一种非稳态储放热过程的梯级热利用系统及其控制方法

1.本发明属于储热技术领域，具体而言，本发明涉及一种可以应用于非稳态热源储热和供热需求非稳态变化的梯级储热系统。


背景技术：

2.在碳排放法规日益严格，全球能源持续增长的背景下，全球能源也面临着重大的转变和调整。目前的能源利用系统很难在现有基础上进一步兼容太阳能、风能以及光伏为主要的可再生能源，因为这类可再生能源的存在形式通常具有波动和瞬时性的特点，且用户侧对能源的需求也随时段的不同呈现一定的变化规律。这种可再生能源自生的波动性和需求侧与供给侧的不同波动状态加剧了能源供需不匹配，会对现存的能源系统产生较大的冲击和带来不稳定性。因此提高储能系统对非稳态变化能源的适用性至关重要。
3.按能源存储的形式，储能技术主要可以分为：热能存储、电能存储、化学能存储、机械能存储等。其中热能的存储成本较低、使用寿命较长。储热技术增加热能延续的时间，有利于平缓能源供需时间不匹配的矛盾。随着储热技术的逐渐发展，梯级储热通过在储热系统中设置不同储热温度地储热单元，相比使用单一储热单元的传统储热系统，可以让储热材料温度和热源温度之间有更好的匹配，并能降低传热过程的不可逆损失。因此，梯级储热是一种能够提高能源利用效率的有效方式。
4.此外，当前已经有国内外研究学者证明，当热源温度非稳态形式变化时，会使储热单元的储热量减少，其具体原理是：当非稳态热源温度低于储热换热器储热材料的平均温度时，热能将会从储热材料反向泄漏至传热流体。这将导致原本储存在储热材料中的热能损失，能源利用效率降低。而当前大多数对储热技术的研究还是以稳态热边界条件展开，忽略了自然界存在的大多数可再生能源以及工业生产中的废热温度通常具有非稳态变化的特性。
5.因此，提高储热系统在实际使用场景中的储热性能，并拓展储热系统面对非稳态热源储热和供热需求非稳态变化场景的适应性，需要对现有面向稳态热源储热的梯级储热系统提出改进。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种非稳态储放热过程的梯级热利用系统及其控制方法。
7.本发明首先提供了一种非稳态储放热过程的梯级热利用系统，包括储热模块、流道控制模块和检测判断模块；
8.所述储热模块所述储热模块包括三个对应不同储热温度区间的储热单元，分别为高温储热单元、中温储热单元、低温储热单元；
9.所述流道控制模块包括阀门控制装置、电动三通阀机构和电动闸阀机构；所述电动三通阀机构包括第一电动三通阀、第二电动三通阀、第三电动三通阀、第四电动三通阀、
第五电动三通阀和第六电动三通阀，所述电动闸阀机构包括第一电动闸阀、第二电动闸阀、第三电动闸阀、第四电动闸阀和第五电动闸阀；
10.所述检测判断模块用于检测所述储热单元内储热材料温度以及流经储热单元流体的温度和流量：
11.所述高温储热单元设置在第一电动三通阀和第四电动三通阀之间的高温进出口流体管路上；所述中温储热单元设置在第二电动三通阀和第五电动三通阀之间的中温进出口流体管路上；所述低温储热单元设置在第三电动三通阀和第六电动三通阀之间的低温进出口流体管路上；
12.所述高温进出口流体管路的进口端与中温进出口流体管路的进口端之间连接有第一旁通管路，所述第一旁通管路上安装有第一电动闸阀；所述高温进出口流体管路的出口端与中温进出口流体管路的出口端之间连接有第三旁通管路，所述第三旁通管路上安装有第三电动闸阀；所述低温进出口流体管路的进口端与中温进出口流体管路的进口端之间连接有第二旁通管路，所述第二旁通管路上安装有第二电动闸阀；所述低温进出口流体管路的出口端与中温进出口流体管路的出口端之间连接有第四旁通管路，所述第四旁通管路上安装有第四电动闸阀；第三电动三通阀和第六电动三通阀之间还连接有与低温进出口流体管路并联的第五旁通管路；所述第五旁通管路上安装有第五电动闸阀。
