耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统的制作方法

1.本发明属于熔盐储热技术领域，具体涉及一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统。

背景技术：

2.熔盐储热技术作为新兴的清洁能源供热技术，旨在解决热能供求之间在时间和空间上不匹配的矛盾。熔盐储热具有低碳、低能耗、零污染、零排放等优点，同时具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。
3.目前，熔盐储热技术被广泛应用于太阳能光热电站、清洁供暖等场景中，而熔盐储热技术也存在不足，这些不足之处主要体现在储能系统应用之初，储罐的预热以及熔盐的初次熔融和储存阶段的防凝等。现有技术中，公告号为cn210235962u的中国专利公开了一种太阳能光热发电熔盐储罐预热系统，该系统采用加热炉和风机与高、低温熔盐储罐串联，高温烟气在罐内循环实现罐壁的预热，不仅预热时间长、效率比较低，而且对于大型储罐的预热就需要采用较大功率的加热炉，投资成本较高。公开号为cn110201608a中国专利申请公开了一种高温熔盐初融系统和化盐方法，固态熔盐在熔盐槽中通过电加热融化成液态，再通过熔盐循环泵将熔融熔盐输送到高温熔盐炉内加热，加热至所需温度后灌入熔盐储罐。上述化盐方式存在的不足在于：1、采用设备较多，系统复杂，操作繁琐，占地面积大；2、由于化盐过程仅存在于熔盐储能系统首次使用时，因此系统不存在长期利用，单次利用导致化盐成本较高。公告号为cn205939763u的中国专利公开了一种太阳能光热高压发电熔盐储罐电加热器安装结构，套管式电加热器焊接固定在罐体底部，通过电加热固态熔盐，由于罐体底部承压较大且受热胀冷缩影响，会对储罐的安全性造成一定影响，电加热器与罐壁的焊缝处可能发生泄漏；此外，套管加热器的外壳通过焊接成型，虽然通过无损检测，但安全性不能保障万无一失。
4.综上所述，现有熔盐储能系统中的预热、化盐、防凝等过程是通过单独工作运行的，所用设备较多、占地较大、系统复杂、成本较高。鉴于此，本发明提出一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统。
6.本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：
7.一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统，包括燃气炉、风机、绝热耐火墙、储罐、搅拌器、冷盐泵、热盐泵和熔盐/蒸汽转化器；所述燃气炉的热风出口经过风机与绝热耐火墙顶部一侧的循环风进口连接，绝热耐火墙顶部另一侧的循环风出口与燃气炉冷风进口处的新风管道连接；绝热耐火墙同时包裹在储罐的外侧，绝热耐火墙与储罐之间存在循环风夹层，循环风夹层分别与循环风进口和循环风出口连通，循环风夹层中
设有沿着储罐中轴线布置的导流板，使进入到循环风夹层中的热风依次经过储罐的热盐侧和冷盐侧；所述储罐的中轴面设有耐热隔板，将储罐分为冷盐侧和热盐侧，冷盐侧、热盐侧分别位于绝热耐火墙的循环风出口和循环风进口的下方；冷盐侧经过冷盐泵与热盐侧连接，热盐侧同时经过热盐泵与熔盐/蒸汽转换器的热盐入口连接，熔盐/蒸汽转换器的冷盐出口与冷盐侧连接，熔盐/蒸汽转换器生成的蒸汽用于供热或工业用汽；所述搅拌器可拆卸安装在绝热耐火墙顶部，用于化盐阶段的搅拌。
8.进一步的，所述冷盐侧通过冷熔盐管道与热盐侧连接，熔盐/蒸汽转换器通过回盐管道与冷盐侧连接；冷熔盐管道的末端和回盐管道的末端分别设有伸入到熔盐液面之下的熔盐分布环，熔盐分布环上均匀布置有喷嘴，熔融熔盐从喷嘴中喷出。
9.进一步的，所述系统的运行过程分为预热、化盐、防凝、储存以及放热五个阶段；
