論述蓄能系統(tǒng)中蓄能罐的結構

姜青松

【摘 要】隨著城市化的推進，集中供熱需求日益增長，為滿足供熱需求，提高電網(wǎng)調(diào)度的靈活性，提升電力系統(tǒng)和區(qū)域熱網(wǎng)的安全運行水平，熱電廠開始對供熱系統(tǒng)進行技術改造，汽輪機通流部分的改造目前主要從打孔抽汽改造和光軸運行模式兩方面進行技術革新，已經(jīng)有一部分熱電廠取得了一定的收益，同時配套相應的蓄熱儲能調(diào)峰系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)將在外網(wǎng)供熱負荷低谷期進行蓄熱，高峰期進行放熱，同時可實現(xiàn)電力負荷深度調(diào)峰服務，本文主要就在改造過程中蓄能器發(fā)揮的作用進行一個深度探析。

【關鍵詞】蓄能罐 熱網(wǎng) 調(diào)峰

熱電廠肩負著城市熱網(wǎng)供熱的重任，保證冬季熱網(wǎng)的供回水溫度至關重要，那么在熱電廠出力負荷達到高峰或低谷時，供汽壓力往往隨之升降，鍋爐的燃燒工況很不穩(wěn)定，運行熱效率下降，為保證一個恒參數(shù)的供熱調(diào)整造成了很大困難，運行人員往往24小時就盯著那幾個熱網(wǎng)的參數(shù)，也不利于電廠生產(chǎn)運行的安全。為消除供汽鍋爐負荷的較大波動，穩(wěn)定供汽壓力，提高供熱質(zhì)量，特別是低負荷下的供熱質(zhì)量，可在供熱系統(tǒng)中設置蓄熱裝置，亦即熱能的吞吐倉庫——蓄能罐，當外界供熱負荷低鍋爐供汽有多余時，就將熱能儲蓄于蓄熱裝置；在發(fā)生低谷負荷鍋爐供汽不足時，蓄熱裝置就釋放出所蓄熱能以補不足。這樣就使鍋爐低負荷時也能保證供熱質(zhì)量，在穩(wěn)定的燃燒工況下達到最佳的供熱效率。

1 蓄能罐工作原理和結構

1.1 蓄能罐工作原理

自然分層熱貯存箱是一個內(nèi)部沒有分隔物的單個箱體。它依靠密度差而不是分隔物來維持貯箱上部熱液體與下部冷液體之間的分隔。箱上只有一個入口和一個出口，蓄熱時來自余熱回收裝置的熱水由上部進入，箱內(nèi)原有冷水由下部排出，回到余熱回收裝置。放熱時，來自余熱利用裝置的冷水由下部進入，箱內(nèi)原蓄存的熱水由上部排出，送至余熱利用設備使用。無論箱內(nèi)液體流動方向是自上而下還是自下而上的，均近似呈活塞狀流動。箱內(nèi)容積交替地全部貯存熱水或全部貯存冷水；也可以同時貯存一部分熱水和一部分冷水。箱內(nèi)永遠充滿水，容積得到充分利用。

1.2 蓄能罐結構

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，如圖1所示。

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。布水盤的結構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。布水盤結構示意圖如圖2所示。

1.3 蓄熱系統(tǒng)簡介

蓄熱系統(tǒng)與熱網(wǎng)水系統(tǒng)采用直接式連接方式，蓄熱高、低溫水分別與廠區(qū)熱網(wǎng)供、回水管道相連。富發(fā)電廠與富熱電廠作為雙熱源聯(lián)合供熱，共設一套熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)。熱網(wǎng)主循環(huán)水泵設于富熱廠內(nèi)，富發(fā)電廠只設加壓水泵，以承擔兩電廠間的壓力損失。熱網(wǎng)供、回水設計溫度為120/60℃，供、回水設計壓力為1.47/1.27MPa，設計流量2500t/h。熱網(wǎng)首站設有2臺熱網(wǎng)循環(huán)泵，1臺運行，1臺備用。

1.4 主要建（構）筑物結構選型

1.4.1 蓄熱罐

為了在滿足采暖供熱的前提下，充分利用機組深度調(diào)峰的補償機制，本方案采用1臺光軸方案另1臺打孔抽汽方案的運行模式進行蓄熱系統(tǒng)的設計，蓄熱系統(tǒng)采用直接式連接方式；供回水溫度設計選取98/65℃；容器選擇8000m3，蓄熱罐高度考慮實際運行時回水壓力約0.2MPa，高度設定為25m。

