一种电蓄热式过热蒸汽系统及其方法与流程

本发明涉及蓄热技术和供汽供暖技术领域，尤其涉及一种电蓄热式过热蒸汽系统及其方法。

技术背景

随着清洁生产与环保要求越来越严格，传统的燃煤供热蒸汽和取暖的方式面临逐渐被淘汰的要求，而发展电采暖、天然气供热等清洁供汽供暖技术受到了广泛关注。与此同时，我国天然气采暖面临气源不足和供热价格高的问题，而直热式电供汽供暖技术成本高昂，可再生能源供热受到时间上的间断性、空间上的差异性和运行上的不稳定性制约。

与此同时，集成蓄热技术的电供汽供暖技术通过利用低谷电蓄热，可以实现降低成本，并达到调负荷，促进可再生能源消纳的优点，因此蓄热供热技术逐渐成为经济高效清洁供热的一种有效方式。

此外，作为一种高品位的热产品，蒸汽供热在工业生产和生活中有着广泛的需求，围绕这一需求，出现了越来越多的蓄热式蒸汽发生器(锅炉)装置。需要指出的是，为了减小蒸汽运输过程中的管损，蒸汽供热往往采用具有一定过热度的过热蒸汽，以减小冷凝水的产生。因此，如何利用蓄热方式高效经济的产生过热蒸汽进行清洁供热成为当前蓄热蒸汽系统发展亟需解决的问题。

中国专利cn108506914a，提出了一种预热蓄热的蒸汽发生系统，以达到利用谷电蓄热降低成本的目的。但是由于水的蓄热密度不高，导致经济性、投资和场地存在一定的局限。为了解决蓄热密度低的问题，中国专利cn108151115a、cn109489110a、cn110469891a分别提出了采用高温熔盐、相变蓄热和固体高温蓄热的方式提高储热密度。中国专利cn109855457a提出包含饱和蒸汽换热器和过热蒸汽换热器两个换热器的蓄热过热蒸汽产生系统，但由于蓄热体吸换热特征需要采用二次换热，并没有解决场地占用大的问题，即单位实际利用场地的储热密度仍然较低。中国专利cn105953202a和中国专利cn106016219a提出了以石墨为蓄热材料的一体化直接蒸汽发生系统，通过直接换热和管道串并联的方式解决占地大和换热不稳定的问题。但是，由于一体化的设计，导致蓄热体蓄热温度相同，而对于过热蒸汽发生系统，产生过热蒸汽的过程分为蒸汽发生部分和蒸汽过热部分，蒸汽发生部分主要发生两相流动沸腾换热，蒸汽过热部分主要发生蒸汽过热换热。由于换热方式不同，对于一体化设计，有着相同的蓄热温度，存在换热效率进一步优化的问题。

因此，如何利用一体化蓄热系统在解决间接蓄热换热器占地大，有效蓄热密度低的问题的基础上，又能解决一体化过热蒸汽发生系统实现温度对口匹配的针对不同换热过程的高效换热，开发一种有效储热密度高，换热效率高的紧凑式蓄热式过热蒸汽系统是蓄热式蒸汽发生器(锅炉)发展亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种电蓄热式过热蒸汽系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电蓄热式过热蒸汽系统，其包括主水管、补水箱、补水管、补水入口阀、补水泵、蓄热蒸汽换热器、湿蒸汽出口连接管、蒸汽出口止回阀、气液分离器、饱和蒸汽连接管、压力调节阀、过热蒸汽连接管、疏水连接管、疏水器、疏水旁路、旁通阀、疏水补水入口阀、疏水补水入口止回阀；蓄热蒸汽换热器包括蓄热蒸汽发生器、蓄热过热蒸汽换热器、蓄热隔热层；

主水管与补水箱、补水管、补水泵、蓄热蒸汽发生器底部顺次相连；补水管上设有补水入口阀；蓄热蒸汽发生器顶部与湿蒸汽出口连接管、气液分离器顺次相连；湿蒸汽出口连接管上设有蒸汽出口止回阀；气液分离器顶部与饱和蒸汽连接管、蓄热过热蒸汽换热器、过热蒸汽连接管顺次相连；饱和蒸汽连接管上设有压力调节阀；气液分离器底部与疏水连接管、补水管顺次相连；疏水连接管上依次设有疏水器、疏水补水入口阀、疏水补水入口止回阀；疏水连接管上设有疏水旁路，疏水旁路两端分别连接疏水器前端和后端的疏水连接管，疏水旁路上设有旁通阀；蓄热过热蒸汽换热器设在蓄热蒸汽发生器上方，两者之间设置蓄热隔热层；蓄热蒸汽发生器和蓄热过热蒸汽换热器的外侧设有保温层；蓄热蒸汽发生器由一组电加热棒、两相流动沸腾换热管道、第一蓄热材料构成，第一蓄热材料填充于蓄热蒸汽发生器中，并内嵌电加热棒和两相流动沸腾换热管道，两相流动沸腾换热管道两端分别接通补水管和湿蒸汽出口连接管；蓄热过热蒸汽换热器由另一组电加热棒、过热蒸汽换热管道、第二蓄热材料构成，第二蓄热材料填充于蓄热过热蒸汽换热器中，并内嵌电加热棒和过热蒸汽换热管道，过热蒸汽换热管道两端分别接通饱和蒸汽连接管和过热蒸汽连接管。