13.进一步的，所述检测判断模块包括数据采集装置、储热材料温度传感器机构、储热单元流体温度传感器机构和储热单元流体流量传感器机构；所述储热材料温度传感器机构、储热单元流体温度传感器机构和储热单元流体流量传感器机构均与数据采集装置连接。
14.进一步的，所述储热材料温度传感器机构包括高温储热材料温度传感器、中温储热材料温度传感器、低温储热材料温度传感器；所述储热单元流体温度传感器机构包括高温储热单元流体温度传感器、中温储热单元流体温度传感器和低温储热单元流体温度传感器；所述储热单元流体流量传感器机构高温储热单元流体流量传感器、中温储热单元流体流量传感器和低温储热单元流体流量传感器；所述高温储热材料温度传感器布置在高温储热单元内部；所述中温储热材料温度传感器布置在中温储热单元内部；所述低温储热材料温度传感器布置在低温储热单元内部；所述高温储热单元进口侧和出口侧各安装一个高温储热单元流体温度传感器；所述中温储热单元进口侧和出口侧各安装一个中温储热单元流体温度传感器，所述低温储热单元进口侧和出口侧各安装一个低温储热单元流体温度传感器；所述高温储热单元流体流量传感器安装在高温储热单元出口侧，所述中温储热单元流体流量传感器安装在中温储热单元出口侧，所述低温储热单元流体流量传感器17安装在低温储热单元出口侧。
15.进一步的，所述阀门控制装置与数据采集装置相连，并向所述电动三通阀机构、电动闸阀机构发送控制指令；阀门控制装置对所述电动三通阀机构和电动闸阀机构的状态进行调节，改变所述非稳态储放热过程的梯级热利用系统内流道的导通状态。
16.进一步的，所述高温储热单元、中温储热单元和低温储热单元为适用于非稳态变化热源的储热单元；所述储热单元内填充不同的储热材料实现不同的储热温度；在电动三通阀机构和电动闸阀机构的不同状态下，可根据实际需求将部分储热单元旁通，从而单独使用某一储热单元或将不同储热单元串联组合使用。
17.进一步的，所述非稳态储放热过程的梯级热利用系统能用于供热需求非稳态变化的场景；放热时，所述储热单元已经完成储热，通入换热流体可以将储热单元所储存的热量对外供应；通过调节电动三通阀机构和电动闸阀机构的状态，单独使用某一储热单元或将不同储热单元串联组合进行放热，以满足不同的放热负荷。
18.进一步的，所述电动三通阀机构、电动闸阀机构分别与阀门控制装置相连；所述阀门控制装置与所述检测判断模块相连，根据检测判断模块收集的参数信息对所述非稳态储放热过程的梯级热利用系统中的电动三通阀机构和电动闸阀机构进行调节。
19.进一步的，所述储热材料温度传感器机构、储热单元流体温度传感器机构和储热单元流体流量传感器机构分别与检测判断模块相连；通过收集管路中流体温度、流量数据和储热单元内部储热材料的温度数据，判断各储热单元入口温度与此时储热单元内部储热材料温度的差异。
20.进一步的，本发明还提供了一种上述非稳态储放热过程的梯级热利用系统的储热方法：
21.检测判断模块实时检测，并根据实时数据进行判断处理，将判断后的结论反馈给流道控制模块进行流道控制；
22.检测判断模块判断流体温度是否高于高温储热单元内储热材料温度，若是，则将流体导入高温储热单元进行储热，若流体温度低于高温储热单元内储热材料温度，传热流体会导致高温储热单元储热量的损失，则将流体旁通至中温储热单元；
23.检测判断模块判断流体温度是否高于中温储热单元内储热材料温度，若是，则将流体导入中温储热单元进行储热，若流体温度低于中温储热单元内储热材料温度，传热流体会导致中温储热单元储热量的损失，则将流体旁通至低温储热单元；
24.检测判断模块判断流体温度是否高于低温储热单元内储热材料温度，若是，则将流体导入低温储热单元进行储热，若流体温度低于低温储热单元内储热材料温度，则储热结束。
