一种自然循环分控相变换热系统及分控相变换热方法
【技术领域】
[0001]本发明属于安全可控的强化传热技术领域，特别适合应用于锅炉烟气和生产工艺尾气的余热回收利用等领域。
【背景技术】
[0002]相变换热具有换热系数高、介质携带潜热大，以及相变饱和温度与饱和压力唯一对应，相变流体温度分布均匀，相变参数容易控制等特点，因而被广泛应用于强化传热和余热回收利用系统。
[0003]传统相变换热技术采用冷热源相变参数统一控制，通过调节冷源流体的流量来调节冷源相变参数，继而改变热源相变参数。由于通过流量调节改变换热系数和传热温差的换热调节方式有较大的滞后性，再加之大型系统的冷、热源热容量较大，使得系统调节的波动和超调量较大，控制精度不高。
[0004]分控相变技术因为将冷、热源相变参数分别独立控制，使得热源相变参数不受冷源换热相变参数的影响，即保障了热源相变参数的稳定，也增加了冷源换热的适应性。分控相变技术重点控制热容量很小的热源相变换热器的相变参数，使得控制系统时间常数大幅减小。分控相变采用将热源相变换热器的相变压力作为控制对象可使系统控制响应更快，通过控制相变产汽温度的方式修正压力控制可使系统控制精度更高，通过监控热源换热器壁温和冷源流体出口温度等方式自动控制系统的启停，使得系统的控制可靠性大幅提高。因而对于应用在防止热源换热器发生低温腐蚀和堵灰的余热回收系统中独具优势。目前在锅炉烟气余热回收系统中应用的分控相变系统是唯一可以不用吹灰器清理烟道换热器的技术。
[0005]现有的分控相变技术以其强制循环的方式使得系统传热距离增大，设备布置灵活，增强了系统应用的适应性和冷源换热的兼容性。但现有的分控相变系统相对也有些不足，其系统较为复杂，附属设备较多，增大了系统投资、运行维护和管理费用，对于一些传热量较小的应用领域的经济性不高。
【发明内容】
[0006]针对现有分控相变换热技术的不足，本发明的目的在于，提出了一种自然循环分控相变换热系统及分控相变换热方法，采用自然循环方式实现分控相变换热的技术，简化了系统，提高了余热回收的效益。
[0007]为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案:
[0008]一种自然循环分控相变换热系统，所述换热系统包括热源蒸发器液位传感器1、热源蒸发器3、热源汽体压力传感器5、汽流调节阀6、蒸汽管7、冷流体通道8、冷源冷凝器9、热流体通道17、冷凝液回流管18、回液逆止阀19、液流调节阀20 ;
[0009]所述热源蒸发器液位传感器1设置在热源蒸发器3上，热源汽体压力传感器5设置在热源蒸发器3上或设置在所述蒸汽管7上沿气流方向的汽流调节阀6前；
[0010]所述热源蒸发器3设置在热流体通道17上；所述冷源冷凝器9设置在冷流体通道8上；所述冷源冷凝器9的底部位置高于热源蒸发器3的底部；
[0011]所述热源蒸发器3内的上部蒸汽空间和冷源冷凝器9内的空间通过蒸汽管7连通；
[0012]所述热源蒸发器3内的下部空间和冷源冷凝器9内的下部液体空间通过冷凝液回流管18连通；所述冷凝液回流管18上沿流体流向依次设置有液流调节阀20和回液逆止阀19。
[0013]作为上述分控相变换热系统的第一改进，所述换热系统还包括:冷源冷凝器压力传感器14、冷流体控制阀15和热流体出口温度传感器16 ;
[0014]所述冷源冷凝器压力传感器14设置在冷源冷凝器9上；
[0015]所述冷流体控制阀15设置在冷流体通道8上；
[0016]所述热流体出口温度传感器16设置在沿热流体流向热源蒸发器3后的热流体通道17上。
[0017]作为上述分控相变换热系统的第二改进，所述换热系统还包括:汽液换热装置10和集液器11 ;
[0018]所述的集液器11设置在冷源冷凝器9的下方(或者，集液器11还可以内置于冷源冷凝器9内部的下部空间，提高设备的集成度)，所述的集液器11的上部与冷源冷凝器9的下部相联通，所述的集液器11的底部与冷凝液回流管18在冷源冷凝器9出液口一端联通；
[0019]所述汽液换热装置10连接在蒸汽管7上在冷源冷凝器9的进汽端；所述的汽液换热装置10设置在所述的集液器11内的冷凝液液面之下；所述汽液换热装置10由设有众多出汽口的管排组成。
[0020]作为上述分控相变换热系统的第三改进，所述换热系统还包括:回流液位传感器21、放液阀22和补液阀23 ；
[0021]所述的回流液位传感器21设置在所述冷凝液回流管18上；所述回流液位传感器21用于检测从液流调节阀20到冷源冷凝器9底部之间的液位；
[0022]所述的放液阀22经放液管连接在所述热源蒸发器3的底部；
[0023]所述补液阀23经补液管连接在集液器11上；
[0024]所述补液管来液为外供除盐水；或者所述补液管来液为冷流体通道8内的冷流体。
[0025]作为上述分控相变换热系统的第四改进，所述换热系统还包括:热源蒸发器壁温传感器2和热源汽体温度传感器4 ;