10.预热阶段：向冷盐侧的罐体中添加固态熔盐和适量水，燃气炉生成的热风经过风机进入循环风夹层中，在导流板的作用下热风依次从热盐侧流动到冷盐侧，并与储罐进行热交换，实现储罐的预热；换热后的热风经过新风管道进入燃气炉中被重复利用；
11.化盐阶段：预热结束后，启动搅拌器对熔盐进行搅拌，循环风夹层中流通的热风持续对储罐进行加热，使固态熔盐的温度不断升高，当温度达到熔融温度后，固态熔盐逐渐熔化，继续加热一段时间直至固态熔盐完全熔化，关停搅拌器；化盐结束后，可将搅拌器拆除用于该系统的下一次化盐或者另一个的熔盐储能系统；
12.储存阶段：化盐结束后，开启冷盐泵将冷盐侧的熔融熔盐输送至热盐侧罐体中储存，热盐层罐体内的熔融熔盐不断吸收储罐罐壁的热量提高自身温度，直到达到工作温度；
13.防凝阶段：熔融熔盐达到工作温度之后，减小进入循环风夹层中热风的流速和流量，通过供给少量热风来维持熔融熔盐的温度；
14.放热阶段：在需要供热时，开启热盐泵将热盐侧罐体中的熔融熔盐输送到熔盐/蒸汽转换器中，与熔盐/蒸汽转换器中的水进行热交换，生成用于供热或工业用汽的蒸汽，换热后的熔融熔盐回流至冷盐侧的罐体中。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.1.本发明的熔盐储能系统将储罐的预热、熔盐的熔融、以及储存过程中防凝等过程整合到一个整体的系统中，三者不再作为孤立的运行过程进行工作，减少了系统中设备的应用，减小了占地面积，设备投资应用降低，系统结构更加简单紧凑。
17.2.相较于现有熔盐储能系统，减少了化盐过程中的熔盐槽、电加热器以及其他辅助设备，利用循环热风持续将热量传递给储罐中的固态熔盐，减少了化盐过程中所用设备的成本以及占地面积。相较于现有熔盐储能系统的熔盐防凝处理，储罐罐壁底部不再设置浸入式套管加热器，采用通体循环热风维持罐内熔盐温度，避免了罐壁底部所受应力不均造成泄漏的风险，增强了系统的安全性。
18.3.本发明的低高温熔盐储罐采用一体化设计，结构紧凑简单，对冷盐侧和热盐侧罐体的预热用时更短，效率更高，可通过控制进入风道时热风的流速来控制罐壁的温升速率。
19.4.本发明系统利用搅拌器进行搅拌加快化盐速度，可缩短熔盐熔融过程的时间，化盐结束后可将搅拌器拆除，故搅拌器还可应用于熔盐储能系统下一次化盐或者下一个熔盐储能系统。
20.5.本发明所提供的系统兼备储存功能，通过热风加热罐壁的同时热量以显热形式储存于熔盐介质中，在需要供能的时候，以高温蒸汽或直接换热的形式对外供热。
附图说明
21.图1是本发明的结构示意图；
22.图2是本发明沿储罐中轴线剖面的对比结构示意图；
23.图3是本发明系统中绝热耐火墙顶部的结构示意图；
24.图4是本发明系统中熔盐存储能量的结构示意图；
25.图5是本发明系统中熔盐放热结构示意图；
26.图中，1、燃气炉；2、风机；3、绝热耐火墙；4、储罐；5、耐热隔板；6、搅拌器；7、循环风夹层；8、循环风进口；9、循环风出口；10、输风管道；11、送风管道；12、循环风管道；13、新风管道；14、导流板；15、冷盐泵；16热盐泵；17、熔盐/蒸汽转化器；18、熔盐分布环；
27.41、冷盐侧；42、热盐侧；
具体实施方式
28.下面结合具体实施例及附图对本发明的技术方案作进一步说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本技术的保护范围。
29.本发明提供一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统(简称系统，参见图1～5)，包括燃气炉1、风机2、绝热耐火墙3、储罐4、搅拌器6、冷盐泵15、热盐泵16和熔盐/蒸汽转化器17；
