CN109059318A - 一种喷淋式填充床储热系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷淋式填充床储热系统及其运行方法，用于中高温的热能存储领域。本系统主要由喷淋式填充床蓄热装置、储液罐、换热器、热源供应端、热源用户端、冷凝器、集液罐等部件组成。该系统在储热阶段，通过液态传热介质，将热源供应端提供的热能储存在填充床内的固体蓄热介质中；在用热阶段，将固体材料中的热能释放出来并用以发电或供暖。本发明的喷淋式填充床储热系统与运行方法具有蓄热效率高、热能品位高、适用温度域宽、成本低、操作安全等优点，特别适用于中高温太阳能热发电及工业高温余热利用领域中，同时还可以与大规模物理储能，如压缩空气储能系统进行能源利用梯级互补，提高能源的利用效率。

Description

一种喷淋式填充床储热系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种储热系统，尤其涉及一种喷淋式填充床储热系统及其运行方法，用于中高温的热能存储领域。该系统在储热阶段，通过液态传热介质，将热源供应端提供的热能储存在填充床内的固体蓄热介质中；在用热阶段，将固体材料中的热能释放出来并用以发电或供暖。本发明的喷淋式填充床储热系统与运行方法具有蓄热效率高、热能品位高、适用温度域宽、成本低、操作安全等优点，特别适用于中高温太阳能热发电及工业高温余热利用等其他中高温蓄热领域中，同时还可以与大规模物理储能，如压缩空气储能系统进行能源利用梯级互补，提高能源的利用效率。

背景技术

面对能源危机，世界各国正在积极开展水能、风能、生物质能、太阳能等清洁可再生能源的研究工作。太阳能光伏发电技术中电池板的生产过程能耗高CO₂排放量大，发电效率低是制约该技术发展的瓶颈问题。而太阳能热发电是除光伏发电技术之外的另一个有很大发展潜力的太阳能发电技术，它也是除风电以外最具经济竞争力的可再生能源发电技术，太阳能集热器把收集到的太阳辐射能经热交换器转变为过热蒸汽，用传统的电力循环来产生电能，具有技术成熟，发电成本低和容易与化石燃料形成混合发电系统的优点。但是由于太阳能的昼夜间断性以及由于多云阴雨而造成的不稳定性等一系列问题，对太阳能光热发电系统电力的平稳输出产生了很大的影响。因此在太阳能热发电系统中设置蓄热装置是最有效的方法之一。

太阳能蓄热根据储热机制的不同可分为显热蓄热、潜热蓄热与化学蓄热。显然蓄热技术在以上三种技术中最为成熟的一种，但是要得到更为经济性、可控性及高效率的蓄热方式也面临众多问题，影响蓄热装置的因素主要有以下几个：1)单位体积或单位质量的蓄热材料的蓄能密度；2)传热介质与蓄热介质之间的热交换能力；3)蓄热材料的化学性能；4)充、放热循环的次数及可逆性；5)导热流体与换热器或蓄热介质之间的兼容性；6)散热损失。并且太阳能蓄热系统的发展方向是低成本、高效率和长时间蓄热。但现有储热技术在各方面存在不足：熔融盐储热腐蚀性强，易凝固；过热蒸汽储热压力高，所需储液罐成本太高；导热油储热成本太高。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种喷淋式填充床储热系统及其运行方法，具有传热介质与蓄热介质之间的热交换能力强、成本低、效率高、安全系数高的优势，非常适合太阳能热发电系统以及工业高温余热利用等中高温储热系统。本发明的喷淋式填充床储热系统主要由喷淋式填充床蓄热装置、储液罐、换热器、泵、热源供应端、热源用户端、稳压系统、冷凝器、集液罐等部件组成。是一种将电能、热能、热化学等能源在相对充足时以热能的形式通过间接或直接换热的形式储存在储热系统中的填充床内，在需要时候的再将热能释放出来转化成电能、或热能直接给用户的储热系统。该系统在储热阶段，通过液态传热介质，将热源供应端提供的热能储存在填充床内的固体蓄热介质中；在用热阶段，将固体材料中的热能释放出来并用以发电或供暖。本发明的喷淋式填充床储热系统具有蓄热效率高、热能品位高、适用温度域宽、成本低、操作安全等优点，特别适用于中高温太阳能热发电及工业高温余热利用领域中，同时还可以与大规模物理储能，如压缩空气储能系统进行能源利用梯级互补，提高能源的利用效率。

本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案是：

一种喷淋式填充床储热系统，包括喷淋式填充床蓄热装置、低温储液罐、高温储液罐、换热器、热源供应端、热源用户端、冷凝器和集液罐，其特征在于，

所述热源供应端的进口处设有第一控制阀门，出口处设有第二控制阀门，

所述热源供应端的出口通过一主管路与所述换热器的热侧进口连通，所述主管路上设有第三控制阀门，

所述换热器的热侧出口与所述低温储液罐的第一液体进口连通，所述换热器的冷侧连通所述热源用户端，

所述低温储液罐的液体出口与所述热源供应端的进口连通，

所述热源供应端的出口还通过一旁通管路与所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口连通，

所述喷淋式填充床蓄热装置底部的排液口分类两路，一路经一第八控制阀门与所述低温储液罐的第二液体进口连通，另一路经一第七控制阀门与所述高温储液罐的进口连通，

所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口以及底部的排液口处均设有控制阀，

所述高温储液罐的出口与所述换热器的热侧进口连通，且二者之间的连通管路上设有第六控制阀门，

所述低温储液罐顶部还设有一气体出口，所述气体出口依次经一第一泄压阀、冷凝器的热侧后与所述集液罐的进口连通，所述集液罐上设有第二泄压阀，当所述低温储液罐和/或集液罐中的压力升高至设定压力后，各泄压阀自动开启，

