論述蓄能系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)的工作原理

王相軍

【摘 要】隨著經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，城市化建設(shè)逐漸向偏遠地區(qū)發(fā)展，供熱面積也隨之增大，越來越多的供熱換熱站建立起來。高寒地區(qū)因地廣人稀，且換熱站監(jiān)控自動化水平低，主要依靠人工操作，從而導致值班人員多，熱電廠和供熱換流站和供熱用戶任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響熱力系統(tǒng)整體狀態(tài)。本文主要就熱力系統(tǒng)中的蓄能系統(tǒng)，就其作用進行詳細論述。

【關(guān)鍵詞】蓄能系統(tǒng) 供熱系統(tǒng) 連接

供熱對于北方的城市來說是重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，傳統(tǒng)的分散供熱方式會造成能源浪費、環(huán)境污染，已不適應(yīng)現(xiàn)代社會的發(fā)展需要，集中供熱能解決這些問題，因此，發(fā)展集中供熱在快速發(fā)展城市化進程中顯得非常迫切和非常必要的，本文所論述的熱力系統(tǒng)主要指的就是集中供熱的熱力系統(tǒng)。集中供熱的熱效率較高，有助于節(jié)能減排，供熱效果好，熱源一般采用熱電廠的余熱蒸汽或熱水。隨著國家對城市化進程的不斷推動，城市熱用戶不斷增加，熱用量不斷的加大，怎樣才能更好、更有效地對整個熱網(wǎng)進行管理，實現(xiàn)熱網(wǎng)的可靠經(jīng)濟運行就成為人們迫切關(guān)注的問題，而蓄能系統(tǒng)就是在這樣的背景下應(yīng)運而生，它不僅起到了節(jié)能的作用，還肩負著調(diào)峰期間蓄能供熱的重任，并提高了供熱系統(tǒng)的可靠性。

1 集中供熱系統(tǒng)的組成

集中供熱系統(tǒng)包括熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三部分。熱力系統(tǒng)中的初始水經(jīng)汽輪機抽汽加熱，一般為三級加熱器，經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵和電動濾水器至換熱站。換熱站是集中供熱網(wǎng)絡(luò)與熱用戶的接口，是熱源與熱用戶之間的“熱交換站”，換熱站能否高效運行對改善整個熱網(wǎng)的熱力不足、提高供熱的品質(zhì)起著重要作用。換熱站熱力系統(tǒng)由一次網(wǎng)供回水系統(tǒng)、二次網(wǎng)供回水系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、熱計量系統(tǒng)組成，各部分之間相互關(guān)聯(lián)相互作用。熱源經(jīng)過一次網(wǎng)供水管路進入熱交換器，經(jīng)過充分的熱交換后，再由一次網(wǎng)回水管路流回熱源。而二次網(wǎng)中的水在熱交換器中充分受熱后經(jīng)二次網(wǎng)供水管路進入熱用戶，用戶取得熱量后，二次網(wǎng)循環(huán)泵將水通過二次網(wǎng)回水管路再進入熱交換器，如此循環(huán)供熱給用戶。在蓄能系統(tǒng)中蓄熱罐是最重要的組成部分，它是蓄能系統(tǒng)的核心。

2 蓄熱罐工作原理

蓄熱罐內(nèi)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，這就是蓄熱罐內(nèi)水的分層原理。蓄熱罐就是根據(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。

蓄熱罐的工作原理如圖1所示。

3 蓄熱罐的分類

從常用的供熱系統(tǒng)中的蓄熱罐的熱介質(zhì)來看，水是迄今為止普遍采用的最有利的熱介質(zhì)。水和其它熱介質(zhì)相比其優(yōu)點有：

（l）容易獲得，價格一般低廉；

（2）無毒性、無腐蝕性或其它有害的作用；

（3）具有相對高的比蓄熱量；

（4）和供汽鍋爐的工質(zhì)相一致，在蓄熱罐中，水既是蓄熱介質(zhì)，又是傳熱介質(zhì)，因此可省去熱交換器，水作為熱介質(zhì)的不利之處是沸點較低。用水蓄熱時，水溫常需超過100℃。如要多蓄熱能，就必須提高壓力，才能升高水溫，為此需用相應(yīng)的壓力容器來貯水。一般壓力愈高，水的沸點愈高，蓄熱量愈多，而壓力卻隨水溫的上升而陡增。為此，也曾研究過其它熱介質(zhì)，大多數(shù)是化合物。這些化合物具有較高的沸點，因此可以在較高的溫度和較低的壓力下運行，但是價格昂貴，需用熱交換器等相當復(fù)雜的裝置。且有時有毒性和/或腐蝕性，所以迄今其實際應(yīng)用范圍極小。

