熔盐管壳式蒸汽发生装置及方法 【技术领域】
本发明涉及太阳能中高温热利用技术，特别涉及一种熔盐管壳式蒸汽发生装置及方法。
背景技术
太阳能中高温热利用技术作为低成本且具有规模化前景的清洁能源技术，是我国国民经济可持续发展的战略性新能源技术。太阳能中高温热利用系统主要由聚光系统、吸热系统、蓄热系统以及热利用装置组成。由于太阳能具有间歇性和不稳定性，很难满足工业化大规模连续稳定供能的要求，因此必须发展高效蓄热技术，才能有效解决太阳能转换、传输与储存问题。
熔盐由于具有热容大、稳定性高、工作温度范围广的显著优势，是目前中高温太阳能热利用系统中广泛采用的传热与蓄热介质。由于蒸汽的输运和使用方便，目前蒸汽广泛应用于发电、化工、食品等行业，因此如何把熔盐蓄热转化为蒸汽也就成为太阳能中高温热利用的关键技术之一。
太阳能产蒸汽是太阳能规模化利用的重要形式，目前有多种基于玻璃真空管集热的蒸汽发生器，而基于熔盐传热蓄热功能的蒸汽发生器有套管式蒸气发生装置。太阳能熔盐套管式蒸气发生装置使用夹套外壁耐高温选择性涂层吸收太阳辐射能，并将吸收热量传递给熔盐套管内的熔盐，进一步传给蛇形内管的水形成蒸汽。在太阳能热发电等规模化的太阳能中高温热利用系统中，熔盐套管式蒸气发生装置存在一些缺陷：(1)由于管壁吸收的热能通过套管内熔盐直接传给管内水工质，熔盐主要起传热作用，并且由于套管内熔盐的蓄热量较少，熔盐工质与熔盐槽的蓄热功能并未得到充分应用；(2)由于套管外太阳能辐射的实时变化，套管内熔盐内能变化与蒸发过程相耦合，套管系统整个传热过程和水蒸汽的参数不易控制；(3)由于蛇形吸热管本体结构较为复杂，其套管的加工难度大，因此难于规模化利用。
为了满足规模化熔盐工质蒸汽发生的需要，这就需要一种有效蓄热容量大、长期稳定、制造成本与运行维护成本更低的中高温熔盐蒸汽发生方法及装置。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有效蓄热容量大、并能保持长期稳定的熔盐管壳式蒸汽发生装置，该装置能较好地满足工业上规模化的太阳能中高温热利用要求。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的熔盐管壳式蒸汽发生方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种熔盐管壳式蒸汽发生装置，包括管壳式换热器、蒸汽分离输出组件和加热保温组件，蒸汽分离输出组件设于管壳式换热器顶部，加热保温组件设于管壳式换热器的容器壁外侧；所述管壳式换热器包括从上到下依次设置的顶部管箱、管体和底部管箱，管体内部设有管束，管束两端分别通过管板与管体固定连接，管体内管束间的空隙填有熔盐；所述管体外侧设有熔盐进口管道和熔盐出口管道，所述底部管箱设有水进口管道和水出口管道。
所述管壳式换热器的管体为筒体结构，顶部管箱和底部管箱分别为相应的椭圆管箱结构。
所述顶部管箱、底部管箱、管体、管板和管束的材料均为不锈钢；管束与管板之间、管板与管体之间均通过焊接密封，固定形成一体式结构；顶部管箱和底部管箱分别通过法兰与管体固定连接。
所述顶部管箱还设有用于蒸汽发生过程中保证液位稳定的液位控制器。
所述管束中单根不锈钢管的直径为10～30mm，管壁厚度为1～2mm。
