中高溫相變儲(chǔ)熱控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

陶 曄 趙潔蓮 孫 佳

【作者簡介】

陶曄：（1982.1-），男，高級(jí)工程師。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，主要從事常規(guī)火電站、太陽能光熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等設(shè)計(jì)工作。

中高溫相變儲(chǔ)熱控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

陶 曄1趙潔蓮2孫 佳3

目前普遍使用的儲(chǔ)熱方式有兩大類：顯熱式儲(chǔ)熱和潛熱式儲(chǔ)熱。顯熱式儲(chǔ)熱，通過加熱介質(zhì)使其溫度升高而儲(chǔ)熱，也叫“熱容式儲(chǔ)熱”。潛熱式儲(chǔ)熱利用儲(chǔ)熱介質(zhì)被加熱到相變溫度時(shí)吸收大量相變熱而儲(chǔ)熱，它也叫“相變式”儲(chǔ)熱[1]。物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)（熔解），由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)（氣化），或由固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)（升華），都會(huì)吸收相變熱；而進(jìn)行逆過程時(shí)則釋放相變熱。與顯熱式儲(chǔ)熱相比，潛熱式儲(chǔ)熱有兩大明顯優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)熱密度大，即可以用很小的體積貯存很多的熱能；吸熱過程和放熱過程幾乎是在恒溫條件下進(jìn)行，有利于與熱源和負(fù)載相配合[2]。

通過相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)，可將不穩(wěn)定的太陽能熱輸入轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的熱輸出，對(duì)于太陽能熱利用有著重大意義。國內(nèi)對(duì)于相變蓄熱在太陽能領(lǐng)域的研究，可以追溯到上個(gè)世紀(jì)的70年代，但真正應(yīng)用于實(shí)際工程的情況只是近幾年的時(shí)間，目前有報(bào)導(dǎo)的案例也還非常少。

【作者簡介】

陶曄：（1982.1-），男，高級(jí)工程師。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，主要從事常規(guī)火電站、太陽能光熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等設(shè)計(jì)工作。

1 相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)

相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)如圖1所示，太陽能多余的蒸汽從汽包出來后進(jìn)入儲(chǔ)熱裝置，經(jīng)過換熱將熱量傳給儲(chǔ)熱裝置，換熱完畢后排出。放熱時(shí)水從相反方向進(jìn)入裝置，獲取熱量后成為蒸汽進(jìn)入汽包。

2 儲(chǔ)熱裝置及相變介質(zhì)

2.1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中的儲(chǔ)熱裝置采用驕英能源專利技術(shù)高溫相變儲(chǔ)熱材料作為相變儲(chǔ)熱介質(zhì)，主要分為兩種介質(zhì)A和B。

介質(zhì)A特點(diǎn)：比熱容高、熔點(diǎn)較高、溫度變化不明顯、能存儲(chǔ)較多熱量。

介質(zhì)B特點(diǎn)：比熱容低、熔點(diǎn)低、換熱效果明顯、溫度變化顯著。

兩種介質(zhì)的溫升曲線如圖2所示。

2.2 介質(zhì)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上兩種介質(zhì)的特點(diǎn)，對(duì)儲(chǔ)熱裝置中的介質(zhì)設(shè)計(jì)。儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)存熱量主要依靠介質(zhì)A，故裝置中層和上層都設(shè)置存放介質(zhì)A。配合熱源蒸汽上進(jìn)下出的流向，處于上側(cè)高溫側(cè)能更好地吸收熱量，同時(shí)放熱時(shí)能更有效提高排汽溫度。

儲(chǔ)熱裝置由溫度判斷控制邏輯，故介質(zhì)B受熱溫度變化明顯，設(shè)置于裝置下側(cè)能更好地反映溫度變化，利于控制。

3 儲(chǔ)熱、放熱工藝控制

3.1 儲(chǔ)熱流程

（1）初始狀態(tài)

電動(dòng)閥門MV 001，MV 002，MV003，MV004，MV 006，MV 008，MV009，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門MV 005，MV 007狀態(tài)反饋，如果工作正常，則可繼續(xù)運(yùn)行，如果報(bào)錯(cuò)，系統(tǒng)發(fā)出警告。