25.进一步的，本发明还提供了一种上述非稳态储放热过程的梯级热利用系统的放热方法：
26.通过检测判断模块实时检测，并根据实时数据进行判断处理，将判断后的结论反馈给流道控制模块进行流道控制；
27.检测判断模块判断流体温度是否低于低温储热单元内储热材料温度，若是，则将流体导入低温储热单元，低温储热单元对流体进行放热；若流体温度高于低温储热单元内储热材料温度，传热流体会被低温储热单元吸热，则将流体旁通至中温储热单元，若流体温度达到供热需求，放热结束；
28.检测判断模块判断流体温度是否低于中温储热单元内储热材料温度，若是，则将流体导入低温储热单元，低温储热单元对流体进行放热；若流体温度高于中温储热单元内储热材料温度，传热流体会被中温储热单元吸热，则将流体旁通至高温储热单元，若流体温度达到供热需求，放热结束；
29.检测判断模块判断流体温度是否低于高温储热单元内储热材料温度，若是，则将流体导入高温储热单元，高温储热单元对流体进行放热，若流体温度高于高温储热单元内储热材料温度，或流体温度达到供热需求时，放热结束。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
31.(1)本发明提出的梯级热利用系统，采用对称的管路设计，在实际运行中可根据视实际储热、放热和使用场景情况灵活调整进入系统传热流体的进口和出口方向。有利于增大热利用系统应对不同使用场景的适应性。
32.(2)本发明提出的梯级热利用系统，在一套系统下，可实现热源非稳态变化时储热和供热需求非稳态变化时放热两大使用场景。相比以往针对特定热源条件设计的梯级热利用系统，可以在实际使用中针对需求的变化调节系统运行模式，具有灵活可调、兼容性强的优点。
33.(3)本发明提出的非稳态储放热过程控制方法，结合了梯级储热运行温度范围广的优点并针对实际应用场景中非稳态的热源和供热形式做了优化。系统地将根据热源的变化选择合适的储热单元对热源进行储热，可以更好的利用非稳态热源的能量。同时在放热应用时，也可以根据实际需求的变化选择合适的储热单元对用户进行供热。
附图说明
34.图1是梯级热利用系统结构原理示意图；
35.图2是梯级热利用系统储热方法流程图；
36.图3是梯级热利用系统放热方法流程图；
37.图4是储热单元串联储热运行模式示意图；
38.图5是储热单元串联放热运行模式示意图；
39.图6是储热单元单独运行模式示意图；
40.其中，1—第一电动三通阀、2—第二电动三通阀、3—第三电动三通阀、4—第四电动三通阀、5—第五电动三通阀、6—第六电动三通阀、7—第一电动闸阀、8—第二电动闸阀、9—第三电动闸阀、10—第四电动闸阀、11—第五电动闸阀、12—高温储热单元流体温度传感器、13—高温储热单元流体流量传感器、14—中温储热单元流体温度传感器、15—中温储热单元流体流量传感器、16—低温储热单元流体温度传感器、17—低温储热单元流体流量传感器、18—高温储热材料温度传感器、19—中温储热材料温度传感器、20—低温储热材料温度传感器、21—高温储热单元、22—中温储热单元、23—低温储热单元、24—阀门控制装置、25—数据采集装置。
具体实施方式
41.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
42.如图1所示，本实施例提供了用于非稳态储放热过程的梯级热利用系统的具体实例，系统包括储热模块、流道控制模块和检测判断模块；
43.本实施例中，储热模块包括高温储热单元21、中温储热单元22、低温储热单元23；
44.本实施例中，流道控制模块包含阀门控制装置24、第一电动三通阀1、第二电动三通阀2、第三电动三通阀3、第四电动三通阀4、第五电动三通阀5、第六电动三通阀6、第一电动闸阀7、第二电动闸阀8、第三电动闸阀9、第四电动闸阀10和第五电动闸阀11；
