蓄能系統(tǒng)蓄熱、放熱時(shí)間分析

宮志陽(yáng)

【摘 要】蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾，在太陽(yáng)能利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，目前已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。本文主要就冬季高供熱和低負(fù)荷之間的關(guān)系，冬季白天氣溫高、負(fù)荷高，夜間負(fù)荷低、氣溫低，這就需要采用蓄熱技術(shù)，將白天高負(fù)荷的這些熱量暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，在夜間低負(fù)荷的時(shí)候再釋放出去。這樣既可以降低企業(yè)能耗，又可以減少由一次能源轉(zhuǎn)變?yōu)槎文茉磿r(shí)產(chǎn)生各種有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染。

【關(guān)鍵詞】蓄熱罐 放熱時(shí)間 蓄熱時(shí)間

本文主要對(duì)東北等極寒地區(qū)小容量熱電機(jī)組在極寒天氣情況下，在白天溫度高，負(fù)荷高，夜間溫度低，負(fù)荷低的情況下，如何使白天機(jī)組出力大，供熱抽汽流量大，白天多產(chǎn)生的熱量如何在夜間負(fù)荷低的工況下發(fā)揮作用。那么這部分熱量如何儲(chǔ)存，眾所周知，水的蓄熱能力強(qiáng)，水蓄熱罐很好地解決了晝夜負(fù)荷和供熱之間的平衡問(wèn)題，利用水蓄熱罐過(guò)渡層的上移和下移實(shí)現(xiàn)水中熱能的存儲(chǔ)和釋放，筆者將就蓄熱罐的蓄熱時(shí)間、放熱時(shí)間上進(jìn)行探析，在蓄熱方式、蓄熱材料上論證如何使蓄熱效率最高。

1 蓄熱方式

目前主要的蓄熱方法有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種。

顯熱蓄熱是利用物質(zhì)的溫度升高來(lái)存儲(chǔ)熱量的。這種蓄熱方式在各類(lèi)蓄熱方式中是最簡(jiǎn)單和最成熟的，應(yīng)用也最廣泛，可用于供暖和發(fā)電。

潛熱蓄熱是利用物質(zhì)在凝固、熔化、凝結(jié)、氣化、凝華、升華以及其他形式的相變過(guò)程中，都要吸收或放出相變潛熱的原理。根據(jù)相變溫度高低，潛熱蓄熱又分為低溫和高溫兩部分。低溫潛熱蓄熱主要用于廢熱回收、太陽(yáng)能儲(chǔ)存以及供暖和空調(diào)系統(tǒng)。高溫潛熱蓄熱可用于熱機(jī)、太陽(yáng)能電站、磁流體發(fā)電以及人造衛(wèi)星等方面。高溫相變材料主要采用高溫熔化鹽類(lèi)、混合鹽類(lèi)和金屬及合金等。

2 蓄熱材料分類(lèi)

材料的蓄熱核心在于它可以將熱量以某種形式，并對(duì)其進(jìn)行釋放，其中熱量的存儲(chǔ)和釋放均需要某些特定的條件，以便使熱量的存儲(chǔ)和釋放可控。因此蓄熱材料一般具備可逆性強(qiáng)、可控性高、儲(chǔ)能能力強(qiáng)的特點(diǎn)。蓄熱材料一般分為顯熱型、化學(xué)反應(yīng)型、潛熱型三大類(lèi)。

2.1 顯熱蓄熱材料

顯熱蓄熱材料，在發(fā)生熱量存儲(chǔ)和釋放的過(guò)程只發(fā)生在材料表面，熱量的存儲(chǔ)和釋放只和溫度有關(guān)系，而和其他材料的任何特性都沒(méi)有關(guān)系。這種蓄熱方式的特點(diǎn)是蓄熱過(guò)程簡(jiǎn)單，蓄熱材料簡(jiǎn)單易獲取，但是蓄熱過(guò)程不可控，為了達(dá)到蓄熱效果，受限于顯熱蓄熱材料密度低往往會(huì)需要很大體積的蓄熱材料才能達(dá)到效果。

2.2 潛熱蓄熱材料

物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，或由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)（升華）時(shí)，則將釋放相變熱，這是潛熱型蓄熱運(yùn)用的基本原理。所以，潛熱型蓄熱按照相變的方式一般分為4類(lèi)：固-固相變、固-液相變、固-氣相變及液-氣相變。由于固-氣相變和液-氣相變材料相變時(shí)體積變化太大，使用時(shí)需要很多的復(fù)雜裝置，因此盡管它們有很大的相變潛熱，但在實(shí)際應(yīng)用中很少被采用。綜上所述，固-固相變和固-液相變是目前蓄熱材料中研究的重點(diǎn)。另外，相變蓄熱材料按相變溫度的范圍可分為：高溫、中溫和低溫蓄熱材料，按材料的組成成分可分為無(wú)機(jī)類(lèi)和有機(jī)類(lèi)（包括高分子類(lèi)）蓄熱材料。蓄熱材料通常是由多組分體系構(gòu)成的，包括蓄熱劑、相變溫度調(diào)整劑、防過(guò)冷劑（成核劑）、懸浮劑、防相分離劑（當(dāng)固、液相共存時(shí)因密度差易發(fā)生相分離）和促進(jìn)劑。

