蓄熱器與鍋爐

高 堅 高書歧

上海電氣

蓄熱器與鍋爐

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蓄熱器是一種結(jié)構(gòu)簡單 ，運(yùn)行可靠的高效節(jié)能設(shè)備。臥式變壓運(yùn)行的蓄熱器得到廣泛應(yīng)用。在熱力系統(tǒng)中應(yīng)用蓄熱器，能夠吸收尖峰負(fù)荷，改善鍋爐運(yùn)行條件，提高鍋爐效率，提高供熱質(zhì)量。利用小塊面積法求取蓄熱器的最佳容量，方法簡單明了易行。減少投資簡化操作，提高設(shè)備及系統(tǒng)的安全性。投資效益好，回收快。

蓄熱器；鍋爐；蓄熱量；效率；節(jié)能

蓄熱器是一種結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠的高效節(jié)能設(shè)備。在國外已有幾十年的歷史，近20年在國內(nèi)也得到長足的發(fā)展。取得一些成熟的經(jīng)驗(yàn)，一些廠家已經(jīng)能夠成系列的生產(chǎn)許多產(chǎn)品。要充分發(fā)揮蓄熱器節(jié)能減排的優(yōu)勢，應(yīng)與鍋爐聯(lián)合使用。也就是說在鍋爐供熱的系統(tǒng)中設(shè)置適當(dāng)?shù)男顭崞?，對穩(wěn)定系統(tǒng)提高供熱質(zhì)量，提高鍋爐的效率，減少污染，起到事半功倍的作用。

鍋爐是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿闹匾O(shè)備。在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著重要和不可代替的作用。根據(jù)2012年統(tǒng)計全國工業(yè)鍋爐的總數(shù)達(dá)到62.4萬臺。這些鍋爐的總的特點(diǎn)是容量小效率低，能耗大污染重。這些鍋爐消耗了全國三分之一的能源，排放的PM 2.5占全國總量的10%。為了節(jié)能減排對這些鍋爐及系統(tǒng)進(jìn)行改造是必須的和刻不容緩的。雖然近幾年一些鍋爐改用了清潔燃料，減少了排污改善了環(huán)境，但對其本身效率影響不大?，F(xiàn)在的鍋爐其設(shè)計效率大多在80%以上，有的甚至更高。然而在實(shí)際運(yùn)行中的鍋爐，由于受到眾多因素影響，根據(jù)統(tǒng)計它的實(shí)際效率僅有60%多點(diǎn)。就目前的情況而言，要想大幅度的提高鍋爐本身效率很難了。系統(tǒng)中使用蓄熱器，是提高鍋爐運(yùn)行效率的簡單而又有效的辦法。

1 蓄熱器的分類結(jié)構(gòu)和原理

蓄熱器是一種能夠蓄積并能傳輸一定熱能的壓力容器。

蓄熱器的分類有幾種不同的方法，主要有：

按照安裝方式分，可分為立式和臥式兩大類。按照運(yùn)行壓力，又可分為變壓式和定壓式兩大類。

蓄熱器的結(jié)構(gòu)比較簡單，有一個能夠承受一定壓力的圓筒形外殼，筒內(nèi)有充氣總管及與其連接的分支管，分支管還連接著在筒的下部均勻分布著的蒸汽噴頭。圓筒的上部有出汽管。圓筒的外表有保溫層，其上部還安裝了相應(yīng)的閥門、儀表和控制設(shè)備等。圓筒內(nèi)約90%容積儲存著能夠儲存和傳輸熱能的水。結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1。

蓄熱器一般都與鍋爐聯(lián)合運(yùn)行。當(dāng)鍋爐的蒸發(fā)量大于外部負(fù)荷時，多余的蒸汽經(jīng)進(jìn)氣總管支管蒸汽噴嘴進(jìn)入水中，將水加熱。隨著進(jìn)入水中的汽量的增加，水的溫度和壓力逐漸升高，直到筒內(nèi)的水全部變成與充熱蒸汽的壓力相等的飽和水為止，此過程為充熱。