30.所述燃气炉1的冷风进口连接有新风管道13，外部新风通过新风管道13进入到燃气炉1中；燃气炉1的热风出口通过输风管道10与风机2的进风口连接，风机2的出风口通过送风管道11与绝热耐火墙3顶部一侧的循环风进口8连接，绝热耐火墙3顶部另一侧的循环风出口9通过循环风管道12与新风管道13连接；绝热耐火墙3同时包裹在储罐4的外侧，绝热耐火墙3与储罐4之间存在夹层，此夹层称为循环风夹层7，燃气炉1生成的热风在循环风夹层7中流动对储罐4中的熔盐进行加热，燃气炉1、风机2、循环风夹层7和三个风管道构成一个循环风系统；循环风夹层7中设有沿着储罐4中轴线布置的导流板14，导流板14分别与储罐4外壁和绝热耐火墙3的内壁密封连接，使从循环风进口8进入到循环风夹层7中的热风依次经过储罐4的热盐侧42和冷盐侧41，通过传递的热量对热盐侧42和冷盐侧41中的熔盐进行加热；所述储罐4的中轴面设有耐热隔板5，通过耐热隔板5将储罐4的内部空间分为两部分，一部分空间用于储存温度较低的固体熔盐将其称为冷盐侧41，且冷盐侧41位于绝热耐火墙3上的循环风出口9的下方，另一部分空间用于储存高温的熔融熔盐将其称为热盐侧42，且热盐侧42位于绝热耐火墙3上的循环风进口8的下方；冷盐侧41的罐顶设有熔盐填料口、冷盐泵15以及排气阀，冷盐泵15与储罐4通过法兰紧固连接，冷盐侧41的熔盐出口通过冷熔盐管道与热盐侧42的熔盐进口连接，且冷盐泵15位于冷熔盐管道上，冷熔盐管道上还设有截止阀和调节阀；热盐侧42的罐顶设有热盐泵16和排气阀，热盐泵16通过法兰与储罐4紧固连接，热盐侧42的熔盐出口通过热熔盐管道与熔盐/蒸汽转换器17的热盐入口连接，且热盐泵16位于热熔盐管道上，热熔盐管道上还设有截止阀和调节阀，熔盐/蒸汽转换器17的冷盐出口通过回盐管道与储罐4顶部的转换器回盐口连接；所述搅拌器6通过法兰连接方式
与绝热耐火墙3上的搅拌器布置口紧固连接，搅拌器6的搅拌棒伸入冷盐侧41的罐体内腔中，用于化盐过程中的搅拌。
31.所述循环风管道12、送风管道11和输风管道10上均设置有调节阀，通过控制调节阀的开度控制管道中的风量；送风管道11上还设置有流量计和温度计，流量计用以监测管道中风量大小，温度计用以监测进入循环风夹层7的风温，流量计和温度计都具有远传功能。
32.所述冷熔盐管道的末端以及回盐管道的末端均设有熔盐分布环18，熔盐分布环18上均匀布置有喷嘴，熔盐分布环18伸入到熔盐液面以下，避免熔盐进入储罐4的过程中引起储罐4震动。熔盐分布环18呈正六边形、菱形等多边形。
33.所述冷盐侧41和热盐侧42均设有雷达液位变送器和熔盐温度变送器，分别对罐体中熔盐的液位高度以及温度进行监测，两个变送器都具有远传功能，并通过法兰连接方式与储罐4紧固连接。
34.所述绝热耐火墙3外壁设有保温层，保温层所用材料的导热系数不高于0.04w/(m
·
k)，避免热量以辐射和对流的方式向周围物体或空气进行传递，减少循环风夹层中热风的温降从而维持储罐中熔盐的温度。
35.本实施例中，绝热耐火墙3可选用但不限于硅藻土砖、轻质镁砖、石棉等具有耐火耐高温性能的材料制成；储罐4采用0cr18ni11nb不锈钢、07cr18ni11nb不锈钢、q345r合金钢等耐高温耐熔盐腐蚀材料构成，耐热隔板5、导流板14采用00cr17ni14mo2不锈钢、00cr19ni10不锈钢、q345r合金钢等焊接性能和耐高温耐腐蚀性良好的材料制成；所述输风管道10、送风管道11、冷熔盐管道和热熔盐管道均进行保温处理，在管道外壁包裹保温棉，保温棉优先选用但不限于拥有高强憎水性的硅酸铝纤维毯，要求其导热系数在温度为600℃
±
10℃时依然维持在0.16w/m/k以下。
36.本实施例中，所述搅拌器6通过法兰与绝热耐火墙3紧固连接，当化盐工作完成时方便拆除用于下一次或者下一个储能系统的化盐阶段。所述绝热耐火墙3与送风管道11和循环风管道12均通过法兰紧固连接，方便拆卸与检修。所述熔盐/蒸汽转化器17中熔盐通过管程进行工作，给水通过壳程进行工作，给水可由原厂区给水系统提供。所述冷盐泵15、热盐泵16均采用一用一备形式，当泵体中的一个发生故障时可随时投入应用保证系统正常运行。所述风机2具有耐高温、可变频等特性，可选用但不限于型号为w5-48耐高温变频风机。
