本发明属于换热，具体涉及一种采用氮气稳压的储罐换热系统及方法。
背景技术：
1、随着“双碳”目标的深入推进和电力低碳转型发展步伐的加快，新型储能需求迅速增长，由此推动了新型储能产业的提速发展。压缩空气储能作为新型储能的主要组成部分是提高电力系统调节能力的有效手段，已经具备大规模商业应用的条件。随着技术的发展，压缩空气储能电站对效率提出了更高的要求。储换热温度是制约压缩空气储能电站效率的关键因素，提高储换热温度有利于提高电站综合效率，进而提高电站运行的经济性。
2、储换热介质通常可采用导热油、水或熔盐与水的混合物。随着储换热介质温度的提高，全厂电-电效率一般呈现升高趋势，越高的储换热介质温度越能够带来更高的电站综合效率。然而，采用导热油作为储换热介质虽然可以在常压下获得较高的储换热温度，但导热油价格昂贵，且每年需进行额外补充，导致投资运行维护成本增加，过高的初投资和运行维护成本制约了导热油的应用。而“中温水+熔盐”复合储换热的压缩空气储能电站虽然也可以实现较高的储换热温度，同时相较导热油初投资和运行成本有所降低，但是，由于存在两种储换热介质，容易导致工艺系统过于复杂以及系统阻力损失过大等问题，运行维护操作起来较为困难。
3、采用水作为储换热介质，初投资和运行维护成本最低，为获得更高的储换热通常需要将常压水进行加压处理，因此储罐均采用承压储罐并配合氮气稳压技术。由于随着水温的升高储罐的承受压力也随之升高，罐体材料的许用应力会随之下降，因此储罐的壁厚需要大幅提高才能满足使用需求，这大大增加了储罐的制造成本及难度。与此同时，随着压缩空气储能电站规模的增加，储罐总容积也随之增加，不仅增大了储罐区域的占地面积与占地成本，还会造成能源的浪费。目前，将水作为储换热介质通常需采用双罐系统，即热水罐和冷水罐分设，储换热温度为190℃，储罐设计压力为1.6mpa，对于大规模机组来说如若需要进一步提高储换热温度，其设计压力也会随之升高，如要减少球罐容积，那么将超出目前压力容器设计规程允许的储罐壁厚，因此制约了水介质换热系统进一步提高参数。因此现在需要一种能够提高水介质储换热温度的同时有效控制储罐容积、降低储罐壁厚且更加经济节能的采用氮气稳压的储罐换热系统及方法。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种采用氮气稳压的储罐换热系统及方法，能够有效提高水介质储换热温度，同时有效控制储罐容积，减少储罐区域的占地面积与占地成本，有效降低储罐壁厚，更加经济节能。
2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
3、一种采用氮气稳压的储罐换热系统，包括沿着水循环的方向并联设置在进水管道与出水管道上的若干个球罐、位于出水管道和进水管道中间的循环水泵、连接循环水泵与进水管道的高温管道、通过高温分流管设置在高温管道上的换热装置，同时循环水泵与高温分流管之间的高温管道上设置与进水管道连接的低温管道，换热装置与低温管道之间通过低温分流管连接，高温管道与低温管道上配合设置有控制阀门；各个球罐与调节球罐内氮气压力的氮气稳压系统连接。
4、本发明技术方案的进一步改进在于：氮气稳压系统包括沿着氮气的走向依次连接的氮气连通管、氮气缓冲罐、氮气储存罐和氮气透平装置，氮气透平装置通过氮气连通管连接各个球罐，氮气连通管和氮气缓冲罐之间设置充气阀和减压冷却单元，氮气缓冲罐和氮气储存罐之间设置增压冷却单元，氮气储存罐和氮气透平装置之间设置放气阀。
5、本发明技术方案的进一步改进在于：减压冷却单元包括依次设置在充气阀之后的氮气冷却器与减压阀；增压冷却单元包括依次设置在氮气缓冲罐之后的氮气增压机与后冷器。
6、本发明技术方案的进一步改进在于：球罐与氮气连通管之间通过并联的氮气连通阀与安全阀连接且安全阀与充气阀连锁；氮气稳压系统分别在充气阀、减压阀、后冷器以及氮气透平装置之后设置止回阀。
