編者按:由中國城鎮供熱協會與丹麥區域供熱委員會共同舉辦的“第三屆中丹綠色能源供熱高峰論壇”于2016年9月28日在北京召開,以下為北京市熱力工程設計有限責任公司在會刊中的論文分享。


田立順

北京熱力工程設計有限責任公司 100027


        摘要:本文以某項目為例,介紹了國內蓄能技術的利用情況,并對蓄能罐在集中供熱系統中應用進行了詳細研究。文中提出了蓄能罐容積確定的方法。對蓄能罐與集中供熱系統的連接、提高集中供熱能力進行了研究,同時,為加大蓄能罐的利用率,對蓄能罐在集中供冷系統中的應用也做了一定的研究。本文的研究工作為蓄能技術的推廣應用提供了參考。

        關鍵詞:蓄能罐、集中供熱、熱電聯產、蓄熱、蓄冷


        目前,國內的集中供熱系統多采用熱電聯產機組為主熱源、尖峰鍋爐房為調峰熱源的多熱源聯網運行的模式,其運行調節方式一般采用提前預測室外溫度,通過供回水溫度調節曲線采用分階段改變流量的質調節的調節方式。這種運行和調節方式自九十年代在北京市熱力集團集中供熱管網中率先應用,在經濟運行、保障供熱質量和安全、節能等方面取得了良好的效果,并迅速在全國的供熱企業中得到推廣。

        近年來,住建部在全國范圍內大力推進供熱計量改造,供熱收費體制改革,實現了熱量控制與熱計量收費后,影響最大的將是人們的用熱觀念。用戶主動調節,熱負荷波動較大。對供熱系統上游熱源的調節特性產生較大影響,熱源必須根據熱負荷進行實時的供熱量調整,但是目前受熱電廠自控水平的限制以及熱電廠增減負荷的復雜性[1],熱源的供熱量不可能嚴格地隨用戶熱需求的變化而及時調整,因此室外氣溫的變化將導致用戶室溫的相應變化,用熱負荷調節的問題沒有得到很好的解決,致使現有供熱系統存在較大的能源浪費問題。

        1 蓄能罐蓄能技術的應用

        目前,北歐一些集中供熱發展水平較高的國家,在多熱源聯網的集中供熱系統中多在熱電廠設置蓄能罐來配合熱電廠、鍋爐房根據用熱負荷變化適時調整供熱量和整個供熱系統的日負荷變化[2]。蓄能罐作為節能和調峰設施,在芬蘭等北歐國家得到了普遍的應用,但是在中國由于供熱體制的制約以及粗放型管理等原因仍然是新生事物而未得到應有的重視。

        蓄能罐儲能技術的應用,可加大供熱系統的調峰能力,保持電廠供熱機組恒定負荷運行,在用戶熱負荷較低時,蓄能罐將多余的供熱量儲存在罐體內;當室外氣溫降低,熱負荷增加,而供熱機組的供熱能力不能滿足用戶熱負荷的需求時蓄能罐將放熱,將儲存在罐體內的熱量與供熱機組的恒定供熱量共同供給用戶,以滿足高峰熱負荷的需要[2-4]。為了平衡熱源的運行,使之相對穩定運行,在熱電廠建設蓄能罐對提高熱電廠的供熱能力降低熱電廠的供熱量波動提高供熱質量節約能源都具有重要的作用與意義。

        2 蓄能罐的分類、原理簡介

        2.1 蓄能罐的分類

        蓄能罐有多種形式,以壓力變化情況分,蓄能罐可分為變壓式蓄能罐和定壓式蓄能罐。變壓式蓄能罐又有兩種:直接儲存蒸汽的儲汽器;儲存熱水和小部分蒸汽的變壓式蒸汽蓄能罐。定壓式蓄能罐又有常壓式蓄能罐和有壓式蓄能罐兩類。

        由于區域供熱系統的特點,區域供熱系統中使用的蓄能罐通常為常壓式或有壓式熱水蓄能罐,建造有壓式蓄能罐的成本要比建造常壓式蓄能罐的成本高。

        在集中供熱系統中,多采用常壓式蓄能罐,以下簡稱蓄能罐。因其為外形類似于輕油儲油罐的保溫罐體,又稱為蓄能罐。內部儲存熱水,因為工作壓力為常壓,最高工作水溫不高于98℃。

