本發明涉及太陽能中高溫熱利用技術領域，具體來說是一種熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置及方法。
背景技術：
太陽能具有儲量豐富、覆蓋范圍大、清潔無污染等特點，是極具應用前景的可再生能源。太陽能利用主要有光電利用和光熱利用兩種方式。太陽能中高溫熱利用技術是我國實現可持續發展的戰略性新能源技術，其應用系統主要由聚光系統、吸熱系統、蓄熱系統和熱利用系統組成，根據熱利用系統的不同主要分為太陽能制氫、太陽能產蒸汽、太陽能海水淡化等實施方式。
太陽能具有不穩定性，難以滿足工業化供能的連續性和穩定性要求，因此亟需發展高效傳蓄熱技術，以切實解決太陽能的儲存、運輸以及轉換問題。目前太陽能中高溫熱利用系統采用的傳蓄熱工質主要有導熱油、熔鹽、壓縮氣體、液態金屬等，其中熔鹽以其工作溫度范圍廣、熱容大、熱穩定性好等顯著優勢而得到廣泛應用，因此開發高效穩定的熔鹽蓄熱系統和熔鹽蒸汽發生系統是太陽能中高溫熱利用技術的研究重點之一。
高溫熔鹽蓄熱系統主要有單罐和雙罐系統。雙罐熔鹽蓄熱系統由于運行穩定、技術成熟，被廣泛用于聚光太陽能熱發電站等系統。雙罐蓄熱系統按蓄熱方式分為直接式和間接式。直接式蓄熱系統內的蓄熱介質直接吸收外來熱量，主要用于塔式太陽能熱電站；而間接式蓄熱系統內的蓄熱介質則吸收換熱器內傳熱介質的熱量，主要用于槽式太陽能熱電站。斜溫層單罐蓄熱系統是目前最具經濟性的研發對象，相比雙罐系統可以降低35％的成本。單罐和雙罐系統普遍只具備蓄放熱功能，需要通過外置熱利用系統進行放熱，熱利用效率較低且熔鹽使用量較大。
中高溫太陽能規模化熱利用的一種主要形式是太陽能產蒸汽，蒸汽發生器主要分為平板集熱式蒸汽發生器與聚光吸熱式蒸汽發生器。聚光吸熱式蒸汽發生器主要分為直接式與間接式兩類，其中間接式蒸汽發生器主要利用熔鹽、導熱油作為傳蓄熱工質。目前常用的間接式熔鹽蒸汽發生器有套管式蒸汽發生器、管殼式蒸汽發生器、盤管式蒸汽發生器等，但這些蒸汽發生器普遍缺乏蓄放熱功能，需要配備額外的蓄熱系統以保證蒸汽發生過程的穩定進行，系統穩定性不強且成本較高。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服以上現有技術存在的不足，提供了一種穩定性強、蓄熱性能好、且將蓄熱系統和蒸汽發生系統一體化的熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置。同時，本發明的另一目的在于提供了一種熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化方法。
為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：一種熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置，包括內部填充有多孔固體蓄熱材料的箱體、飽和蒸汽盤管、過熱蒸汽盤管、進水管、出汽管、水位控制器、汽包和水泵，所述飽和蒸汽盤管和過熱蒸汽盤管分別安裝于箱體內的下端和上端，所述飽和蒸汽盤管的下端伸出箱體后與進水管連接，所述過熱蒸汽盤管的上端伸出箱體后與出汽管連接，所述飽和蒸汽盤管的上端伸出箱體后與汽包的一端連接，所述過熱蒸汽盤管的下端伸出箱體后與汽包的另一端連接；位于所述箱體內的飽和蒸汽盤管和過熱蒸汽盤管均被多孔固體蓄熱材料包裹；所述水位控制器與汽包連接，同時，所述水位控制器還與水泵連接，所述水泵與進水管連接，所述出汽管連接有壓力控制器。