优选的，所述的一组电加热棒与两相流动沸腾换热管道分层交错布置，布置方式为交叉布置或同向布置。

优选的，所述的另一组电加热棒与过热蒸汽换热管道分层交错布置，布置方式为交叉布置或同向布置。

优选的，所述的第一蓄热材料为相变蓄热材料或显热蓄热材料，平均导热系数要大于20w/m·k，包括石墨、铸铁、糖醇中的一种或其混合物。

优选的，所述的第二蓄热材料为高温显热蓄热材料，包括是石墨、铸铁、陶瓷、耐火砖的一种或其混合物。

优选的，所述蓄热隔热层采用绝热保温形式或蓄热保温形式；当蓄热蒸汽发生器和蓄热过热蒸汽换热器的蓄热温度相差超过200℃时，采用绝热保温形式，保温材料导热系数<0.

1w/m·k，且在上下两层保温材料之间设置一层空气层；当蓄热蒸汽发生器和蓄热过热蒸汽换热器的蓄热温度相差小于200℃时，采用蓄热保温形式，保温材料导热系数为0.3～5w/m·k。

优选的，所述蓄热隔热层采用绝热保温形式时，保温材料采用高温岩棉或高温气凝胶。

优选的，所述蓄热隔热层采用蓄热保温形式时，保温材料采用耐火砖或水泥。

优选的，所述的两相流动沸腾换热管道管程的沿着流向自下而上布置，保证进口在低端，出口在顶端。

一种利用上述电蓄热式过热蒸汽系统的蓄热供热方法，其具体方法为：在夜间低谷电时段，分别开启电加热棒给蓄热蒸汽发生器和蓄热过热蒸汽换热器加热，当蓄热蒸汽发生器和蓄热过热蒸汽换热器达到设定最高温度时，蓄热蒸汽换热器完成蓄热过程；当开始供热工作时，由主水管向补水箱注入去离子水；打开补水入口阀和补水泵，同时打开疏水器和疏水补水入口阀，疏水器内分离出的液体经疏水连接管并入补水管；去离子水经补水管由补水泵抽取进入蓄热蒸汽发生器底部的两相流动沸腾换热管道，在两相流动沸腾换热管道内与第一蓄热材料换热产生湿蒸汽，然后从蓄热蒸汽发生器顶部的两相流动沸腾换热管道排出，再经过湿蒸汽出口连接管进入气液分离器；在气液分离器中，湿蒸汽中饱和水和饱和蒸汽分离开来：饱和水通过气液分离器底部的疏水连接管流出进入疏水器；饱和蒸汽通过气液分离器顶部的饱和蒸汽连接管，并由压力调节阀调节压力后进入蓄热过热蒸汽换热器过热，产生过热蒸汽；在换热过程中，蓄热蒸汽发生器内主要发生两相流动沸腾换热，换热量大，温度降低快；蓄热过热蒸汽换热器主要发生蒸汽过热换热，换热量小，温度降低慢；两者之间通过蓄热隔热层，以削弱蓄热蒸汽发生器的温降对蓄热过热蒸汽换热器的影响。

疏水器疏水器疏水器疏水器疏水器与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提出的蓄热蒸汽换热器通过将蒸汽发生器和过热换热器进行有效的隔热分离，减小了过热换热器的蒸汽过热段与蒸汽发生器的蒸汽发生段之间因放热温度变化速率不同造成的温度扩散，使过热换热器拥有相对独立的储热温度给饱和蒸汽过热，优化了传热效率，保障了蒸汽品质和产汽效率。

(2)本发明提出的蓄热蒸汽发生器和蓄热过热蒸汽换热器，两者不是完全独立的装置，虽然两者之间设置了隔热层，但仍然紧密相连，是一个外部由一层保温层保温的一体化蓄热装置，结构紧凑，使用方便。