7、本发明技术方案的进一步改进在于：控制阀门包括沿着水循环的方向设置在高温管道上且分别位于高温分流管两侧的高温水入口阀和高温水出口阀以及设置在低温管道上且分别位于低温分流管两侧的低温水入口阀和低温水出口阀；球罐的顶部与底部分别设置与进水管道和出水管道连接的进水阀一和出水阀，出水阀上并联设置有小流量旁路阀；球罐内部沿其内壁周圈设置有盘管并在其外壁均布壁温测点，进水阀一上并联设置有与盘管连接的进水阀二且进水阀二上设置水温测点。
8、一种采用氮气稳压的储罐换热方法，使用储罐换热系统进行换热操作，包括以下步骤：
9、步骤s1：设置n个球罐，打开n-1个球罐的进水阀一注入40-80℃的低温水作为储热时的待换热球罐，剩余的1个球罐空置；
10、步骤s2：打开一个待换热球罐的出水阀与氮气连通阀，同时打开空置球罐的进水阀一与氮气连通阀，然后启动循环水泵；
11、步骤s3：储热时，打开氮气稳压系统的充气阀，关闭放气阀，维持球罐内氮封压力稳定，同时打开低温水入口阀与高温水出口阀，关闭低温水出口阀与高温水入口阀，循环水泵通过出水管道将待换热球罐中的低温水经由低温管道和低温分流管泵入到换热装置中进行换热；
12、步骤s4：低温水在换热装置中完成换热形成200-240℃的高温水后，经由高温分流管、高温管道以及进水管道进入空置的球罐当中，此时原储有低温水的待换热球罐为空置状态，原空置的球罐内储有高温水；
13、步骤s5：重复步骤s2-s4，直至n-1个球罐当中的低温水均置换为高温水且1个球罐空置时，完成储热，其中储有高温水的n-1个球罐作为释热时的待换热球罐；
14、步骤s6：释热时，重复步骤s2，关闭氮气稳压系统的充气阀，打开放气阀，维持球罐内氮封压力稳定；同时打开高温水入口阀与低温水出口阀，关闭低温水入口阀与高温水出口阀，循环水泵通过出水管道将待换热球罐中的高温水经由高温管道和高温分流管泵入到换热装置中进行换热；
15、步骤s7：高温水在换热装置中完成换热形成低温水后，经由低温分流管、低温管道以及进水管道进入空置的球罐当中，此时原储有高温水的待换热球罐为空置状态，原空置的球罐内储有低温水；
16、步骤s8：重复步骤s6和s7，直至n-1个球罐当中的高温水均置换为低温水且1个球罐空置时，完成释热，其中储有低温水的n-1个球罐作为储热时的待换热球罐；
17、步骤s9：重复步骤s2-s8进行循环换热操作，直至达到预定的换热次数或换热周期。
18、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤s3中，充气阀通过氮气连通管释放待换热球罐与空置球罐中的氮气并经冷却减压处理进入氮气缓冲罐，然后再经增压冷却处理进入氮气储存罐中储存，其中氮气缓冲罐工作压力为承压水定压压力；在步骤s6中，放气阀释放氮气储存罐中的氮气并经透平处理后通过氮气连通管进入待换热球罐与空置球罐中，其中氮气透平背压为承压水定压压力。
19、本发明技术方案的进一步改进在于：设定氮气缓冲罐的容积如下式所示：
20、；
21、设定氮气储存罐的容积如下式所示：
22、；
23、其中，
24、；
25、式中，表示基准球罐容积，m3，取值1000；表示球罐容积；表示氮气缓冲罐容积；表示氮气储存罐容积；表示高温水对应饱和压力；表示承压水定压压力；表示球罐设计压力；表示氮气储存罐储存压力；表示球罐数量；表示球罐充满系数，取值0.85-0.9；表示低温水密度，kg/m3；表示高温水密度，kg/m3；表示氮气缓冲罐冗余系数，取值1.05-1.1； 表示氮气储存罐冗余系数，取值1.1-1.3；表示热水球罐安全系数，取值1.03-1.15；表示氮气定压安全系数，取值1.03-1.05。
26、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤s2中，在打开进水阀一之前先打开空置球罐的进水阀二使低温水或者高温水在盘管内运行一段时间进行球罐预冷或预热，设定储热时的盘管运行时间如下式所示：
27、；
28、设定释热时的盘管运行时间如下式所示：
29、；
