求量大时，可以将相变蓄热箱3作为热源进行补充。

其中，当用于分布式三联供时，所述热量输出回路的第三交换接口201连接合路阀，所述合路阀分别连接供热网回路以及溴化锂吸收制冷机回路；通过所述合路阀连接供热网的回水管，供热网回水作为热输出介质由第三交换接口201进入所述相变蓄热箱进行热量交换，获得热量；第三交换接口201还通过所述合路阀连接溴化锂吸收制冷机的发生器；溴化锂吸收制冷机的热媒水作为热输出介质由第三交换接口201进入所述相变蓄热箱3进行热量交换，获得热量；所述热量输出回路的第四交换接口202通过所述分路阀连接供热网的上水管，所述供热网回水由第四交换接口202从所述相变蓄热箱3进入供热网。第四交换接口202通过所述分路阀连接溴化锂吸收制冷机的发生器，所述热媒水由第四交换接口从所述相变蓄热箱进入溴化锂吸收制冷机的发生器。

相变蓄热箱填充相变材料，实现热能的储存与释放。相变材料具有如下温度特性：温度升高达到相变温度时，相变材料的物理状态发生变化，而相变材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，这一过程中，大量相变热被吸收或释放出来。从而，在相变阶段，产生了一个比较宽的温度平台，这个平台的出现，使得我们能够获得一个相对稳定的恒温时间。相变储能的储能密度高，而且热量主要分布在相变温度附近，因此实际利用比较容易，对于控制供热网热输出具有良好效果。配合供热网温度范围，本发明所选取的相变材料可以采用六水合硝酸镁。

如图1，所述相变蓄热箱3包括热介质输入总管305和热介质输出总管306；所述热介质输入总管305通过切换阀315选择性地连通所述第一交换接口101或者第三交换接口201，并且所述热介质输出总管306通过切换阀316选择性地连通所述第二交换接口102或者第四交换接口202。从而，在蓄能阶段，热介质输入总管305连通所述第一交换接口101，热介质输出总管306连通第二交换接口102，相变蓄热箱3实现热输入介质的循环。在释能阶段，热介质输入总管305连通第三交换接口201，热介质输出总管306连通第四交换接口202，相变蓄热箱3实现热输出介质的循环。所述热介质输入总管305和热介质输出总管306均包括压力泵307、308以及流量控制阀309、310。所述流量控制阀309、310分别用于打开或者闭合所述热介质输入总管305或者热介质输出总管306，以及控制热输入介质或者热输出介质进出所述相变蓄热箱3的流量。

所述相变蓄热箱3包括若干个相变蓄热单元，例如图1示出了两个相变蓄热单元3A与3B。每个相变蓄热单元3A、3B具有一根热介质输入支管和一根热介质输出支管，例如相变蓄热单元3A的热介质输入支管311和热介质输出支管312。每根所述热介质输入支管311连通所述热介质输入总管305，每根所述热介质输出支管312连通所述热介质输出总管306。在蓄热或者释热阶段，热输入介质或者热输出介质经每根热介质输入支管和热介质输出支管进出每个相变蓄热单元，实现循环。每个所述相变蓄热单元的热介质输入支管和热介质输出支管分别具有流量控制阀，例如流量控制阀313、314，用于控制热输入介质或者热输出介质进出每个相变蓄热单元的流量大小。