4 蓄熱罐在熱力系統(tǒng)的連接

蓄熱罐在熱網(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，蓄熱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熱罐內(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)。

5 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(fā)電機組負荷率大；晚上時期，供電負荷需求量小，發(fā)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(tǒng)應(yīng)用提供一個可能。

蓄熱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熱罐蓄熱；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熱罐進行放熱。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)合機組實際運行情況來分析。

下表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(tǒng)計表。如表1所示。

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(jīng)過供熱改造之后，建設(shè)蓄熱罐項目，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熱罐進行蓄熱，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(jīng)濟效益。

本蓄熱罐項目中的蓄熱罐運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，本項目在選型蓄熱罐的時，將白天蓄熱時間定為17小時，晚上放熱時間定為7小時。

6 熱網(wǎng)回水壓力和溫度的控制

6.1 熱網(wǎng)網(wǎng)供回水溫度差控制

為滿足供熱負荷的要求，換熱站PLC控制器可根據(jù)室外溫度，通過調(diào)節(jié)變頻器控制循環(huán)泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸出流量來調(diào)節(jié)溫度，還可使循環(huán)泵在整個負荷和變化過程中的能耗降到最低。另外，PLC控制器通過對二次網(wǎng)供回水溫度差進行控制，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的量調(diào)節(jié)，降低熱網(wǎng)輸送成本。采用變頻調(diào)速技術(shù)控制水泵的流量可使系統(tǒng)運行高效、節(jié)能。

具體的供回水溫度差控制的過程為：首先啟動第1臺循環(huán)泵變頻運行，根據(jù)負荷逐步增加泵的轉(zhuǎn)速，當達到50Hz是還不能滿足要求時，則使第1臺循環(huán)泵切換至工頻運行，同時啟動第2臺循環(huán)泵變頻運行。若其中一臺泵出現(xiàn)故障時，切換至備用泵運行。根據(jù)運行時間自動調(diào)節(jié)二次網(wǎng)循環(huán)泵實現(xiàn)分時段能量調(diào)節(jié)。

6.2 熱網(wǎng)回水壓力控制

為防止系統(tǒng)倒吸入空氣，影響正常運行及腐蝕破壞管道，供熱系統(tǒng)中回水壓力水頭必須高于用戶系統(tǒng)的充水高度。因此，供熱系統(tǒng)正常運行的基本前提必須是維持恒壓點壓力恒定。這可以通過補水泵維持二次回水壓力來實現(xiàn)。

7 蓄熱罐在熱力系統(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：

（1）蓄熱罐是突發(fā)事故時熱網(wǎng)的緊急補水系統(tǒng)當熱網(wǎng)某處突然爆裂而大量失水時，與熱網(wǎng)直接連接的蓄熱罐立即向熱網(wǎng)補水維持系統(tǒng)壓力，以防整個熱網(wǎng)系統(tǒng)的事故與停運。

（2）建設(shè)蓄熱罐可以代替尖峰熱源的建設(shè)。蓄熱罐一個重要作用是對供熱系統(tǒng)的削峰填谷，它的調(diào)峰能力可取代建設(shè)尖峰熱源，節(jié)約尖峰供熱廠的燃料消耗。

（3）蓄熱罐與供熱系統(tǒng)直接連接，可作為熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)由于蓄熱罐始終保持恒定的液位高度，它可保證供熱系統(tǒng)靜壓值恒定，因此它可作為熱網(wǎng)的定壓系統(tǒng)。

（4）蓄熱罐可緩解夏季熱網(wǎng)壓力波動。供熱系統(tǒng)夏季只供應(yīng)生活熱水負荷，由于熱水負荷的隨時變化，導致熱網(wǎng)循環(huán)水流量的劇烈變化，由于熱網(wǎng)循環(huán)泵定速運轉(zhuǎn)，因而致使熱網(wǎng)的壓力劇烈變化，在低峰負荷時，熱網(wǎng)壓力急劇上升，威脅系統(tǒng)的安全運行。如果建設(shè)了蓄熱罐，它可緩解熱網(wǎng)的壓力急劇升高，使供熱系統(tǒng)安全運行。

8 結(jié)語

熱力系統(tǒng)逐漸擴大，蓄能系統(tǒng)的作用越發(fā)凸顯，蓄能系統(tǒng)對保證供熱質(zhì)量，維持供熱穩(wěn)定性起到了一定的作用，本文從熱力系統(tǒng)的構(gòu)成和蓄熱系統(tǒng)的核心蓄能罐著手分析蓄能系統(tǒng)在熱力系統(tǒng)發(fā)揮的巨大作用。