所述热源供应端的出口与所述低温储液罐的出口之间还设置有一连通管路，且在该连通管路上设有第十控制阀门。

优选地，所述热源供应端为太阳能集热装置、电厂高温烟气、或炼钢厂高温烟气等可加热液态传热介质的装置或系统。

优选地，所述低温储液罐的液体出口处设有一低温泵；所述高温储液罐的出口处设有一高温泵。

优选地，所述喷淋式填充床蓄热装置的数量为两台或两台以上，其排列方式为并联、串联或两者组合。

优选地，所述喷淋式填充床蓄热装置包括一封闭罐体，所述封闭罐体中设有喷淋头和填充床，所述喷淋头设置在所述填充床的顶部，所述填充床上设有固态蓄热材料，所述喷淋头的进口与所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口连通，所述喷淋头用以将进液雾化成细小液滴或若干细小液柱，并喷淋到所述填充床上的固态蓄热材料上，使进液与固态蓄热材料进行热交换，将进液内的热能储存到固态蓄热材料中或将固态蓄热材料储存的热量释放到进液中，从而完成蓄热或释热。

优选地，所述填充床内设有若干层正排列或交错排列的单元格通道，所述固态蓄热材料布置在各所述单元格通道中。

优选地，所述封闭罐体的顶部还通过一连通管路与一稳压及过滤部件连通，且在该连通管路上设有第四控制阀门。

优选地，所述封闭罐体内还设有若干温度及压力检测装置。

优选地，所述喷淋式填充床储热系统还包括一回热器，所述低温储液罐的液体出口经所述回热器的冷侧后与所述热源供应端的进口连通，所述低温储液罐顶部的气体出口依次经第一泄压阀、回热器的热侧、冷凝器的热侧后与所述集液罐的进口连通。

进一步地，本发明还提供了上述喷淋式填充床储热系统的运行方法：

当所述系统处于储热模式时，当所述系统处于储热模式时，打开所述第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第八控制阀门、第一泄压阀，关闭其余控制阀门，所述低温储液罐内的低温液体传热介质打入所述热源供应端，所述热源供应端将低温液态传热介质加热为高温液体传热介质后，一部分通过主管路流入所述换热器对热源用户端供热，另一部分通过旁通管路流入所述喷淋式填充床蓄热装置，并与填充床内的固态蓄热介质进行热交换，将热量传给固态蓄热介质后转变为低温液体传热介质，低温液体传热介质通过填充床底部的排液口流出进入所述低温储液罐，当填充床下端排液口处的液体温度达到设定值时，视为储热过程完成，关闭所述喷淋式填充床蓄热装置上下两端的两个控制阀。

进一步地，当所述系统处于释热模式时，关闭所述第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第八控制阀门，打开所述第六控制阀门、第七控制阀门、第十控制阀门，所述低温储液罐中的低温液态传热介质经第十控制阀门所在的连通管路流入到所述喷淋式填充床蓄热装置内，并与其中的固体蓄热介质发生热交换转变为高温液态传热介质，之后流入到所述高温储液罐内，并进一步被输送到换热器中将热量传递至热源用户端，当填充床下端排液口处的传热介质温度达到设定值后，视为释热过程完成，关闭所述喷淋式填充床蓄热装置上下两端的控制阀，并同时关闭与热能输出端相连的各控制阀门。

进一步地，当所述系统不工作时，所有控制阀门都处于开通状态，将整个系统内部的压力排泄至大气压。

本发明还提供了另外一种结构形式的喷淋式填充床储热系统。该喷淋式填充床储热系统，包括热源供应端、喷淋式填充床蓄热装置、换热器、蒸汽发生器、冷凝器、第一低温储液罐、第二低温储液罐、集液罐、稳压及过滤部件、热源用户端，其特征在于，

所述热源供应端的进口处设置第一控制阀门，出口处设置第二控制阀门，

所述热源供应端的出口分为两路，一路经所述换热器的热侧后与所述第一低温储液罐的液体进口连通，另一路经所述蒸汽发生器的热侧后与所述第一低温储液罐的液体进口连通，且所述蒸汽发生器的热侧出口与所述第一低温储液罐的液体进口之间的连通管路上设有第十控制阀门，所述蒸汽发生器的冷侧与所述热源用户端连通，

所述第一低温储液罐的液体出口与所述热源供应端的进口连通，所述第一低温储液罐顶部还设有一气体出口，所述气体出口依次经一泄压阀、冷凝器的热侧后与所述集液罐的进口连通，所述集液罐上也设有泄压阀，

所述换热器的冷侧出口处设置第三控制阀门，冷侧进口处设有第七控制阀门，所述换热器的冷侧出口与所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口连通，所述喷淋式填充床蓄热装置底部的排液口与所述第二低温储液罐的第二液体进口连通，所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口和排液口处均设置有控制阀，所述第二低温储液罐的液体出口分为两路，一路与所述换热器的冷侧进口连通，另一路经一第六控制阀门与所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口连通，

所述喷淋式填充床蓄热装置的排液口还与所述高温储液罐的进口连通，且所述高温储液罐的进口处设有第八控制阀门，所述高温储液罐的出口分为两路，一路经一第四控制阀门与所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口连通，另一路经一第五控制阀门与所述蒸汽发生器的热侧进口连通。