當(dāng)鍋爐的蒸發(fā)量小于外部負(fù)荷時，筒內(nèi)從飽和水面溢出蒸汽供給負(fù)荷，隨著飽和汽的溢出，筒內(nèi)壓力降低，直到筒內(nèi)壓力與負(fù)荷壓力相等，蒸汽不再溢出，蓄熱器的放熱過程結(jié)束。

圖1 蓄熱器的結(jié)構(gòu)原理圖

在實(shí)際運(yùn)行的熱力系統(tǒng)中，鍋爐所帶的負(fù)荷受到眾多因素的影響，負(fù)荷時刻在變化著，且有時變化的很突然，幅度很大如圖2a所示。圖2中qe表示鍋爐的額定蒸發(fā)量。圖2a中ab段負(fù)荷變化的幅值很大，遠(yuǎn)大于鍋爐的額定蒸發(fā)量。變化突然，且超出鍋爐本身的供給和調(diào)節(jié)能力。

實(shí)際運(yùn)行的鍋爐效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計值，其主要原因是鍋爐長期在低負(fù)荷或負(fù)荷變化劇烈的情況下運(yùn)行，再是啟、停的次數(shù)多。在系統(tǒng)中設(shè)置合適的蓄熱器，將使負(fù)荷曲線變的比較平緩（如圖2b）。

圖 2

2 蓄熱器在熱力系統(tǒng)中的應(yīng)用

蓄熱器是一種運(yùn)行可靠操作簡單經(jīng)濟(jì)高效的節(jié)能設(shè)備，它一般與鍋爐聯(lián)合運(yùn)行，它在熱力系統(tǒng)中的作用越來越受到人們的重視。現(xiàn)以某熱力公司的具體系統(tǒng)為例，來探討蓄熱器的具體應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)主要設(shè)備及熱力參數(shù)和系統(tǒng)圖

三臺自動燃油蒸汽（飽和汽）鍋爐

表1 主要設(shè)備參數(shù)

低壓用氣壓力：5 kg·f/cm2（0.49 MPa）

為了說明問題方便，將熱力系統(tǒng)做了必要的簡化，簡化系統(tǒng)圖如圖3。

圖3 簡化熱力系統(tǒng)圖

2.2 熱力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線與最佳蓄熱量G0的計算

一般而言求取蓄熱器最佳蓄熱量的原則性步驟大致如下。

（1）選取合適的負(fù)荷曲線，合理分段，并分段求出最佳平均負(fù)荷線；

（2）根據(jù)分段負(fù)荷曲線及其最佳平均負(fù)荷，求出各段負(fù)荷的積分曲線；

（3）在負(fù)荷的積分曲線上，求出所需的最大蓄熱量Gmax和最小蓄熱量Gmin；

（4）求取蓄熱器的最佳蓄熱量G0

熱力系統(tǒng)的負(fù)荷曲線是研究熱力系統(tǒng)的基本資料和主要依據(jù)。下面的表2和圖4給出了該系統(tǒng)3個季度的典型日的日負(fù)荷曲線，夏季L1、春季L2、秋季L3。

圖4 典型日的負(fù)荷曲線

總的看來，L1在一日內(nèi)總的需求量大，峰谷差也大，L2、L3總的需求量不大，峰谷差也小。由此可以看出，只要解決了夏季（L1）的問題，那么春季（L2）和秋季（L3）的問題也就迎刃而解了。

根據(jù)研究，蓄熱器的容量大小，不僅與充熱壓力和放熱壓力有關(guān)，與計算時所取時間段的長短也直接相關(guān)。所取的時間段越長，所需要蓄熱器的容量就越大，所取得的調(diào)節(jié)和節(jié)能效果就越好。時間段越小，需要的蓄熱器的容量就越小，當(dāng)然蓄熱器的作用也就小了，所以分段大小要合適。在充分發(fā)揮鍋爐的作用的前提下，按時間將負(fù)荷曲線適當(dāng)?shù)姆侄?，并分別求出各段的最佳平均負(fù)荷，以求得所需蓄熱器的最佳容量。最佳平均負(fù)荷的大小，直接影響蓄熱器容量的大小。所以這個最佳平均負(fù)荷不一定是這段時間內(nèi)實(shí)際負(fù)荷的平均值，而是經(jīng)過多次試探確定的。

