CN115822742B - 堆积床储热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堆积床储热发电系统，包括储热子系统和发电子系统。储热子系统包括第一加热器、第二加热器和堆积床，堆积床包括壳体，壳体内设有彼此隔热的第一储热区和第二储热区，发电子系统包括换热器、高压汽轮机、再热器、低压汽轮机和发电机，换热器的热侧与第一储热区连通，再热器的热侧与第二储热区连通。本发明提供的堆积床储热发电系统的堆积床具有隔热的第一储热区和第二储热区，并且两个储热区分别与两个不同的加热器相连通，堆积床具有两种不同的储热温度，适用于匹配具有不同工作温度和功率负荷的汽轮机驱动发电机发电，具有更强的普适性能。

Description

堆积床储热发电系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种堆积床储热发电系统。

背景技术

堆积床是一种紧凑高效的储热换热一体化装置，其结构为在容器内填充颗粒状的储热介质，储热介质按一定方式堆积放置，其间形成缝隙可供流体通过。当热流体通过堆积床时，储热介质被热流体加热，温度升高实现储热；当冷流体通过堆积床时，储热介质被冷流体冷却，温度降低实现放热。堆积床储热过程的热源可以是太阳能、工业余热等，也可以是利用风电、光伏等产生的电能；其放热过程可用于供热、供水蒸气或利用热力学循环发电。相关技术中的堆积床储热温度单一，无法适用于匹配具有不同工作温度和功率负荷的发电驱动装置，影响堆积床储热发电系统的发展。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种适用于匹配具有不同工作温度和功率负荷的发电驱动装置的堆积床储热发电系统。

本发明实施例的堆积床储热发电系统包括：

储热子系统，所述储热子系统包括第一加热器、第二加热器和堆积床，所述堆积床包括壳体，所述壳体内设有彼此隔热的第一储热区和第二储热区，所述第一加热器与所述第一储热区连通，所述第二加热器与所述第二储热区连通，所述第一储热区和所述第二储热区内填充有储热介质，所述第一加热器和所述第二加热器用于加热换热介质，换热介质与储热介质换热将热量储存在储热介质中；

发电子系统，所述发电子系统包括换热器、高压汽轮机、再热器、低压汽轮机和发电机，所述换热器的热侧与所述第一储热区连通，所述再热器的热侧与所述第二储热区连通，所述高压汽轮机连接在所述换热器的冷侧出口以及所述再热器的冷侧进口之间，所述低压汽轮机与所述再热器的冷侧出口连通，所述高压汽轮机与所述低压汽轮机用于做功以驱动所述发电机发电。

本发明实施例提供的堆积床储热发电系统的堆积床具有隔热的第一储热区和第二储热区，并且两个储热区分别与两个不同的加热器相连通，因此本发明实施例提供的堆积床可以具有两种不同的储热温度，适用于匹配具有不同工作温度和功率负荷的汽轮机驱动发电机发电，具有更强的普适性能。

在一些实施例中，所述壳体上设有与所述第一储热区连通的第一进出口和第二进出口，以及与所述第二储热区连通的第三进出口和第四进出口，所述第一加热器的出口与所述第一进出口连通，所述第一加热器的进口与所述第二进出口连通，所述第二加热器的出口与所述第三进出口连通，所述第二加热器的进口与所述第四进出口连通。

在一些实施例中，所述换热器的热侧进口与所述第一进出口连通，所述换热器的热侧出口与所述第二进出口连通，所述再热器的热侧进口与所述第三进出口连通，所述再热器的热侧出口与所述第四进出口连通。

在一些实施例中，所述壳体内还设有第一储液区、第二储液区、第三储液区和第四储液区，所述第一储液区和所述第二储液区分别位于所述第一储热区的进出液两侧，所述第三储液区和所述第四储液区分别位于所述第二储热区进出液两侧。

在一些实施例中，所述第一储热区和所述第二储热区之间采用绝热隔板彼此隔离，所述第一储液区和所述第二储液区与所述第一储热区之间设有多孔板，所述第三储液区和所述第四储液区与所述第二储热区之间设有多孔板。

在一些实施例中，所述储热子系统还包括新能源发电设备，所述新能源发电设备用于发电并向所述第一加热器和所述第二加热器提供发热所需电能。

在一些实施例中，所述堆积床呈卧式，所述第一储热区和第二储热区位于所述壳体内部空腔的中部。

在一些实施例中，所述壳体为废弃储油罐。

在一些实施例中，所述发电子系统还包括冷凝器，所述低压汽轮机的出口与所述冷凝器的热侧进口连通以将蒸汽冷凝为液态，所述冷凝器的热侧出口与所述换热器的冷侧进口连通。

在一些实施例中，所述换热器与所述再热器的工作温度不同和/或功率负荷不同，所述第一储热区和所述第二储热区的储热温度不同。

附图说明

图1是本发明实施例提供的堆积床储热发电系统的储热子系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的堆积床内部结构示意图。