优选地，所述喷淋式填充床储热系统还包括一回热器，所述第一低温储液罐的液体出口经所述回热器的冷侧后与所述热源供应端的进口连通，所述第一低温储液罐顶部的气体出口依次经泄压阀、回热器的热侧、冷凝器的热侧后与所述集液罐的进口连通。

优选地，所述热源用户端为一蒸汽发电系统，所述蒸汽发电系统包括蒸汽发动机、冷凝器、集液罐，且所述蒸汽发动机、冷凝器、集液罐、蒸汽发生器的冷侧依次连通，形成一蒸汽发电循环。

进一步地，所述集液罐的出口处设置一循环泵。

优选地，所述第一低温储液罐的液体出口处设置一第一低温泵，所述第二低温储液罐的液体出口处设置一第二低温泵，所述高温储液罐的出口处设置一高温泵。

优选地，所述喷淋式填充床蓄热装置顶部还通过一带有阀门的连通管路与一稳压及过滤部件连通。

优选地，所述喷淋式填充床蓄热装置包括一封闭罐体，所述封闭罐体中设有喷淋头和填充床，所述喷淋头设置在所述填充床的顶部，所述填充床上设有固态蓄热材料，所述喷淋头的进口与所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口连通。

进一步地，本发明还提供了上述喷淋式填充床储热系统的运行方法，其特征在于，在储热阶段时，打开第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第七控制阀门、第十控制阀门，关闭其余各控制阀门；所述第一低温储液罐内的液态传热介质进入热源供应端，将液态传热介质加热为高温传热介质，在热源供应端热能充足时，高温传热介质一路流入所述蒸汽发生器的热侧对所述热源用户端放热后返回所述第一低温储液罐内，另一路进入所述换热器的热侧放热后返回所述第一低温储液罐内；与此同时，所述第二低温储液罐内的液态传热介质进入所述换热器的冷侧吸热转变为高温液态传热介质后进入所述喷淋式填充床蓄热装置，并与填充床内的固态蓄热介质进行热交换，将热量传给固态蓄热介质后转变为低温液态传热介质，之后通过填充床底部的排液口返回至所述第二低温储液罐，当排液口处的液态传热介质温度达到设定值时，视为储热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个控制阀。

进一步地，在蓄热过程中，当所述喷淋式填充床储热系统内部的液态传热介质温度升高时，系统内部压力也随着升高，当压力高于设定值时，通过系统中设置的泄压阀进行排压，排出的高温气体依次经所述回热器的热侧、所述冷凝器的冷侧放热后进入所述集液罐中。

进一步地，当所述集液罐内的压力达到设定压力后，所述集液罐上端的泄压阀自动开启，将罐体内部多余的气体排至环境中。

优选地，所述喷淋式填充床储热系统在释热阶段中，关闭所述第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第七控制阀门、第十控制阀门，打开第六控制阀门、第八控制阀门、第五控制阀门，所述第二储液罐里的低温液态传热介质通入到所述喷淋式填充床蓄热装置内，与填充床上的固体蓄热介质发生热交换，低温液态传热介质吸热升温后转变为高温液态传热介质，之后流入到所述高温储液罐内，在所述高温泵的作用下进入到蒸汽发生器的热侧将热量传递给蒸汽发电系统中的工质；当所述喷淋式填充床蓄热装置排液口处的液态传热介质温度达到设定值后，视为释热过程完成，之后关闭与喷淋式填充床蓄热装置上下两端的两个控制阀，并同时关闭填充床与热能输出端的管路连接阀门。

进一步地，在该储热系统不工作时，确保该储能系统内部管道上的阀门都处于开通状态，并打开储液罐上端的泄压阀，将整个系统内部的压力排泄至大气压。

本发明还提供了第三种结构形式的喷淋式填充床储热系统。该喷淋式填充床储热系统，包括工业高温炉、烟囱、喷淋式填充床蓄热装置、换热器、蒸汽发生器、冷凝器、低温储液罐、高温储液罐、集液罐、稳压及过滤部件、热源用户端，其特征在于，

所述工业高温炉的余热烟气出口经所述换热器的热侧后通入所述烟囱，

所述换热器的冷侧出口处设有第三控制阀门、冷侧进口处设有第七控制阀门，

所述换热器的冷侧出口经所述蒸汽发生器的热侧后与所述低温储液罐的第一液体进口连通，所述蒸汽发生器的冷侧与所述热源用户端连通，

所述蒸汽发生器的热侧进口处设有第五控制阀门，热侧出口处设有第九控制阀门，且所述第三控制阀门与第五控制阀门之间的连通管路上设有第四控制阀门，

所述低温储液罐的液体出口分为两路，一路与所述换热器的冷侧进口连通，另一路经一第六控制阀门与所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口连通，所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口处设置一第十一控制阀门，

所述喷淋式填充床蓄热装置的顶部还通过一带有阀门的连通管路与所述稳压及过滤部件连通；所述喷淋式填充床蓄热装置底部的排液口分为两路，一路经一第十二控制阀与所述低温储液罐的第二液体进口连通，另一路经一第八控制阀与所述高温储液罐的进口连通，所述高温储液罐的出口与所述蒸汽发生器的热侧进口连通，所述低温储液罐的顶部还设有一气体出口，所述气体出口依次经一泄压阀、冷凝器的热侧后与集液罐的进口连通，集液罐上也设有泄压阀。

优选地，所述喷淋式填充床储热系统还包括一回热器，所述低温储液罐的液体出口的另一路经第六控制阀门、所述回热器的冷侧与所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口连通，所述低温储液罐的顶部的气体出口依次经泄压阀、回热器的热侧、冷凝器的热侧后与集液罐的进口连通。