(3)本发明设置的气液分离器，可分离湿蒸汽中的饱和水和饱和蒸汽，饱和水被回收进入补水管给补水预热，饱和蒸汽进入蓄热过热蒸汽换热器中换热产生高品质过热蒸汽。

附图说明

图1是一种电蓄热式过热蒸汽系统示意图；

图2是蓄热蒸汽换热器侧剖示意图；

图3是蓄热保温形式与绝热保温形式示意图；

图中：主水管1、补水箱2、补水管3、补水入口阀4、补水泵5、蓄热蒸汽换热器6、湿蒸汽出口连接管7、蒸汽出口止回阀8、气液分离器9、饱和蒸汽连接管10、压力调节阀11、过热蒸汽连接管12、疏水连接管13、疏水器14、疏水旁路15、旁通阀16、疏水补水入口阀17、疏水补水入口止回阀18、

蓄热蒸汽发生器61、蓄热过热蒸汽换热器62、蓄热隔热层63、电加热棒64、两相流动沸腾换热管道65、第一蓄热材料66、过热蒸汽换热管道67、第二蓄热材料68、保温层69。

图中管道上的箭头表示管内介质流动方向。

具体实施方式

如图1所示，主水管1、补水箱2、补水管3、补水入口阀4、补水泵5、蓄热蒸汽换热器6、湿蒸汽出口连接管7、蒸汽出口止回阀8、气液分离器9、饱和蒸汽连接管10、压力调节阀11、过热蒸汽连接管12、疏水连接管13、疏水器14、疏水旁路15、旁通阀16、疏水补水入口阀17、疏水补水入口止回阀18。

如图2所示，蓄热蒸汽换热器6包括蓄热蒸汽发生器61、蓄热过热蒸汽换热器62、蓄热隔热层63，其中蓄热蒸汽发生器61、蓄热过热蒸汽换热器62又包括电加热棒64、两相流动沸腾换热管道65、第一蓄热材料66、过热蒸汽换热管道67、第二蓄热材料68、保温层69。

主水管1与补水箱2、补水管3、补水泵5、蓄热蒸汽发生器61底部顺次相连，主水管1连接外部的水源，用于对补水箱2进行供水，并经由补水泵5输入蓄热蒸汽发生器61中进行换热。补水管3上设有控制管路开闭的补水入口阀4。蓄热蒸汽发生器61顶部与湿蒸汽出口连接管7、气液分离器9顺次相连，去离子水在蓄热蒸汽发生器61中被加热形成湿蒸汽和水的两相混合物，然后通过湿蒸汽出口连接管7进入气液分离器9中进行气液分离。湿蒸汽出口连接管7上设有控制管路开闭的蒸汽出口止回阀8。气液分离器9顶部的气相出口与饱和蒸汽连接管10、蓄热过热蒸汽换热器62、过热蒸汽连接管12顺次相连，使分离得到的湿蒸汽能够通过饱和蒸汽连接管10输入蓄热过热蒸汽换热器62中，并在蓄热过热蒸汽换热器62中进行再次换热得到过热蒸汽。饱和蒸汽连接管10上设有用于调节压力的压力调节阀11。气液分离器9底部的液相出口与疏水连接管13、补水管3顺次相连，疏水连接管13上依次设有疏水器14、疏水补水入口阀17、疏水补水入口止回阀18，气液分离器9底部蓄积的水可以通过疏水连接管13进入疏水器14中，。另外，疏水连接管13上还设有一条疏水旁路15，疏水旁路15两端分别连接疏水器14前端和后端的疏水连接管13，疏水旁路15上设有旁通阀16，当旁通阀16打开时气液分离器9中的水可以直接绕过疏水器14进入后端的疏水连接管13中。

在蓄热蒸汽换热器6中，蓄热过热蒸汽换热器62设在蓄热蒸汽发生器61上方，两者之间设置蓄热隔热层63。由于在实际运行过程中，蓄热过热蒸汽换热器62和蓄热蒸汽发生器61之间的放热温度变化速率是不同的，因此蓄热隔热层63的作用是对蓄热过热蒸汽换热器62和蓄热蒸汽发生器61进行隔热，减小两者之间的温度扩散，使过热换热器拥有相对独立的储热温度给饱和蒸汽过热。在整个蓄热蒸汽换热器6的外侧设有保温层69，实现蓄热过热蒸汽换热器62和蓄热蒸汽发生器61与外部环境的热隔离，减少热损耗。蓄热蒸汽发生器61由一组电加热棒64、两相流动沸腾换热管道65、第一蓄热材料66构成，第一蓄热材料66填充于蓄热蒸汽发生器61中，并内嵌电加热棒64和两相流动沸腾换热管道65，两相流动沸腾换热管道65两端分别接通补水管3和湿蒸汽出口连接管7，去离子水在两相流动沸腾换热管道65中流动过程中，与第一蓄热材料66进行热交换，而蓄热蒸汽发生器61中的电加热棒64则可以对第一蓄热材料66进行加热。蓄热过热蒸汽换热器62由另一组电加热棒64、过热蒸汽换热管道67、第二蓄热材料68构成，第二蓄热材料68填充于蓄热过热蒸汽换热器62中，并内嵌电加热棒64和过热蒸汽换热管道67，过热蒸汽换热管道67两端分别接通饱和蒸汽连接管10和过热蒸汽连接管12，气液分离器9中的湿蒸汽可以继续在两相流动沸腾换热管道65中流动，且在流动过程中与第二蓄热材料68进行热交换，而蓄热过热蒸汽换热器62中的电加热棒64则可以对第二蓄热材料68进行加热。蓄热过热蒸汽换热器62和蓄热蒸汽发生器61中的两组电加热棒64可以设置成分别独立控制。