图3是本发明实施例提供的堆积床储热发电系统的发电子系统的结构示意图。

附图标记：

储热子系统1、第一加热器11、第二加热器12、堆积床13、壳体131、第一储热区132、第二储热区133、储热介质134、堆积间隙135、第一储液区136、第二储液区137、第三储液区138、第四储液区139、第一进出口141、第二进出口142、第三进出口143、第四进出口144、绝热隔板15、第一多孔板161、第二多孔板162、发电子系统2、换热器21、高压汽轮机22、再热器23、低压汽轮机24、发电机25、冷凝器26、新能源发电设备3、泵4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面根据图1-图3描述本发明实施例提供的堆积床储热发电系统的基本结构。如图1和图3所示，堆积床储热发电系统包括储热子系统1和发电子系统2，储热子系统包括第一加热器11、第二加热器12和堆积床13，堆积床13包括壳体131，壳体131内具有空腔，壳体131的内部空间设有第一储热区132和第二储热区133，第一储热区132和第二储热区133之间彼此隔热，即两者之间没有热量相互传递。并且，第一储热区132和第二储热区133内堆积填充有储热介质，并且每个储热区内均具有连通的堆积间隙135，以供换热介质流通。第一加热器11与第一储热区132连通，第二加热器12与第二储热区133连通，第一加热器11和第二加热器12用于加热换热介质，高温换热介质进入相应的储热区内并在该储热区内堆积的储热介质形成的堆积间隙135中流通，在流通过程中，高温换热介质与储热介质换热将热量储存在储热介质中，高温换热介质变为低温换热介质。

发电子系统2包括换热器21、高压汽轮机22、再热器23、低压汽轮机24和发电机25，换热器21的热侧与第一储热区132连通，再热器23的热侧与第二储热区133连通，高压汽轮机22连接在换热器21的冷侧出口以及再热器23的冷侧进口之间，低压汽轮机24与再热器23的冷侧出口连通，高压汽轮机22与低压汽轮机24用于做功以驱动发电机25发电。

本发明实施例提供的堆积床储热发电系统的堆积床具有隔热的第一储热区和第二储热区，并且两个储热区分别与两个不同的加热器相连通，因此本发明实施例提供的堆积床可以具有两种不同的储热温度，适用于匹配具有不同工作温度和功率负荷的汽轮机驱动发电机发电，具有更强的普适性能。

下面根据图1-图3描述本发明实施例提供的堆积床储热发电系统的具体结构。

如图2所示，堆积床13呈卧式，第一储热区132和第二储热区133位于壳体131内部空腔的中部。第一储热区132和第二储热区133内堆积有储热介质134。需要说明的是，第一储热区132中堆积的储热介质134与第二储热区133中堆积的储热介质134的类型可以相同也可以不同，且第一储热区132中堆积的储热介质134的堆积方式、堆积密度、间隙尺寸与第二储热区133中堆积的储热介质134的堆积方式、堆积密度、间隙尺寸可以根据每个储热区的储热需求设计。

如图1所示，堆积床13的壳体131上设有第一进出口141、第二进出口142、第三进出口143和第四进出口144。其中第一进出口141和第二进出口142与第一储热区132连通。第三进出口143和第四进出口144与第二储热区133连通。第一加热器11的出口与第一进出口141连通，第一加热器11的进口与第二进出口142连通。第一加热器11加热换热介质，换热介质从第一加热器11出口流出通过第一进出口141进入第一储热区132中，高温换热介质与第一储热区132中的储热介质换热，低温换热介质从第二进出口142流出，回到第一加热器11中，再次被加热为高温换热介质。第二加热器12的出口与第三进出口143连通，第二加热器12的进口与第四进出口144连通。第二加热器12加热换热介质，换热介质从第二加热器12出口流出通过第三进出口143进入第二储热区133中，高温换热介质与第二储热区133中的储热介质换热，低温换热介质从第四进出口144流出，回到第二加热器12中，再次被加热为高温换热介质。

进一步地，如图2所示，堆积床13的壳体131内还设有第一储液区136、第二储液区137、第三储液区138和第四储液区139，第一储液区136和第二储液区137分别位于第一储热区132的进出液两侧，第三储液区138和第四储液区139分别位于第二储热区133的进出液两侧。储液区的设置用于对换热介质进行缓冲。