2.3 熱化學(xué)蓄熱材料

熱化學(xué)蓄熱材料主要利用氫氧化物和氨化物進(jìn)行可逆的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行蓄熱，在有催化劑存在、溫度適當(dāng)反應(yīng)效果良好。現(xiàn)在目前在研究階段的是用于風(fēng)光儲(chǔ)技術(shù)中太陽(yáng)能的儲(chǔ)存技術(shù)，但是這個(gè)熱化學(xué)蓄熱需要保證容器的耐腐蝕性和密閉性。熱化學(xué)蓄熱材料在環(huán)保、節(jié)能發(fā)表達(dá)到了很好的要求，且蓄熱材料性能優(yōu)越，蓄熱密度大，但是蓄熱過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生泄露，且因?yàn)樾顭岵牧系奶厥庑?，要求蓄熱罐等前期的投入特別大，短期內(nèi)無(wú)法收回成本，實(shí)際應(yīng)用效果有效。

蓄熱材料的工作過(guò)程包括兩個(gè)階段：一是熱量的儲(chǔ)存階段，即把高峰期多余的動(dòng)力、工業(yè)余熱廢熱或太陽(yáng)能等通過(guò)蓄熱材料儲(chǔ)存起來(lái)；二是熱量的釋放階段，即在使用時(shí)通過(guò)蓄熱材料釋放出熱量，用于采暖、供熱等。熱量?jī)?chǔ)存和釋放階段循環(huán)進(jìn)行，就可以利用蓄熱材料解決熱能在時(shí)間和空間上的不協(xié)調(diào)性，達(dá)到能源高效利用和節(jié)能的目的。

3 蓄熱和放熱時(shí)間的選擇

一般情況下，白天時(shí)期，供電負(fù)荷需求量大，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率大；晚上時(shí)期，供電負(fù)荷需求量小，發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率小。當(dāng)機(jī)組改為供熱機(jī)組時(shí)，電負(fù)荷的波動(dòng)給供熱造成影響，而白天電負(fù)荷大，晚上電負(fù)荷小的特點(diǎn)也為蓄熱系統(tǒng)應(yīng)用提供一個(gè)可能。

蓄熱罐在供熱過(guò)程中起到削峰填谷的作用。白天機(jī)組電負(fù)荷較高時(shí)，同時(shí)供熱能力也較大，通過(guò)一部分抽汽對(duì)蓄熱罐蓄熱；晚上機(jī)組電負(fù)荷較低，同時(shí)供熱能力降低，這時(shí)供熱能力不足的部分用蓄熱罐進(jìn)行放熱。而在蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，蓄熱和放熱的時(shí)間選擇時(shí)蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要因素，因此必須結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)分析。

表1為某電廠所提供的機(jī)組在未進(jìn)行供熱改造之前，機(jī)組的電負(fù)荷情況在一天當(dāng)中的變化情況統(tǒng)計(jì)表。

從表1我們可以看出，某電廠在往年運(yùn)行過(guò)程中，白天負(fù)荷較高，負(fù)荷率維持在75%以上，晚上基本上負(fù)荷率維持60%左右。

某電廠在經(jīng)過(guò)供熱改造之后，建設(shè)蓄熱罐項(xiàng)目，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，保證電負(fù)荷和供熱負(fù)荷的情況下，白天將多余的抽汽用蓄熱罐進(jìn)行蓄熱，然后晚上放熱，實(shí)行供熱的削峰填谷功能，從而為電廠帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)效益。

本蓄熱罐項(xiàng)目中的蓄熱罐運(yùn)行以完成一次蓄熱和放熱過(guò)程為一個(gè)周期。根據(jù)上面分析，本項(xiàng)目在選型蓄熱罐的時(shí)，將白天蓄熱時(shí)間定為17小時(shí)，晚上放熱時(shí)間定為7小時(shí)。

4 熱力系統(tǒng)及相關(guān)參數(shù)選型

4.1 蓄熱系統(tǒng)

