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        編者按：由中國(guó)城鎮(zhèn)供熱協(xié)會(huì)與丹麥區(qū)域供熱委員會(huì)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(kāi)，以下為北京市熱力工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司在會(huì)刊中的論文分享。

田立順

北京熱力工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 100027

        摘要：本文以某項(xiàng)目為例，介紹了國(guó)內(nèi)蓄能技術(shù)的利用情況，并對(duì)蓄能罐在集中供熱系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究。文中提出了蓄能罐容積確定的方法。對(duì)蓄能罐與集中供熱系統(tǒng)的連接、提高集中供熱能力進(jìn)行了研究，同時(shí)，為加大蓄能罐的利用率，對(duì)蓄能罐在集中供冷系統(tǒng)中的應(yīng)用也做了一定的研究。本文的研究工作為蓄能技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了參考。

        關(guān)鍵詞：蓄能罐、集中供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)、蓄熱、蓄冷

        目前，國(guó)內(nèi)的集中供熱系統(tǒng)多采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為主熱源、尖峰鍋爐房為調(diào)峰熱源的多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的模式，其運(yùn)行調(diào)節(jié)方式一般采用提前預(yù)測(cè)室外溫度，通過(guò)供回水溫度調(diào)節(jié)曲線采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)方式。這種運(yùn)行和調(diào)節(jié)方式自九十年代在北京市熱力集團(tuán)集中供熱管網(wǎng)中率先應(yīng)用，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保障供熱質(zhì)量和安全、節(jié)能等方面取得了良好的效果，并迅速在全國(guó)的供熱企業(yè)中得到推廣。

        近年來(lái)，住建部在全國(guó)范圍內(nèi)大力推進(jìn)供熱計(jì)量改造，供熱收費(fèi)體制改革，實(shí)現(xiàn)了熱量控制與熱計(jì)量收費(fèi)后，影響最大的將是人們的用熱觀念。用戶主動(dòng)調(diào)節(jié)，熱負(fù)荷波動(dòng)較大。對(duì)供熱系統(tǒng)上游熱源的調(diào)節(jié)特性產(chǎn)生較大影響，熱源必須根據(jù)熱負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)的供熱量調(diào)整，但是目前受熱電廠自控水平的限制以及熱電廠增減負(fù)荷的復(fù)雜性[1]，熱源的供熱量不可能?chē)?yán)格地隨用戶熱需求的變化而及時(shí)調(diào)整，因此室外氣溫的變化將導(dǎo)致用戶室溫的相應(yīng)變化，用熱負(fù)荷調(diào)節(jié)的問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，致使現(xiàn)有供熱系統(tǒng)存在較大的能源浪費(fèi)問(wèn)題。

        1 蓄能罐蓄能技術(shù)的應(yīng)用

        目前，北歐一些集中供熱發(fā)展水平較高的國(guó)家，在多熱源聯(lián)網(wǎng)的集中供熱系統(tǒng)中多在熱電廠設(shè)置蓄能罐來(lái)配合熱電廠、鍋爐房根據(jù)用熱負(fù)荷變化適時(shí)調(diào)整供熱量和整個(gè)供熱系統(tǒng)的日負(fù)荷變化[2]。蓄能罐作為節(jié)能和調(diào)峰設(shè)施，在芬蘭等北歐國(guó)家得到了普遍的應(yīng)用，但是在中國(guó)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(yīng)有的重視。

        蓄能罐儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可加大供熱系統(tǒng)的調(diào)峰能力，保持電廠供熱機(jī)組恒定負(fù)荷運(yùn)行，在用戶熱負(fù)荷較低時(shí)，蓄能罐將多余的供熱量?jī)?chǔ)存在罐體內(nèi)；當(dāng)室外氣溫降低，熱負(fù)荷增加，而供熱機(jī)組的供熱能力不能滿足用戶熱負(fù)荷的需求時(shí)蓄能罐將放熱，將儲(chǔ)存在罐體內(nèi)的熱量與供熱機(jī)組的恒定供熱量共同供給用戶，以滿足高峰熱負(fù)荷的需要[2-4]。為了平衡熱源的運(yùn)行，使之相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行，在熱電廠建設(shè)蓄能罐對(duì)提高熱電廠的供熱能力降低熱電廠的供熱量波動(dòng)提高供熱質(zhì)量節(jié)約能源都具有重要的作用與意義。

        2 蓄能罐的分類(lèi)、原理簡(jiǎn)介

        2.1 蓄能罐的分類(lèi)

        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(chǔ)存蒸汽的儲(chǔ)汽器；儲(chǔ)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(lèi)。

