编者按:由中国城镇供热协会与丹麦区域供热委员会共同举办的“第三届中丹绿色能源供热高峰论坛”于2016年9月28日在北京召开,以下为北京市热力工程设计有限责任公司在会刊中的论文分享。


田立顺

北京热力工程设计有限责任公司 100027


        摘要:本文以某项目为例,介绍了国内蓄能技术的利用情况,并对蓄能罐在集中供热系统中应用进行了详细研究。文中提出了蓄能罐容积确定的方法。对蓄能罐与集中供热系统的连接、提高集中供热能力进行了研究,同时,为加大蓄能罐的利用率,对蓄能罐在集中供冷系统中的应用也做了一定的研究。本文的研究工作为蓄能技术的推广应用提供了参考。

        关键词:蓄能罐、集中供热、热电联产、蓄热、蓄冷


        目前,国内的集中供热系统多采用热电联产机组为主热源、尖峰锅炉房为调峰热源的多热源联网运行的模式,其运行调节方式一般采用提前预测室外温度,通过供回水温度调节曲线采用分阶段改变流量的质调节的调节方式。这种运行和调节方式自九十年代在北京市热力集团集中供热管网中率先应用,在经济运行、保障供热质量和安全、节能等方面取得了良好的效果,并迅速在全国的供热企业中得到推广。

        近年来,住建部在全国范围内大力推进供热计量改造,供热收费体制改革,实现了热量控制与热计量收费后,影响最大的将是人们的用热观念。用户主动调节,热负荷波动较大。对供热系统上游热源的调节特性产生较大影响,热源必须根据热负荷进行实时的供热量调整,但是目前受热电厂自控水平的限制以及热电厂增减负荷的复杂性[1],热源的供热量不可能严格地随用户热需求的变化而及时调整,因此室外气温的变化将导致用户室温的相应变化,用热负荷调节的问题没有得到很好的解决,致使现有供热系统存在较大的能源浪费问题。

        1 蓄能罐蓄能技术的应用

        目前,北欧一些集中供热发展水平较高的国家,在多热源联网的集中供热系统中多在热电厂设置蓄能罐来配合热电厂、锅炉房根据用热负荷变化适时调整供热量和整个供热系统的日负荷变化[2]。蓄能罐作为节能和调峰设施,在芬兰等北欧国家得到了普遍的应用,但是在中国由于供热体制的制约以及粗放型管理等原因仍然是新生事物而未得到应有的重视。

        蓄能罐储能技术的应用,可加大供热系统的调峰能力,保持电厂供热机组恒定负荷运行,在用户热负荷较低时,蓄能罐将多余的供热量储存在罐体内;当室外气温降低,热负荷增加,而供热机组的供热能力不能满足用户热负荷的需求时蓄能罐将放热,将储存在罐体内的热量与供热机组的恒定供热量共同供给用户,以满足高峰热负荷的需要[2-4]。为了平衡热源的运行,使之相对稳定运行,在热电厂建设蓄能罐对提高热电厂的供热能力降低热电厂的供热量波动提高供热质量节约能源都具有重要的作用与意义。

        2 蓄能罐的分类、原理简介

        2.1 蓄能罐的分类

        蓄能罐有多种形式,以压力变化情况分,蓄能罐可分为变压式蓄能罐和定压式蓄能罐。变压式蓄能罐又有两种:直接储存蒸汽的储汽器;储存热水和小部分蒸汽的变压式蒸汽蓄能罐。定压式蓄能罐又有常压式蓄能罐和有压式蓄能罐两类。

        由于区域供热系统的特点,区域供热系统中使用的蓄能罐通常为常压式或有压式热水蓄能罐,建造有压式蓄能罐的成本要比建造常压式蓄能罐的成本高。

        在集中供热系统中,多采用常压式蓄能罐,以下简称蓄能罐。因其为外形类似于轻油储油罐的保温罐体,又称为蓄能罐。内部储存热水,因为工作压力为常压,最高工作水温不高于98℃。

