論述蓄能系統中蓄能罐的工作原理

常立宏

【摘 要】隨著電力經濟的飛速發展，大容量、大機組、清潔能源逐漸成為電力發展的主流，但是隨之暴露了一個問題，那就是電力發展的速度高于我國經濟發展的速度，特別是在鋼鐵、石油、煤炭、重金屬等大量去產能的背景下，全國大部分電廠的負荷率在50%左右徘徊，特別是一些裝機容量在200MW的機組，在極寒地區，冬季供熱時間長，晚間供熱負荷低，如何平衡機組出力和供熱的問題擺在了我們面前，蓄能罐的出現使這個問題成為了可能。

【關鍵詞】蓄能罐 熱網 調峰

本文主要對東北等極寒地區小容量熱電機組在極寒天氣情況下，在白天溫度高，負荷高，夜間溫度低，負荷低的情況下，如何使白天機組出力大，供熱抽汽流量大，白天多產生的熱量如何在夜間負荷低的工況下發揮作用。那么這部分熱量如何儲存，眾所周知，水的蓄熱能力強，水蓄能罐很好地解決了晝夜負荷和供熱之間的平衡問題，利用水蓄能罐過渡層的上移和下移實現水中熱能的存儲和釋放，筆者將就蓄能罐在蓄熱系統中發揮的作用進行詳細論述。

1 蓄能罐工作原理

蓄能罐內部儲存熱水，因為工作壓力為常壓，最高工作溫度不高于98℃。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，這就是蓄能罐內水的分層原理。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。

蓄能罐工作過程的實質就是其蓄熱放熱過程，在用戶低負荷時，將多余的熱能吸收儲存，等負荷上升時再放出使用。蓄能罐工作時，應保證其進出口水量平衡，保持其液面穩定，使其處于最大工作能力。另外，為避免蓄能罐內的水溶解氧而被帶入熱網，降低熱網水質，蓄能罐內的液面上通常充入蒸汽（或氮氣），保持微正壓，使蓄能罐內的水和空氣隔離。

蓄能罐的工作原理如圖1所示。

2 蓄能罐的結構

蓄熱系統的組成包含有蓄能罐本體，蓄熱系統、放熱系統、制氮系統及附屬系統等。其中蓄能罐本體主要包含有：蓄能罐罐體、蓄能罐罐底、蓄能罐拱頂、蓄能罐上下布水盤、蓄能罐盤梯以及蓄能罐平臺等部件，蓄能罐本體主要采用碳鋼材料。其中內部上下布水盤為蓄放熱的重要部件。布水盤的結構考慮蓄放熱過程的速率，控制罐體內的流場。上布水盤吊裝于罐體頂部，下布水盤采用下部支撐方法安裝與罐體底部。

3 蓄能罐在熱力系統中位置

蓄能罐在熱網中有直接和間接兩種連接方式，直接連接方式是指熱水循環泵經汽水換熱器到用戶，在供回水管路中，熱水罐直接通過熱水泵、調整門將熱水罐上部的熱水打入供水管路，回水管路再經調門進入熱水罐底部；間接連接方式是指熱水循環泵經汽水換熱器到用戶，在供回水管路中，蓄能罐和供回水的連接之間多了一個換熱器，換熱器的存在使正常運行中蓄能罐內的水和熱網的水之間不會直接接觸，從而保證了熱網的水質。

直接連接系統相對簡單，較間接連接系統設備投資少，運行也相對簡便。但是直接連接系統中熱網水直接流入蓄能罐系統，如果蓄能罐微正壓控制不好，容易在水中混入空氣，流入熱網，造成管網水質下降。間接連接系統相對復雜，較直接連接系統投資有所增加，運行也相對復雜，但該系統中的熱網水與蓄能罐系統中的水不混合，對水質沒有影響。

4 蓄熱和放熱時間的選擇

一般情況下，白天時期，供電負荷需求量大，發電機組負荷率大；晚上時期，供電負荷需求量小，發電機組負荷率小。當機組改為供熱機組時，電負荷的波動給供熱造成影響，而白天電負荷大，晚上電負荷小的特點也為蓄熱系統應用提供一個可能。