電動(dòng)閥門MV 001～MV 009都在常閉狀態(tài)。

讀取流量計(jì)FT 001，F(xiàn)T 002，汽包壓力，PT 01，PT 02，TE 01～TE 20，TE 37，TE 38信號(hào)。

系統(tǒng)參數(shù)1號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為0，系統(tǒng)參數(shù)2號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為0。

（2）開始運(yùn)行

圖1 相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)

電動(dòng)閥MV 001，MV 004，MV 008打開。

圖2 儲(chǔ)熱介質(zhì)溫升曲線

當(dāng)汽包壓力值>400 kPa（G）之后，開啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 005到15%。當(dāng)TE 38>165℃時(shí)開啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 007到15%，電動(dòng)門MV 009。

TE 38<150℃時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 007，關(guān)閉電動(dòng)門MV 009。

TE 38>170℃時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 005和MV 007的開度為25%；TE 38<170℃時(shí)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 005和MV 007的開度為15%。

當(dāng)TE 1～TE 6的信號(hào)值中有5個(gè)信號(hào)值升至150℃時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 005，關(guān)閉電動(dòng)門MV 008。

系統(tǒng)參數(shù)1號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為1。

當(dāng)TE 11～TE 16的信號(hào)值中有5個(gè)信號(hào)值升至150℃時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 007，關(guān)閉電動(dòng)門MV 009。

系統(tǒng)參數(shù)2號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為1。

3.2 放熱流程

（1）初始狀態(tài)

電動(dòng)閥門MV 001，MV 002，MV 003，MV004，MV0 06，MV 008，MV 009，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門MV 005，MV 007狀態(tài)反饋，如果工作正常，則可繼續(xù)運(yùn)行，如果報(bào)錯(cuò)，系統(tǒng)發(fā)出警告。

電動(dòng)閥門MV 001～MV 009都在常閉狀態(tài)。

讀取流量計(jì)FT 001，F(xiàn)T 002，汽包壓力，PT01，PT 02，TE 01～TE 20，TE 37，TE 38信號(hào)。

系統(tǒng)參數(shù)1號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為1，系統(tǒng)參數(shù)2號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為1。

（2）開始運(yùn)行

打開手動(dòng)閥V 005，開度約30%。

電動(dòng)閥MV 002，MV 003打開，30 s后打開MV 008。

開啟電動(dòng)調(diào)節(jié)閥MV 005到23%。

（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門MV 005標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)程序：隨著TE 07～TE 10溫度值調(diào)節(jié)MV 005開度，如果TE 07～TE 10中有3個(gè)值低于157℃，MV005開度調(diào)小為20%，TE 07～TE 10中有3個(gè)值低于152℃，MV 005開度調(diào)節(jié)為15%，TE 07～TE 10中有3個(gè)值低于148℃，MV 005關(guān)閉。）

當(dāng)TE 07～TE 10中有3個(gè)值低于148℃，關(guān)閉MV 005，開啟MV 006，開啟MV 007到 23%，當(dāng)TE 01～TE 04中有3個(gè)值小于145℃，關(guān)閉MV 008。

系統(tǒng)參數(shù)1號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為0。

關(guān)閉MV 006，開啟MV 009。

（電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門MV 007標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)程序：隨著TE 17～TE 20溫度值調(diào)節(jié)MV 007開度，如果TE 17～TE 20中有3個(gè)值低于155℃，MV007開度調(diào)小為20%，TE 17～TE 20中有3個(gè)值低于150℃，MV 007開度調(diào)節(jié)為15%，TE 07～TE 10中有3個(gè)值低于145℃，MV 007關(guān)閉。）

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)1號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為0且TE 11～TE 14中有3個(gè)值小于145℃，關(guān)閉MV009，15 s之后關(guān)閉MV 007，MV 002，MV003。