優選的，所述箱體包括主體、頂蓋和底蓋，所述頂蓋與主體的上端密封連接，且所述頂蓋與主體形成第一緩沖腔，所述頂蓋連接有用于進出熔鹽的第一管道，此第一管道與第一緩沖腔連通，所述第一緩沖腔通過第一均流機構與主體的內腔連通；
所述底蓋與主體的下端密封連接，且所述底蓋與主體形成第二緩沖腔，所述底蓋連接有用于進出熔鹽的第二管道，所述第二緩沖腔通過第二均流機構與主體的內腔連通。
優選的，所述第一均流機構包括多根第一均流管，多根第一均流管均安裝于主體的上端，且多根第一均流管均勻分布；
優選的，所述第二均流機構包括多根第二均流管，多根第二均流管均安裝于主體的下端，且多根第二均流管均勻分布。
優選的，所述主體的外側壁、頂蓋的外壁及底蓋的外壁均設有保溫層。
優選的，所述多孔固體蓄熱材料為石英巖或硅質沙或兩者組合。
優選的，所述飽和蒸汽盤管和過熱蒸汽盤管均通過焊接安裝于箱體內。
優選的，所述飽和蒸汽盤管、過熱蒸汽盤管、進水管和出汽管均通過圓形不銹鋼管制成。
一種基于上述熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置的蓄熱蒸汽發生一體化方法，包括以下步驟：
(1)蓄熱過程：將高溫熔鹽從第一管道注入，這些高溫熔鹽依次通過第一緩沖腔和第一均流機構后進入主體的內腔，高溫熔鹽自主體內的上端落下主體內的下端的過程中多孔固體蓄熱材料吸收高溫熔鹽的熱量，從而形成斜溫層，以實現蓄熱的效果；
(2)蒸汽發生過程：高溫熔鹽持續不斷地自第一管道注入主體的內腔，此時，水泵抽取的水通過進水管進入飽和蒸汽盤管內；位于飽和蒸汽盤管內的水吸收主體內下端的多孔固體蓄熱材料和高溫熔鹽的熱量，則飽和蒸汽盤管內的水自液態轉化為汽態，轉化為汽態的水通過汽包除雜后進入過熱蒸汽盤管，繼續吸收位于過熱蒸汽盤管外多孔固體蓄熱材料和高溫熔鹽的熱量，接著再從蒸汽管輸出，壓力控制器控制蒸汽管的輸出壓力；
(3)蒸汽發生停止：水泵停止工作，而繼續向主體的內腔注入高溫熔鹽，則殘留在飽和蒸汽盤管內液態水繼續吸收高溫熔鹽和多孔固體蓄熱材料的熱量，則液態水轉化為汽態水，依次通過汽包和過熱蒸汽盤管；當出汽管的蒸汽量為零時，蒸汽發生結束而停止；
(4)放熱過程：停止向第一管道注入高溫熔鹽，然后低溫熔鹽自第二管道注入主體的內腔，這些低溫熔鹽與滯留在主體內的高溫熔鹽混合后再從第一管道排出；當從第一管道排出的熔鹽的溫度與從第二管道注入的低溫熔鹽的溫度相差小于或等于5℃時，完成放熱。
本發明相對于現有技術，具有如下的優點及效果：
1、本發明熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置具有主要由多孔固體蓄熱材料及箱體構成的蓄熱系統及主要由飽和蒸汽盤管、過熱蒸汽盤管、進水管、出汽管、水位控制器、汽包和水泵構成的蒸汽發生系統，這使蓄熱系統及蒸汽發生系統進行有效的組合成一體，故本發明兼具蓄熱與蒸汽發生功能，可根據電站系統需要發揮蓄熱和蒸汽發生效用，提高了太陽能熱發電站的系統靈活性，簡化了系統裝置，同時也減少了系統的占地面積和初投資成本。