具体地，如图2所示，第一储热区132位于第二储热区133的下方，第一储热区132和第二储热区133之间采用绝热隔板15彼此隔离，绝热隔板15用于避免两个储热区之间的热量传递。第一储液区136位于第一储热区132的进液侧，与第一进出口141连通，第二储液区137位于第一储热区132的出液侧，与第二进出口142连通。第三储液区138位于第二储热区133的进液侧，与第三进出口143连通，第四储液区139位于第二储热区133的出液侧，与第四进出口144连通。当然在其他实施例中，第一储热区132还可以位于第二储热区133的上方。或者，在其他实施例中，堆积床13可以立式布置，第一储热区132和第二储热区133可以左右并排设置，本发明对此不作限定。

第一储液区136和第二储液区137与第一储热区132之间设有多孔板，第三储液区138和第四储液区139与第二储热区133之间设有多孔板。多孔板用于均匀分配换热介质。第一储液区136和第三储液区138位于第一储热区132和第二储热区133的同一侧，第一储液区136和第三储液区138与第一储热区132和第二储热区133之间设有第一多孔板161。第二储液区137和第四储液区139位于第一储热区132和第二储热区133的同一侧，第二储液区137和第四储液区139与第一储热区132和第二储热区133之间设有第二多孔板162。绝热隔板15穿过第一多孔板161和第二多孔板162与壳体131的内壁面相连，将第一储液区136和第三储液区138分隔，将第二储液区137和第四储液区139分隔。

随着石油行业的发展，在地下或山体内建设了多个大型储油罐。在一定使用年限之后，部分储油罐面临废弃，将储油罐直接拆除难度大、成本高。本发明实施例的壳体131为废弃储油罐，通过将废弃油罐重新利用，解决了其处理困难的问题，并节约了堆积床的建设成本，具有较大的经济价值。

储热子系统1还包括新能源发电设备3，新能源发电设备3用于发电并向第一加热器11和第二加热器12提供发热所需电能。如图1所示，在本实施例中，新能源发电设备3为光伏板。

在堆积床13的储热阶段：

如图1所示，光伏板发电之后，部分即时消纳，部分多余电力用于提供给第一加热器11和第二加热器12作为发热所需电能，第一加热器11和第二加热器12将电能转化为热能。第一加热器11和第二加热器12通过内部流动有液体热媒的管道，将热量传递至堆积床13内。其中液体热媒可以是导热油、液态熔盐等。

液体热媒在第一加热器11内加热后吸热温度升高，通过第一进出口141进入第一储液区136中，穿过第一多孔板161上的通孔进入第一储热区132中，与第一储热区132中的储热介质134换热，热量储存在储热介质134中，液体热媒进入第二储液区137并从第二进出口142流出堆积床132，回到第一加热器11。液体热媒在第二加热器12内加热后吸热温度升高，通过第三进出口143进入第三储液区138中，穿过第一多孔板161上的通孔进入第二储热区133中，与第二储热区133中的储热介质134换热，热量储存在储热介质134中，液体热媒进入第四储液区139并从第四进出口144流出堆积床132，回到第二加热器12。

第一储热区132和第二储热区133中的储热介质为颗粒状，可以是石块、金属等固体，也可以是相变胶囊等，形状可以是球形。储热介质134按照一定规律排列堆积，之间具有缝隙，缝隙作为换热介质的流道，可以根据储热介质的数量、大小、形状、堆积方式等来调整缝隙尺寸，保证储热介质134与换热介质之间具有足够的换热面积，并且保证换热介质流过时的压力损失不高于设定值。

第一加热器11和第二加热器12的功率可以相同也可以不相同，以对应第一储热区132和第二储热区133具有相同和不同的热负荷。假设第一储热区132的储热温度为a℃，第二储热区133的储热温度为b℃。

如图3所示，换热器21的热侧进口与第一进出口141连通，换热器21的热侧出口与第二进出口142连通，第一储热区132中的储热介质放热为换热器21的热侧提供热量。再热器23的热侧进口与第三进出口143连通，再热器23的热侧出口与第四进出口144连通，第二储热区133中的储热介质放热为再热器23的热侧提供热量。

发电子系统2还包括冷凝器26，低压汽轮机24的出口与冷凝器26的热侧进口连通以将蒸汽冷凝为液态，冷凝器26的热侧出口通过泵4与换热器21的冷侧进口连通。换热器21的冷侧出口与高压汽轮机22相连，高压汽轮机22出口与再热器23的冷侧进口连通，再热器23的冷侧出口与低压汽轮机24连通。高压汽轮机22和低压汽轮机24同轴与发电机25传动相连，用于驱动发电机25发电。