以圖4的曲線L1為例，經(jīng)過幾次試探確定，將曲線分成3段，分別確定其最佳平均負(fù)荷線。如圖5所示。

分段時間段平均負(fù)荷/h I 0～93 II9～1814.5 III18～245

為了求得Gmax和Gmin需先根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷曲線和最佳平均負(fù)荷曲線，求出負(fù)荷的積分曲線。所謂負(fù)荷的積分曲線，就是以時間為橫坐標(biāo)，每個時間段內(nèi)所需的蓄熱量的代數(shù)和為縱坐標(biāo)，而繪制的曲線。

在實(shí)際計算蓄熱器的蓄熱量時，往往將計算過程進(jìn)行簡化，只要求出最佳平均負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷線交點(diǎn)的積分值即可。最佳平均負(fù)荷線與實(shí)際的負(fù)荷線所包圍的面積大小，即代表著在這段時間內(nèi)蓄熱器所蓄積的熱能的多少。最佳平均負(fù)荷線下面的部分，代表著蓄熱器蓄積的熱量，為正值方向向上。最佳平均負(fù)荷線上面的部分，代表著蓄熱器放熱的熱量為負(fù)，方向向下。積分曲線上每個時間點(diǎn)對應(yīng)的縱坐標(biāo)值，是該時間點(diǎn)左邊的最佳平均負(fù)荷線與實(shí)際的負(fù)荷曲線所包圍的面積的代數(shù)和。

為了計算這些面積，這里采用簡單易行的“小面積法”。所謂的“小面積法”，就是將兩條曲線之間所包圍的面積，均勻地劃分成許多相等的小方塊，要知道蓄熱量的多少，數(shù)一下該范圍內(nèi)小方塊的個數(shù)，再標(biāo)以適當(dāng)?shù)膯挝痪椭懒?分割的塊越小越精確。

根據(jù)圖5各分段對應(yīng)的面積統(tǒng)計如表3。

表3 各段面統(tǒng)計積表（一個方格代表1 t）

按照上面的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)按照正負(fù)方向連續(xù)畫在實(shí)際的負(fù)荷曲線上方，相關(guān)的點(diǎn)一一對齊。用這種方法畫出的負(fù)荷積分曲線如圖5的上半部所示。在圖上可以看到g’點(diǎn)的縱坐標(biāo)值最大，即為Gmax，其值為8。a’點(diǎn)的縱坐標(biāo)值最小，即為 Gmin其值為（-1）。根據(jù)式（1）有最佳蓄熱量G0。

表2 典型日負(fù)荷表

圖5 負(fù)荷積分曲線圖

2.3 單位容積的蓄熱量的計算

式中

g0——單位容積蓄熱量，kg·汽/m3

一般情況下蓄熱器與鍋爐直接相連，所以蓄熱器的充熱壓力應(yīng)為鍋爐蒸汽的出口壓力Pg，但是考慮到管路及其內(nèi)部設(shè)施的壓力損失△P所以：

P1=Pq-△P=1.27-0.05= 1.22（MPa）

P2=Py+△P=0.49+0.05=0.54（MPa）

由P1、P2查焓熵表得：

將以上數(shù)據(jù)代入式（2）

則有：

=61.79（kg汽/m3）

此數(shù)值也可根據(jù)壓力P1、P2從相關(guān)的圖表或曲線中查得。但是由于使用了不同的工具，可能結(jié)果會有些差別。P1、P2的壓差越大，單位熱容量越大。