优选地，所述工业高温炉的排烟管路上设有抽气泵。

优选地，所述热源用户端为一蒸汽发电系统，所述蒸汽发电系统包括蒸汽发动机、冷凝器、集液罐，且所述蒸汽发动机、冷凝器、集液罐、蒸汽发生器的冷侧依次连通，形成一蒸汽发电循环，所述蒸汽发动机带动发电机工作。

进一步地，所述集液罐的出口处设置一循环泵。

优选地，所述低温储液罐的液体出口处设置一低温泵，所述高温储液罐的出口处设置一高温泵。

优选地，所述喷淋式填充床蓄热装置包括一封闭罐体，所述封闭罐体中设有喷淋头和填充床，所述喷淋头设置在所述填充床的顶部，所述填充床上设有固态蓄热材料，所述喷淋头的进口与所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口连通。

本发明还提供了该第三种结构形式的喷淋式填充床储热系统的运行方法，当所述喷淋式填充床储热系统在储热阶段时，打开所述第七控制阀门、第三控制阀门、第十一控制阀门第十二控制阀门、第四控制阀门、第五控制阀门、第九控制阀门，所述低温储液罐内的液态传热介质经所述换热器的冷侧后被加热为高温传热介质，之后分为两路，一路直接进入到所述蒸汽发生器中，对所述热源用户端供热；另一路进入所述喷淋式填充床蓄热装置，并与填充床内的固态蓄热介质进行热交换，将热量传给固态蓄热介质后通过填充床底部的排液口流出至所述低温储液罐，当填充床下端出口传热流体温度达到设定值时，视为储热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个阀门。

进一步地，在蓄热过程中，当储热系统内部的液态传热流体温度升高时，系统内部压力也随着升高，当压力高于设定值后，通过所述低温储液罐上的泄压管路进行排压，排出的高温气体通过回热器，进入冷凝器冷却后流入所述集液罐进行收集。

进一步地，当集液罐内的压力达到设定压力后，所述集液罐上的泄压阀自动开启，将罐体内部多余的气体排至环境中。

优选地，所述喷淋式填充床储热系统在释热阶段中，关闭所述第三控制阀门、第七控制阀门、第四控制阀门、第十二控制阀门，打开第六控制阀门、第八控制阀门、第五控制阀门、第九控制阀门，同时保证稳压系统主管路上的气体调节阀门的开度处在设定压力上。所述低温储液罐内的低温液态传热流体经过回热器后流入到喷淋式填充床蓄热装置内，并与其中的固体蓄热介质发生热交换，低温液态传热介质吸热升温后转变为高温液态传热介质，之后流入到高温储液罐内，在高温泵的作用下进入到蒸汽发生器中将热量传递给热源用户端。

进一步地，当喷淋式填充床蓄热装置下端出口处的传热流体温度达到设定值后，视为释热过程完成，关闭填充床上下两端的阀门，并同时关闭填充床与热能输出端的管路连接阀门。

进一步地，在该储热系统不工作时，确保该储能系统内部管道上的阀门都处于开通状态，并打开储液罐上端的泄压阀，将整个系统内部的压力排泄至大气压。

本发明的喷淋式填充床储热系统与运行方法，是一种将电能、热能、热化学等能源在相对充足时以热能的形式通过间接或直接换热的形式储存在储热系统中的填充床内，在需要时候的再将热能释放出来转化成电能、或热能直接给用户的储热系统。其工作原理：

在热源供应端热能充足时，采用液态流体为传热介质，低温储液罐内的液态传热介质经过热源供应端，将传热流体加热到设定温度，一路供应至热源用户端，另一路进入喷淋式填充床储热装置，与其中的固体蓄热介质进行热交换，将传热流体携带的能量传递给蓄热介质并储存起来，温度降低后的传热流体从填充床底部流出并流入至低温储液罐。

当需要热量时，低温储液罐内的低温传热流体被供应至喷淋式填充床储热装置中，与填充床内部的高温固体蓄热介质进行热交换，将热能带出并流入至高温储液罐，通过高温泵输出给热源用户端。

在蓄热和释热过程中，当压力高于设定要将通过系统中设置的泄压装置进行排压，排出的高温气体可通过或不通过回热器，进入冷凝器冷却后流入集油罐进行收集。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，蓄热装置为承压保温型填充床；填充床为内保温式/或外保温式；填充床罐体可为非可拆卸式焊接连接/或可拆卸式法兰连接。喷淋头与填充床顶部的连接方式为可拆卸式/或固定式。

本发明的喷淋式填充床储热系统中的泄压回路，目的用于缓冲储热系统中内部压力由于热胀冷缩导致的稳压气体体积膨胀而导致的压力升高。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述集液罐包括至少一个温度检测装置、至少一个压力检测装置、至少一个安全阀、至少一个注油口、至少一个排污口。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述回热器为板式结构/或板翅式结构/或管壳式结构/或螺旋式结构的一种或两种及以上的组合；所述回热器一侧为高压气体及液态传热介质的混合物，一侧为蓄热过程/或释热过程完成后回流的高压低温液态传热介质；其换热方式可以是顺流/或逆流/或两者都包括的混合流。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述冷凝器为板式结构/或板翅式结构/或管壳式结构/或螺旋式结构的一种或两种及以上的组合；所述回热器一侧为高压气体及液态传热介质的混合物，一侧为低温流体或气体；其换热方式可以是顺流/或逆流/或两者都包括的混合流。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述换热器/蒸汽发生器为板式结构/或板翅式结构/或管壳式结构/或螺旋式结构的一种或两种及以上的组合；所述换热器其换热方式可以是顺流/或逆流/或两者都包括的混合流。

