大型蓄熱水罐系統在城市集中供熱系統中的研究

中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司 孟勝利 李凱強 何 垚 李孟陽

城市集中供熱系統是城市能源建設的一項基礎設施，關乎一個城市的發展。熱電聯產機組和區域鍋爐房作為城市集中供熱的主要熱源，為城市的能源供給提供了巨大的支撐；同時，由于以煤炭為主要燃料，熱電聯產機組和區域鍋爐房也是城市煤炭能源消費的主力。在當前節能減排和環境保護的新形勢下，如何在滿足城市熱量需求的前提下提高機組運行效率、減少能源消耗、降低污染物排放，已經成為城市集中供熱系統的發展方向。

城市集中供暖的供熱負荷主要受環境溫度的影響并隨溫度變化而變化，在一天內出現明顯的的波動，熱負荷高峰往往出現在凌晨3～5點左右，熱負荷低谷出現在下午3～5點左右。因此，在實際運行中：當熱網負荷處于熱負荷低谷段其值低于平均熱負荷，僅由熱電廠對熱網供熱，此時熱電廠不能處于滿負荷狀態運行，其熱經濟性降低；當熱網負荷處于熱負荷曲線波峰段其值高于平均熱負荷，需供熱成本較高的調峰熱源投入使用，彌補缺失的熱量，滿足熱負荷需求。

熱網負荷的波動一方面使熱電廠機組不能處于滿負荷運行，降低機組效率和熱經濟性，一方面會增加調峰熱源的設置，增大調峰期間的熱網運行成本。如果能把熱網在峰值附近的負荷轉移到低谷處，那不僅能使熱電廠保持較高的機組效率和熱經濟性，還能減少熱負荷峰值、減少調峰鍋爐的臺數，更能降低整體的供熱成本。為了實現熱負荷的轉移，就需要將熱量在熱負荷較低的情況下儲存起來，在熱負荷較高的情況下釋放出去，從而實現能量的“轉移”。對于城市集中供熱系統，這一過程需要通過大型蓄熱水罐系統來實現。

1 大型蓄熱水罐系統

大型蓄熱水罐系統是指通過大型蓄熱水罐的充能、儲存和釋放過程，使熱能可在熱網溫度、熱源發生變化時使用的系統。熱能儲蓄系統可根據城市集中供熱系統熱負荷的變化切換蓄熱和放熱狀態，對供熱管網進行調節，從而對集中供暖日負荷起到削峰填谷的作用。大型蓄熱水罐系統的工作原理如圖1（1熱網循環泵、2電動調節閥、3混水用電動調節閥、4蓄熱用電動調節閥、5放熱用水泵、6換熱站、7熱電廠、8蓄熱水罐、9熱用戶、蓄熱用水泵）：

圖1 蓄熱水罐系統運行原理圖

當環境溫度較高時，用戶端熱負荷小于熱電廠機組負荷，用戶需熱量小于熱電廠機組供熱量。此時，打開蓄熱用電動調節閥4和蓄熱用水泵10，蓄熱水罐8作為熱用戶連接管網投入使用，將熱量儲存在蓄熱罐8內，保證管網熱用戶熱量與其需熱量相匹配。當環境溫度較低時，用戶端熱負荷大于熱電廠機組負荷，用戶需熱量大于熱電廠機組供熱量，此時打開放熱用電動調節閥2和放熱用水泵5，蓄熱水罐8作為熱源接入管網，將熱量輸入管網，保證管網供熱量與用戶需熱量匹配。蓄熱水罐根據用戶熱負荷和熱源熱負荷的大小關系，切換蓄熱和放熱模式，保證熱用戶的用熱需求得到滿足。

大型蓄熱水罐蓄熱技術在歐洲具有成熟的理論體系，已被深入研究。Bogdan and Kopjar[1]的研究表明，使用大型蓄熱水罐的熱電聯產供熱機組具有良好的經濟效益和環保效益。Verda and Colella[2]分別對都靈（意大利）城市熱網兩個時間段的熱負荷進行了分析，在最大熱負荷為600MW、使用3000m3的熱水儲罐系統可將最大熱負荷削減為508MW，使用10000m3的熱水儲罐系統可將最大熱負荷削減為400MW；在熱網最大熱負荷為900MW時，使用3000m3的熱水儲罐系統可將最大熱負荷削減為800MW，使用10000m3的熱水儲罐系統可將最大熱負荷削減為680MW。Pagliarini and Rainieri[3]的研究指出，使用帶有蓄熱水罐的熱電聯產區域供熱系統，可減少調峰鍋爐的使用，具有顯著的經濟效益。Romanchenko[4]研究表明，帶蓄熱水罐系統的集中供熱系統運行費用較不帶蓄熱水罐系統減少2%。

大型蓄熱水罐系統在歐洲北部國家也得到了廣泛應用。在丹麥馬斯塔爾，一座75000m3的蓄熱罐被用于太陽能、生物質有機朗肯循環和熱泵耦合項目，用以全年持續供熱[5]。在丹麥的Vojens，一座200000m3的蓄熱水于用于當地城市區域供熱[6]。在冰島，一座101000m3的蓄熱水被用于供熱削峰[7]。此外，在芬蘭等國家還有大量10000～20000m3的蓄熱水罐用于集中供熱系統。2006年北京左家莊蓄熱廠8000m3蓄熱水罐工程投入使用，用于對熱負荷削峰填谷，該工程系蓄熱水罐在我國城市集中供熱管網的首次應用[8]。大型蓄熱罐技術雖然已經十分成熟且在國外得到廣泛應用，其在國內集中供熱工程的應用尚需發展。