        2.2 蓄能罐的原理

        蓄能罐的工作原理是利用水的分層原理,水溫不同,水的密度不同,在一個足夠大容器中,熱水在上,冷水在下,中間為過渡層。

        蓄能罐就是根據水的分層原理設計和工作的,并使其工作保持在高效率。

        蓄熱時,熱水從上部水管進入,冷水從下部水管排出,過渡層下移;放熱時,熱水從上部水管排出,冷水從下部水管進入,過渡層上移。圖1為蓄能罐的結構簡圖和沿罐體高度的溫度分布示意圖。


圖1 蓄能罐的結構簡圖和溫度分布示意圖

        2.3 蓄能罐容積的確定

        蓄能罐容積根據蓄能罐蓄熱量確定。蓄能罐蓄熱量有很多計算方法,如分段積分曲線法、高峰負荷計算法、充熱時間計算法等[5]。

        本文以北京某熱電聯產項目為例,采用不同時段內的平均熱負荷法確定蓄熱量。

        案例:供熱面積約600萬平方米,以公共建筑為主,供熱負荷為280MW,供熱采用熱電聯產,基礎熱源供熱能力為200MW,區域內配套建設1座3臺29MW燃氣熱水調峰鍋爐,設計溫度為130/70℃;該區域供冷面積為115萬平方米,供冷負荷為100MW。

        由于熱用戶建筑性質為公共建筑,用熱時間集中在早06:00至晚22:00,該時間段內需保證室內溫度為18℃,晚22:00至次日早06:00,按室內溫度維持8℃考慮。

        蓄能罐所蓄熱量來源為基礎熱源,因此以基礎熱源200MW核算不同時段內的平均熱負荷,具體見下圖2。

圖2  不同室外溫度下,室內溫度18℃及8℃時,熱負荷

        由上述數據可以看出,維持室內溫度8℃及18℃時,不同室外溫度下,其熱負荷差為78MW左右。其最大蓄熱量為2246GJ。同時考慮整個采暖季晝夜平均溫差約為3~4℃,熱負荷差取54MW,蓄能罐蓄熱能力取1550GJ。

        蓄能罐蓄熱1500GJ,蓄能罐熱水溫度按98℃、冷水按60℃考慮,蓄熱容積為9427m3,




        在熱電廠內建設一座11000m3的蓄能罐,蓄能罐直徑為24米,高25米。

        3 蓄能罐在集中供熱系統中的應用

        3.1 蓄能罐在熱網中的連接方式

        蓄能罐在熱網中連接方式可分為兩種,直接和間接兩種連接方式,具體采用哪一種連接方式,應結合整個熱網系統綜合考慮確定。圖3為蓄能罐與熱網的直接連接方式系統簡圖,圖4為間接連接方式系統簡圖。


圖3 蓄能罐與熱網直接連接方式的系統簡圖


圖4 蓄能罐與熱網間接連接方式的系統簡圖

        案例中,采用直接連接形式,具體見下圖5,當室外溫度低于-0.35℃(根據供水溫度曲線,供水溫度為98℃)時,采用間接方式連接;當室外溫度高于-0.35℃時,采用直接方式連接。


圖5 蓄能罐與供熱系統的連接

        3.2 熱平衡分析

        按達產年600萬平方米核算,供熱負荷280MW,基礎熱源為200MW,熱化系數為0.71。不同室外溫度下,室內溫度為8℃、18℃時,熱負荷如下表2-1,


圖6  不同室外溫度下,室內溫度18℃及8℃時,熱負荷

        通過圖6,可以看出,若不啟動蓄能罐,需投入調峰熱源的室外溫度為,


        需啟用調峰鍋爐,運行時間為67.6天。

        若投入蓄能罐,室外溫度達到設計溫度-7.6℃時,蓄能罐蓄放熱逐時負荷延續圖7如下,


圖7  蓄能罐蓄放熱逐時負荷圖

        從上圖可以看出,夜間(晚10點至次日早6點),蓄能罐蓄熱432MWh,夜間熱負荷為210MW,白天(早6點至晚10點)蓄能罐與主熱源聯合供熱,主熱源出力為195MW。

        由此可見,室外溫度為設計溫度-7.6℃時,若投入蓄能罐與主熱源聯合供熱,夜間最大熱負荷為210MW,略大于主熱源供熱能力200MW,需啟動調峰鍋爐。若按蓄能罐白天16小時均勻放熱考慮,放熱能力約27MW,室外溫度低于-2.66℃時,啟動調峰鍋爐,運行時間為43.4天。