30、式中，表示储热时的盘管运行时间，s；表示释热时的盘管运行时间，s；表示延时时间冗余系数，取值1.1-1.2；表示球罐容积，m3；表示球罐比热容，kj/(kg·℃）；表示球罐密度，kg/m3；表示低温水密度，kg/m3；表示高温水密度，kg/m3；表示高温水温度，℃；表示低温水温度，℃；表示换热效率，取值0.95-0.98；表示低温水焓值，kj/kg；表示高温水焓值，kj/kg；表示循环水流量，m3/h。
31、本发明技术方案的进一步改进在于：在步骤s4或步骤s7中，当待换热球罐内的液位降低至小流量旁路阀开启液位时，打开小流量旁路阀，关闭出水阀，使待换热球罐中的低温水或者高温水经小流量旁路阀进入出水管道，小流量旁路阀运行一段时间后关闭，此时待换热球罐接近排空，然后再经过预定的延时时间打开其进水阀一，利用下一个待换热球罐经过换热获得的高温水或者低温水到达接近排空球罐底部的时间差将球罐和出水管道中原有的低温水或者高温水排出，设定小流量旁路阀开启液位如下式所示：；
32、设定小流量旁路阀运行时间如下式所示：
33、；
34、设定延时时间如下式所示：
35、；
36、式中，表示循环水流速，m/s；表示重力加速度，m/s2；表示循环水流量，m3/h；表示球罐半径，m；表示球罐液位高度，m；表示球罐最低液位，m；表示小流量旁路阀开启液位，m；表示基准球罐容积，m3，取值1000；表示球罐容积，m3；表示基准球罐出水口管径，mm，取值325；表示球罐出水口管径，mm；表示小流量旁路阀管径，mm；表示小流量旁路阀运行时间，s；表示延时时间，s；表示延时时间折减系数，取值0.3-0.5。
37、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
38、本发明采用氮气稳压的储罐换热系统及方法，能够有效提高水介质储换热温度，同时有效控制储罐容积，减少储罐区域的占地面积与占地成本，有效降低储罐壁厚，更加经济节能。
39、本发明采用冷温水和高温水共用球罐、循环水泵、换热装置以及氮气稳压系统，替代传统分设的热水罐和冷水罐，可以大幅度降低单罐容积，减少占地成本，在不增加球罐壁厚的前提下提高储换热温度，并且整个换热系统得到有效简化，大幅降低经济成本的同时还提高了系统运行稳定性和设备安全性，更加经济节能环保。
40、本发明采用在球罐的出水阀上并联设置小流量旁路阀，能够有效减少冷温水或高温水在球罐中的存液高度，将球罐中的液体全部排出，有效降低热损失。
41、本发明采用在球罐内部沿其内壁周圈设置盘管，并在其外壁均布壁温测点，进水阀一上并联设置有与盘管连接的进水阀二且进水阀二上设置水温测点，先打开空置球罐的进水阀二使低温水或者高温水在盘管内运行一段时间进行球罐预冷或预热，然后关闭进水阀二再打开进水阀一，使低温水或者高温水进入空置的球罐，保护球罐不受极端温度影响，避免球罐因温度变化过大而产生应力，有效增加球罐的抗疲劳性能，与此同时，通过进水阀二与进水阀一的切换，能够有效减少管道阻力，降低循环水泵的运行电耗。
42、本发明采用的氮气稳压系统能够有效降低球罐的工作压力并保持球罐内氮封压力稳定，有效延长球罐的使用寿命，避免球罐损坏，进一步降低经济成本。
43、本发明采用的氮气稳压系统为闭式系统，设有氮气缓冲罐与氮气储存罐，其中氮气缓冲罐压力为承压水定压压力，有利于缓冲氮气压力波动，确保换热系统在整个操作过程中的稳定性和可靠性，氮气储存罐用于储存增压冷却后的氮气，以适应整个换热系统的需求变化。
44、本发明采用在氮气连通阀上并联设置安全阀且安全阀与氮气稳压系统的充气阀连锁，当某个球罐超压时，安全阀开启后连锁开启充气阀，将球罐内的氮气排入到氮气缓冲罐中储存，减少氮气损失。
1.一种采用氮气稳压的储罐换热系统，其特征在于：包括沿着水循环的方向并联设置在进水管道（2）与出水管道（3）上的若干个球罐（1）、位于出水管道（3）和进水管道（2）中间的循环水泵（4）、连接循环水泵（4）与进水管道（2）的高温管道（5）、通过高温分流管（7-1）设置在高温管道（5）上的换热装置（7），同时循环水泵（4）与高温分流管（7-1）之间的高温管道（5）上设置与进水管道（2）连接的低温管道（6），换热装置（7）与低温管道（6）之间通过低温分流管（7-2）连接，所述高温管道（5）与低温管道（6）上配合设置有控制阀门；各个球罐