蓄熱罐位于花苗大棚旁，其基本尺寸為：直徑20m，高度H=25m，建筑面積314m2，采用鋼制儲罐。蓄熱罐基礎的選型，應根據(jù)儲罐的形式、容積、地質(zhì)條件、材料供應情況，電廠要求及施工技術條件、地基處理方法和經(jīng)濟合理性等條件綜合考慮。

儲罐基礎的形式基本有四種：環(huán)墻式基礎、護坡式基礎、外環(huán)墻式基礎和剛性樁基鋼筋混凝土承臺式基礎。根據(jù)儲罐本體形式和常用基礎優(yōu)缺點等，蓄熱罐基礎最終選用環(huán)墻式基礎。

1.4.2 管架

管道支架結構采用H型鋼柱、鋼梁（工期富裕時可考慮鋼筋混凝土支柱結構），鋼筋混凝土獨立基礎，埋深-2.00～-2.50m。

管道支墩為現(xiàn)澆鋼筋混凝土塊式支墩，埋深1.00～1.50m。

鋼結構支架表面徹底除銹后，刷防腐底漆、中漆及面漆各一道。

本項目建（構）筑物基礎均位于地下水位以上，故不考慮降水。

2 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)中應用蓄熱系統(tǒng)具有多方面的作用與效益：

（1）加強熱電廠的經(jīng)濟運行，穩(wěn)定熱電廠運行。使用蓄熱系統(tǒng)的主要效益是在同樣熱負荷狀態(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(xiàn)發(fā)電的靈活性與自由度，提高熱電廠的經(jīng)濟性。

蓄能罐尤其對背壓機組與抽汽凝汽式汽輪機的穩(wěn)定與經(jīng)濟運行具有重要作用，它充分地利用了熱電廠的供熱。它將熱電廠廉價的熱能蓄存于蓄能罐內(nèi)，在熱網(wǎng)尖峰負荷狀態(tài)下，蓄能罐與熱電廠聯(lián)合供熱，可降低高價尖峰熱源的供熱量，優(yōu)化系統(tǒng)的運行。

（2）蓄能罐是熱網(wǎng)安全運行的保障。當供熱系統(tǒng)水泵因意外原因而突然停止運行時，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難。

（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，蓄能罐可以及時運行補充供熱，防止造成大面停熱狀態(tài)。

（4）蓄能罐是突發(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)直接連接的蓄能罐立即向熱網(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。

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

（6）蓄能罐與供熱系統(tǒng)直接連接，可作為熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)由于蓄能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)。

3 蓄能罐的運行特性分析

目前在東北地區(qū)存在一個現(xiàn)象，冬季供暖期因“風熱沖突”導致的棄風問題越來越嚴重，而“風熱沖突”的本質(zhì)原因是因為傳統(tǒng)的供熱機組過于依賴機組出力，即所謂的以熱定電，在保證供熱的同時，使電網(wǎng)可以做到有效消納風電，實現(xiàn)資源的最大化利用，蓄能系統(tǒng)使這個問題成為了可能，而蓄能罐是蓄能系統(tǒng)的核心元件，那么如何蓄熱，如何把握蓄熱時間和放熱時間，這個問題值得深思。

運行經(jīng)驗表明：在東北地區(qū)，大容量抽汽火電機組在負荷低谷時，配置蓄熱系統(tǒng)，可顯著降低機組出力，同時消納風電電量，打開了棄風上網(wǎng)的通行空間，單純從解決新能源上網(wǎng)問題而言，蓄熱系統(tǒng)具有最小的經(jīng)濟投資和最佳的供電煤耗手段。未來熱電和風電作為國家節(jié)能降耗的主要手段，熱電廠加裝蓄能罐參與調(diào)度調(diào)峰必將成為熱電廠今后發(fā)展的一個趨勢。目前國外主要通過發(fā)電峰谷電價來導引蓄能系統(tǒng)參與蓄能調(diào)峰，而國內(nèi)主要是通過兩個細則深度調(diào)峰中的補償來鼓勵蓄能系統(tǒng)參與調(diào)峰。

4 結語

筆者主要從蓄能罐的結構、分類上，探析自然分層蓄能罐在供熱系統(tǒng)中的運用，并結合實際分析蓄能罐運行中需要注意的問題，最后從蓄熱系統(tǒng)在熱電調(diào)峰和支撐新能源入網(wǎng)中擔當?shù)慕巧撌隽诵钅芄薜牡匚唬钅芄拊诋斍暗慕?jīng)濟形勢和供熱背景下發(fā)揮著不可替代的作用，蓄能系統(tǒng)必將成為未來熱電廠經(jīng)濟運行的一種有效手段，希望能給供熱電廠提供一個可行的思路。