37.上述系统的运行过程分为预热、化盐、防凝、储存以及放热五个阶段，各个阶段的具体过程如下：
38.预热阶段：固态熔盐通过罐顶的熔盐填料口灌入冷盐侧41罐体中，外部给水系统向冷盐侧41罐体中加入适当的给水，冷盐侧41罐顶的排气阀处于开启状态；当燃气炉1开始进行工作时，外部新风经过新风管道13从燃气炉1的冷进风口进入炉中进行加热，再经过输风管道10进入风机2中产生大量热风，热风通过送风管道11进入循环风夹层7中并在循环风夹层7中流动，在导流板14的作用下热风依次从热盐侧42罐壁外侧流动到冷盐侧41罐壁外侧，在流动过程中热风不断地将自身所携带的热量向储罐4的罐体壁面传递，进行热交换，从而实现对整个储罐4罐体的预热加热；在循环风夹层7中完成热交换的热风从绝热耐火墙3顶部的循环风出口9排出，从循环风出口9排出的热风通过循环风管道12进入到新风管道13中，与新风融合后再一次被运输进入到燃气炉1中进行重复加热利用，至此完成对储罐4
的预热；在预热过程中通过设置在罐顶的两个表面温度变送器分别监测冷盐侧41和热盐侧42罐体壁面的温度，直到达到各自的工作温度。本实施例中控制进入循环风夹层7的风温为650℃，排出循环风夹层7的风温为400℃；固态熔盐可以选用但不限于二元熔盐、三元熔盐，热盐侧42的工作温度为500℃，冷盐侧41的工作温度为290℃。
39.化盐阶段：燃气炉1开启一段时间完成预热后，启动搅拌器6，储罐4壁面温度在热风的加热下逐渐升高，对冷盐侧41罐体中的固态熔盐起到加热作用；固态熔盐作为储热介质通过吸收罐体壁面的热量使自身温度升高，当熔盐温度达到熔融温度后，在搅拌器6的搅动与罐体内给水的共同作用下固态熔盐快速熔融；由于罐体中给水的温升与固态熔盐的熔融都需要吸收罐体壁面热量来完成，因此罐体壁面温度急剧升高的现象得以减缓；通过位于冷盐侧41罐顶的熔盐温度变送器监测冷盐侧41罐体中熔盐的温度，当温度达到熔盐的熔融温度之上后继续加热一段时间，然后关停搅拌器6，至此完成化盐；化盐阶段结束后可将搅拌器6拆除。
40.储存阶段：化盐结束后，开启冷盐泵15和冷熔盐管道上的截止阀，将冷盐侧41的熔融熔盐输送至热盐侧42罐体中储存，并通过冷熔盐管道末端的熔盐分布环18均匀稳定地释放，避免储罐4震动；熔融熔盐作为储能介质进入热盐侧42后不断地吸收来自罐体壁面所传递的热量，经过长时间的热风循环热盐侧42罐体中熔融熔盐的温度不断升高，通过位于热盐侧42罐顶的熔盐温度变送器监测热盐侧42罐体中熔融熔盐的温度，直到达到工作温度，热风所提供的热量以显热形式存储于熔融熔盐中，在需要供热的时候，熔融熔盐以高温蒸汽或直接换热的形式对外供热。
41.防凝阶段：熔融熔盐达到工作温度之后，不再需要大量的热风进行加热，为了保证不影响供热时的使用，要求熔融熔盐的温度维持在一定范围内，故通过控制风机2的转速以及送风管道11上调节阀的开度控制进入循环风夹层7的热风流速和流量，通过供给少量热风来维持熔融熔盐的温度，防止熔融熔盐凝固。
42.放热阶段：在需要供热时，开启热盐泵16以及热熔盐管道上的截止阀，将热盐侧42罐体中的熔融熔盐通过热盐泵16的加压以及热熔盐管道的运输后进入到熔盐/蒸汽转换器17中；厂区给水系统通过水管路将给水输送到熔盐/蒸汽转换器17的给水入口；在熔盐/蒸汽转换器17中熔盐熔盐与来自厂区给水系统所提供的给水进行换热，熔融熔盐通过熔盐/蒸汽转换器17的管程进行工作，给水通过熔盐/蒸汽转换器17的壳程进行工作；给水吸收熔融熔盐所携带的热量后发生汽化，生成饱和蒸汽并从熔盐/蒸汽转换器17的蒸汽出口进行释放，经过蒸汽管道的运输用于供热或者工业用汽；放热完成的熔融熔盐通过熔盐/蒸汽转换器17的冷盐出口排出，并从转换器回盐口通入冷盐侧41罐体中，至此完成熔融熔盐的放热。在放热阶段，通过控制热熔盐管道上调节阀的开度控制熔融熔盐的流量，从而控制熔盐/蒸汽转换器17中的换热量。