优选地，所述热源供应装置可以太阳能集热装置/或电厂高温烟气/或炼钢厂高温烟气等可加热液态传热介质的装置或系统。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述填充床蓄热装置、储液罐、集液罐等压力容器在内保温条件下，压力容器内壳的材料为不锈钢、铝、钛等金属材料，或陶瓷等耐热耐腐蚀的非金属材料，压力容器外壳材料为金属材料，如不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合，内壳与外壳之间填充保温材料；所述填充床蓄热装置、储液罐、集液罐在外保温条件下，压力容器外壳材料为金属材料，如不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述系统中的回热器、冷凝器以及集液罐的外壳为耐高压耐高温耐腐蚀性的金属材料，如不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，所述储热系统内的稳压气体为空气、氮气、氦气、氩气等其中一种或者至少两种的混合。液态传热介质为导热油、水、甲醇、乙醇、液态金属等其中一种或者至少两种的混合；所述固体蓄热介质为颗粒状或多孔状，为岩石，矿石，矿渣，混凝土，耐火砖，陶瓷球，金属，封装的相变材料等其中一种或至少两种的混合物。

本发明的喷淋式填充床储热系统中，喷淋式填充床蓄热装置、储液罐、集液罐都为圆柱体或球体、耐高温耐高压耐腐蚀的密封压力容器。

同现有技术相比，本发明的喷淋式填充床储热系统与运行方法，用于中高温的热能存储领域。该系统在储热阶段，通过液态传热介质，将热源供应端提供的热能储存在填充床内的固体蓄热介质中；在用热阶段，将固体材料中的热能释放出来并用以发电或供暖。本发明的喷淋式填充床储热系统与运行方法具有蓄热效率高、热能品位高、适用温度域宽、成本低、操作安全等优点，特别适用于中高温太阳能热发电及工业高温余热利用领域中，同时还可以与大规模物理储能，如压缩空气储能系统进行能源利用梯级互补，提高能源的利用效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

图1为本发明的喷淋式填充床储热系统实施例1的结构示意图，其中，太阳能集热器的传热流体与喷淋式填充床储热装置是直接接触式换热。如图1所示，本发明的喷淋式填充床储热系统，主要包括太阳能集热器101、两台并联式内保温型喷淋式填充床蓄热装置105、换热器107、回热器110、冷凝器111、低温储液罐103、高温储液罐104、高温泵106、低温泵102、集液罐112、稳压系统及过滤器109、居民供暖网络108。

太阳能集热器101的出口通过一主管路与换热器107的热侧进口连通，换热器107的热侧出口与低温储液罐103的第一液体进口连通，换热器107的冷侧连通居民供暖网络108。低温储液罐103的液体出口依次经低温泵102、回热器110的冷侧后与太阳能集热器101的进口连通，太阳能集热器101的出口还通过一旁通管路与每一喷淋式填充床蓄热装置105顶部的进液口连通，每一喷淋式填充床蓄热装置105底部的排液口经一汇流管路与低温储液罐103的第二液体进口连通，且第二液体进口处设有控制阀门8，汇流管路还与高温储液罐104的进口连通，且高温储液罐104的进口处设有控制阀门7，高温储液罐104的出口经高温泵106与换热器107的热侧进口连通，且高温泵106的出口处设有控制阀门6。低温储液罐103顶部还设有一气体出口，气体出口处设有控制阀门9，气体出口依次经回热器110的热侧、冷凝器111的热侧后与集液罐112的进口连通。太阳能集热器101的出口与低温泵102的出口之间还设置有一连通管路，连通管路上设有控制阀门10，太阳能集热器101的进口处和出口处均设有控制阀门1、2。

上述系统中，喷淋式填充床储热装置105包括一封闭罐体，所述封闭罐体中设有喷淋头和填充床，所述喷淋头设置在所述封闭罐体的顶部，所述喷淋头的下方设置所述填充床，所述填充床内设有若干层单元格通道，所述固态蓄热材料布置在各所述单元格通道中。所述喷淋头的进口与所述喷淋式填充床蓄热装置105的进液口连通，所述喷淋头用以将进液雾化成细小液滴或若干细小液柱，并喷淋到所述填充床上的固态蓄热材料上，使进液与固态蓄热材料进行热交换，将进液内的热能储存到固态蓄热材料中或将固态蓄热材料储存的热量释放到进液中，从而完成蓄热或释热。

喷淋式填充床储热装置105的主要工作原理是：通过安置在填充床顶部的喷淋头将系统中的液态传热介质雾化成细小液滴或若干细小液柱，然后与填充床内部单元格通道内的固体蓄热材料进行热交换，将液态传热介质内的热能储存起来或将固态蓄热材料储存的热量释放出来，从而完成该喷淋式填充床储热系统的蓄热/或释热的主要功能。预先，将固体蓄热材料装入带有单元格通道的喷淋式填充床内部，并密封好。关闭系统排料阀门，利用稳压装置对喷淋式填充床储热系统进行除气处理，将系统内部的空气排尽。再将液态传热介质通过储液罐的注油口，注入至储热系统，注入量为设定值后关闭排气阀。调节稳压系统中的气体流量调节阀门，对储热系统进行加压至设定工作压力。在系统压力达到设定的压力后，确保系统与大气相连的阀门处于关闭状态，其他所有系统内部管道上的阀门都处于开通状态。