2、本發明可更好地利用斜溫層的特點，使位于主體內下端的飽和蒸汽盤管產生高效的飽和蒸汽，而使位于主體內上端的過熱蒸汽盤管產生高效的過熱蒸汽，這可使高溫熔鹽中的熱量被充分吸收，減少熱量的損失。
3、本發明產生的蒸汽品質高，且產生的過熱蒸汽溫度壓力較高且可控，有利于提高太陽能熱發電站的系統發電效率。
4、本發明強化了整體一體化裝置的換熱穩定性，其中由多孔固體蓄熱材料及箱體構成的蓄熱系統內可形成穩定的斜溫層，這減小了由于太陽能間歇性和不穩定性引起的熔鹽溫度波動。
5、本發明采用水位控制器和水泵，其中水位控制器通過反饋調節水泵控制水位，進而控制管外熔鹽與管內水的換熱速率，故水位控制器和水泵共同維持蒸發過程的穩定性。
附圖說明
圖1是本發明的一種熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置的整體結構示意圖。
具體實施方式
為便于本領域技術人員理解，下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細說明。
如圖1所示，本熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置，包括內部填充有多孔固體蓄熱材料1的箱體2、飽和蒸汽盤管3、過熱蒸汽盤管4、進水管5、出汽管6、水位控制器7、汽包8和水泵9，所述飽和蒸汽盤管3和過熱蒸汽盤管4分別安裝于箱體2內的下端和上端，所述飽和蒸汽盤管3的下端伸出箱體2后與進水管5連接，所述過熱蒸汽盤管4的上端伸出箱體2后與出汽管6連接，所述飽和蒸汽盤管3的上端伸出箱體2后與汽包8的一端連接，所述過熱蒸汽盤管4的下端伸出箱體2后與汽包8的另一端連接；位于所述箱體2內的飽和蒸汽盤管3和過熱蒸汽盤管4均被多孔固體蓄熱材料1包裹；所述水位控制器7與汽包8連接，同時，所述水位控制器7還與水泵9連接，所述水泵9與進水管5連接，所述出汽管6連接有壓力控制器22。其中，所述箱體2包括主體10、頂蓋11和底蓋12，所述頂蓋11與主體10的上端密封連接，且所述頂蓋11與主體10形成第一緩沖腔13，所述頂蓋11連接有用于進出熔鹽的第一管道14，此第一管道14與第一緩沖腔13連通，所述第一緩沖腔13通過第一均流機構15與主體10的內腔連通；所述底蓋12與主體10的下端密封連接，且所述底蓋12與主體10形成第二緩沖腔16，所述底蓋12連接有用于進出熔鹽的第二管道17，所述第二緩沖腔16通過第二均流機構18與主體10的內腔連通。
具體的，本發明中的多孔固體蓄熱材料1充滿主體10的內腔，以保證高溫熔鹽注入主體10的內腔時可形成穩定的斜溫層，故多孔固體蓄熱材料1和箱體2構成性能穩定的蓄熱系統。而蒸汽發生系統主要由飽和蒸汽盤管3、過熱蒸汽盤管4、進水管5、出汽管6、水位控制器7、汽包8和水泵9組成，液態水在飽和蒸汽盤管3內吸收多孔固體蓄熱材料1和高溫熔鹽的熱量而產生飽和蒸汽，這些飽和蒸汽通過汽包8時，則飽和蒸汽中的汽態水和液態水可有效分離并除雜，只使汽態水進入過熱蒸汽盤管4內，汽態水在過熱蒸汽盤管4繼續吸收多孔固體蓄熱材料1和高溫熔鹽的熱量后再從出汽管6排出，故提高了蒸汽發生系統產生蒸汽的品質。同時，水位控制器7實時監測汽包8內的水位，并將檢測的信息反饋給水泵9，則水泵9根據水位控制器反饋的信息及時調整進水管5的進水量，以保證蒸汽發生系統產生蒸汽的穩定性。