43.本发明未述及之处适用于现有技术。

技术特征：

1.一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统，包括燃气炉、风机、绝热耐火墙、储罐、搅拌器、冷盐泵、热盐泵和熔盐/蒸汽转化器；其特征在于，所述燃气炉的热风出口经过风机与绝热耐火墙顶部一侧的循环风进口连接，绝热耐火墙顶部另一侧的循环风出口与燃气炉冷风进口处的新风管道连接；绝热耐火墙同时包裹在储罐的外侧，绝热耐火墙与储罐之间存在循环风夹层，循环风夹层分别与循环风进口和循环风出口连通，循环风夹层中设有沿着储罐中轴线布置的导流板，使进入到循环风夹层中的热风依次经过储罐的热盐侧和冷盐侧；所述储罐的中轴面设有耐热隔板，将储罐分为冷盐侧和热盐侧，冷盐侧、热盐侧分别位于绝热耐火墙的循环风出口和循环风进口的下方；冷盐侧经过冷盐泵与热盐侧连接，热盐侧同时经过热盐泵与熔盐/蒸汽转换器的热盐入口连接，熔盐/蒸汽转换器的冷盐出口与冷盐侧连接，熔盐/蒸汽转换器生成的蒸汽用于供热或工业用汽；所述搅拌器可拆卸安装在绝热耐火墙顶部，用于化盐阶段的搅拌。2.根据权利要求1所述的耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统，其特征在于，所述冷盐侧通过冷熔盐管道与热盐侧连接，熔盐/蒸汽转换器通过回盐管道与冷盐侧连接；冷熔盐管道的末端和回盐管道的末端分别设有伸入到熔盐液面之下的熔盐分布环，熔盐分布环上均匀布置有喷嘴，熔融熔盐从喷嘴中喷出。3.根据权利要求1或2所述的耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统，其特征在于，所述系统的运行过程分为预热、化盐、防凝、储存以及放热五个阶段；预热阶段：向冷盐侧的罐体中添加固态熔盐和适量水，燃气炉生成的热风经过风机进入循环风夹层中，在导流板的作用下热风依次从热盐侧流动到冷盐侧，并与储罐进行热交换，实现储罐的预热；换热后的热风经过新风管道进入燃气炉中被重复利用；化盐阶段：预热结束后，启动搅拌器对熔盐进行搅拌，循环风夹层中流通的热风持续对储罐进行加热，使固态熔盐的温度不断升高，当温度达到熔融温度后，固态熔盐逐渐熔化，继续加热一段时间直至固态熔盐完全熔化，关停搅拌器；化盐结束后，可将搅拌器拆除用于该系统的下一次化盐或者另一个的熔盐储能系统；储存阶段：化盐结束后，开启冷盐泵将冷盐侧的熔融熔盐输送至热盐侧罐体中储存，热盐侧罐体内的熔融熔盐不断吸收储罐罐壁的热量提高自身温度，直到达到工作温度；防凝阶段：熔融熔盐达到工作温度之后，减小进入循环风夹层中热风的流速和流量，通过供给少量热风来维持熔融熔盐的温度；放热阶段：在需要供热时，开启热盐泵将热盐侧罐体中的熔融熔盐输送到熔盐/蒸汽转换器中，与熔盐/蒸汽转换器中的水进行热交换，生成用于供热或工业用汽的蒸汽，换热后的熔融熔盐回流至冷盐侧的罐体中。

技术总结

本发明为一种耦合预热、化盐、防凝、储存功能于一体的熔盐储能系统，包括燃气炉、风机、绝热耐火墙、储罐、搅拌器、冷盐泵、热盐泵和熔盐/蒸汽转化器；燃气炉的热风出口经过风机与绝热耐火墙的循环风进口连接，绝热耐火墙的循环风出口与燃气炉的冷风进口连接；绝热耐火墙同时包裹在储罐的外侧，绝热耐火墙与储罐之间存在循环风夹层，循环风夹层分别与循环风进口和循环风出口连通，循环风夹层中设有沿着储罐中轴线布置的导流板；储罐的中轴面设有耐热隔板，将储罐分为冷盐侧和热盐侧，冷盐侧经过冷盐泵与热盐侧连接，热盐侧同时经过热盐泵与熔盐/蒸汽转换器的热盐入口连接，熔盐/蒸汽转换器的冷盐出口与冷盐侧连接；搅拌器可拆卸安装在绝热耐火墙顶部。该系统将熔盐储能的多个过程整合到一起，结构更加紧凑，同时减少了投资成本。本。本。