如图2和图3所示，每个所述相变蓄热单元包括储能箱301、相变材料302、至少两组热管303以及若干片管翅304。其中每组热管303的入口端连通所述热介质输入支管，并且每组热管303的出口端连通所述热介质输出支管。每组所述热管303在所述储能箱301内弯曲延伸；热管303有多根相互平行的热管横管303A，所述热管横管303A垂直穿过所述管翅304，每片管翅304与每根热管横管303A的外壁面交界；热管303的多根热管横管303A之间通过设置在端部的热管曲管303B连接成为一根迂回的热管整管。相邻的两组热管303内热输入介质或热输出介质的流向相反，如图3的箭头所示，这样有利于热量在储能箱301内整体分布均匀。所述若干片管翅304彼此平行地设置在所述储能箱301内，每片管翅304与每组热管303的外壁面交界；所述管翅304将所述储能箱301内的空间划分为多个填充区域，区域内填充相变材料。热管303与管翅304通过热传导与相变材料302进行热交换，通过相变材料302的固液相变实现热能的储存与释放。作为参数优化设计，热管303采用软钛不锈钢管，管壁厚度0.5-0.7mm，优选0.6mm，管内径12-16.5mm，优选14.8mm。每片管翅304是一体成型的，延伸范围分布在整个储能箱301的内部空间；管翅304的厚度为0.1-0.3mm，优选为0.2mm，且相邻两片管翅304的间距为2-6mm，优选为5mm。管翅304采用不锈钢翅片；其传热参数相比现有技术中只采用热管结构是3-11倍。各组热管303相邻的热管横管和相邻的管翅304围成的填充空间内，还设置有换热格栅303C，所述换热格栅303C埋设在所述相变材料302内，用于在所述相变材料302内部传导热能，克服相变材料因本身导热性能较差易造成热分布不均匀的缺陷，所述换热格栅303C的网孔截面为蜂窝状。如图4所示，管翅4与属于一组热管的各根热管横管3A相交界，且在每个纵向区域内该组热管3的相邻两根热管横管3A的纵向间距为L；并且在每个纵向区域内，管翅4与每根热管横管3A的交界处管翅的厚度最小；随着管翅4在所述纵向区域内以与每根热管横管的交界处为中心，向上下两侧分别延伸至的间距L的1/2处，管翅的厚度逐渐增加。每片管翅4是一体成型的，并且在所述交界处留有供所述热管横管3A穿过的通孔H，以H为中心，随着管翅4向上下两侧分别延伸至的间距L的1/2处，管翅的厚度逐渐增加，例如，交界处管翅厚度为0.1mm，而在1/2间距L处管翅的厚度为0.3mm，且随着截面厚度增加，管翅外壁面呈图4所示的弧面。由于管翅本身的导热性能要高于所述相变材料，因此，在远离所述热管位置对的管翅的厚度可以适当增厚，从而为远离所述热管处的相变材料传导更多的热量。另外，相变材料在热管外壁凝结成垢现象是影响换热效率的一大因素；通过上述渐变厚度的非均匀弧面管翅，可以实现非均匀热胀冷缩，越接近热管管翅的热胀冷缩效应越明显，可以对凝结相变材料起到搅拌脱离的作用；在液相状态下，相变材料在热管和管翅之间进行对流，管壁的非均匀形状有利于在交界处的对流，使得已经结晶的相变材料能够被对流清除，避免长时间粘结在热管和翅片表面而影响传热。

在相变材料的整个相变过程中，前期随着相变材料的逐步融化，加大了对流的导热作用，因此蓄热增量比较大；后期随着温差的下降，蓄热速度会逐步降低，直至饱和。如图5所示，所述热量控制装置6实时监测每个相变蓄热单元的热量存储容量，根据各相变蓄热单元的热量存储容量打开或者关闭其热介质输入支管和热介质输出支管，以及根据所述各相变蓄热单元的热量存储容量控制其热介质输入支管和热介质输出支管的流量。

所述热量控制装置6具体包括：蓄能监测单元601、储存容量测算单元602、流量设置单元603。其中，每个相变蓄热单元设置一组蓄能监测单元601，每组蓄能监测单元601包括若干个相变监测器604。所述相变监测器604包括耐高温隔热透明管604A，以及设置在所述耐高温透明管内的微型摄像头604B，所述耐高温隔热透明管604A设置在所述相变材料内部；并且所述微型摄像头604B密封于所述耐高温隔热透明管的内部，用于获取所述相变材料内部的相变形态图像。所述相变监测器604设置在填充的相变材料内部，用于获取所述相变材料的相变形态图像；储存容量测算单元602用于从每组蓄能监测单元实时获得一组相变形态图像，通过将该组相变形态图像与预存的相变形态模板比对，确定每个相变蓄热单元的热量存储容量；所述流量设置单元603根据每个相变蓄热单元的热量存储容量，确定各相变蓄热单元的可用余量，并且根据预存储的可用余量与流速的映射关系，确定针对每个相变蓄热单元的流量控制信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。