在发电阶段，本发明实施例提供的堆积床储热发电系统采用再热朗肯循环发电，循环工质为水，在循环过程中水具有液态和气态两种相态。如图3所示，泵4将从冷凝器26的热侧出口流出的液态水升压并提供驱动力，本实施例中，水被升压至高压状态。液态水进入换热器21的冷侧进口，吸收换热器21热侧a℃的换热介质的热量，相变为水蒸气，温度升高至c℃，c℃略低于a℃，这是由于换热温差的存在，水实际上无法被加热至与换热介质同等的温度；高温高压水蒸气进入高压汽轮机22中膨胀做功,变为中温低压水蒸气，中温低压水蒸气进入再热器23的冷侧，吸收热侧b℃的换热介质的热量后，温度重新升高至d℃，d℃略低于b℃。高温水蒸气进入低压汽轮机24中膨胀做功。高压汽轮机22和低压汽轮机24同轴，二者共同带动发电机25发电，低压汽轮机8排出的水蒸气进入冷凝器26的热侧，向冷侧释放热量，相变为液态水，温度接近常温，液态水从冷凝器26的热侧出口流出回到泵4的进口，完成一个循环。冷凝器26的冷侧可以是冷却水。

在一些实施例中，换热器21与再热器23的工作温度不同和/或功率负荷不同，与之对应，第一储热区132和第二储热区133的储热温度不同。两个腔室中储热介质的数量、大小、形状和堆积方式等可以不同，可根据实际需要调整。

本发明实施例的堆积床储热发电系统利用地下废弃储油罐作为壳体131，解决了废弃油罐不易处理的问题，且降低了堆积床13的建设成本。经改造后，在其中以一定方式填充储热介质134，形成堆积床13。废弃储油罐的地上空间可以布置风电或光伏等新能源发电设备3，发电后将电能转化为热能，为堆积床13的储热过程提供热源。地上空间还可以建设热力学发电系统，利用堆积床13所储的热量发电。将新能源发电系统与储能系统相结合，可实现连续供电，解决了新能源发电的出力波动问题，具有提高供电质量和安全的作用。

此外，堆积床13采用分腔室结构对应不同的热负荷和温度，可以匹配再热朗肯循环发电系统，适用于匹配具有不同工作温度和功率负荷的汽轮机驱动发电机发电，具有更强的普适性能，提高系统的发电效率和能源的利用率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种堆积床储热发电系统，其特征在于，包括：

储热子系统，所述储热子系统包括第一加热器、第二加热器和堆积床，所述堆积床包括壳体，所述壳体内设有彼此隔热的第一储热区和第二储热区，所述第一加热器与所述第一储热区连通，所述第二加热器与所述第二储热区连通，所述第一储热区和所述第二储热区内填充有储热介质，所述第一加热器和所述第二加热器用于加热换热介质，换热介质与储热介质换热将热量储存在储热介质中；

发电子系统，所述发电子系统包括换热器、高压汽轮机、再热器、低压汽轮机和发电机，所述换热器的热侧与所述第一储热区连通，所述再热器的热侧与所述第二储热区连通，所述高压汽轮机连接在所述换热器的冷侧出口以及所述再热器的冷侧进口之间，所述低压汽轮机与所述再热器的冷侧出口连通，所述高压汽轮机与所述低压汽轮机用于做功以驱动所述发电机发电。

2.根据权利要求1所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述壳体上设有与所述第一储热区连通的第一进出口和第二进出口，以及与所述第二储热区连通的第三进出口和第四进出口，所述第一加热器的出口与所述第一进出口连通，所述第一加热器的进口与所述第二进出口连通，所述第二加热器的出口与所述第三进出口连通，所述第二加热器的进口与所述第四进出口连通。

3.根据权利要求2所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述换热器的热侧进口与所述第一进出口连通，所述换热器的热侧出口与所述第二进出口连通，所述再热器的热侧进口与所述第三进出口连通，所述再热器的热侧出口与所述第四进出口连通。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述壳体内还设有第一储液区、第二储液区、第三储液区和第四储液区，所述第一储液区和所述第二储液区分别位于所述第一储热区的进出液两侧，所述第三储液区和所述第四储液区分别位于所述第二储热区进出液两侧。

5.根据权利要求4所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述第一储热区和所述第二储热区之间采用绝热隔板彼此隔离，所述第一储液区和所述第二储液区与所述第一储热区之间设有多孔板，所述第三储液区和所述第四储液区与所述第二储热区之间设有多孔板。

6.根据权利要求1所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述储热子系统还包括新能源发电设备，所述新能源发电设备用于发电并向所述第一加热器和所述第二加热器提供发热所需电能。

7.根据权利要求1所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述堆积床呈卧式，所述第一储热区和第二储热区位于所述壳体内部空腔的中部。

8.根据权利要求1或6所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述壳体为废弃储油罐。

9.根据权利要求1所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述发电子系统还包括冷凝器，所述低压汽轮机的出口与所述冷凝器的热侧进口连通以将蒸汽冷凝为液态，所述冷凝器的热侧出口与所述换热器的冷侧进口连通。

10.根据权利要求1所述的堆积床储热发电系统，其特征在于，所述换热器与所述再热器的工作温度不同和/或功率负荷不同，所述第一储热区和所述第二储热区的储热温度不同。