（1）与调节球罐（1）内氮气压力的氮气稳压系统（14）连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用氮气稳压的储罐换热系统，其特征在于：所述氮气稳压系统（14）包括沿着氮气的走向依次连接的氮气连通管（8）、氮气缓冲罐（9）、氮气储存罐（10）和氮气透平装置（11），氮气透平装置（11）通过氮气连通管（8）连接各个球罐（1），氮气连通管（8）和氮气缓冲罐（9）之间设置充气阀（9-1）和减压冷却单元，氮气缓冲罐（9）和氮气储存罐（10）之间设置增压冷却单元，氮气储存罐（10）和氮气透平装置（11）之间设置放气阀（10-1）。
3.根据权利要求2所述的一种采用氮气稳压的储罐换热系统，其特征在于：所述减压冷却单元包括依次设置在充气阀（9-1）之后的氮气冷却器（9-2）与减压阀（9-3）；增压冷却单元包括依次设置在氮气缓冲罐（9）之后的氮气增压机（12）与后冷器（13）。
4.根据权利要求3所述的一种采用氮气稳压的储罐换热系统，其特征在于：所述球罐（1）与氮气连通管（8）之间通过并联的氮气连通阀（8-1）与安全阀（8-2）连接且安全阀（8-2）与充气阀（9-1）连锁；所述氮气稳压系统（14）分别在充气阀（9-1）、减压阀（9-3）、后冷器（13）以及氮气透平装置（11）之后设置止回阀。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种采用氮气稳压的储罐换热系统，其特征在于：所述控制阀门包括沿着水循环的方向设置在高温管道（5）上且分别位于高温分流管（7-1）两侧的高温水入口阀（5-1）和高温水出口阀（5-2）以及设置在低温管道（6）上且分别位于低温分流管（7-2）两侧的低温水入口阀（6-1）和低温水出口阀（6-2）；所述球罐（1）的顶部与底部分别设置与进水管道（2）和出水管道（3）连接的进水阀一（1-1）和出水阀（1-2），出水阀（1-2）上并联设置有小流量旁路阀（1-3）；球罐（1）内部沿其内壁周圈设置有盘管（1-4）并在其外壁均布壁温测点，进水阀一（1-1）上并联设置有与盘管（1-4）连接的进水阀二（1-5）且进水阀二（1-5）上设置水温测点。
6.一种采用氮气稳压的储罐换热方法，其特征在于：使用权利要求1-5任一项的储罐换热系统进行换热操作，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种采用氮气稳压的储罐换热方法，其特征在于：在步骤s3中，充气阀（9-1）通过氮气连通管（8）释放待换热球罐（1）与空置球罐（1）中的氮气并经冷却减压处理进入氮气缓冲罐（9），然后再经增压冷却处理进入氮气储存罐（10）中储存，其中氮气缓冲罐（9）工作压力为承压水定压压力；在步骤s6中，放气阀（10-1）释放氮气储存罐（10）中的氮气并经透平处理后通过氮气连通管（8）进入待换热球罐（1）与空置球罐（1）中，其中氮气透平背压为承压水定压压力。
8.根据权利要求7所述的一种采用氮气稳压的储罐换热方法，其特征在于：
9.根据权利要求6所述的一种采用氮气稳压的储罐换热方法，其特征在于：在步骤s2中，在打开进水阀一（1-1）之前先打开空置球罐（1）的进水阀二（1-5）使低温水或者高温水在盘管（1-4）内运行一段时间进行球罐预冷或预热，设定储热时的盘管运行时间如下式所示：
10.根据权利要求6所述的一种采用氮气稳压的储罐换热方法，其特征在于：在步骤s4或步骤s7中，当待换热球罐（1）内的液位降低至小流量旁路阀（1-3）开启液位时，打开小流量旁路阀（1-3），关闭出水阀（1-2），使待换热球罐（1）中的低温水或者高温水经小流量旁路阀（1-3）进入出水管道（3），小流量旁路阀（1-3）运行一段时间后关闭，此时待换热球罐（1）接近排空，然后再经过预定的延时时间打开其进水阀一（1-1），利用下一个待换热球罐（1）经过换热获得的高温水或者低温水到达接近排空球罐底部的时间差将球罐（1）和出水管道（3）中原有的低温水或者高温水排出，设定小流量旁路阀（1-3）开启液位如下式所示：；