所述蒸汽分离输出组件包括与顶部管箱依次连接的蒸汽通道和蒸汽包；所述蒸汽通道内设有过滤网，蒸汽包上分别设有安全阀、蒸汽出口、压力表和蒸汽压力控制器。
所述加热保温组件包括保温层和加热丝，加热丝缠绕于管壳式换热器的管体外侧，保温层包裹于加热丝外侧。
所述保温层可采用玻璃纤维保温材料或其它保温材料，保温层的厚度取决于熔盐的温度和热损失要求。
上述熔盐管壳式蒸汽发生装置中，熔盐的种类可根据蒸汽的实际工作温度区间进行选择。
本发明的熔盐管壳式蒸汽发生装置工作时，其工作原理为：高温热水从水进口管道被抽入底部管箱，并通过管束进入顶部管箱，管束内高温热水与管体内的熔盐热交换过程中形成蒸汽与水的两相流现象，管壳式换热器内产生的蒸汽通过蒸汽通道进入蒸汽包，使蒸汽包内压力不断增加，当蒸汽包内气压达到设定压力后，蒸汽出口不断输出高温高压蒸汽；蒸汽发生过程中，液位控制器维持顶部管箱内的液位水平，使高温热水输入量与蒸汽输出量达到平衡；蒸汽输出过程中，压力控制器使输出蒸汽的压力保持稳定；管体外的加热保温组件在启动时预热管体以避免熔盐凝固，停机后维持熔盐温度促使熔盐回流，同时减少热损失。
通过上述装置实现的熔盐管壳式蒸汽发生方法，包括以下步骤：
(1)管体预热：启动电源，加热丝开始预热管壳式换热器的管体，直至管体温度高于熔盐的凝固点温度；
(2)熔盐灌注：从熔盐进口管道开始向管体内灌注熔盐，熔盐充满整个管体后从熔盐出口管道流出，熔盐充满管体时切断电源，停止加热丝的加热；
(3)热水灌注：从水进口管道向底部管箱内灌注高温热水，高温热水充满底部管箱后，通过管束进入顶部管箱，顶部管箱内高温热水的水位到达设定水位后，完成热水灌注；
(4)蒸汽分离输出：热水灌注过程中产生的蒸汽进入蒸汽通道，通过过滤网过滤后进入蒸汽包，压力表实时检测蒸汽包内的蒸汽压力，当蒸汽包内的压力达到设定的压力值后，蒸汽从蒸汽出口输出，蒸汽输出过程中压力控制器使输出蒸汽地压力保持稳定。
所述蒸汽分离输出的过程中，蒸汽从蒸汽出口输出的同时，管壳式换热器的底部管箱需持续从水进口管道灌入高温热水，并由液位控制器维持顶部管箱内的液位稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、蒸汽发生过程和蒸汽参数稳定。使用管壳式换热器的管体传递和储存高温熔盐，大幅度提高了有效蓄热容量，使热交换与蒸发过程稳定；采用压力表和蒸汽压力控制器实时检测和控制蒸汽压力，可以保证蒸汽包内压力及蒸汽输出参数的稳定。
2、工作温度范围广。管壳式换热器各组件均采用不锈钢材料，具有较高的耐温耐压与耐腐蚀性能，可以根据蒸汽的实际工作温度来选择理想的熔盐工质，更有利于成本控制和资源的合理利用。
3、结构简单、易于加工。熔盐管壳式蒸汽发生装置包括管壳式换热器、蒸汽分离输出组件和加热保温组件，这些组件结构简单，易于加工，而且这些组件便于大规模生产，有利于该装置的规模化应用。
4、推广应用潜力大。熔盐管壳式蒸汽发生装置的热源来自于高温熔盐，而高温熔盐的蓄热可以来自于太阳能、工业余热、化工过程等多种方式，因此本发明在多个领域都可以推广应用。
【附图说明】