小竅門：瘦豬肉用蠔油腌制，因?yàn)橄栍捅柔u油含有更多的鋅。各種新鮮、天然的蔬菜瓜果、不加糖的鮮榨果蔬汁、紅薯、煮玉米、堅果類。當(dāng)然，那些過度加工含有太多食品添加劑的零食就屬于限制級的零食，盡量少給孩子吃或者不吃，這些食物包括：膨化食品、巧克力派、糖果、炸雞塊、炸雞翅、奶油夾心餅干、方便面、奶油蛋糕、水果罐頭、果脯、蜜棗脯、全脂或低脂煉乳、炸薯片和炸薯條、高糖分汽水或可樂等碳酸飲料、較甜的雪糕、冰激凌等。

2.4 蓄熱器的總?cè)莘eV

式中G0—— 需要的最佳蓄熱量kg，由前面知蓄熱器所需的最佳蓄熱量G0=9（t）；

g0——單位蓄熱量kg/m3由前面知g0是61.79kg/m3

n——充水系數(shù)一般取0.9

n1——蓄熱器的效率一般取0.99

取整數(shù)170 m3。

3 效益分析

從圖4中的曲線L1可以看出，在夏季一日里不僅總的需求量大，負(fù)荷的峰值高，峰谷差特別大，高達(dá)17倍。為滿足負(fù)荷需要，15 t/h的鍋爐在一天中要運(yùn)行16 h，平均負(fù)荷率很低。其中只有7 h的負(fù)荷率達(dá)到或超過經(jīng)濟(jì)負(fù)荷率（80%）。其余的時間里負(fù)荷率皆低于40%。在這16 h內(nèi)有3 h的尖峰負(fù)荷最高達(dá)17 t/h，這需要加開一臺5 t/h的鍋爐輔助供給。這臺鍋爐在這3 h里平均負(fù)荷率只有20%.

除此之外，在這一日里還要有一臺5 t/h的鍋爐再運(yùn)行8 h，在這8 h內(nèi)平均負(fù)荷率只有38%。

長時間在這樣多變的低負(fù)荷下運(yùn)行，嚴(yán)重影響鍋爐的效率，設(shè)備本身的安全也受到很大影響。一日之內(nèi)一臺5 t/h的鍋爐要啟動兩次，增加了燃料的消耗。

在系統(tǒng)中設(shè)置合適的蓄熱器后，是原來彎曲不平峰谷差很大的曲線，變成由三條直線段組成的折線。在新的運(yùn)行曲線中，15 t/h的鍋爐每天只要運(yùn)行9 h即可。在這期間內(nèi)它的負(fù)荷平穩(wěn)，負(fù)荷率一直保持在97%，且不需要再啟動一臺5 t/h的鍋爐了。在其余的15 h里，一臺5 t/h的鍋爐運(yùn)行，這其中有6 h負(fù)荷率穩(wěn)定的保持在100%，另外的9 h里負(fù)荷率也平穩(wěn)地保持在60%。

在春季（L2）中，一日內(nèi)的總負(fù)荷只有18 t，最低負(fù)荷僅有0.35 t/h, 平均負(fù)荷率只有15%。即使在這樣的小負(fù)荷下，也要有一臺5 t/h的鍋爐24小時內(nèi)連續(xù)運(yùn)行來維持供給。采用蓄熱器后，只要一臺5 t/h的鍋爐在滿負(fù)荷下運(yùn)行4 h后即可停止，余下的時間里有蓄熱器供給。

在秋季（L3），一天當(dāng)中最高負(fù)荷5 t/h，全天總用量近42 t/h，全天的平均負(fù)荷為1.75 t/h，平均負(fù)荷率35%,也要一臺5 t/h的鍋爐24 h內(nèi)不停地運(yùn)行維持供應(yīng)。在24 h內(nèi)只有一個小時負(fù)荷達(dá)到5 t/h,負(fù)荷率在80%以上，其余的時間里負(fù)荷率皆不足30%。負(fù)荷率很低，鍋爐的效率也會大打折扣。采用蓄熱器后，在一日內(nèi)只要一臺5 t/ h的鍋爐滿負(fù)荷下運(yùn)行8.6 h即可停止，剩下的時間里由蓄熱器供應(yīng)。