45.本实施例中，检测判断模块包括数据采集装置(25)、储热材料温度传感器机构、储热单元流体温度传感器机构和储热单元流体流量传感器机构；储热材料温度传感器机构包
括高温储热材料温度传感器(18)、中温储热材料温度传感器(19)、低温储热材料温度传感器(20)，储热材料温度传感器机构用于检测储热单元内部温度；储热单元流体温度传感器机构包括高温储热单元流体温度传感器(12)、中温储热单元流体温度传感器(14)和低温储热单元流体温度传感器(16)，热单元流体温度传感器机构用于检测流体温度；储热单元流体流量传感器机构包括高温储热单元流体流量传感器(13)、中温储热单元流体流量传感器(15)和低温储热单元流体流量传感器(17)，储热单元流体流量传感器机构用于获取管路流体流量数据以确保流道控制模块实时控制管路中流体的流向；
46.本实施例中，高温储热材料温度传感器18布置在高温储热单元21内部；中温储热材料温度传感器19布置在中温储热单元22内部；低温储热材料温度传感器20布置在低温储热单元23内部；
47.本实施例中，高温储热单元21进口侧和出口侧各安装一个高温储热单元流体温度传感器12；中温储热单元22进口侧和出口侧各安装一个中温储热单元流体温度传感器14，低温储热单元23进口侧和出口侧各安装一个低温储热单元流体温度传感器16；
48.本实施例中，高温储热单元流体流量传感器13安装在高温储热单元21出口侧，中温储热单元流体流量传感器15安装在中温储热单元22出口侧，低温储热单元流体流量传感器17安装在低温储热单元23出口侧。
49.本实施例中，数据采集装置25分别与高温储热单元流体温度传感器12、高温储热单元流体流量传感器13、中温储热单元流体温度传感器14、中温储热单元流体流量传感器15、低温储热单元流体温度传感器16、低温储热单元流体流量传感器17、高温储热材料温度传感器18、中温储热材料温度传感器19、低温储热材料温度传感器20相连；
50.本实施例中，高温储热单元21设置在第一电动三通阀1和第四电动三通阀4之间的高温进出口流体管路；中温储热单元22设置在第二电动三通阀2和第五电动三通阀5之间的中温进出口流体管路；低温储热单元23设置在第三电动三通阀3和第六电动三通阀6之间的低温进出口流体管路上；
51.本实施例中，高温进出口流体管路的进口端与中温进出口流体管路的进口端之间连接有第一旁通管路，第一旁通管路上安装有第一电动闸阀7；高温进出口流体管路的出口端与中温进出口流体管路的出口端之间连接有第三旁通管路，第三旁通管路上安装有第三电动闸阀9；
52.本实施例中，低温进出口流体管路的进口端与中温进出口流体管路的进口端之间连接有第二旁通管路，第二旁通管路上安装有第二电动闸阀8；低温进出口流体管路的出口端与中温进出口流体管路的出口端之间连接有第四旁通管路，第四旁通管路上安装有第四电动闸阀10；
53.本实施例中，第三电动三通阀3和第六电动三通阀6之间还连接有与低温进出口流体管路并联的第五旁通管路；第五旁通管路上安装有第五电动闸阀11；
54.本实施例中，第一电动三通阀1、第二电动三通阀2、第三电动三通阀3、第四电动三通阀4、第五电动三通阀5、第六电动三通阀6、第一电动闸阀7、第二电动闸阀8、第三电动闸阀9、第四电动闸阀10、第五电动闸阀11、高温储热单元21、中温储热单元22、低温储热单元23内部流道连通；
55.本实施例中，阀门控制装置24与数据采集装置25相连，阀门控制装置24分别与第
一电动三通阀1、第二电动三通阀2、第三电动三通阀3、第四电动三通阀4、第五电动三通阀5、第六电动三通阀6、第一电动闸阀7、第二电动闸阀8、第三电动闸阀9、第四电动闸阀10、第五电动三通阀11相连并发送控制指令；通过对电动三通阀机构的和电动闸阀机构的状态进行调节，可以改变非稳态储放热过程的梯级热利用系统内流道的导通状态；