2 大型蓄熱水罐的削峰功能

本文以鄭州市為研究對象，選取其最冷月一天的供暖日負荷變化進行分析，結合鄭州市的集中供熱情況對大型蓄熱水罐的調峰功能進行分析。根據鄭州市《鄭州市城市集中供熱規劃（2018-2030）》，2017年鄭州市集中采暖熱負荷為8107MW、平均采暖熱負荷為5845MW，以熱電廠為基礎熱源，以燃氣鍋爐熱源廠為調峰熱源。圖2給出了當天的溫度變化，可看出：最高溫度出現在下午三點，為6.0℃；最低溫度出現在凌晨4點，為-3℃，平均溫度為1.4℃。當天任一時刻的熱負荷可根據Q=Qmax(tn-t)/(tn-tw)進行計算，式中：Qmax為集中供熱采暖最大熱負荷，MW；tn為采暖期室內設計溫度，取18℃；tw為采暖期室外計算溫度，取-3.5℃；t為某一時刻的溫度，℃。

圖2表示的是當天熱負荷隨溫度的逐時變化曲線。可看出晚上11點到早上3點及早上5點到早上9點熱負荷穩定在較高值，為7000MW左右、為熱負荷穩定段，早上4點左右進入熱負荷的尖峰段、峰值負荷為7925MW，早上10點到晚上11點負荷較小，谷值出現在下午三點左右、為4520MW。圖中區域1的負荷低于集中供熱的平均熱負荷，此時熱電廠的熱負荷大于集中供暖所需要的熱負荷，經計算，富余的熱量約為5840MWh。圖中區域2的熱負荷大于集中供熱的平均熱負荷，需調峰熱源投入使用彌補缺失的熱量，經計算缺失的熱量約為15640MWh。通過使用蓄熱水罐系統可將區域1內的熱量進行儲存，在熱負荷達到峰值時釋放熱量，既可保證熱電廠機組在較高的效率下運行、提高熱經濟性，又可替代燃氣鍋爐熱源廠削減熱負荷峰值，減少部分調峰鍋爐房的設置。

圖2 鄭州市最冷月一天溫度變化

為研究蓄熱水罐的容量對熱網熱負荷的削峰作用，分別設置蓄熱罐的容量為500MWh、1000MWh、1500MWh、2000MWh、2500MWh、4000MWh、6000MWh進行分析。圖4～10分別給出了7種蓄熱罐容量對熱網熱負荷的削峰效果，可看出，通過蓄熱水罐系統的調峰熱負荷的峰值分別降低 至7450MW、7220MW、7130MW、7080MW、7020MW、6870MW、6670MW，削峰負荷分別為475MW、705MW、 795MW、845MW、905MW、1055MW、1255MW。

圖4 容量為500MWh的熱負荷削峰效果

圖5 容量為1000MWh的熱負荷削峰效果

圖6 容量為1500MWh的熱負荷削峰效果

圖7 容量為2000MWh的熱負荷削峰效果

圖8 容量為2500MWh的熱負荷削峰效果

圖9 容量為4000MWh的熱負荷削峰效果

圖10 容量為6000MWh的熱負荷削峰效果

圖11給出了蓄熱水罐容量與其對削峰負荷的關系，當蓄熱罐容量低于1100MWh時，削峰范圍處于熱負荷尖峰段，削峰負荷隨蓄熱罐的容量增長較快，削峰效果顯著；當蓄熱罐容量大于1100MWh時，其削峰范圍超過熱負荷尖峰范圍段，進入熱負荷平穩段，削峰負荷隨蓄熱罐容量改變的趨勢逐漸變緩，削峰效果減弱，削減同樣的熱負荷在熱負荷曲線穩定段需要更大的蓄熱罐容量。

圖11 蓄熱水罐容量與削峰負荷的變化

另外從圖3中知道，當天最大的蓄熱量由熱負荷的波谷段決定，為5840MWh，超過此范圍的蓄熱量需由當天之前一段時間的熱負荷情況所確定。因此當蓄熱罐的容量超過當天最大的蓄熱量時，便需進一步研究一周內或半月內的熱負荷變化，取得蓄熱罐容量的最優值，這也是下一步工作開展的方向。

圖3 鄭州市最冷月一天熱負荷變化

綜上，大型蓄熱水罐系統作為城市集中供熱系統集中調節的一種方式具有以下功能：保證了熱電聯產機組的運行效率和熱經濟性，節約了能源消耗；對熱負荷波峰起削峰作用，減少了調峰鍋爐房的設置，降低了集中供熱整體供熱成本；使熱網調節更靈活，及時根據用戶熱負荷的變化調節供熱負荷，提高了用戶體驗的舒適性。在確定大型蓄熱水罐的容量時，容量小于熱負荷曲線尖峰段內熱量時其削峰效果最好，當容量處于熱負荷曲線穩定段熱量時削峰效果減弱。