图1本发明熔盐管壳式蒸汽发生装置的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种熔盐管壳式蒸汽发生装置，其结构如图1所示，包括管壳式换热器、蒸汽分离输出组件和加热保温组件，蒸汽分离输出组件设于管壳式换热器顶部，加热保温组件设于管壳式换热器的容器壁外侧；管壳式换热器包括从上到下依次设置的顶部管箱1、管体5和底部管箱7，管体5内部设有管束11，管束11两端分别通过管板6与管体5固定连接，管体5内管束11间的空隙填有熔盐12；管体5外侧设有熔盐进口管道10和熔盐出口管道2，底部管箱7设有水进口管道9和水出口管道8。
管壳式换热器的管体5为筒体结构，顶部管箱1和底部管箱7分别为相应的椭圆管箱结构。其中顶部管箱1、底部管箱7、管体5、管板6和管束11的材料均为不锈钢；管束11与管板6之间、管板6与管体5之间均通过焊接密封，固定形成一体式结构；顶部管箱1和底部管箱7分别通过法兰与管体5固定连接。顶部管箱1还设有用于蒸汽发生过程中保证液位稳定的液位控制器13。管束11中单根不锈钢管的直径为10～30mm，管壁厚度为1～2mm。
蒸汽分离输出组件包括与顶部管箱1依次连接的蒸汽通道14和蒸汽包15；蒸汽通道14内设有过滤网20，蒸汽包15上分别设有压力表16、蒸汽出口17、蒸汽压力控制器18和安全阀19。
加热保温组件包括保温层4和加热丝3，加热丝3缠绕于管壳式换热器的管体5外侧，保温层4包裹于加热丝3外侧。保温层4可采用玻璃纤维保温材料或其它保温材料，保温层4的厚度取决于熔盐11的温度和热损失要求。
上述熔盐管壳式蒸汽发生装置中，熔盐11的种类可根据蒸汽的实际工作温度区间进行选择。
本发明的熔盐管壳式蒸汽发生装置工作时，其工作原理为：高温热水从水进口管道9被抽入底部管箱7，并通过管束11进入顶部管箱1，管束11内高温热水与管体5内的熔盐12热交换过程中形成蒸汽与水的两相流现象，管壳式换热器内产生的蒸汽通过蒸汽通道14进入蒸汽包15，使蒸汽包15内压力不断增加，当蒸汽包15内气压达到设定压力后，蒸汽出口17不断输出高温高压蒸汽；蒸汽发生过程中，液位控制器13维持顶部管箱1内的液位水平，使高温热水输入量与蒸汽输出量达到平衡；蒸汽输出过程中，蒸汽包15上方的蒸汽压力控制器18使输出蒸汽的压力保持稳定参数；管体5外的加热保温组件在启动时预热管体5以避免熔盐凝固，停机后维持熔盐温度促使熔盐回流，同时减少热损失。
通过上述装置实现的熔盐管壳式蒸汽发生方法，包括以下步骤：
(1)管体预热：启动电源，加热丝3开始预热管壳式换热器的管体5，直至管体5温度高于熔盐12的凝固点温度；
(2)熔盐灌注：从熔盐进口管道10开始向管体5内灌注熔盐12，熔盐12充满整个管体5后从熔盐出口管道2流出，熔盐12充满管体5时切断电源，停止加热丝3的加热；
(3)热水灌注：从水进口管道9向底部管箱7内灌注高温热水，高温热水充满底部管箱7后，通过管束11进入顶部管箱1，顶部管箱1内高温热水的水位到达设定水位后，完成热水灌注，多余的高温热水从水出口管道8流出；
(4)蒸汽分离输出：热水灌注过程中产生的蒸汽进入蒸汽通道14，通过过滤网20过滤后进入蒸汽包15，压力表16实时检测蒸汽包15内的蒸汽压力，当蒸汽包15内的压力达到设定的压力值后，蒸汽从蒸汽出口17输出，蒸汽压力控制器18维持输出蒸汽压的稳定。
在上述的蒸汽分离输出过程中，蒸汽从蒸汽出口17输出的同时，管壳式换热器的底部管箱7需持续从水进口管道9灌入高温热水，并由液位控制器13维持顶部管箱1内的液位稳定。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。