CN108088295A - 操作具有旁路管道的热交换***的方法和该热交换*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及操作具有旁路管道的热交换***的方法和该热交换***。提供了用于操作热交换***的方法。该热交换***包括至少一个热交换室，其具有围绕热交换室的至少一个热交换室内部的热交换室边界，其中热交换室边界包括至少一个第一开口和至少一个第二开口，该至少一个第一开口用于将至少一种传热流体的流入物引入到热交换室内部中，该至少一个第二开口用于将传热流体的流出物从热交换室内部中引出，至少一种储热材料被布置在热交换室内部中，使得传热流体通过热交换室内部的热交换流引起储热材料与传热流体之间的热交换。在具有从传热流体到储热材料的传热的填充过程期间，使用高于700℃的传热流体。优选地，使用高于750℃的传热流体。

Description

操作具有旁路管道的热交换***的方法和该热交换***

技术领域

本发明涉及用于操作具有旁路管道的热交换***的方法和具有旁路管道的热交换***。

背景技术

现有技术的解决方案是将来自可再生能源的波动电能储存为储热器（heatstorage）内的热，以便在需求高于生产时将它重新转回成电能。这些储热器通常是热能储存设备的一部分，该热能储存设备附加地还可以包括加热器装置、蒸汽发生器、蒸汽轮机、热输送流体、储存材料以及管道***，参见图1。为了实现热功率循环（heat-to-powercycle）的高效率，蒸汽发生器应以至少600℃的温度来操作。结果，由于操作期间的热损耗，并且在水平储热器的情况下，由于自然对流引起的储热器内部的温度分布的混合，储热器必须以高于600℃的温度来填充。

由于热损耗和自然对流的影响，热输送流体的温度在排放期间比在填充过程期间要低。这种效应对于长的***停机时间而言尤其相关。为了补偿这种温度损耗，填充温度被升高。热储存器和蒸汽发生器之间的管道承受热流体的高温应力。如果它需要被设计用于高于600℃的温度，则成本会急剧上升，这是因为需要使用高耐热材料。因此，可能的温度增加需要尽可能低，以限制额外的支出。

由于热能储存设备的安装成本需要尽可能低以便能够盈利，因此定制产品的使用应保持在最低水平。

第二个影响是在排放周期期间排放温度的降低。排放温度在排放时间的大约40%之后下降，参见图2。蒸汽循环被设计用于温度上的一定供给，并且如果该温度降低，则需要控制气体和水流以保持一定的焓流或降低排放功率。这是可能的，直到对于设计的蒸汽循环而言蒸汽质量过低的水平。因此，需要停止排放循环。

发明内容

本发明的一个目的在于提供避免上述缺点的高温热交换***。

该目的通过在权利要求中指定的发明来实现。

为了解决该问题，提供了一种用于操作热交换***的方法。所述热交换***包括至少一个热交换室，其具有围绕所述热交换室的至少一个热交换室内部的热交换室边界，其中，所述热交换室边界包括至少一个第一开口和至少一个第二开口，所述至少一个第一开口用于将至少一种传热流体的流入物引入到所述热交换室内部中，所述至少一个第二开口用于将所述传热流体的流出物从所述热交换室内部中向外引出，至少一种储热材料被布置在所述热交换室内部中，使得所述传热流体通过所述热交换室内部的热交换流引起所述储热材料与所述传热流体之间的热交换。在具有从所述传热流体到所述储热材料的传热的填充过程期间，使用高于700℃的传热流体。优选地，使用高于750℃的传热流体（13）。

本发明的新颖性在于补偿排放期间的温度下降的增加的填充温度，以及利用绕过热换热室的冷端的流体的对排放温度的控制。通过这种措施，排放温度维持恒定，直到它低于蒸汽发生器的设计温度。在这种情况下，蒸汽发生器可以被适当地设计成传热流体的恒定排放特性。因此，需要较少的蒸汽发生器的控制动作，并且针对特定操作点的设计导致提高的效率，这是因为该***不需要覆盖宽泛的操作范围。于是，部件可以对该操作点进行调整和设计，以在该设计点处高效地工作。

此外，热交换***的能量密度增加，并且热交换室可以被设计得更小。

需要增加热绝缘以减少由于储存材料和环境之间的较高温度差而产生的额外热损耗。

以下优点过度补偿了这种较高的投入，即：可以设计用于特定设计点的蒸汽发生器的较长的排放时间和效率提高。

由于通过旁路引导的流体相对较冷，因此用于旁路和附加的阻尼器或阀的附加的安装工作量和成本投入相对较低。气路需要被设计成***的主质量流的最大25%。这部分管路可以利用例如耐受250℃的外部绝缘管来实现。