另外，蓄热蒸汽发生器61中，两相流动沸腾换热管道65以蛇形弯折布置，两相流动沸腾换热管道65管程的沿着流向自下而上布置，保证进口在低端，出口在顶端。其中的电加热棒64与两相流动沸腾换热管道65分层交错布置，且布置方式为交叉布置或同向布置。同样的，在蓄热过热蒸汽换热器62中，过热蒸汽换热管道67也呈自下而上的蛇形弯折布置，其中的电加热棒64与过热蒸汽换热管道67也分层交错布置，布置方式为交叉布置或同向布置。

蓄热蒸汽发生器61中，第一蓄热材料66可以为相变蓄热材料或显热蓄热材料，平均导热系数要大于20w/m·k，具体材料可以是石墨、铸铁、糖醇中的一种或其混合物。蓄热过热蒸汽换热器62中，第二蓄热材料68可以为高温显热蓄热材料，具体材料可以是石墨、铸铁、陶瓷、耐火砖的一种或其混合物。

在本发明中，蓄热隔热层63可以采用绝热保温形式或蓄热保温形式，具体是由第一蓄热材料66和第二蓄热材料68及其相应的蓄热温度决定的。

当蓄热蒸汽发生器61和蓄热过热蒸汽换热器62的蓄热温度相差超过200℃时，为了减小蓄热过热蒸汽换热器62的过热蒸汽段与蓄热蒸汽发生器61的蒸汽发生段之间的温度扩散、相互影响，因此采用绝热保温形式。此时，蓄热隔热层63结构如图3的下图所示，上下分别设置一层保温材料，且在上下两层保温材料之间设置一层空气层，保温材料导热系数<0.1w/m·k，具体的保温材料可以采用高温岩棉或高温气凝胶。

当蓄热蒸汽发生器61和蓄热过热蒸汽换热器62的蓄热温度相差小于200℃时，蓄热过热蒸汽换热器62的过热蒸汽段与蓄热蒸汽发生器61的蒸汽发生段之间的温度扩散、相互影响相对较小，可以采用蓄热保温形式。此时，蓄热隔热层63结构如图3的上图所示，保温材料导热系数为0.3～5w/m·k，具体的保温材料可以采用耐火砖或水泥。

基于上述疏水器电蓄热式过热蒸汽系统的蓄热供热方法，主要工作过程为：在夜间低谷电时段，分别开启电加热棒64给蓄热蒸汽发生器61和蓄热过热蒸汽换热器62加热，当蓄热蒸汽发生器61和蓄热过热蒸汽换热器62达到设定最高温度时，蓄热蒸汽换热器6完成蓄热过程；当开始供热工作时，由主水管1向补水箱2注入去离子水；打开补水入口阀4和补水泵5，同时打开疏水器14和疏水补水入口阀17，疏水器14内分离出的液体经疏水连接管13并入补水管3；去离子水经补水管3由补水泵5抽取进入蓄热蒸汽发生器61底部的两相流动沸腾换热管道65，在两相流动沸腾换热管道65内与第一蓄热材料66换热产生湿蒸汽，然后从蓄热蒸汽发生器6顶部的两相流动沸腾换热管道65排出，再经过湿蒸汽出口连接管7进入气液分离器9；在气液分离器9中，湿蒸汽中饱和水和饱和蒸汽分离开来：饱和水通过气液分离器9底部的疏水连接管13流出进入疏水器14；饱和蒸汽通过气液分离器9顶部的饱和蒸汽连接管10，并由压力调节阀11调节压力后进入蓄热过热蒸汽换热器62过热，产生一定压力的过热蒸汽。

在换热过程中，蓄热蒸汽发生器61内主要发生两相流动沸腾换热，换热量大，温度降低快；蓄热过热蒸汽换热器62主要发生蒸汽过热换热，换热量小，温度降低慢。因此本发明中通过设置在蓄热蒸汽发生器61和蓄热过热蒸汽换热器62之间的蓄热隔热层，来削弱蓄热蒸汽发生器61的温降对蓄热过热蒸汽换热器62的影响，优化了传热效率，保障了蒸汽品质和产汽效率。

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