論述蓄能系統(tǒng)中蓄能罐的工作原理

常立宏

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

【關(guān)鍵詞】蓄能罐 熱網(wǎng) 調(diào)峰

本文主要對東北等極寒地區(qū)小容量熱電機(jī)組在極寒天氣情況下，在白天溫度高，負(fù)荷高，夜間溫度低，負(fù)荷低的情況下，如何使白天機(jī)組出力大，供熱抽汽流量大，白天多產(chǎn)生的熱量如何在夜間負(fù)荷低的工況下發(fā)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(qiáng)，水蓄能罐很好地解決了晝夜負(fù)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(shí)現(xiàn)水中熱能的存儲和釋放，筆者將就蓄能罐在蓄熱系統(tǒng)中發(fā)揮的作用進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 蓄能罐工作原理

蓄能罐內(nèi)部儲存熱水，因?yàn)楣ぷ鲏毫槌海罡吖ぷ鳒囟炔桓哂?8℃。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(nèi)水的分層原理。蓄能罐就是根據(jù)水的分層原理設(shè)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(jìn)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(jìn)入，過渡層上移。

蓄能罐工作過程的實(shí)質(zhì)就是其蓄熱放熱過程，在用戶低負(fù)荷時，將多余的熱能吸收儲存，等負(fù)荷上升時再放出使用。蓄能罐工作時，應(yīng)保證其進(jìn)出口水量平衡，保持其液面穩(wěn)定，使其處于最大工作能力。另外，為避免蓄能罐內(nèi)的水溶解氧而被帶入熱網(wǎng)，降低熱網(wǎng)水質(zhì)，蓄能罐內(nèi)的液面上通常充入蒸汽（或氮?dú)猓３治⒄龎海剐钅芄迌?nèi)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(jié)構(gòu)

蓄熱系統(tǒng)的組成包含有蓄能罐本體，蓄熱系統(tǒng)、放熱系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)及附屬系統(tǒng)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(nèi)部上下布水盤為蓄放熱的重要部件。布水盤的結(jié)構(gòu)考慮蓄放熱過程的速率，控制罐體內(nèi)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(tǒng)中位置

蓄能罐在熱網(wǎng)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(huán)泵經(jīng)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(diào)整門將熱水罐上部的熱水打入供水管路，回水管路再經(jīng)調(diào)門進(jìn)入熱水罐底部；間接連接方式是指熱水循環(huán)泵經(jīng)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(yùn)行中蓄能罐內(nèi)的水和熱網(wǎng)的水之間不會直接接觸，從而保證了熱網(wǎng)的水質(zhì)。

直接連接系統(tǒng)相對簡單，較間接連接系統(tǒng)設(shè)備投資少，運(yùn)行也相對簡便。但是直接連接系統(tǒng)中熱網(wǎng)水直接流入蓄能罐系統(tǒng)，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(wǎng)，造成管網(wǎng)水質(zhì)下降。間接連接系統(tǒng)相對復(fù)雜，較直接連接系統(tǒng)投資有所增加，運(yùn)行也相對復(fù)雜，但該系統(tǒng)中的熱網(wǎng)水與蓄能罐系統(tǒng)中的水不混合，對水質(zhì)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(fù)荷需求量大，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率大；晚上時期，供電負(fù)荷需求量小，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率小。當(dāng)機(jī)組改為供熱機(jī)組時，電負(fù)荷的波動給供熱造成影響，而白天電負(fù)荷大，晚上電負(fù)荷小的特點(diǎn)也為蓄熱系統(tǒng)應(yīng)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(jī)組電負(fù)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(jī)組電負(fù)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(jìn)行放熱。而在蓄熱系統(tǒng)設(shè)計時，蓄熱和放熱的時間選擇時蓄熱系統(tǒng)設(shè)計的重要因素，因此必須結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況來分析。

表1為某電廠所提供的機(jī)組在未進(jìn)行供熱改造之前，機(jī)組的電負(fù)荷情況在一天當(dāng)中的變化情況統(tǒng)計表。

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

某電廠在經(jīng)過供熱改造之后，建設(shè)蓄能罐項(xiàng)目，在機(jī)組運(yùn)行時，保證電負(fù)荷和供熱負(fù)荷的情況下，白天將多余的抽汽用蓄能罐進(jìn)行蓄熱，然后晚上放熱，實(shí)行供熱的削峰填谷功能，從而為電廠帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