本发明的喷淋式填充床储热系统，包括储热和释热两种工作模式。

在储热阶段时，打开阀门1、2、3、8、9，采用液态流体为传热介质，通过低温泵102将低温储液罐103内的液态传热介质打入到太阳集热器101，将传热流体加热到设定温度，在热源供应端热能充足时，即在满足高温传热流体直接流入换热器107对居民供暖管网供应的同时，从旁通管路进入喷淋式填充床储热装置105，经加热后的液态传热介质通过填充床上部的喷淋装置，将液态传热介质雾化或分流至若干水柱，并与填充床内的固态蓄热介质进行热交换，将液态传热介质的高品位热能转化成固态蓄热介质的热能以储存起来，将热量传给蓄热介质后的低温液态传热介质通过填充床105底部的排液口流出，当填充床下端出口传热流体温度达到设定值时，视为储热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个阀门。在此过程中，由于系统内部的液态传热介质以及稳压气体会因温度的升高而自身的体积会有所膨胀，系统的压力会逐步升高。当压力升高至设定压力后，储液罐103与集液罐112之间管道上的泄压阀自动开启，将高温高压气体经过回热器110、冷凝器111储存在集液罐112内，当集液罐112内的压力达到设定压力后，集液罐112上端的泄压阀自动开启，将罐体内部多余的气体排至环境中。

在释热过程中，关闭阀门1，2，3，8，打开阀门10，7，6，同时保证稳压系统主管路上的气体调节阀门的开度处在设定压力上。储液罐103里的低温液态传热流体通过低温泵102流入到填充床105内，通过填充床上端入口并通过喷淋头后均匀分布在填充床内固体蓄热介质上面，并流入到各单元格通道内与蓄热介质发生热交换，此时固体蓄热介质温度下降，液态传热流体温度升高，固体蓄热材料的高品位热能转化为液态传热流体的高品位热能，传热流体把储存在蓄热介质内部的高温热能带出来流入到高温储液罐104内，通过高温泵106的作用下进入到换热器107中将热量传递给居民供暖管网中。当填充床105下端出口处的传热流体温度达到设定值后，视为释热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个阀门，并同时关闭填充床与热能输出端的管路连接阀门。在释热过程中，当储热系统内部的液态传热流体温度升高时，系统内部压力也随着升高，当压力高于设定要将通过系统中设置的泄压装置进行排压，排出的高温气体通过回热器110，进入冷凝器111冷却后流入集液罐进行收集112。

在该储热系统不工作时，确保该储能系统内部管道上的阀门都处于开通状态，并打开储液罐上端的泄压阀，将整个系统内部的压力排泄至大气压。

实施例2：

如图2所示，为本发明的喷淋式填充床储热系统实施例2，此系统主要包括太阳能集热器201、喷淋式填充床蓄热装置207、换热器206、蒸汽发生器208、回热器216、冷凝器217、第一低温储液罐203、第二低温储液罐204、高温储液罐215、高温泵214、低温泵202、205、集液罐218、稳压及过滤部件219、蒸汽发电系统。其中太阳能集热系统与喷淋式填充床蓄热装置是间接式换热，中间通过换热器206进行热传递。喷淋式填充床储热装置207的结构及其工作原理与实施例1的喷淋式填充床储热装置相同。

太阳能集热器201的进口处设置第一控制阀门21，出口处设置第二控制阀门22；太阳能集热器201的出口分为两路，一路经换热器206的热侧后与第一低温储液罐203的液体进口连通，另一路经蒸汽发生器208的热侧后与第一低温储液罐203的液体进口连通，且蒸汽发生器208的热侧出口管路上设有第十控制阀门30；蒸汽发生器208的冷侧一蒸汽发电系统连通，蒸汽发电系统包括蒸汽发动机209、冷凝器211、集液罐212，且蒸汽发动机209、冷凝器211、集液罐212、蒸汽发生器208的冷侧依次连通，形成一蒸汽发电循环；集液罐212的出口处设置一循环泵213；第一低温储液罐203的液体出口经回热器216的冷侧后与太阳能集热器201的进口连通，第一低温储液罐203的液体出口处设置一第一低温泵202。低温储液罐203顶部还设有一气体出口，气体出口依次经一泄压阀、回热器216的热侧、冷凝器217的热侧后与集液罐218的进口连通，集液罐218上也设有泄压阀；换热器206的冷侧出口处设置第三控制阀门23，冷侧进口处设有第七控制阀门27，换热器206的冷侧出口与喷淋式填充床蓄热装置207顶部的进液口连通，喷淋式填充床蓄热装置207底部的排液口与第二低温储液罐204的第二液体进口连通，喷淋式填充床蓄热装置207的进液口和排液口处均设置有控制阀，第二低温储液罐204的液体出口分为两路，一路与换热器206的冷侧进口连通，另一路经一第六控制阀门26与喷淋式填充床蓄热装置207的进液口连通，第二低温储液罐204的液体出口处设置一第二低温泵205，喷淋式填充床蓄热装置207顶部还通过一带有阀门11的连通管路与一稳压及过滤部件219连通；喷淋式填充床蓄热装置207的排液口还与高温储液罐215的进口连通，且高温储液罐215的进口处设有第八控制阀门28，高温储液罐215的出口分为两路，一路经一第四控制阀门24与喷淋式填充床蓄热装置207的进液口连通，另一路经一第五控制阀门25与蒸汽发生器208的热侧进口连通，高温储液罐215的出口处设置一高温泵214。