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(shè)一套熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)。熱網(wǎng)主循環(huán)水泵設(shè)于富熱廠內(nèi)，富發(fā)電廠只設(shè)加壓水泵，以承擔(dān)兩電廠間的壓力損失。熱網(wǎng)供、回水設(shè)計(jì)溫度為120/60℃，供、回水設(shè)計(jì)壓力為1.47/1.27MPa，設(shè)計(jì)流量2500t/h。熱網(wǎng)首站設(shè)有2臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。蓄熱系統(tǒng)主要由蓄熱罐、蓄熱升壓泵、自動(dòng)濾水器、蓄熱管線及閥門(mén)等組成。

4.2 蓄熱過(guò)程

蓄熱時(shí)，熱水自廠區(qū)熱網(wǎng)供水母管預(yù)留接口引出，經(jīng)一根DN450的蓄熱高溫水母管引至蓄熱罐上部高溫水接口。高溫水母管上設(shè)有電動(dòng)蝶閥、調(diào)節(jié)閥及流量測(cè)量裝置等，靠近蓄熱罐及廠區(qū)熱網(wǎng)水管線處分別設(shè)置手動(dòng)閘閥。調(diào)節(jié)閥設(shè)有旁路，蓄熱過(guò)程，旁路關(guān)閉，熱水經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入蓄熱罐。

蓄熱罐中的冷水自蓄熱罐下部低溫水接口引出，經(jīng)一根DN450的蓄能低溫水母管，由蓄熱升壓泵升壓后送至廠區(qū)熱網(wǎng)回水母管預(yù)留接口。低溫水母管上設(shè)有自動(dòng)濾水器、電動(dòng)蝶閥、調(diào)節(jié)閥及流量測(cè)量裝置，靠近蓄熱罐及廠區(qū)熱網(wǎng)水管線處分別設(shè)置手動(dòng)閘閥。自動(dòng)濾水器及調(diào)節(jié)閥均設(shè)有旁路，蓄熱過(guò)程，自動(dòng)濾水器及調(diào)節(jié)閥前后電動(dòng)蝶閥均關(guān)閉，冷水均經(jīng)旁路進(jìn)入熱網(wǎng)回水母管。

自升壓泵后、調(diào)閥前的低溫水母管上引出一根DN150的高溫水調(diào)溫管道，接至調(diào)閥后、升壓泵前的高溫水母管上。調(diào)溫管道上設(shè)有調(diào)節(jié)閥及流量測(cè)量裝置。當(dāng)熱網(wǎng)供水溫度超過(guò)98℃時(shí)，為避免蓄熱罐內(nèi)高溫水沸騰，需開(kāi)啟高溫水調(diào)溫管路，形成低溫水自循環(huán)，調(diào)溫水與高溫水混合后進(jìn)入蓄熱罐。

4.3 放熱過(guò)程

放熱過(guò)程與蓄熱過(guò)程共用同一蓄熱管線。放熱時(shí)，冷水自廠區(qū)熱網(wǎng)回水母管預(yù)留接口引出，經(jīng)一根DN450的蓄熱低溫水母管引至蓄熱罐下部低溫水接口。放熱過(guò)程，自動(dòng)濾水器及調(diào)節(jié)閥旁路均關(guān)閉，冷水均經(jīng)自動(dòng)濾水器及調(diào)節(jié)閥進(jìn)入蓄熱罐；高溫水調(diào)溫管道閥門(mén)關(guān)閉。

蓄熱罐中的熱水自蓄熱罐上部高溫水接口引出，經(jīng)一根DN450的蓄能低溫水母管，由蓄熱升壓泵升壓后送至廠區(qū)熱網(wǎng)供水母管預(yù)留接口。放熱過(guò)程，調(diào)節(jié)閥前后電動(dòng)蝶閥關(guān)閉，熱水經(jīng)旁路進(jìn)入熱網(wǎng)供水母管。

本項(xiàng)目泵及管道的選型按照放熱時(shí)間不小于6h，蓄熱時(shí)間不小于8h來(lái)進(jìn)行選取。本系統(tǒng)設(shè)有3臺(tái)蓄熱升壓泵，單臺(tái)泵容量為800t/h，揚(yáng)程為150m，根據(jù)蓄、放熱時(shí)間確定開(kāi)啟泵的數(shù)量。蓄、放熱時(shí)間超過(guò)11h，1臺(tái)泵運(yùn)行，2臺(tái)泵備用；蓄、放熱時(shí)間不超過(guò)11h，2臺(tái)泵運(yùn)行，1臺(tái)泵備用。三臺(tái)泵設(shè)置2套變頻設(shè)備，采用一拖一和一拖二兩種方式變頻調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者主要從蓄熱罐的蓄熱、放熱原理、蓄熱方式、蓄熱材料、蓄熱放熱時(shí)間引發(fā)人們對(duì)蓄熱罐的重視，在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)形勢(shì)“L”型增長(zhǎng)的今天，如何做好熱電廠負(fù)荷和供熱的平衡問(wèn)題值得深思。