從上面的分析可以看出，在熱力系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱器具有明顯的效益。

（1）蓄熱器能使鍋爐負(fù)荷均衡，提高了負(fù)荷率，提高了鍋爐的效率，節(jié)能效果明顯。

系統(tǒng)采用蓄熱器以后負(fù)荷平穩(wěn)且負(fù)荷率大多在80%以上。根據(jù)廠家提供的資料，在這種情況下，鍋爐的效率一般可提高4～6%，可節(jié)約燃料5%～15%。若依燃料節(jié)約率的平均值10%計算，本案每年可節(jié)約燃油約250 t，折合人民幣約150萬元。若依2012年煤炭產(chǎn)量36.6億t計，全國若有10%的鍋爐與蓄熱器聯(lián)合運(yùn)行的話，每年可節(jié)約煤炭1 200萬t，可減排CO22 000多萬t，還有相應(yīng)的S和NOx。

（2）15 t/h的鍋爐每年可以少運(yùn)行400多小時。5t/h的鍋爐每年可以少運(yùn)行4 000多小時。減少設(shè)備運(yùn)行時間，減少了設(shè)備的磨損，節(jié)約了大量的設(shè)備維修費(fèi)，也節(jié)約了許多電費(fèi)。

（3）蓄熱器吸收了系統(tǒng)中的突變負(fù)荷，穩(wěn)定了熱源，提高了供熱質(zhì)量，也免除了突變負(fù)荷對設(shè)備和系統(tǒng)的沖擊，提高了設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

（1）蓄熱器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，運(yùn)行簡單安全可靠；

（2）蓄熱器能使鍋爐負(fù)荷均衡，提高了負(fù)荷率，提高了鍋爐的效率，節(jié)能減排效果明顯；

（3）減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了供熱質(zhì)量，同時也可以減少投資；

（4）投資效益好，回收快。設(shè)備及工程的全部投資可再1.2～1.5年內(nèi)回收。

蓄熱器和鍋爐聯(lián)合運(yùn)行節(jié)能減排效果好，應(yīng)積極推廣。

參考資料

1 程祖虞 蒸汽蓄熱器的應(yīng)用和設(shè)計 機(jī)械工業(yè)出版社 1986.12月 北京

2 胡兆吉 郭慧 嚴(yán)軍華 孫建華 蒸汽蓄熱器的節(jié)能及其在輕化工中的應(yīng)用,化工機(jī)械 1998年 第1期

3 張云峰 蒸汽蓄熱器的設(shè)計和應(yīng)用 有色冶金設(shè)計 1992年 2期

更正啟事

本刊2016年第12期《產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域節(jié)能化的未來和創(chuàng)新》一文作者應(yīng)為石原 明，現(xiàn)任日本節(jié)能中心國際協(xié)力本部特別資深顧問，主要從事鋼鐵節(jié)能技術(shù)、節(jié)能法和能源管理的研究。譯文校對編輯為陸蓓。特此更正。謹(jǐn)向作者、譯者及讀者致以歉意。

編輯部

Heat Reservoir and Boiler

Gao Jian, Gao Shuqi
Shanghai Electric

Heat Reservoir is a simple structure and reliable high efficient energy saving equipment. Horizontal operating heat reservoir with transformer are wide used. In the thermal system heat reservoir works to absorb peak load and improve boiler operation condition, which increases boiler efficiency and heating quality. Using small area method to calculate best heat reservoir capacity is simple and practical. Reducing investment and simplify operation and improve equipment and system safety, which means good investment benefit and fast recovery.

Heat Reservoir, Boiler, Heat Storage Capacity, Efficiency, Energy Saving

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.01.013

高堅：（1969-）女，高級工程師。主要從事電力工程質(zhì)量管理，國家注冊審核員，近年也做了許多節(jié)能及新能源方面的研究。