熱水蓄熱器在區(qū)域供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙曜

【摘 要】區(qū)域供熱蓄熱器是節(jié)能設(shè)施，因此在芬蘭等北歐國家以及韓國得到了很普遍的應(yīng)用，但是在中國仍然是新事物而未大規(guī)模應(yīng)用。蓄熱器將熱負荷低谷時熱源的部分供熱量蓄存，在熱負荷高峰時段與熱源共同向熱用戶供熱。在舉國上下建設(shè)節(jié)約型社會的形勢下，蓄熱器是熱電聯(lián)產(chǎn)與區(qū)域供熱行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能以及優(yōu)化運行的最切合實際的舉措。本文旨在通過介紹熱水型蓄熱器的應(yīng)用原理與功能，企盼越來越多的熱電企業(yè)與熱力公司逐步認識它，到最終投資建設(shè)并使用它，使蓄熱器成為熱電與供熱領(lǐng)域?qū)?jié)約型社會建設(shè)的重要舉措之一。

【關(guān)鍵詞】熱電聯(lián)產(chǎn)；供熱；節(jié)能；蓄熱器

一、蓄熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理

蓄熱器為具有一定容積的罐，可用鋼板焊接而成或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其體積與高度由供熱系統(tǒng)的需要而決定的。蓄熱器通常設(shè)計為圓柱形立式鋼罐，類似于儲油罐，對罐體進行隔熱保溫。蓄熱器內(nèi)部安裝上下布水盤用于對蓄熱 /放熱的水流控制，蓄熱器外部系統(tǒng)蓄熱 /放熱的水泵與相應(yīng)的控制閥。蓄熱器分為常壓與有壓蓄熱器兩類，有壓蓄熱器蓄熱水溫度通常小于120度，而常壓蓄熱器其蓄熱水溫度小于98度。蓄熱器的運行依據(jù)不同溫度的水其密度差異的冷熱水分層原理，溫度高的供水處于蓄熱罐的上部區(qū)域，而溫度低的回水處于蓄熱罐的下部區(qū)域。蓄熱時，冷水從蓄熱罐底部排出；而熱水從蓄熱罐上部區(qū)域蓄入罐內(nèi)；放熱過程，則流向相反。為了保證蓄熱器的可靠運行，最重要的是控制進入/ 流出的水流量，以防止蓄熱器內(nèi)冷熱水層的混合盡管有壓蓄熱器可以蓄存高于100度的熱水，但其投資高，而很少在區(qū)域供熱系統(tǒng)得到應(yīng)用。實際工程中常采用常壓蓄熱器，蓄存溫度低于100度的熱水。蓄熱器可與供熱管網(wǎng)直接連接或間接連接，在多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的供熱系統(tǒng)中，僅有一個熱源的蓄熱器與熱網(wǎng)直接連接并作為熱網(wǎng)的定壓系統(tǒng)，而其余的必須與熱網(wǎng)通過換熱器間接連接。

二、熱水蓄熱器的功能及介紹

熱水蓄熱器系統(tǒng)可以在熱源輸出熱量大于用戶需求熱量時將多余的熱量存儲起來，在用戶需求熱量大于熱源輸出熱量時將存儲在蓄熱器內(nèi)的熱量釋放出來，起到 “削峰填谷”、調(diào)節(jié)供熱中的熱量平衡、減少能量浪費的作用。熱水蓄熱器工作是依據(jù)不同溫度水的分層原理：溫度高的熱水處于蓄熱器的上部區(qū)域，溫度低的冷水處于蓄熱器的下部區(qū)域。蓄熱過程開始后，熱水從上部區(qū)域進入蓄熱器內(nèi)，而冷水從蓄熱器底部排出。放熱過程流向相反來運行。

2.1熱水蓄熱器由罐體（鋼 罐 或 鋼 筋 混 凝土）、布水盤、水位控制器、排水系統(tǒng)、安全裝置（安全閥、水封）、溫度和壓力等測量裝置、自控監(jiān)測調(diào)節(jié)裝置、蓄熱泵、放熱泵、噴射泵、蒸汽發(fā)生器、蒸汽發(fā)生器補水泵組成。

2.2在熱水蓄熱器自動控制運行時蓄、放熱過程是通過設(shè)置壓差控制的。壓差控制器的輸出連接到蓄熱與放熱功率控制器，并作為其設(shè)定值。當控制誤差為零（設(shè)定值與實際壓差相等）時，提供給蓄熱與放熱控制器的輸出信號為 0。當實際壓差超過蓄熱設(shè)定值時，系統(tǒng)將啟動蓄熱；而當壓差降低至低于蓄熱設(shè)定值時，系統(tǒng)停止蓄熱。當實際壓差降低至低于放熱設(shè)定值，系統(tǒng)將開始放熱；而當實際壓差超過放熱設(shè)定值時，系統(tǒng)停止放熱過程。在蓄、放熱過程可以通過控制系統(tǒng)設(shè)置流量。