        由于區(qū)域供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，區(qū)域供熱系統(tǒng)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(tǒng)中，多采用常壓式蓄能罐，以下簡(jiǎn)稱蓄能罐。因其為外形類(lèi)似于輕油儲(chǔ)油罐的保溫罐體，又稱為蓄能罐。內(nèi)部?jī)?chǔ)存熱水，因?yàn)楣ぷ鲏毫槌?，最高工作水溫不高?8℃。

        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(gè)足夠大容器中，熱水在上，冷水在下，中間為過(guò)渡層。

        蓄能罐就是根據(jù)水的分層原理設(shè)計(jì)和工作的，并使其工作保持在高效率。

        蓄熱時(shí)，熱水從上部水管進(jìn)入，冷水從下部水管排出，過(guò)渡層下移；放熱時(shí)，熱水從上部水管排出，冷水從下部水管進(jìn)入，過(guò)渡層上移。圖1為蓄能罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和沿罐體高度的溫度分布示意圖。

圖1 蓄能罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jù)蓄能罐蓄熱量確定。蓄能罐蓄熱量有很多計(jì)算方法，如分段積分曲線法、高峰負(fù)荷計(jì)算法、充熱時(shí)間計(jì)算法等[5]。

        本文以北京某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目為例，采用不同時(shí)段內(nèi)的平均熱負(fù)荷法確定蓄熱量。

        案例：供熱面積約600萬(wàn)平方米，以公共建筑為主，供熱負(fù)荷為280MW，供熱采用熱電聯(lián)產(chǎn)，基礎(chǔ)熱源供熱能力為200MW，區(qū)域內(nèi)配套建設(shè)1座3臺(tái)29MW燃?xì)鉄崴{(diào)峰鍋爐，設(shè)計(jì)溫度為130/70℃；該區(qū)域供冷面積為115萬(wàn)平方米，供冷負(fù)荷為100MW。

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

        蓄能罐所蓄熱量來(lái)源為基礎(chǔ)熱源，因此以基礎(chǔ)熱源200MW核算不同時(shí)段內(nèi)的平均熱負(fù)荷，具體見(jiàn)下圖2。

圖2  不同室外溫度下，室內(nèi)溫度18℃及8℃時(shí)，熱負(fù)荷

        由上述數(shù)據(jù)可以看出，維持室內(nèi)溫度8℃及18℃時(shí)，不同室外溫度下，其熱負(fù)荷差為78MW左右。其最大蓄熱量為2246GJ。同時(shí)考慮整個(gè)采暖季晝夜平均溫差約為3～4℃，熱負(fù)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(nèi)建設(shè)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(tǒng)中的應(yīng)用

        3.1 蓄能罐在熱網(wǎng)中的連接方式

        蓄能罐在熱網(wǎng)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(yīng)結(jié)合整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)綜合考慮確定。圖3為蓄能罐與熱網(wǎng)的直接連接方式系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，圖4為間接連接方式系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖3 蓄能罐與熱網(wǎng)直接連接方式的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖4 蓄能罐與熱網(wǎng)間接連接方式的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

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

圖5 蓄能罐與供熱系統(tǒng)的連接

        3.2 熱平衡分析

        按達(dá)產(chǎn)年600萬(wàn)平方米核算，供熱負(fù)荷280MW，基礎(chǔ)熱源為200MW，熱化系數(shù)為0.71。不同室外溫度下，室內(nèi)溫度為8℃、18℃時(shí)，熱負(fù)荷如下表2-1，

圖6  不同室外溫度下，室內(nèi)溫度18℃及8℃時(shí)，熱負(fù)荷

        通過(guò)圖6，可以看出，若不啟動(dòng)蓄能罐，需投入調(diào)峰熱源的室外溫度為，

        需啟用調(diào)峰鍋爐，運(yùn)行時(shí)間為67.6天。

        若投入蓄能罐，室外溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度-7.6℃時(shí)，蓄能罐蓄放熱逐時(shí)負(fù)荷延續(xù)圖7如下，

圖7  蓄能罐蓄放熱逐時(shí)負(fù)荷圖

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

        由此可見(jiàn)，室外溫度為設(shè)計(jì)溫度-7.6℃時(shí)，若投入蓄能罐與主熱源聯(lián)合供熱，夜間最大熱負(fù)荷為210MW，略大于主熱源供熱能力200MW，需啟動(dòng)調(diào)峰鍋爐。若按蓄能罐白天16小時(shí)均勻放熱考慮，放熱能力約27MW，室外溫度低于-2.66℃時(shí)，啟動(dòng)調(diào)峰鍋爐，運(yùn)行時(shí)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(fù)荷時(shí)能將多余的熱能吸收貯存，等負(fù)荷變大時(shí)再釋放出來(lái)。