[0026]所述的热源蒸发器壁温传感器2设置在热流体出口一侧热源蒸发器3换热面的下部；
[0027]所述热源汽体温度传感器4设置在热源蒸发器3靠近蒸汽出口的汽测空间；或者，所述热源汽体温度传感器4设置在蒸汽管7上的沿气流方向的汽流调节阀6前。
[0028]作为上述分控相变换热系统的第五改进，所述换热系统还包括:积液传感器24 ;
[0029]所述积液传感器24有两个配对安装，所述两个积液传感器24均设置在沿热流体流向热源蒸发器3后的热流体通道17底部。
[0030]作为上述分控相变换热系统的第六改进，所述蒸汽管7沿气流方向在汽流调节阀6后连接有外联蒸汽管路，所述外联蒸汽管路上设有外联供汽阀12。
[0031]作为上述分控相变换热系统的第七改进，所述换热系统还包括:排空管和排空阀
13；
[0032]所述的排空管一端连接在所述冷源冷凝器9的蒸汽空间，另一端连接在逆止阀排气装置；所述排空管上设置有排空阀13 ;
[0033]所述逆止阀排气装置可使冷源冷凝器9内气体排向大气，而外部空气无法进入冷源冷凝器9。
[0034]本发明还提供了上述自然循环分控相变换热系统的分控相变换热方法，所述方法包括以下步骤:
[0035]所述热流体通道17内的热流体通过热源蒸发器3将热量传递给热源蒸发器3内的液体，使液体发生蒸发相变，产生蒸汽；所述蒸汽经蒸汽管7和汽流调节阀6进入冷源冷凝器9内，所述蒸汽通过冷源冷凝器9将热量传递给冷流体通道8内的冷流体，所述蒸汽发生冷凝相变，产生冷凝液；所述冷凝液经冷凝液回流管18和液流调节阀20、回液逆止阀19返回到热源蒸发器3内，完成传热循环；
[0036]所述汽流调节阀6根据所述热源汽体压力传感器5的测量值控制其开度；
[0037]当所述热源汽体压力传感器5所测量的压力值低于所述热源汽体压力设定值时，所述汽流调节阀6的开度减小，以减小蒸汽流出所述热源蒸发器3的流量，消除或减小热源汽体压力与所述设定值的偏差；
[0038]当所述热源汽体压力传感器5所测量的压力值高于所述热源汽体压力设定值时，所述汽流调节阀6的开度增加，以增加蒸汽流出所述热源蒸发器3的流量，消除或减小热源汽体压力与所述设定值的偏差；
[0039]所述液流调节阀20根据所述热源蒸发器液位传感器1的测量值控制其开度；
[0040]当所述热源蒸发器液位传感器1所测量的液位值低于所述热源蒸发器液位设定值时，所述液流调节阀20的开度增加，以增加冷凝液流入所述热源蒸发器3的流量，消除或减小热源蒸发器液位与所述设定值的偏差；
[0041]当所述热源蒸发器液位传感器1所测量的液位值高于所述热源蒸发器液位设定值时，所述液流调节阀20的开度减小，以减小冷凝液流入所述热源蒸发器3的流量，消除或减小热源蒸发器液位与所述设定值的偏差。
[0042]所述回液逆止阀19使冷凝液只能由冷源冷凝器9流入热源蒸发器3，即使热源蒸发器3内压力远高于冷源冷凝器9内的压力时，也不能使冷凝液从热源蒸发器3倒流回冷源冷凝器9。
[0043]当上述自然循环分控相变换热系统包括第一改进的技术特征时，所述分控相变换热方法还可包括以下步骤:
[0044]所述冷流体控制阀15根据所述冷源冷凝器压力传感器14的测量值控制其开度；
[0045]当所述冷源冷凝器压力传感器14所测量的压力值高于所述冷源冷凝器压力设定一值时，所述冷流体控制阀15的开度增加，以增加冷流体流入所述冷源冷凝器9的流量，增大冷源冷凝器9内蒸汽的凝结速度，消除或减小冷源冷凝器压力与所述设定一值的偏差；
[0046]当所述冷源冷凝器压力传感器14所测量的压力值低于所述冷源冷凝器压力设定一值时，所述冷流体控制阀15的开度减小，以减小冷流体流入所述冷源冷凝器9的流量，减小冷源冷凝器9内蒸汽的凝结速度，消除或减小冷源冷凝器压力与所述设定一值的偏差；
[0047]所述冷源冷凝器压力设定一值低于所述热源汽体压力设定一值0.001?IMPa，并且所述冷源冷凝器压力设定一值跟随所述热源汽体压力设定值增减，两者差值保持在合理范围，确保蒸汽在热源蒸发器3和冷源冷凝器9间始终有稳定的流动推动力；
[0048]所述冷流体控制阀15同时根据所述热流体出口温度传感器16的测量值控制其开度；
[0049]当所述热流体出口温度传感器16所测量的温度值高于所述热流体出口温度设定值时，所述冷流体控制阀15发出允许打开指令，以使冷流体控制阀15能够根据冷源冷凝器压力传感器14所测量的压力值控制其开度；
[0050]当所述热流体出口温度传感器16所测量的温度值低于所述热流体出口温度设定值时，所述冷流体控制阀15被强制关闭到所设定的最小开度，并发出报警信号。
[0051]当上述自然循环分控相变换热系统包括第二改进的技术特征时，所述分控相变换热方法还可包括以下步骤:
[0052]所述冷源冷凝器9内的冷凝液都汇集进集液器11内；所述集液器内的冷凝液经冷凝液回流管18和液流调节阀20、回液逆止阀19进入热源蒸发器3，完成传热循环；
[0053]所述由热源蒸发器3产