2.3布水盤是蓄熱器最重要的部分，其作用是控制進入/流出的水流速度，防止蓄熱器內(nèi)冷熱水層的混合，防止水流速度較高，影響水流分配，從而影響蓄熱能力（MW）與蓄/放功率（MW）的出力。布水盤最普通的形式為板盤式。

2.4水位控制器負責調(diào)整蓄熱器內(nèi)水的質(zhì)量。蓄熱器的水位控制原理為保持蓄熱器內(nèi)水的總量（質(zhì)量）恒定。蓄熱器運行最重要的就是控制進入、流出蓄熱器的水流量，保持蓄熱器內(nèi)水的重量不變，使蓄熱器內(nèi)的熱水處于層流狀態(tài)，防止發(fā)生紊流使冷熱水層混合。

2.5排水系統(tǒng)是為了處理熱水膨脹問題。安全裝置是為了防止罐內(nèi)真空而設(shè)置的，由機械式安全閥、水封裝置組成。通過控制水封的水面高度來設(shè)定水封型的安全裝置的開啟與關(guān)閉壓力，即通過向安全裝置的水槽供入恒定水量以保證對水封的充水。在蓄熱器啟動時，通過短時間降低安全裝置的開啟壓力使罐內(nèi)的蒸汽空間達到飽和狀態(tài)。噴射泵系統(tǒng)的作用是確保安全閥水封里有水，降低蒸汽排放與熱損失，噴水噴嘴用于減少蒸汽的排出，通過向蓄熱器頂部的蒸汽空間噴入水使得蒸汽凝結(jié)實現(xiàn)蒸汽容量的有效降低。

2.6蒸汽發(fā)生器是安全裝置的組成部分。通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生低壓蒸汽進入蓄熱器上部維持微正壓，防止空氣侵入到蓄熱器上部。蒸汽發(fā)生器水泵通過出口管電磁閥控制蒸汽發(fā)生器水位。

2.7自控系統(tǒng)主要由水位監(jiān)測與控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測與控制系統(tǒng)、壓差控制系統(tǒng)組成。合適的水位對蓄熱器的安全運行至關(guān)重要，水位報警器及其控制系統(tǒng)在熱水蓄熱器達到報警設(shè)定值時將自動停止蓄熱 / 放熱泵的運行，關(guān)閉控制閥與關(guān)斷閥；在沿罐壁高度方向和在罐壁距離上布水盤以下與下布水盤以上安裝若干溫度測點及其連接的控制系統(tǒng)，控制蓄熱 / 放熱的運行并計算蓄熱器所蓄存熱量，當蓄熱器所蓄存的有用熱量用盡時而停止放熱過程，而當熱水達到罐底部時而停止蓄熱過程；壓差控制系統(tǒng)采集壓力信號，經(jīng)過計算壓差與設(shè)定值進行比較，指導蓄熱器進行蓄熱/放熱。

三、熱水蓄熱器的應(yīng)用

3.1熱用戶的熱負荷是隨著室外氣溫與用戶的用熱習慣而變化的，因此存在著用熱負荷的高峰與低谷，尤其當用戶實現(xiàn)了控制與熱計量收費。為了滿足用戶供熱的需求，熱源必須根據(jù)熱負荷進行實時的供熱量調(diào)整。但是受熱電廠自控水平的限制以及熱電廠增減負荷的復雜性，熱源的供熱量不可能嚴格地隨用戶熱需求的變化而及時調(diào)整，因此室外氣溫的變化將導致用戶室溫的相應(yīng)變化。如突來寒流，熱源供熱量的調(diào)節(jié)滯后與不及時將導致用戶室溫的降低，影響了供暖質(zhì)量；氣溫升高將導致室溫的超高，因而浪費能源，同時頻繁地調(diào)整負荷將降低設(shè)備的使用壽命。

3.2為了平衡熱源的運行，使之相對穩(wěn)定運行，在熱電廠建設(shè)蓄熱器對提高熱電廠的供熱能力降低熱電廠的供熱量波動提高供熱質(zhì)量節(jié)約能源都具有重要的作用與意義。蓄熱器的應(yīng)用可保持電廠供熱機組恒定負荷運行，在用戶熱負荷較低時，蓄熱器將多余的供熱量儲存在罐體內(nèi)，當室外氣溫降低，熱負荷增加，而供熱機組的供熱能力不能滿足用戶熱負荷的需要，此時蓄熱器將放熱，將儲存在罐體內(nèi)的熱量與供熱機組的恒定供熱量共同供給用戶，以滿足高峰熱負荷的需要。通常蓄熱器可以向供熱系統(tǒng)提供）" &）#- 的消峰能力，如圖 。另外一種情況是，夜晚用電負荷較低，可從凝汽式汽輪機抽取相當量的蒸汽與蓄熱器系統(tǒng)進行汽水熱交換，將熱蓄存于蓄熱器內(nèi)，在白天用電負荷較高時，汽輪機減少抽汽而增加發(fā)電，蓄熱器與降低了供熱出力的供熱機組同時供熱，以滿足熱網(wǎng)需求。