利用该***，功率生产在排放周期期间维持恒定，并且这增加了这样的热储存器在例如现货市场之类的不同能源市场或者例如备用功率之类的辅助服务中的操作可能性。

在一个优选实施例中，在具有从所述储热材料到所述传热流体的传热的排放模式期间，执行对来自所述热交换室内部的传热流体与来自所述热交换室的旁路管道***的传热流体的混合。在一个优选实施例中，通过所述混合，产生所得到的传热流体的低于700℃并且优选为低于650℃的温度。优选地，对于所述混合，使用来自旁路管道的低于300℃并且优选为低于250℃的传热流体。例如，该传热流体包括大约200℃的温度。

除了所述方法之外，还提供了相应的热交换***，其具有：至少一个热交换室，其具有围绕所述热交换室的至少一个热交换室内部的热交换室边界，其中，所述热交换室边界包括至少一个第一开口和至少一个第二开口，所述至少一个第一开口用于将至少一种传热流体的流入物引入到所述热交换室内部中，所述至少一个第二开口用于将所述传热流体的流出物从所述热交换室内部中向外引出，至少一种储热材料被布置在所述热交换室内部中，使得所述传热流体通过所述热交换室内部的热交换流引起所述储热材料与所述传热流体之间的热交换，至少一个旁路管道，其用于以管道输送没有被引导通过所述交换室内部的所述传热流体，以及至少一个流体混合站，其用于混合来自所述热交换室内部的传热流体和通过所述旁路管道输送的传热流体。

在一个优选实施例中，所述流体混合站包括至少一个阀。

所述热交换室是储热材料所在的空间、腔或壳体。热交换在所述热交换室内进行。所述储热材料优选地包括沙和/或石。此外，所述传热流体优选地包括处于环境气体压力下的气体。该处于环境气体压力下的气体优选为空气。

传热流体经由第一开口被引导（引入）到热交换室内部中，并且经由第二开口被从热交换室内部中引出。热交换室边界的第一开口是入口开口。热交换室边界的第二开口是出口开口。因此，存在热交换室边界的不同区域，即，具有第一开口的热交换室边界的入口区域以及具有第二开口的热交换室边界的出口区域。

根据操作模式，特定开口可以具有入口开口的功能或出口开口的功能。热交换流的流动方向取决于操作模式。优选地，在填充模式期间，热交换流沿填充模式方向被引导，在排放模式期间，热交换流沿排放模式方向被引导，并且填充模式方向和排放模式方向彼此相反（逆流操作）。但是，热交换流的方向的改变不是必要的。填充模式方向和排放模式方向包括相同的方向（顺流（co-current）操作）。

在逆流操作中，从填充模式切换到排放模式时，通过热交换室内部的热交换流的方向逆转，并且因此，开口（入口开口、出口开口）的功能也逆转。利用这样的解决方案，特别有利的是对于填充模式和排放模式使用相同的传热流体。但是，当然也可以使用针对填充模式和排放模式的不同的传热流体。

对于填充模式，热交换***配备有用于加热传热流体的至少一个填充单元。在具有激活的填充单元的填充模式中，该填充单元可以位于热交换室的上游。与之相反，在具有停用的填充单元的排放模式中，该填充单元可以位于热交换室的下游。

优选地，该填充单元包括至少一个电加热装置，其选自由电阻加热器、电感加热器、电磁辐射发射器和热泵组成的组中。该电磁辐射优选为红外辐射。不同的电加热装置的组合是可能的。借助于电加热装置，电被转化成热。该热被传热流体吸收并被输送到热交换室内部中的储热材料。

优选地，热交换***配备有至少一个排放单元，用于排放来自热的流出物的传热流体以便产生电。该排放单元包括至少一个蒸汽循环。

所述热交换***优选为高温热交换***。所以，热能可以在高温下被储存。因此，操作模式的操作温度优选地选自300℃至1000℃之间的范围，更优选地选自500℃至1000℃之间的范围，更优选地选自600℃至1000℃之间的范围和650℃至1000℃的范围，并且最优选地选自700℃至1000℃之间的范围。

