一种适配多参数等级水/蒸汽回路的储热虚拟锅炉系统及运行方法与流程

本发明属于长时储能、热储能发电、闭式传热工质传热以及水/蒸汽发电，具体涉及一种通过高温旁路混温改变传热工质热源曲线、并适配超高压、亚临界、超临界或超超临界水/蒸汽回路的储热虚拟锅炉系统及运行方法。

背景技术：

1、外置热储能装置可将电能、太阳能、工业余热或其他热源转化为可调度的高温热量，并在需要时向水/蒸汽回路释放热量。为避免储热装置直接承受高压水/蒸汽的相变或超临界工况，工程上可设置闭式传热工质回路作为中间传热回路。

2、在该类系统中，高温二氧化碳通常需要同时承担主蒸汽过热、再热以及主吸热换热等任务。若高温二氧化碳先被过热器或再热器大量降温，进入主吸热换热器前的热源温度可能不足，导致主吸热换热器内最小换热端差下降；若为了保护主吸热段而减少高温段取热，又可能影响主蒸汽或再热蒸汽参数。

3、同时，超高压和亚临界、超临界和超超临界水/蒸汽回路的吸热曲线不同。超高压或亚临界回路具有相变吸热段，超临界或超超临界回路具有直流式主吸热段或高比热强吸热段。仅采用固定的串联换热路径，难以在不同参数等级下同时维持高温蒸汽参数和主吸热换热器端差。

4、此外，现有技术若采用二氧化碳作为极高温传热介质（如1000℃以上），易与碳基储热材料发生碳热还原反应，导致储热设备本体结构性破坏；且高压超临界二氧化碳循环依赖大功率压缩机，存在一定的附加功耗。因此，需要一种能够采用多种传热工质、避免动力做功循环干扰的系统。

5、此外，在发电工况下，若闭式传热工质回路被深度用于水/蒸汽侧的低温给水预热，将导致传热工质回流温度过低、系统热品位分配不合理。因此，需要一种能够通过高温旁路与高温换热支路出口混合，主动改变进入主吸热换热器的传热工质热源曲线，并根据不同水/蒸汽吸热曲线维持主吸热换热器最小换热端差的系统及运行方法。

技术实现思路

1、本发明旨在解决如下技术问题：

2、（一）外置储热热源通过闭式传热工质回路向不同参数等级水/蒸汽回路供热时，主吸热换热器入口热源状态难以主动调节的问题。

3、（二）主蒸汽过热、再热等高温换热支路消耗高品位热量后，主吸热换热器最小换热端差不足的问题。

4、（三）超高压和亚临界、超临界和超超临界水/蒸汽回路吸热曲线不同，单一热源曲线难以适配的问题。

5、（四）发电工况下闭式二氧化碳回路被深度用于低温给水预热，导致回流温度过低、热品位分配不合理的问题。

6、为解决上述技术问题，本发明提供一种适配多参数等级水/蒸汽回路的储热虚拟锅炉系统。该系统包括外置热储能装置、闭式传热工质回路以及水/蒸汽回路。闭式传热工质回路与水/蒸汽回路通过换热器间接换热，二者内部工质不混合。该回路内部不包括设置用于使传热工质膨胀并对外输出轴功或电功的动力透平。

7、所述闭式传热工质回路包括高温工质分流装置、高温换热支路、高温蒸汽换热器、高温旁路、设于所述高温旁路上的流量调节装置、传热工质混合装置以及主吸热换热器。所述主吸热换热器为跨工况通用换热设备：在超高压或亚临界工况下作为蒸发段或蒸发器，在超临界或超超临界工况下作为直流式主吸热段、拟蒸发段或强吸热段。高温工质分流装置将来自外置热储能装置的传热工质分流至所述高温换热支路和所述高温旁路，所述传热工质为二氧化碳、含二氧化碳的混合工质、纯氮气、氩气或空气中的任意一种或几种混合；所述传热工质可在回路内呈现纯气态、近临界态、密相、超临界态或在不同管段或不同工况下分别呈现不同状态；回路整体运行压力区间为0.5 mpa至40mpa，优选运行压力区间为15mpa至30 mpa。分流至所述高温换热支路中的传热工质经高温蒸汽换热器放热后，与高温旁路中的传热工质在传热工质混合装置中混合；所述高温旁路中流通的传热工质是未经所述高温蒸汽换热器放热的传热工质，或者是放热后出口温度仍高于所述高温换热支路出口温度的高温传热工质；传热工质混合装置出口与主吸热换热器的传热工质入口连通。

8、通过所述流量调节装置调节高温旁路流量或传热工质混合装置出口温度，可改变进入主吸热换热器的传热工质热源曲线，使传热工质侧放热曲线与水/蒸汽侧吸热曲线之间保持预设最小换热端差。

9、在一些实施方式中，水/蒸汽回路为超高压、亚临界、超临界或超超临界水/蒸汽回路。超高压或亚临界工况下，主吸热换热器对应蒸发段；超临界或超超临界工况下，主吸热换热器对应直流式主吸热段或强吸热段。在一些实施方式中，当所述水/蒸汽回路为超高压或亚临界回路时，其包括高压回热加热器、汽水分离器、过热器和/或再热器。

10、在一些实施方式中，所述外置热储能装置位于水/蒸汽回路的承压边界之外；水或蒸汽不进入外置热储能装置，闭式传热工质回路中的传热工质不进入水/蒸汽回路。

11、在一些实施方式中，主吸热换热器的传热工质出口与流体循环驱动装置的入口连通，流体循环驱动装置的出口与外置热储能装置构造成直接或间接热耦合路径，使完成主吸热换热后的传热工质返回外置热储能装置。