        通過(guò)上述分析，可見(jiàn)蓄能罐在集中供熱應(yīng)用中，可以起到削峰填谷的作用，平穩(wěn)熱源負(fù)荷，使機(jī)組保持在較高的效率下運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)性；可以滿足供熱系統(tǒng)高峰負(fù)荷，減少裝機(jī)容量，替代調(diào)峰熱源；降低因負(fù)荷變化所需的大幅度調(diào)節(jié)，提高經(jīng)濟(jì)性；其次，蓄能罐可作為大型應(yīng)急補(bǔ)水罐，熱網(wǎng)出現(xiàn)大的泄漏時(shí)，可提供緊急補(bǔ)水，提高供熱管網(wǎng)安全性。

        4 蓄能罐在夏季供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

        供冷對(duì)象絕大多數(shù)為公共建筑，在公共建筑采取節(jié)能調(diào)節(jié)手段后必然產(chǎn)生較大的日負(fù)荷波動(dòng)。因此蓄能罐在供熱結(jié)束后，可利用冷負(fù)荷的波動(dòng)，進(jìn)行蓄放冷，削減白天峰值負(fù)荷，以減少制冷系統(tǒng)裝機(jī)容量。同時(shí)，可利用分時(shí)電價(jià)政策，夜間進(jìn)行蓄冷可降低運(yùn)行費(fèi)用。

        4.1 水蓄冷技術(shù)

        水蓄冷是在用電低谷時(shí)段，以水為介質(zhì)通過(guò)蓄冷水泵將冷水機(jī)組與蓄冷設(shè)備連接起來(lái)，構(gòu)成水蓄冷循環(huán)，將空調(diào)系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；在用電高峰時(shí)段，同樣以水為介質(zhì)通過(guò)放冷水泵與蓄冷設(shè)備連接起來(lái)，構(gòu)成放冷循環(huán)，將儲(chǔ)存的能量釋放給空調(diào)系統(tǒng)的熱力過(guò)程。

        水蓄冷技術(shù)適用于非全日制空調(diào)工程、晝夜負(fù)荷相差懸殊或空調(diào)負(fù)荷峰谷懸殊的工程（如有些晝夜負(fù)荷相差較大的工業(yè)性空調(diào)；寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、體育館、影劇院等公共建筑）。

        4.2 水蓄冷方案

        水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備選型及流程設(shè)計(jì)是以供冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷分布為依據(jù)的。夏季峰值冷負(fù)荷一般在設(shè)計(jì)日的15:00~16:00左右。采用綜合逐時(shí)負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算出各時(shí)段負(fù)荷分布如下圖8所示。

圖8  設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷圖

        冷負(fù)荷分別在100%、75%、50%、25%時(shí)，蓄能罐與主機(jī)聯(lián)合供冷平衡圖如下所示。

   

圖9  100%、75%、50%、25%負(fù)荷下，供冷平衡圖

        由圖9可以看出，在100％設(shè)計(jì)日時(shí)，其運(yùn)行工況主要是與主機(jī)聯(lián)合供冷，滿足負(fù)荷需求，主機(jī)全開(kāi)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(jī)裝機(jī)容量，并且同時(shí)兼顧節(jié)約高峰用電量。非設(shè)計(jì)日時(shí)，在天氣發(fā)生變化，日負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)將依據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷需求，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式，自動(dòng)調(diào)整每一時(shí)段內(nèi)蓄能罐供冷及主機(jī)供冷的相對(duì)應(yīng)比例，以實(shí)現(xiàn)分量?jī)?chǔ)冷模式逐步向全量?jī)?chǔ)冷模式的運(yùn)行轉(zhuǎn)化，按照蓄能罐優(yōu)先供冷的原則，最大限度地控制主機(jī)在電力高峰期間的運(yùn)行，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

        5 結(jié)  論

        案例中，蓄能罐的利用，用于供熱系統(tǒng)，蓄放能力1550GJ，相當(dāng)于432MWh，可減少1臺(tái)29MW的調(diào)峰鍋爐，削減30%的調(diào)峰負(fù)荷；用于供冷系統(tǒng)，蓄放能力290GJ，相當(dāng)于80MWh，可減少3000RT的裝機(jī)容量。

        大型蓄能罐儲(chǔ)能技術(shù)是我國(guó)區(qū)域供熱供冷領(lǐng)域的一次突破性嘗試，在技術(shù)和管理兩方面進(jìn)一步縮短和北歐部分區(qū)域供熱發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。其應(yīng)用必將得到廣泛推廣，本文的研究工作為大型蓄能罐儲(chǔ)能技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了參考。