蓄能罐在供熱過程中起到削峰填谷的作用。白天機組電負荷較高時，同時供熱能力也較大，通過一部分抽汽對蓄能罐蓄熱；晚上機組電負荷較低，同時供熱能力降低，這時供熱能力不足的部分用蓄能罐進行放熱。而在蓄熱系統設計時，蓄熱和放熱的時間選擇時蓄熱系統設計的重要因素，因此必須結合機組實際運行情況來分析。

表1為某電廠所提供的機組在未進行供熱改造之前，機組的電負荷情況在一天當中的變化情況統計表。

從表1我們可以看出，某電廠在往年運行過程中，白天負荷較高，負荷率維持在75%以上，晚上基本上負荷率維持60%左右。

某電廠在經過供熱改造之后，建設蓄能罐項目，在機組運行時，保證電負荷和供熱負荷的情況下，白天將多余的抽汽用蓄能罐進行蓄熱，然后晚上放熱，實行供熱的削峰填谷功能，從而為電廠帶來更多的經濟效益。

本蓄能罐項目中的蓄能罐運行以完成一次蓄熱和放熱過程為一個周期。根據上面分析，本項目在選型蓄能罐的時，將白天蓄熱時間定為17小時，晚上放熱時間定為7小時。

5 熱力系統及相關參數選型

完整的蓄熱系統包括蓄能罐本體、蓄熱系統、放熱系統、制氮系統及附屬系統等。蓄能罐本體本方案中設計容量為8000m3，高度25m，主體采用鋼結構形式，為了防止頂部腐蝕在蓄能罐頂部設置一套制氮系統，運行時，蓄能罐頂部空間注滿氮氣。

蓄熱系統：在進行蓄熱時，在供水母管上引出一根DN300的熱水管進入到蓄能罐上部；另外由于熱網首站設計供回水溫度120/70℃，而蓄能罐設計供水溫度為98℃，為了匹配溫度，在熱網循環水泵與熱網首站之間引出一根DN200的冷卻水管用于混合至蓄能罐中的熱水；對蓄能罐進行蓄熱的時候為了保證水位穩定，同時滿足蓄熱17h的要求，設置2臺蓄熱泵，1用1備，單臺泵流量600t/h。

放熱系統：在進行放熱時，為了滿足放熱7h的要求，設置2臺放熱泵，1用1備，單臺泵流量1250t/h；所蓄熱水直接接至熱網首站出水母管之后。在供熱高寒期時，熱網水所供溫度大于蓄能罐所需溫度時，可以通過調節首站熱網水出口溫度來進行最終供水溫度。為了保持蓄能罐穩定蓄放熱，在回水處設置電動蝶閥進行補水。

6 蓄能罐在熱力系統中發揮的作用

在熱電聯產區域供熱系統中應用蓄熱系統具有多方面的作用與效益：

6.1 加強熱電廠的經濟運行，穩定熱電廠運行

使用蓄熱系統的主要效益是在同樣熱負荷狀態下能夠提高熱電廠的發電生產（減少熱電廠的凝汽運行），減少熱電廠部分負荷運行。此時蓄能罐可被看作為熱源與熱用戶之間的緩沖器，主要用于平衡熱負荷（消除峰值）并為熱源（與輸配）提供靈活性。考慮峰谷電價，在熱電廠應用蓄能罐實現發電的靈活性與自由度，提高熱電廠的經濟性。

6.2 蓄能罐是熱網安全運行的保障

當供熱系統水泵因意外原因而突然停止運行時，將產生水擊，使電廠內部與熱力管網遭到很大的破壞。如果供熱系統裝備有蓄能罐，它將大大緩解水擊造成的高壓振蕩，減輕水擊造成的破壞與災難。

6.3 蓄能罐是供熱系統的備用熱源

某熱源因故而停止供熱時，蓄能罐可以及時運行補充供熱，防止造成大面停熱狀態。

7 結語

筆者主要對熱網系統中的蓄能罐從工作原理、結構組成、具體布置、蓄熱、放熱時間選擇、熱力系統設備參數選型、蓄能罐的作用全方位多角度對熱網系統中的蓄能罐進行了探析，使極寒地區的熱電機組在面臨低負荷高供熱壓力使有一個好的供熱思路，當然蓄能罐在熱力系統發揮的作用畢竟有限，如裝機容量過小、機組供熱抽汽量有限的話，還可以在汽輪機抽汽改造上下功夫，解決冬季低負荷供熱的難題。