12、在一些实施方式中，当所述流体循环驱动装置的出口与所述外置热储能装置构造成间接热耦合路径时，所述闭式传热工质回路还包括设置于所述流体循环驱动装置出口与所述高温工质分流装置之间的中间换热器；系统还包括内含第二传热工质的第二传热工质回路，所述第二传热工质回路流经所述外置热储能装置以获取热量，并通过所述中间换热器将热量间接传递至所述闭式传热工质回路中的传热工质。

13、在一些实施方式中，当所述外置热储能装置内部采用最高运行温度不小于1000℃的碳基储热介质、并且所述传热工质直接与所述水/蒸汽回路通过换热器换热时，所述传热工质为纯氮气或氩气，以阻断高温下传热工质与碳基储热介质发生碳热还原反应。

14、在一些实施方式中，所述闭式传热工质回路上配置有在线水分监测与主动防爆隔离系统；所述系统包括设置于主循环回流管路上的高频微量水分探测仪，以及设置于所述外置热储能装置进出口主管路上的快速截断隔离阀；当所述高频微量水分探测仪检测到传热工质中水汽浓度超过设定阈值时，触发所述快速截断隔离阀关闭，以切断所述外置热储能装置与换热区域的流体连通。

15、在发电工况下，水/蒸汽回路可包括主吸热换热器、主蒸汽过热器、第一级汽轮机、第一级再热器、第二级汽轮机、第二级再热器以及后续汽轮机级。主蒸汽依次经第一级汽轮机、第一级再热器、第二级汽轮机、第二级再热器和后续汽轮机级膨胀做功。水/蒸汽发电回路可设置抽汽回热单元，用于承担至少部分给水回热，使闭式传热工质回路主要用于主蒸汽过热、再热和主吸热换热。

16、在一些实施方式中，所述水/蒸汽发电回路包括汽轮机，且配置有工业抽汽支路；所述工业抽汽支路从汽轮机级间引出，可对外输出工业蒸汽；所述系统还包括控制单元，所述控制单元被配置为：基于实时采集的工业抽汽的流量与压力数据，根据抽汽负荷波动动态调节所述流量调节装置的开度与所述高温工质分流装置的分流比例，在工业抽汽量大范围变化时，维持所述主吸热换热器的预设最小换热端差及主蒸汽参数稳定。

17、本发明还提供一种运行方法，包括：确定水/蒸汽回路的参数等级；使来自外置热储能装置的高温传热工质经高温工质分流装置分为高温换热支路和高温旁路；使高温换热支路向水/蒸汽回路的主蒸汽过热器和/或再热器放热；使高温旁路与高温换热支路出口的传热工质在传热工质混合装置中混合，以改变进入主吸热换热器的传热工质热源曲线；使混合后的传热工质进入所述主吸热换热器中向水/蒸汽回路放热；根据参数等级对应的水/蒸汽侧吸热曲线，调节高温旁路流量或传热工质混合装置出口温度，使主吸热换热器保持预设最小换热端差；使所述主吸热换热器出口的传热工质经流体循环驱动装置处理后返回外置热储能装置；或者，使所述主吸热换热器出口的传热工质进一步对所述水/蒸汽发电回路中配置的温度低于所述主吸热换热器的其它换热器中进行间接供热，以减少所述水/蒸汽发电回路中的抽汽回热量，然后经流体循环驱动装置处理后返回外置热储能装置。

18、在一些实施方式中，所述运行方法还包括：建立或调用所述主吸热换热器的水/蒸汽侧吸热曲线和传热工质侧放热曲线，确定二者之间的夹点位置或最小换热端差，并根据所述夹点位置或最小换热端差修正所述高温旁路流量或传热工质混合装置出口温度。

19、在一些实施方式中，当所述水/蒸汽回路为超临界或超超临界回路，且所述主吸热换热器出现端差低于所述预设最小换热端差或出现夹点迁移时，提高所述高温旁路流量百分比，或者限制所述高温换热支路的取热比例，以维持所述主吸热换热器的预设最小换热端差。

20、在一些实施方式中，当所述水/蒸汽回路为二次再热或多次再热回路时，将来自所述外置热储能装置的传热工质分配至主蒸汽过热支路、一级再热支路、二级或多级再热支路以及高温旁路，并根据多个高温蒸汽出口目标温度和所述主吸热换热器的预设最小换热端差，调节各支路的传热工质分配比例。

21、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

22、（一）通过高温旁路与高温换热支路出口混合，主动调节主吸热换热器入口热源状态，降低主吸热换热器端差不足的风险。

23、（二）通过根据不同水/蒸汽参数等级的吸热曲线设定传热工质混合装置出口温度，提高同一闭式传热工质回路对超高压、亚临界、超临界和超超临界水/蒸汽回路的适配能力。

24、（三）通过外置热储能装置与水/蒸汽承压边界隔离，降低储热装置直接承受高压水/蒸汽相变或拟相变工况的设计难度。

25、（四）在发电工况下，通过蒸汽侧抽汽回热承担低温及中温给水加热，使闭式二氧化碳回路主要服务于主蒸汽过热、再热和主吸热段，有利于保持较高二氧化碳回流温度并改善热品位分配。

26、（五）突破单一工质限制：当系统采用全碳基或石墨等极高温储热介质时，通过限定纯氮气或氩气等惰性气体直驱换热，阻断了碳热还原反应，兼容大宗低成本极高温储热体。