高溫相變蓄熱系統(tǒng)在電力需求側(cè)管理中的應(yīng)用

朱肖晶，王德峰，張繼皇，薛祝亮

（1.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215008；

2.江蘇啟能新能源材料有限公司，江蘇 張家港 215600）

高溫相變蓄熱系統(tǒng)在電力需求側(cè)管理中的應(yīng)用

朱肖晶1，王德峰1，張繼皇2，薛祝亮2

（1.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215008；

2.江蘇啟能新能源材料有限公司，江蘇 張家港 215600）

1.蓄熱技術(shù)及分類

當(dāng)前，受到燃燒效率和排放等技術(shù)因素制約，傳統(tǒng)的燃煤供暖所造成大氣環(huán)境污染和能源浪費問題日益嚴重。實現(xiàn)熱能較大規(guī)模儲存的蓄熱技術(shù)能夠有效解決熱能供給與需求時間不匹配的矛盾，同時借助電網(wǎng)負荷峰、谷時間段電價差降低系統(tǒng)運行費用，提高能源使用效率。蓄熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于民商用建筑采暖、工業(yè)廢熱利用、余熱回收等行業(yè)中，己成為學(xué)術(shù)研究和商業(yè)應(yīng)用的熱點領(lǐng)域。

根據(jù)蓄熱的形式劃分，可以將蓄熱技術(shù)分為3類:

（1）顯熱蓄熱技術(shù)（sensible thermal energy storage，STES）:通過比熱容較大的蓄熱物質(zhì)的溫度變化來存蓄熱能。低溫（小于100℃）顯熱蓄熱物質(zhì)包括水、巖石、砂等；中溫（120～600℃）顯熱蓄熱物質(zhì)包括導(dǎo)熱油、混凝土和熔融鹽，高溫（大于600℃）顯熱蓄熱物質(zhì)包括陶瓷、耐火磚、混凝土等。顯熱蓄熱技術(shù)成本較低，但存在儲能密度低、溫度輸出波動大的問題。

（2）相變蓄 熱 技 術(shù)（latent thermal energy storage,LTES）:利用材料物相變化過程中吸收（釋放）大量潛熱來實現(xiàn)熱量存儲和釋放。相變蓄熱具有儲能密度大、系統(tǒng)體積小的優(yōu)點，按相變轉(zhuǎn)變的形式可分為固-氣、液-氣、固-固和固-液4類。按工作溫度可分為低溫和高溫相變材料。利用相變蓄熱儲存熱能，相比同體積的水蓄熱量可達到水的5～15倍，而在相同蓄熱量的情況下，相變材料的體積較水又縮小了3～10倍。

（3）化學(xué)蓄熱技術(shù)（thermo?chemical energy storage，TCES）；化學(xué)蓄熱是利用儲能材料相接觸時發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng)來儲、放熱能。熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱具有更大的能量存儲密度，沒有散熱損失，可在常溫下長期存蓄熱量，是目前的研究重點，但穩(wěn)定性差、規(guī)?；y度高，離大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用尚遠。

3種蓄熱技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)比較見表1。

表1 3種主要蓄熱技術(shù)指標(biāo)比較

2 蓄熱技術(shù)在電力需求側(cè)管理中的作用

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平提升，江蘇等南方地區(qū)冬季采暖制熱需求日益增大，導(dǎo)致電網(wǎng)冬季最高負荷逐漸與夏季最高負荷接近,如何有效轉(zhuǎn)移冬季尖峰負荷是電網(wǎng)公司面臨的新挑戰(zhàn)。蓄熱技術(shù)的廣泛應(yīng)用為解決這一問題提供了一個新途徑。

安裝在終端客戶側(cè)的蓄熱設(shè)備利用電網(wǎng)谷段時間蓄熱，高峰時段放熱，有效節(jié)約高峰時段電力需求，為降低電網(wǎng)高峰負荷，提升整個電力系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性起到了重要作用，是需求側(cè)管理的重要手段之一。

通常而言，蓄熱技術(shù)可被歸類于移峰填谷類別中（即將低谷時間段負荷需求轉(zhuǎn)移到高峰時間段，優(yōu)化電網(wǎng)負荷特性,提高電力系統(tǒng)效率）。安裝蓄熱設(shè)備將高峰時間段負荷需求轉(zhuǎn)移到低谷時間段,達到移峰填谷的目的。這類移峰設(shè)備的安裝使用往往會增加電量消耗,但由于低谷時段電價遠低于高峰時段，同時移峰填谷抬高了低谷負荷,優(yōu)化了電網(wǎng)負荷特性,系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益大幅提升。

以單個蓄熱設(shè)備為例,相關(guān)電量計算過程如下：

（1）蓄熱設(shè)備的用電量E y計算式為

式中：P y()

t為移峰設(shè)備的運行負荷曲線；T為研究周期。

（2）被替代的常規(guī)設(shè)備的用電量E c為

式中：P c(t)為常規(guī)設(shè)備的運行負荷曲線。

（3）蓄熱設(shè)備多耗電量ΔE為

式中：μ為折算系數(shù),在0～1之間取值,主要影響因素為能源轉(zhuǎn)換效率、能源損耗等。當(dāng)然,在有些情況下,蓄熱設(shè)備的用電量也不一定比常規(guī)設(shè)備用電量高,所以多耗電量ΔE也可能為負值。