        2.2 蓄能罐的原理

        蓄能罐的工作原理是利用水的分层原理,水温不同,水的密度不同,在一个足够大容器中,热水在上,冷水在下,中间为过渡层。

        蓄能罐就是根据水的分层原理设计和工作的,并使其工作保持在高效率。

        蓄热时,热水从上部水管进入,冷水从下部水管排出,过渡层下移;放热时,热水从上部水管排出,冷水从下部水管进入,过渡层上移。图1为蓄能罐的结构简图和沿罐体高度的温度分布示意图。


图1 蓄能罐的结构简图和温度分布示意图

        2.3 蓄能罐容积的确定

        蓄能罐容积根据蓄能罐蓄热量确定。蓄能罐蓄热量有很多计算方法,如分段积分曲线法、高峰负荷计算法、充热时间计算法等[5]。

        本文以北京某热电联产项目为例,采用不同时段内的平均热负荷法确定蓄热量。

        案例:供热面积约600万平方米,以公共建筑为主,供热负荷为280MW,供热采用热电联产,基础热源供热能力为200MW,区域内配套建设1座3台29MW燃气热水调峰锅炉,设计温度为130/70℃;该区域供冷面积为115万平方米,供冷负荷为100MW。

        由于热用户建筑性质为公共建筑,用热时间集中在早06:00至晚22:00,该时间段内需保证室内温度为18℃,晚22:00至次日早06:00,按室内温度维持8℃考虑。

        蓄能罐所蓄热量来源为基础热源,因此以基础热源200MW核算不同时段内的平均热负荷,具体见下图2。

图2  不同室外温度下,室内温度18℃及8℃时,热负荷

        由上述数据可以看出,维持室内温度8℃及18℃时,不同室外温度下,其热负荷差为78MW左右。其最大蓄热量为2246GJ。同时考虑整个采暖季昼夜平均温差约为3~4℃,热负荷差取54MW,蓄能罐蓄热能力取1550GJ。

        蓄能罐蓄热1500GJ,蓄能罐热水温度按98℃、冷水按60℃考虑,蓄热容积为9427m3,




        在热电厂内建设一座11000m3的蓄能罐,蓄能罐直径为24米,高25米。

        3 蓄能罐在集中供热系统中的应用

        3.1 蓄能罐在热网中的连接方式

        蓄能罐在热网中连接方式可分为两种,直接和间接两种连接方式,具体采用哪一种连接方式,应结合整个热网系统综合考虑确定。图3为蓄能罐与热网的直接连接方式系统简图,图4为间接连接方式系统简图。


图3 蓄能罐与热网直接连接方式的系统简图


图4 蓄能罐与热网间接连接方式的系统简图

        案例中,采用直接连接形式,具体见下图5,当室外温度低于-0.35℃(根据供水温度曲线,供水温度为98℃)时,采用间接方式连接;当室外温度高于-0.35℃时,采用直接方式连接。


图5 蓄能罐与供热系统的连接

        3.2 热平衡分析

        按达产年600万平方米核算,供热负荷280MW,基础热源为200MW,热化系数为0.71。不同室外温度下,室内温度为8℃、18℃时,热负荷如下表2-1,


图6  不同室外温度下,室内温度18℃及8℃时,热负荷

        通过图6,可以看出,若不启动蓄能罐,需投入调峰热源的室外温度为,


        需启用调峰锅炉,运行时间为67.6天。

        若投入蓄能罐,室外温度达到设计温度-7.6℃时,蓄能罐蓄放热逐时负荷延续图7如下,


图7  蓄能罐蓄放热逐时负荷图

        从上图可以看出,夜间(晚10点至次日早6点),蓄能罐蓄热432MWh,夜间热负荷为210MW,白天(早6点至晚10点)蓄能罐与主热源联合供热,主热源出力为195MW。

        由此可见,室外温度为设计温度-7.6℃时,若投入蓄能罐与主热源联合供热,夜间最大热负荷为210MW,略大于主热源供热能力200MW,需启动调峰锅炉。若按蓄能罐白天16小时均匀放热考虑,放热能力约27MW,室外温度低于-2.66℃时,启动调峰锅炉,运行时间为43.4天。