        3.3 蓄能罐在集中供熱中的作用

        蓄能罐在低負荷時能將多余的熱能吸收貯存,等負荷變大時再釋放出來。

        通過上述分析,可見蓄能罐在集中供熱應用中,可以起到削峰填谷的作用,平穩熱源負荷,使機組保持在較高的效率下運行,提高經濟性;可以滿足供熱系統高峰負荷,減少裝機容量,替代調峰熱源;降低因負荷變化所需的大幅度調節,提高經濟性;其次,蓄能罐可作為大型應急補水罐,熱網出現大的泄漏時,可提供緊急補水,提高供熱管網安全性。

        4 蓄能罐在夏季供熱系統中的應用

        供冷對象絕大多數為公共建筑,在公共建筑采取節能調節手段后必然產生較大的日負荷波動。因此蓄能罐在供熱結束后,可利用冷負荷的波動,進行蓄放冷,削減白天峰值負荷,以減少制冷系統裝機容量。同時,可利用分時電價政策,夜間進行蓄冷可降低運行費用。

        4.1 水蓄冷技術

        水蓄冷是在用電低谷時段,以水為介質通過蓄冷水泵將冷水機組與蓄冷設備連接起來,構成水蓄冷循環,將空調系統的能量儲存起來;在用電高峰時段,同樣以水為介質通過放冷水泵與蓄冷設備連接起來,構成放冷循環,將儲存的能量釋放給空調系統的熱力過程。

        水蓄冷技術適用于非全日制空調工程、晝夜負荷相差懸殊或空調負荷峰谷懸殊的工程(如有些晝夜負荷相差較大的工業性空調;寫字樓、商場、體育館、影劇院等公共建筑)。

        4.2 水蓄冷方案

        水蓄冷空調系統的設備選型及流程設計是以供冷系統的設計日逐時負荷分布為依據的。夏季峰值冷負荷一般在設計日的15:00~16:00左右。采用綜合逐時負荷系數法計算出各時段負荷分布如下圖8所示。


圖8  設計日逐時負荷圖

        冷負荷分別在100%、75%、50%、25%時,蓄能罐與主機聯合供冷平衡圖如下所示。

   

圖9  100%、75%、50%、25%負荷下,供冷平衡圖

        由圖9可以看出,在100%設計日時,其運行工況主要是與主機聯合供冷,滿足負荷需求,主機全開供冷,不夠部分冷量由蓄能罐供冷,蓄能罐的作用是減少主機裝機容量,并且同時兼顧節約高峰用電量。非設計日時,在天氣發生變化,日負荷較小時,系統將依據實際的冷負荷需求,通過控制系統調節運行模式,自動調整每一時段內蓄能罐供冷及主機供冷的相對應比例,以實現分量儲冷模式逐步向全量儲冷模式的運行轉化,按照蓄能罐優先供冷的原則,最大限度地控制主機在電力高峰期間的運行,節省運行費用。

        5 結  論

        案例中,蓄能罐的利用,用于供熱系統,蓄放能力1550GJ,相當于432MWh,可減少1臺29MW的調峰鍋爐,削減30%的調峰負荷;用于供冷系統,蓄放能力290GJ,相當于80MWh,可減少3000RT的裝機容量。

        大型蓄能罐儲能技術是我國區域供熱供冷領域的一次突破性嘗試,在技術和管理兩方面進一步縮短和北歐部分區域供熱發達國家的差距。其應用必將得到廣泛推廣,本文的研究工作為大型蓄能罐儲能技術的推廣應用提供了參考。


參考文獻

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[2] 張殿軍,聞作祥。熱水蓄熱器在區域供熱系統中的應用。區域供熱。2015 6期

[3] 繩開太,曹家樅。鍋爐房-蓄熱器供熱系統的優化運行模式研究。東華大學學報(自然科學版),2003年12月,第29卷 第6期。

[4] 許培德。基于電力蓄冷蓄熱技術的探討。山東電力高等專科學校學報。2011年,第14卷 第4期。

[5] 周根明,姚壽廣。蒸汽蓄熱器容積及蓄熱量的計算方法。華東船舶工業學院學報,1994年3月,第8卷 第1期。


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