所述第一均流機構15包括多根第一均流管19，多根第一均流管19均安裝于主體10的上端，且多根第一均流管19均勻分布；所述第二均流機構18包括多根第二均流管20，多根第二均流管20均安裝于主體10的下端，且多根第二均流管20均勻分布。第一均流機構15保證蓄熱過程中高溫熔鹽可均勻從第一緩沖腔13內流入主體10的內腔，以保證熱傳遞的均勻性；同時，第一均流機構15也保證放熱過程中混合的熔鹽可快速自主體10的內腔排出。同理，第二均流機構18與第一均流機構15具有相同的效果。即第二均流機構18保證了低溫熔鹽均勻快速的進入主體10內，保證傳熱的均勻性。
所述主體10的外側壁、頂蓋11的外壁及底蓋12的外壁均設有保溫層21。保溫層的結構可使整個一體化裝置的穩定性更高，蓄熱效果更好。
所述多孔固體蓄熱材料1為石英巖或硅質沙或兩者組合。多孔固體蓄熱材料1不僅限于上述材料，還可采用其他蓄熱性能好的材料，如泡沫碳化硅、鋯質蓄熱球等。
所述飽和蒸汽盤管3和過熱蒸汽盤管4均通過焊接安裝于箱體2內。焊接方式保證了飽和蒸汽盤管3和過熱蒸汽盤管4的結構穩定性，更保證了蓄熱系統與蒸汽發生系統的一體化效果。同時，汽包8為圓筒結構，汽包8與飽和蒸汽盤管3的上端、過熱蒸汽盤管4的下端均焊接為一體結構。
所述飽和蒸汽盤管3、過熱蒸汽盤管4、進水管5和出汽管6均通過圓形不銹鋼管制成。此設置更進一步保證了整個一體化裝置的穩定性及可靠性。
一種基于上述熔鹽斜溫層蓄熱蒸汽發生一體化裝置的蓄熱蒸汽發生一體化方法，包括以下步驟：
(1)蓄熱過程：將高溫熔鹽從第一管道注入，這些高溫熔鹽依次通過第一緩沖腔和第一均流機構后進入主體的內腔，高溫熔鹽自主體內的上端落下主體內的下端的過程中多孔固體蓄熱材料吸收高溫熔鹽的熱量，從而形成斜溫層，以實現蓄熱的效果；
(2)蒸汽發生過程：高溫熔鹽持續不斷地自第一管道注入主體的內腔，此時，水泵抽取的水通過進水管進入飽和蒸汽盤管內；位于飽和蒸汽盤管內的水吸收主體內下端的多孔固體蓄熱材料和高溫熔鹽的熱量，則飽和蒸汽盤管內的水自液態轉化為汽態，轉化為汽態的水通過汽包除雜后進入過熱蒸汽盤管，繼續吸收位于過熱蒸汽盤管外多孔固體蓄熱材料和高溫熔鹽的熱量，接著再從蒸汽管輸出，，壓力控制器控制蒸汽管的輸出壓力，從而產生高品質的蒸汽；
(3)蒸汽發生停止：水泵停止工作，而繼續向主體的內腔注入高溫熔鹽，則殘留在飽和蒸汽盤管內液態水繼續吸收高溫熔鹽和多孔固體蓄熱材料的熱量，則液態水轉化為汽態水，依次通過汽包和過熱蒸汽盤管；當出汽管的蒸汽量為零時，即壓力控制器檢測的壓力值不發生變化時，蒸汽發生結束而停止；
(4)放熱過程：停止向第一管道注入高溫熔鹽，然后低溫熔鹽自第二管道注入主體的內腔，這些低溫熔鹽與滯留在主體內的高溫熔鹽混合后再從第一管道排出；當從第一管道排出的熔鹽的溫度與從第二管道注入的低溫熔鹽的溫度相差小于或等于5℃時，完成放熱。
本發明中將蓄熱系統和蒸汽發生系統結合成一體，提高了太陽能熱發電站的系統靈活性，簡化了系統裝置，同時也減少了系統的占地面積和初投資成本。本發明中的高溫熔鹽為溫度350℃～550℃的熔鹽；而低溫熔鹽為溫度200℃～350℃的熔鹽。
上述具體實施方式為本發明的優選實施例，并不能對本發明進行限定，其他的任何未背離本發明的技術方案而所做的改變或其它等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。