        3.3 蓄能罐在集中供热中的作用

        蓄能罐在低负荷时能将多余的热能吸收贮存,等负荷变大时再释放出来。

        通过上述分析,可见蓄能罐在集中供热应用中,可以起到削峰填谷的作用,平稳热源负荷,使机组保持在较高的效率下运行,提高经济性;可以满足供热系统高峰负荷,减少装机容量,替代调峰热源;降低因负荷变化所需的大幅度调节,提高经济性;其次,蓄能罐可作为大型应急补水罐,热网出现大的泄漏时,可提供紧急补水,提高供热管网安全性。

        4 蓄能罐在夏季供热系统中的应用

        供冷对象绝大多数为公共建筑,在公共建筑采取节能调节手段后必然产生较大的日负荷波动。因此蓄能罐在供热结束后,可利用冷负荷的波动,进行蓄放冷,削减白天峰值负荷,以减少制冷系统装机容量。同时,可利用分时电价政策,夜间进行蓄冷可降低运行费用。

        4.1 水蓄冷技术

        水蓄冷是在用电低谷时段,以水为介质通过蓄冷水泵将冷水机组与蓄冷设备连接起来,构成水蓄冷循环,将空调系统的能量储存起来;在用电高峰时段,同样以水为介质通过放冷水泵与蓄冷设备连接起来,构成放冷循环,将储存的能量释放给空调系统的热力过程。

        水蓄冷技术适用于非全日制空调工程、昼夜负荷相差悬殊或空调负荷峰谷悬殊的工程(如有些昼夜负荷相差较大的工业性空调;写字楼、商场、体育馆、影剧院等公共建筑)。

        4.2 水蓄冷方案

        水蓄冷空调系统的设备选型及流程设计是以供冷系统的设计日逐时负荷分布为依据的。夏季峰值冷负荷一般在设计日的15:00~16:00左右。采用综合逐时负荷系数法计算出各时段负荷分布如下图8所示。


图8  设计日逐时负荷图

        冷负荷分别在100%、75%、50%、25%时,蓄能罐与主机联合供冷平衡图如下所示。

   

图9  100%、75%、50%、25%负荷下,供冷平衡图

        由图9可以看出,在100%设计日时,其运行工况主要是与主机联合供冷,满足负荷需求,主机全开供冷,不够部分冷量由蓄能罐供冷,蓄能罐的作用是减少主机装机容量,并且同时兼顾节约高峰用电量。非设计日时,在天气发生变化,日负荷较小时,系统将依据实际的冷负荷需求,通过控制系统调节运行模式,自动调整每一时段内蓄能罐供冷及主机供冷的相对应比例,以实现分量储冷模式逐步向全量储冷模式的运行转化,按照蓄能罐优先供冷的原则,最大限度地控制主机在电力高峰期间的运行,节省运行费用。

        5 结  论

        案例中,蓄能罐的利用,用于供热系统,蓄放能力1550GJ,相当于432MWh,可减少1台29MW的调峰锅炉,削减30%的调峰负荷;用于供冷系统,蓄放能力290GJ,相当于80MWh,可减少3000RT的装机容量。

        大型蓄能罐储能技术是我国区域供热供冷领域的一次突破性尝试,在技术和管理两方面进一步缩短和北欧部分区域供热发达国家的差距。其应用必将得到广泛推广,本文的研究工作为大型蓄能罐储能技术的推广应用提供了参考。


参考文献

[1] 吴元林。基于锅炉蓄热的协调控制系统的研究。硕士学位论文。2013年。

[2] 张殿军,闻作祥。热水蓄热器在区域供热系统中的应用。区域供热。2015 6期

[3] 绳开太,曹家枞。锅炉房-蓄热器供热系统的优化运行模式研究。东华大学学报(自然科学版),2003年12月,第29卷 第6期。

[4] 许培德。基于电力蓄冷蓄热技术的探讨。山东电力高等专科学校学报。2011年,第14卷 第4期。

[5] 周根明,姚寿广。蒸汽蓄热器容积及蓄热量的计算方法。华东船舶工业学院学报,1994年3月,第8卷 第1期。


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