附图说明

参照附图通过对示例性实施例的描述产生本发明的其他特征和优点。这些附图是示意性的。

图1示出了热交换***的热交换室。

图2示出了现有技术。

图3示出了本发明。

图4示出了关于现有技术的不同操作模式期间热交换室的热端的温度分布。

图5示出了关于本发明的相应的温度分布。

具体实施方式

本发明涉及具有处于高温水平上的热交换室11的热交换***1。

借助于所提出的热交换***1，在填充模式期间，热能可以在高温水平上被储存。这种储存的热能可以在排放模式期间被用于在水蒸汽循环中产生蒸汽，以便重新转换成电能。

热交换***1包括至少一个热交换室11，其具有围绕热交换室11的至少一个热交换室内部112的热交换室边界111。

热交换室边界111包括至少一个第一开口1111和至少一个第二开口1112，所述至少一个第一开口1111用于将至少一种传热流体131的流入物132引入到热交换室内部112中，所述至少一个第二开口1112用于将传热流体131的流出物133从热交换室内部112中向外引导。至少一种储热材料121（沙或石）被布置在热交换室内部112中，使得传热流体131通过热交换室内部112的热交换流13引起储热材料121与传热流体131之间的热交换。

示例性地，水平的热交换室11的热交换室长度为大约200m，热交换室11的热交换室高度为大约10m，并且热交换室的热交换室宽度为大约50m。

查看图2来描述现有技术。在热交换室不设旁路（bypassing）的情况下，在排放循环（排放模式）期间发生传热流体的温度下降（参见图4）。热交换室填充有大约600℃的传热流体，从而导致热交换室的大约600℃的温度（附图标记41）。在停机时间段期间（附图标记41），热交换室的温度是稳定的。在排放循环期间，热交换室的温度下降（附图标记42）。在排放循环之后，跟随着具有热交换室的稳定温度的另一停机时间段（附图标记43）。

在本发明的情况下，热交换室在填充模式期间被加热至大约750℃（图5，附图标记50）。同样，在填充循环之后跟随着稳定温度的停机时间段（附图标记51）。在排放期52期间（附图标记52）以及在随后的停机时间段期间（附图标记53），热交换室的温度保持恒定。

在这种高温下，传热流体在排放模式期间离开热交换室。来自热交换室内部112的这种热的传热流体134与绕过热交换室111和热交换室内部111的大约200℃的相对冷的传热流体135混合。这导致具有大约600℃的温度的混合的传热流体。利用其温度，传热流体136可以被用于排放单元（排放循环）200的蒸汽循环201。

Claims (7)

1. 用于操作热交换***（1）的方法，所述热交换***（1）具有：

- 至少一个热交换室（11），其具有围绕所述热交换室（11）的至少一个热交换室内部（112）的热交换室边界（111），其中

- 所述热交换室边界（111）包括至少一个第一开口（1111）和至少一个第二开口（1112），所述至少一个第一开口（1111）用于将至少一种传热流体（131）的流入物（132）引入到所述热交换室内部（112）中，所述至少一个第二开口（1112）用于将所述传热流体（131）的流出物（133）从所述热交换室内部（112）中向外引出；

- 至少一种储热材料（121）被布置在所述热交换室内部（112）中，使得所述传热流体（131）通过所述热交换室内部（112）的热交换流（13）引起所述储热材料（121）与所述传热流体（13）之间的热交换（123）；

其中

- 在具有从所述传热流体（13）到所述储热材料（121）的传热的填充过程期间，使用高于700℃的传热流体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用高于750℃的传热流体（13）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在具有从所述储热材料（12）到所述传热流体（13）的传热（123）的排放模式期间，执行对来自所述热交换室内部（112）的传热流体（134）与来自所述热交换室的旁路管道***（15）的传热流体（135）的混合。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过所述混合，产生所得到的传热流体（136）的低于700℃并且优选为低于650℃的温度。

5.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，对于所述混合，使用来自旁路管道（15）的低于300℃并且优选为低于250℃的传热流体（135）。

6. 热交换***（1），其具有：

- 至少一个热交换室（11），其具有围绕所述热交换室（11）的至少一个热交换室内部（112）的热交换室边界（111），其中

- 所述热交换室边界（111）包括至少一个第一开口（1111）和至少一个第二开口（1112），所述至少一个第一开口（1111）用于将至少一种传热流体（131）的流入物（132）引入到所述热交换室内部（112）中，所述至少一个第二开口（1112）用于将所述传热流体（131）的流出物（133）从所述热交换室内部（112）中向外引出；

- 至少一种储热材料（121）被布置在所述热交换室内部（112）中，使得所述传热流体（131）通过所述热交换室内部（112）的热交换流（13）引起所述储热材料（121）与所述传热流体（13）之间的热交换（123）；

- 至少一个旁路管道（15），其用于以管道输送没有被引导通过所述交换室内部的所述传热流体；以及

- 至少一个流体混合站（14），其用于混合来自所述热交换室内部的传热流体和通过所述旁路管道（15）输送的传热流体。

7.根据权利要求6所述的热交换***，其特征在于，所述流体混合站（14）包括至少一个阀（141）。