四、蓄熱器的功能與作用

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

4.1加強熱電廠的經(jīng)濟運行，穩(wěn)定熱電廠運行

使用蓄熱器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，此時蓄熱器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。在供熱系統(tǒng)若干個熱電廠中利用最經(jīng)濟的熱電廠（最廉價燃料）更好地利用成本最優(yōu)熱能生產(chǎn)與燃料。考慮峰谷電價，在熱電廠應(yīng)用蓄熱器實現(xiàn)發(fā)電的靈活性與自由度，提高熱電廠的經(jīng)濟性。

蓄熱器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熱器內(nèi)，在熱網(wǎng)尖峰負荷狀態(tài)下，蓄熱器與熱電廠聯(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。

4.2蓄熱器是熱網(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)裝備有蓄熱器，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。

4.3蓄熱器是供熱系統(tǒng)的備用熱源某熱源因故而停止供熱時，蓄熱器可以及時運行補充供熱，防止造成大面停熱狀態(tài)。

4.4 蓄熱器是突發(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)直接連接的蓄熱器立即向熱網(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。

4.5 建設(shè)蓄熱器可以代替尖峰熱源的建設(shè)蓄熱器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。

4.6 蓄熱器與供熱系統(tǒng)直接連接，可作為熱網(wǎng)定壓系統(tǒng)由于蓄熱器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)。

4.7 蓄熱器可緩解夏季熱網(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)了蓄熱器，它可緩解熱網(wǎng)的壓力急劇升高，使供熱系統(tǒng)安全運行

五、蓄熱器的經(jīng)濟性及其影響因素

5.1區(qū)域供熱系統(tǒng)應(yīng)用蓄熱器的經(jīng)濟性取決于熱電廠供熱與尖峰鍋爐房供熱熱價之差，電力峰谷電價，不同熱電廠之間的成本之差，蓄熱器的使用頻率，蓄熱器回水溫度，熱價與燃料價格等諸多因素。

5.2根據(jù)國外經(jīng)驗，如果熱價相差大于 20元/GJ，則蓄熱器具有很好的經(jīng)濟性。而根據(jù)國內(nèi)的實際運行經(jīng)驗，燃煤供熱鍋爐的供熱成本超過熱電廠25 元/GJ供熱成本的2倍以上，而天然氣供熱鍋爐的熱生產(chǎn)成本是熱電廠的3倍，因此燃煤尖峰鍋爐的熱價高于60 元/GJ，而天然氣尖峰鍋爐的熱價高達96元/GJ。顯而易見，對于中國的供熱系統(tǒng)，建設(shè)蓄熱器充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)，減少啟動尖峰鍋爐，將極大地提高熱力公司的經(jīng)濟效益。

5.3根據(jù)中國供熱系統(tǒng)的實際運行經(jīng)驗，供熱負荷尖峰時段僅為6小時，為滿足短期尖峰時段的供熱需求而投入大量資金建設(shè)鍋爐供熱廠顯然不甚合理。而建設(shè)蓄熱器來滿足同樣的供熱需求，其投資額遠遠低于建設(shè)供熱鍋爐房，實現(xiàn)合理的投資。

對于蓄存 98℃熱水的蓄熱器，回水溫度越低，其蓄熱量則越大，則效益越好，投資回收期越短。對于 10000立方米的蓄熱器，當水溫為98/65 ℃時，其蓄熱能力為380MWh，；如果回水 溫 度 降 低 至 50℃，則 蓄 熱 能 力 提 高 至495MWh.，增長30%。

六、結(jié)束語

在停熱時，由于熱量需求迅速減少，管網(wǎng)關(guān)門操作頻繁，供熱管網(wǎng)的供回水壓差升高，這時熱水蓄熱器可以將一部分熱水儲存起來，降低壓差，提高了管網(wǎng)運行的安全性。在管網(wǎng)出現(xiàn)漏點，供回水壓差變小時，熱水蓄熱器可以進行放熱，為管網(wǎng)補水，穩(wěn)定管網(wǎng)的運行工況.

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（作者單位：天津市熱電有限公司）