關(guān)閉手動(dòng)閥V 005。

系統(tǒng)參數(shù)2號(hào)儲(chǔ)熱狀態(tài)值為0。

4 應(yīng)用實(shí)例數(shù)據(jù)及分析

儲(chǔ)熱裝置根據(jù)以上的控制邏輯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要分為儲(chǔ)熱和放熱兩個(gè)過程。本實(shí)驗(yàn)兩套裝置采用串聯(lián)方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩套裝置的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。

4.1 儲(chǔ)熱過程

儲(chǔ)熱裝置1號(hào)和2號(hào)溫度變化如圖3、圖4所示，位于裝置下層介質(zhì)B對(duì)應(yīng)的7～10號(hào)溫度計(jì)溫升較快，裝置上層介質(zhì)A對(duì)應(yīng)的1～6號(hào)溫度計(jì)溫升較慢，與之前的分析完全一致，升溫較慢的介質(zhì)A主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存熱量，升溫較快的介質(zhì)B變化明顯，易于邏輯控制。

4.2 放熱過程

儲(chǔ)熱裝置1號(hào)和2號(hào)溫度變化如圖5、圖6所示，位于裝置下層介質(zhì)B對(duì)應(yīng)的7～10號(hào)溫度下降很快，裝置上層介質(zhì)A對(duì)應(yīng)的1～6號(hào)溫度下降相對(duì)較慢。

整個(gè)放熱過程分為兩個(gè)階段。

飽和蒸汽階段，此過程約為50 min，可持續(xù)產(chǎn)出飽和蒸汽，過程中只有管道內(nèi)少量的凝結(jié)水。

汽水混合階段，此過程還能產(chǎn)出飽和蒸汽，持續(xù)時(shí)間約為2.5 h。

圖3 儲(chǔ)熱裝置1號(hào)儲(chǔ)熱過程溫度變化曲線

圖4 儲(chǔ)熱裝置2號(hào)儲(chǔ)熱過程溫度變化曲線

圖5 儲(chǔ)熱裝置1號(hào)放熱過程溫度變化曲線

5 優(yōu)化建議

本文主要通過對(duì)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)熱、放熱工藝控制進(jìn)行研究及分析，并以兩套儲(chǔ)熱裝置為依托進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)測試后結(jié)果表明儲(chǔ)熱裝置能夠起到儲(chǔ)存熱量，并將能量放出的作用，可以彌補(bǔ)太陽光熱熱源不穩(wěn)定的缺陷，對(duì)于太陽能熱利用有著重大意義。

本次實(shí)驗(yàn)放熱所獲得的產(chǎn)物分為飽和蒸汽和熱水，而只有飽和蒸汽是可以彌補(bǔ)太陽能光熱熱源的，在后期放熱過程中得到的大量熱水作用不大，因此整個(gè)儲(chǔ)熱裝置的效率相對(duì)較低，放熱維持的時(shí)間也不長。

針對(duì)以上弊端，儲(chǔ)熱裝置還需要在串并聯(lián)控制方式以及在太陽能光熱系統(tǒng)中的連接方式做出改進(jìn)，尤其是目前實(shí)驗(yàn)后期所獲得的熱水沒有作用。有如下幾種方法可進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 儲(chǔ)熱裝置2號(hào)放熱過程溫度變化曲線

（1）串聯(lián)更多的儲(chǔ)熱裝置，熱水換熱后有效提高進(jìn)水溫度。

（2）熱水可與太陽能光熱系統(tǒng)中的循環(huán)水進(jìn)行換熱，回收熱量。

（3）儲(chǔ)熱裝置的保溫還不夠完善，可進(jìn)行優(yōu)化，以降低散熱損失。

（4）在不增加儲(chǔ)熱裝置體積的前提下，繼續(xù)優(yōu)化增加儲(chǔ)熱裝置本身的有效換熱面積。

[1] 葉宏.新型相變貯熱材料[J].太陽能, 2000 (03) .

[2] 王志強(qiáng)等.相變儲(chǔ)熱材料的種類、應(yīng)用及展望[J].安徽化工, 2005(02).

Application Research on Medium and High Temperature Phase-Change Heat Storage Control System

Tao Ye1, Zhao Jielian2, Sun Jia3