本蓄能罐項(xiàng)目中的蓄能罐運(yùn)行以完成一次蓄熱和放熱過程為一個周期。根據(jù)上面分析，本項(xiàng)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(tǒng)及相關(guān)參數(shù)選型

完整的蓄熱系統(tǒng)包括蓄能罐本體、蓄熱系統(tǒng)、放熱系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)及附屬系統(tǒng)等。蓄能罐本體本方案中設(shè)計容量為8000m3，高度25m，主體采用鋼結(jié)構(gòu)形式，為了防止頂部腐蝕在蓄能罐頂部設(shè)置一套制氮系統(tǒng)，運(yùn)行時，蓄能罐頂部空間注滿氮?dú)狻?/p>

蓄熱系統(tǒng)：在進(jìn)行蓄熱時，在供水母管上引出一根DN300的熱水管進(jìn)入到蓄能罐上部；另外由于熱網(wǎng)首站設(shè)計供回水溫度120/70℃，而蓄能罐設(shè)計供水溫度為98℃，為了匹配溫度，在熱網(wǎng)循環(huán)水泵與熱網(wǎng)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(jìn)行蓄熱的時候?yàn)榱吮ＷC水位穩(wěn)定，同時滿足蓄熱17h的要求，設(shè)置2臺蓄熱泵，1用1備，單臺泵流量600t/h。

放熱系統(tǒng)：在進(jìn)行放熱時，為了滿足放熱7h的要求，設(shè)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(wǎng)首站出水母管之后。在供熱高寒期時，熱網(wǎng)水所供溫度大于蓄能罐所需溫度時，可以通過調(diào)節(jié)首站熱網(wǎng)水出口溫度來進(jìn)行最終供水溫度。為了保持蓄能罐穩(wěn)定蓄放熱，在回水處設(shè)置電動蝶閥進(jìn)行補(bǔ)水。

6 蓄能罐在熱力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用

在熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱系統(tǒng)中應(yīng)用蓄熱系統(tǒng)具有多方面的作用與效益：

6.1 加強(qiáng)熱電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，穩(wěn)定熱電廠運(yùn)行

使用蓄熱系統(tǒng)的主要效益是在同樣熱負(fù)荷狀態(tài)下能夠提高熱電廠的發(fā)電生產(chǎn)（減少熱電廠的凝汽運(yùn)行），減少熱電廠部分負(fù)荷運(yùn)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(fù)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(yīng)用蓄能罐實(shí)現(xiàn)發(fā)電的靈活性與自由度，提高熱電廠的經(jīng)濟(jì)性。

6.2 蓄能罐是熱網(wǎng)安全運(yùn)行的保障

當(dāng)供熱系統(tǒng)水泵因意外原因而突然停止運(yùn)行時，將產(chǎn)生水擊，使電廠內(nèi)部與熱力管網(wǎng)遭到很大的破壞。如果供熱系統(tǒng)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(zāi)難。

6.3 蓄能罐是供熱系統(tǒng)的備用熱源

某熱源因故而停止供熱時，蓄能罐可以及時運(yùn)行補(bǔ)充供熱，防止造成大面停熱狀態(tài)。

7 結(jié)語

筆者主要對熱網(wǎng)系統(tǒng)中的蓄能罐從工作原理、結(jié)構(gòu)組成、具體布置、蓄熱、放熱時間選擇、熱力系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)選型、蓄能罐的作用全方位多角度對熱網(wǎng)系統(tǒng)中的蓄能罐進(jìn)行了探析，使極寒地區(qū)的熱電機(jī)組在面臨低負(fù)荷高供熱壓力使有一個好的供熱思路，當(dāng)然蓄能罐在熱力系統(tǒng)發(fā)揮的作用畢竟有限，如裝機(jī)容量過小、機(jī)組供熱抽汽量有限的話，還可以在汽輪機(jī)抽汽改造上下功夫，解決冬季低負(fù)荷供熱的難題。