56.本实施例中，电动闸阀为现有技术中的成熟产品；电动三通阀和电动闸阀通过不同的工作状态组合，改变流道的导通状态，进而改变系统的工作模式。
57.本发明进一步提供了上述系统用于非稳态热源储热和供热需求非稳态变化时的控制方法。
58.如图2所示是本实施例非稳态储放热过程的梯级热利用系统的储热方法，具体如下：通过检测判断模块实时检测，并根据实时数据进行判断处理，将判断后的结论反馈给流道控制模块进行流道控制；
59.检测判断模块判断流体温度是否高于高温储热单元21内储热材料温度，若是，则将流体导入高温储热单元21进行储热，若流体温度低于高温储热单元21内储热材料温度，传热流体会导致高温储热单元21储热量的损失，则将流体旁通至中温储热单元22；检测判断模块判断流体温度是否高于中温储热单元22内储热材料温度，若是，则将流体导入中温储热单元22进行储热，若流体温度低于中温储热单元22内储热材料温度，传热流体会导致中温储热单元22储热量的损失，则将流体旁通至低温储热单元23；
60.检测判断模块判断流体温度是否高于低温储热单元23内储热材料温度，若是，则将流体导入低温储热单元23进行储热，若流体温度低于低温储热单元23内储热材料温度，则储热结束。
61.如图3所示是本实施例非稳态储放热过程的梯级热利用系统的放热方法，具体如下：通过检测判断模块实时检测，并根据实时数据进行判断处理，将判断后的结论反馈给流道控制模块进行流道控制；
62.检测判断模块判断流体温度是否低于低温储热单元23内储热材料温度，若是，则将流体导入低温储热单元23，低温储热单元23对流体进行放热；若流体温度高于低温储热单元23内储热材料温度，传热流体会被低温储热单元23吸热，则将流体旁通至中温储热单元22，若流体温度达到供热需求，放热结束。
63.检测判断模块判断流体温度是否低于中温储热单元22内储热材料温度，若是，则将流体导入低温储热单元22，低温储热单元22对流体进行放热；若流体温度高于中温储热单元22内储热材料温度，传热流体会被中温储热单元22吸热，则将流体旁通至高温储热单元21，若流体温度达到供热需求，放热结束。；
64.检测判断模块判断流体温度是否低于高温储热单元21内储热材料温度，若是，则将流体导入高温储热单元21，高温储热单元21对流体进行放热，若流体温度高于高温储热单元21内储热材料温度，或流体温度达到供热需求时，放热结束。
65.如图4所示，本实施例系统运行在串联储热运行模式a时，流体依次流经高温储热单元、中温储热单元、低温储热单元；本实施例系统运行在串联储热运行模式b时，流体依次流经高温储热单元、中温储热单元；本实施例系统运行在串联储热运行模式c时，流体依次流经高温储热单元、低温储热单元；本实施例系统运行在串联储热运行模式d时，流体依次流经中温储热单元、低温储热单元。
66.如图5所示，本实施例系统运行在串联放热运行模式e时，流体依次流经低温储热单元、中温储热单元、高温储热单元；本实施例系统运行在串联放热运行模式f时，流体依次流经低温储热单元、中温储热单元；本实施例系统运行在串联放热运行模式g时，流体依次流经低温储热单元、高温储热单元；本实施例系统运行在串联放热运行模式h时，流体依次流经中温储热单元、高温储热单元。
67.如图6所示，本实施例系统运行在单独运行模式i时，流体只流经高温储热单元；本实施例系统运行在单独运行模式j时，流体只流经中温储热单元；本实施例系统运行在单独运行模式k时，流体只流经低温储热单元。
68.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。