喷淋式填充床储热系统在储热阶段时，打开第一控制阀门21、第二控制阀门22、第三控制阀门23、第七控制阀门27、第八控制阀门28、第十控制阀门30，采用液态流体为传热介质，通过第一低温泵202讲第一低温储液罐内203的液态传热介质打入到太阳集热器201，将传热流体加热到设定温度，在热源供应端热能充足时，即在满足高温传热流体直接流入蒸汽发生器208对蒸汽发电的系统要求的同时，一路进入换热器206，与喷淋式填充床储热装置进行换热，此时通过第一低温泵202将第一低温储液罐203内的液态传热介质打入换热器206加热至设定温度后，液态传热流体通过填充床上部的喷淋头，将液态传热介质雾化或分流至若干水柱，并与填充床内的固态蓄热介质进行热交换，将液态传热介质的高品位热能转化成固态蓄热介质的热能以储存起来，将热量传给蓄热介质后的低温液态传热介质通过填充床底部的排液口流出至第二低温储液罐104，当填充床下端出口传热流体温度达到设定值时，视为储热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个控制阀。

在蓄热过程中，当储热系统内部的液态传热流体温度升高时，系统内部压力也随着升高，当压力高于设定要将通过系统中设置的泄压阀进行排压，排出的高温气体通过回热器216，进入冷凝器2171冷却后流入集液罐218进行收集，当集液罐内的压力达到设定压力后，集液罐上端的泄压阀自动开启，将罐体内部多余的气体排至环境中。

喷淋式填充床储热系统在释热阶段中，关闭第一控制阀门21、第二控制阀门22、第三控制阀门23、第七控制阀门27、第十控制阀门30，打开第六控制阀门26、第八控制阀门28、第五控制阀门25，同时保证稳压系统主管路上的气体调节阀门的开度处在设定压力上。第二储液罐204里的低温液态传热流体通过第二低温泵205流入到喷淋式填充床蓄热装置207内，与填充床上的蓄热介质发生热交换，此时固体蓄热介质温度下降，液态传热流体温度升高，固体蓄热材料的高品位热能转化为液态传热流体的高品位热能，传热流体把储存在蓄热介质内部的高温热能带出来流入到高温储液罐215内，通过高温泵214的作用下进入到蒸汽发生器208中将热量传递给蒸汽发电系统中的工质，并驱动蒸汽发动机209发电。当喷淋式填充床蓄热装置207下端出口处的传热流体温度达到设定值后，视为释热过程完成，关闭与喷淋式填充床蓄热装置上下两端的两个控制阀，并同时关闭填充床与热能输出端的管路连接阀门。

在该储热系统不工作时，确保该储能系统内部管道上的阀门都处于开通状态，并打开储液罐上端的泄压阀，将整个系统内部的压力排泄至大气压。

实施例3：

如图3所示，为本发明的喷淋式填充床储热系统实施例3，此系统主要包括工业高温炉301、烟囱302、抽气泵303、喷淋式填充床蓄热装置307、换热器306、蒸汽发生器308、回热器316、冷凝器317、低温储液罐304、高温储液罐315、高温泵314、低温泵305、集液罐318、稳压及过滤部件319、蒸汽发电系统308。其中工业高温炉余热烟气系统与喷淋式填充床蓄热装置是间接式换热，中间通过换热器306进行热传递。喷淋式填充床储热装置307的结构及其工作原理与实施例1、2的喷淋式填充床储热装置相同。

工业高温炉301的余热烟气出口经换热器306的热侧后通入烟囱302，工业高温炉301的排烟管路上设有抽气泵303。换热器306的冷侧出口处设有第三控制阀门33、冷侧进口处设有第七控制阀门37，换热器306的冷侧出口经蒸汽发生器308的热侧后与低温储液罐304的第一液体进口连通，蒸汽发生器308的冷侧与一蒸汽发电系统连通，蒸汽发电系统包括蒸汽发动机309、冷凝器311、集液罐312，且蒸汽发动机309、冷凝器311、集液罐312、蒸汽发生器308的冷侧依次连通，形成一蒸汽发电循环，蒸汽发动机309带动发电机工作，并将电力输送至电网310。集液罐312的出口处设置一循环泵313。

蒸汽发生器308的热侧进口处设有第五控制阀门35，热侧出口处设有第九控制阀门39，且第三控制阀门33与第五控制阀门35之间的连通管路上设有第四控制阀门34，低温储液罐304的液体出口分为两路，一路与换热器306的冷侧进口连通，另一路经一第六控制阀门36、回热器316的冷侧与喷淋式填充床蓄热装置307的进液口连通，低温储液罐304的液体出口处设置一低温泵305。喷淋式填充床蓄热装置307的顶部还通过一带有阀门40的连通管路与一稳压及过滤部件319连通；喷淋式填充床蓄热装置307底部的排液口分为两路，一路经一第十二控制阀42与低温储液罐304的第二液体进口连通，另一路经一第八控制阀38与高温储液罐315的进口连通，高温储液罐315的出口与蒸汽发生器308的热侧进口连通，高温储液罐315的出口处设置一高温泵314。低温储液罐304的顶部还设有一气体出口，气体出口依次经一泄压阀、回热器316的热侧、冷凝器317的热侧后与集液罐318的进口连通，集液罐318上也设有泄压阀。

