一种相变储热蒸汽发生装置及其调控方法

本发明涉及相变储热、电加热及蒸汽发生，具体涉及一种采用相变材料储存电能转化热量、并通过盘管向外提供蒸汽的储热装置，尤其涉及一种能够根据储热罐内竖向温度和固液状态分布，对直管式铠装电加热器不同轴向加热段进行独立调功的装置及其储热调控方法。

背景技术：

1、利用低价谷电、可再生能源电力或其他波动性电源进行电加热储热，并在用户侧以蒸汽形式释放热量，是实现工业供热电气化和提高新能源消纳能力的重要技术路径。相变储热材料具有相变潜热较高、储热温度相对稳定以及适用于中温蒸汽供应等特点，可布置于长方体或其他形状的保温储热罐体内。

2、一种典型的电加热式相变储热蒸汽发生装置，在罐体内竖直插入多根直管式铠装电加热器，在相邻加热器之间布置不锈钢换热盘管。储热时，电加热器沿长度方向均匀发热，使周围相变材料由固态升温并熔化；放热时，给水由盘管下侧入口进入，自下而上吸收相变材料热量并汽化，蒸汽由同侧上部出口输出。

3、工业用户的用汽时长和蒸汽负荷往往具有随机性。当放热过程在相变材料尚未完全凝固时结束，由于盘管下部首先接触低温给水且换热驱动力较大，罐体下部的相变材料通常先降温、凝固，而上部仍可能保持较高温度和液态，由此在罐体高度方向形成“上部高温液相、下部低温固相或未完全熔融”的非均匀热状态。

4、在该状态下再次启动储热时，现有一体式直管电加热器通常沿全长输出相同或固定比例的加热功率。上部相变材料由于初始温度较高，可能在较短时间内接近材料安全温度上限；为避免相变材料过热分解，现有控制系统往往降低整根加热器功率或停止全部加热。此时下部固态相变材料尚未充分熔融，导致实际可利用储热量低于设计值，并可能形成较大的竖向温度梯度和局部热应力。

5、现有的分段式电加热元件虽能够实现不同电热丝的分别通断，但若仅采用人工预设或固定功率比例，仍难以针对随机放热后形成的竖向非均匀温度和相态分布进行自动匹配；若在罐体不同高度分别安装多根短加热管，则会增加罐体开孔、密封和保温结构的复杂性。因此，有必要提出一种将分段直管式铠装电加热器、分层状态感知与自适应功率分配相结合的相变储热蒸汽发生装置及调控方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有电加热式相变储热蒸汽发生装置在随机放热后存在竖向温度和固液状态不均匀、再次储热时上部区域易先达到安全温度上限而下部区域熔融不足的问题，提供一种垂直适应温度分层的分段独立电加热相变储热蒸汽发生装置及其调控方法。该装置能够在不增加罐体不同高度加热器安装开孔的条件下，依据各竖向储热分区的热状态分别控制对应加热段，使高温区域受限加热而低温区域继续获得热量，从而提高相变材料的有效利用程度和装置可用储热量。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种相变储热蒸汽发生装置及其调控方法，包括保温储热罐体、填充于所述保温储热罐体内的一体的相变储热材料、多根分段铠装电加热器、换热盘管组、分层温度传感组件、控制器以及独立调功组件；本发明一体的相变储热材料是指，保温储热罐体内部是一个整体空间，所有相变储热材料被填充在该空间内，不存在物理结构分区。

4、所述分段铠装电加热器为由所述保温储热罐体上部向下竖直插入的直管式加热器，可呈阵列布置，每根分段铠装电加热器沿轴向设有至少两个彼此电气隔离的可独立启停和调功的加热段，各加热段分别通过独立供电回路与所述独立调功组件连接，以独立进行启停和输出功率调节。

5、所述保温储热罐体沿高度方向定义为与所述加热段相对应的至少两个竖向储热分区，本发明中，竖向储热分区是“定义”而非通过物理结构划分，其数量与单根分段铠装电加热器的加热段数量相同，各分段铠装电加热器的加热段一般应具有相同高度设计，因此，整个保温储热罐体内可以被定义为相应数量的竖向储热分区，上下分区之间不存在任何物理隔离，而是一体结构。

6、所述换热盘管组布置于罐内，所述分层温度传感组件用于获取各竖向储热分区的温度信息，分层温度传感组件在各竖向储热分区内设置一个或多个温度测点。

7、所述控制器分别与所述分层温度传感组件和独立调功组件连接，并根据各测点温度以及可选的温度变化率、在相变温区内的持续时间、累计储放热量和历史运行数据，确定或估计各竖向储热分区的固态、相变中或液态状态，并形成各竖向储热分区与对应加热段之间的控制映射。

8、所述控制器被具体配置为：根据各竖向储热分区的温度信息确定或估计相应分区的热状态；当储热启动时检测到上部竖向储热分区的温度高于下部竖向储热分区、且下部竖向储热分区未达到熔融完成条件时，使下部竖向储热分区对应加热段的输出功率大于上部竖向储热分区对应加热段的输出功率，或者停止上部竖向储热分区对应的加热段而保持下部竖向储热分区对应的加热段工作；在下部竖向储热分区达到熔融完成条件和/或竖向温差减小至预设值后，逐步提高上部竖向储热分区对应加热段的输出功率。

9、具体地，根据本发明，当随机放热结束后形成上部高温、下部低温的分层状态时，控制器优先向下部低温或固态区域对应的加热段分配较高功率，并限制或关闭上部高温液态区域对应的加热段；若上部区域达到安全温度上限，则仅降低或停止其对应加热段，而保持未达到安全温度上限的中下部加热段继续工作。待下部区域达到熔融完成条件、竖向温差减小或整体热状态趋于均衡后，再连续或阶梯提高上部加热段功率，直至各区达到目标储热状态。

10、在一个实施例中，所述相变储热材料的相变温度范围为100℃～300℃，在储热过程中通过所述控制器控制将各竖向储热分区的温度限制在所述相变储热材料的安全温度上限以下，所述安全温度上限低于所述相变储热材料的热分解温度，并与所述热分解温度之间设置预定安全裕量。

11、在一个实施例中，每根分段铠装电加热器沿竖直方向依次设有上加热段、中加热段和下加热段，所述保温储热罐体沿高度方向相应定义为上部储热分区、中部储热分区和下部储热分区，各储热分区之间不存在物理隔离。

12、在一个实施例中，每根分段铠装电加热器通过设置于所述保温储热罐体顶部的单一安装位置贯穿进入罐内，各加热段的引出导线均由加热器顶部集中引出，以使同一根分段铠装电加热器在不增加罐体不同高度安装开孔的情况下实现竖向分区加热；

13、所述分段铠装电加热器包括金属铠装外壳、设置于所述金属铠装外壳内的多段独立电热丝、填充于所述独立电热丝与金属铠装外壳之间的绝缘导热填料、设置于相邻加热段之间的绝缘隔离结构以及设置于顶部的密封接线端。

14、在一个实施例中，所述换热盘管组布置于相邻的分段铠装电加热器之间，其给水入口设置于所述保温储热罐体的下侧部，其蒸汽出口设置于与所述给水入口同侧的上侧部；放热阶段，给水在盘管内自下而上流动并吸收相变材料的显热和潜热，形成蒸汽输出；放热停止时，控制器保存分层温度信息，作为下一次储热的初始功率分配依据。

15、在一个实施例中，所述换热盘管组包括至少两根并联或分组并联的不锈钢盘管，所述不锈钢盘管在竖直方向往复延伸，并在水平方向上与所述分段铠装电加热器交错阵列布置。

16、在一个实施例中，所述分层温度传感组件在每一竖向储热分区内设置至少一个温度测点；所述控制器基于各温度测点的温度、温度变化率、在相变温度区间内的持续时间以及储放热历史数据中的至少一种，确定或估计对应竖向储热分区的固态、相变中或液态状态。

17、本发明还提供了所述装置的储热调控方法，包括以下步骤：

18、s1、在储热启动时，采集保温储热罐体内沿高度方向分层设置的温度数据，并将各竖向储热分区的温度与相变储热材料的相变温度范围、目标储热温度及安全温度上限进行比较，确定或估计各竖向储热分区的热状态；

19、s2、当存在上部竖向储热分区为高温液相区、下部竖向储热分区为低温固相区或未完全熔融区的分层状态时，提高下部竖向储热分区对应加热段的输出功率，并将上部竖向储热分区对应加热段的输出功率限制为低于所述下部竖向储热分区对应加热段的输出功率，或关闭所述上部竖向储热分区对应的加热段；

20、s3、在保持下部竖向储热分区对应加热段工作的同时，实时监测各竖向储热分区的温度；当任一竖向储热分区的温度达到所述安全温度上限时，降低或停止该竖向储热分区对应加热段的输出功率，并维持未达到安全温度上限的其他加热段继续工作；

21、s4、当下部竖向储热分区达到熔融完成条件和/或上部竖向储热分区与下部竖向储热分区之间的温差小于预设均衡阈值时，以连续方式或阶梯方式提高上部竖向储热分区对应加热段的输出功率；

22、s5、直至各竖向储热分区达到目标储热状态，停止加热或转入保温运行。

23、在一个实施例中，所述熔融完成条件包括：对应竖向储热分区的温度达到所述相变储热材料的液相线温度以上，和/或根据该竖向储热分区的累计输入热量判定其液相比例达到预设值。

24、在一个实施例中，当某一竖向储热分区的温度达到安全温度上限或升温速率超过预设值时，降低该竖向储热分区对应加热段的功率，并根据相邻竖向储热分区的温度状态选择性降低相邻加热段的功率，而不直接停止全部分段铠装电加热器。

25、在一个实施例中，在放热阶段，使给水由换热盘管组底部的给水入口进入换热盘管组，吸收相变储热材料的热量后形成蒸汽并由换热盘管组顶部的蒸汽出口输出；当放热停止时记录各竖向储热分区的温度信息，并将所述温度信息作为下一次储热功率初始分配的依据；在蒸汽负荷波动时，选择性启动与低温竖向储热分区相对应的加热段进行补热。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、（1）本发明的分段铠装电加热器，通过将同一根竖直铠装直管沿轴向分为多个独立加热段，并与罐内竖向的储热分区建立对应关系，可根据随机放热后的实际热状态实施差异化加热。并且，与现有通过机械结构进行分区的手段不同，本发明中所有相变储热材料是一个统一整体，不需要物理分区，而是仅通过与加热段的对应位置区域关系进行定义，其成本更低，且不影响调控效果。

28、（2）本发明的调控方法，当上部高温区域接近安全温度上限时，可仅限制或关闭上部加热段，而保持下部低温区域继续加热，避免因局部高温导致整个储热过程提前终止。

29、（3）本发明优先向下部固态或未完全熔融区域输入热量，有利于提高下部相变材料的熔融程度、相变材料有效利用率和装置可用储热量。

30、（4）本发明利用一体式竖直直管完成多高度分区加热，相比在罐体不同高度分别设置多根短加热管，可减少高温罐体开孔及相应密封、保温结构。

31、（5）本发明分区温度约束和逐段功率投入可减小局部过热及过大的竖向温度梯度，有利于提高相变材料、加热器和罐体的循环运行可靠性。