本实施例的喷淋式填充床储热系统在储热阶段时，打开阀门37、33、41、34、35、39，采用液态流体为传热介质，通过低温泵305将低温储液罐304内的液态传热介质打入到换热器306加热至设定温度后，共分为两路，一路直接进入到蒸汽发生器308中，加热蒸汽发电系统中的工质驱动蒸汽发动机309发电；另一路通过喷淋式填充床蓄热装置307上部的喷淋头，将液态传热介质雾化或分流至若干水柱，并与填充床内的固态蓄热介质进行热交换，将液态传热介质的高品位热能转化成固态蓄热介质的热能以储存起来，将热量传给蓄热介质后的低温液态传热介质通过填充床底部的排液口流出至低温储液罐304，当填充床下端出口传热流体温度达到设定值时，视为储热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个阀门。在蓄热过程中，当储热系统内部的液态传热流体温度升高时，系统内部压力也随着升高，当压力高于设定值后，通过低温储液罐304上的泄压管路进行排压，排出的高温气体通过回热器316，进入冷凝器317冷却后流入集液罐318进行收集。当集液罐318内的压力达到设定压力后，集液罐318上端的泄压阀自动开启，将罐体内部多余的气体排至环境中。

在释热阶段中，关闭阀门33、37、34、42，打开阀门36、38、35、39，同时保证稳压系统主管路上的气体调节阀门的开度处在设定压力上。低温储液罐304里的低温液态传热流体通过低温泵305经过回热器316后流入到喷淋式填充床蓄热装置307内，通过喷淋头后均匀分布在填充床内固体蓄热介质上面，并与固体蓄热介质发生热交换，此时固体蓄热介质温度下降，液态传热流体温度升高，固体蓄热材料的高品位热能转化为液态传热流体的高品位热能，传热流体把储存在蓄热介质内部的高温热能带出来流入到高温储液罐315内，在高温泵314的作用下进入到蒸汽发生器308中将热量传递给蒸汽发电系统中的工质，并驱动蒸汽发动机309发电。当填充床307下端出口处的传热流体温度达到设定值后，视为释热过程完成，关闭与填充床上下两端相连接的两个阀门，并同时关闭填充床与热能输出端的管路连接阀门。

在该储热系统不工作时，确保该储能系统内部管道上的阀门都处于开通状态，并打开储液罐上端的泄压阀，将整个系统内部的压力排泄至大气压。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种喷淋式填充床储热系统，包括喷淋式填充床蓄热装置、低温储液罐、高温储液罐、换热器、热源供应端、热源用户端、冷凝器和集液罐，其特征在于，

所述热源供应端的进口处设有第一控制阀门，出口处设有第二控制阀门，

所述热源供应端的出口通过一主管路与所述换热器的热侧进口连通，所述主管路上设有第三控制阀门，

所述换热器的热侧出口与所述低温储液罐的第一液体进口连通，所述换热器的冷侧连通所述热源用户端，

所述低温储液罐的液体出口与所述热源供应端的进口连通，

所述热源供应端的出口还通过一旁通管路与所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口连通，

所述喷淋式填充床蓄热装置底部的排液口分类两路，一路经一第八控制阀门与所述低温储液罐的第二液体进口连通，另一路经一第七控制阀门与所述高温储液罐的进口连通，

所述喷淋式填充床蓄热装置顶部的进液口以及底部的排液口处均设有控制阀，

所述高温储液罐的出口与所述换热器的热侧进口连通，且二者之间的连通管路上设有第六控制阀门，

所述低温储液罐顶部还设有一气体出口，所述气体出口依次经一第一泄压阀、冷凝器的热侧后与所述集液罐的进口连通，所述集液罐上设有第二泄压阀，当所述低温储液罐和/或集液罐中的压力升高至设定压力后，各泄压阀自动开启，

所述热源供应端的出口与所述低温储液罐的出口之间还设置有一连通管路，且在该连通管路上设有第十控制阀门。

2.根据上述权利要求所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述热源供应端为太阳能集热装置、电厂高温烟气、或炼钢厂高温烟气等可加热液态传热介质的装置或系统。

3.根据上述权利要求所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述低温储液罐的液体出口处设有一低温泵；所述高温储液罐的出口处设有一高温泵。

4.根据上述权利要求所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述喷淋式填充床蓄热装置的数量为两台或两台以上，其排列方式为并联、串联或两者组合。

5.根据权利要求1至4任一项所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述喷淋式填充床蓄热装置包括一封闭罐体，所述封闭罐体中设有喷淋头和填充床，所述喷淋头设置在所述填充床的顶部，所述填充床上设有固态蓄热材料，所述喷淋头的进口与所述喷淋式填充床蓄热装置的进液口连通，所述喷淋头用以将进液雾化成细小液滴或若干细小液柱，并喷淋到所述填充床上的固态蓄热材料上，使进液与固态蓄热材料进行热交换，将进液内的热能储存到固态蓄热材料中或将固态蓄热材料储存的热量释放到进液中，从而完成蓄热或释热。

6.根据权利要求5所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述填充床内设有若干层正排列或交错排列的单元格通道，所述固态蓄热材料布置在各所述单元格通道中。

7.根据权利要求5所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述封闭罐体的顶部还通过一连通管路与一稳压及过滤部件连通，且在该连通管路上设有第四控制阀门。

8.根据权利要求1所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述封闭罐体内还设有若干温度及压力检测装置。

9.根据权利要求1所述的喷淋式填充床储热系统，其特征在于，所述喷淋式填充床储热系统还包括一回热器，所述低温储液罐的液体出口经所述回热器的冷侧后与所述热源供应端的进口连通，所述低温储液罐顶部的气体出口依次经第一泄压阀、回热器的热侧、冷凝器的热侧后与所述集液罐的进口连通。

10.一种权利要求1至9任一项所述的喷淋式填充床储热系统的运行方法，其特征在于，所述喷淋式填充床储热系统包括储热和释热两种工作模式。