3 高溫相變蓄熱技術(shù)

綜合比較上述3種蓄熱方式，因為相變蓄熱具有儲熱密度大、蓄熱器體積小、熱效率高、吸放熱溫度恒定、易與運行系統(tǒng)匹配、易于控制等突出的優(yōu)點，已成為熱量儲能的主要形式。

根據(jù)相變溫度高低，相變蓄熱又分為低溫和高溫兩部分。本文主要介紹高溫相變蓄熱及其應(yīng)用。

3.1 高溫相變蓄熱材料種類

高溫相變蓄熱方相變時溫度基本不變，能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求，而且相變潛熱大，蓄熱器的尺寸可以大大減小。高溫相變蓄熱材料主要用于小功率發(fā)電、太陽能發(fā)電、工業(yè)余熱回收、工業(yè)蒸汽等方面，一般分為5類。

●單純鹽:主要為某些堿或堿土金屬氟化物、氯化物以及碳酸鹽。它們常具有很高的熔點及很高的熔化潛熱，可應(yīng)用于回收工廠高溫余熱等。

●金屬與合金:如鋁及其合金因其熔化熱大、導(dǎo)熱性高、蒸汽壓力低，是一種較好的蓄熱物質(zhì)。

●堿:比熱高、熔化熱大、穩(wěn)定性強、高溫下蒸汽壓力低、價格低廉。

●混合鹽:可根據(jù)需要將各種鹽類配制成100～890℃溫度范圍內(nèi)使用的蓄熱物質(zhì)，熔融溫度可調(diào)、體積變化小、傳熱好。

●氧化物:使用溫度高、熔化熱較大。

3.2 高溫相變蓄熱產(chǎn)品——高溫?zé)釒?/h3>

高溫相變蓄熱技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，加快了其產(chǎn)品化的進程，目前高溫?zé)釒熳鳛橐环N新型的高溫相變材料受到市場廣泛歡迎。

高溫?zé)釒焓且环N內(nèi)部填充相變儲能材料并可與外界進行熱交換的常壓裝置。其原材料是常用可回收的工業(yè)原料，整個儲熱循環(huán)過程是可控、常壓的物理過程。作為一種綠色節(jié)能的供暖技術(shù)，高溫?zé)釒炷軌蛞越?jīng)濟可行的方式，滿足不同空間、不同客觀條件下的熱能儲存和工業(yè)需求，為客戶提供供暖和蒸汽系統(tǒng)解決方案。

3.2.1 高溫?zé)釒焯攸c

（1）儲能密度高。由于相變材料具有高的相變焓，巨大的相變潛熱使其具有很高的儲能密度。

（2）導(dǎo)熱性高。具有較高的導(dǎo)熱性，在熱交換過程中可以大大提高換熱功率，實現(xiàn)快速充放熱。

（3）高效穩(wěn)定。換熱效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的供熱，輸出的功率可控性高，根據(jù)用熱端的需求調(diào)節(jié)熱量輸出，在熱負荷很高的環(huán)境下也能夠滿足用熱需求。

（4）安全可靠。在蓄熱與放熱過程中均是常壓運行。

（5）清潔環(huán)保。工作過程中無任何有害氣體、粉塵污染物排放。

（6）費用低廉。利用谷電進行蓄熱，在其它時間段進行放熱，大大降低運行費用。

3.2.2 高溫?zé)釒煨阅?/p>

蓄熱量的大小、放熱功率的高低、熱損等熱性能指標(biāo)是評價蓄熱產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)。高溫?zé)釒觳捎孟嘧儍δ懿牧?，儲熱密度很高，可以在很小的空間中儲存巨大的熱量。高溫?zé)釒靸?nèi)置換熱器，通過循環(huán)導(dǎo)熱油對熱庫進行蓄熱與放熱。

高溫?zé)釒旌愣üβ史艧崆€如圖1所示。單臺高溫?zé)釒煸诮咏?0 kW的功率下進行放熱，在出口溫度為120℃時放出720 MJ熱量，可見高溫?zé)釒煸谳^小的空間里可以儲存巨大的熱量，并且可以將儲存的熱量全部釋放，同時放熱過程持續(xù)、穩(wěn)定。

圖1 高溫?zé)釒旌愣üβ史艧崆€

高溫?zé)釒斓目焖俜艧崆€如圖2所示。其放熱功率曲線峰值可達330 kW，相當(dāng)于0.46 t蒸汽鍋爐。在快速放熱模式下，高溫?zé)釒炷軌蚋鶕?jù)末端需求實現(xiàn)大功率、快速、高效的熱量供應(yīng)。

圖2 高溫?zé)釒炜焖俜艧崆€

高溫?zé)釒斓臒釗p僅為4.2 W/K，在15℃的環(huán)境溫度下靜置24 h，熱量儲存完全狀態(tài)下的高溫?zé)釒斓臒崃繐p失不高于12%。因此，高溫?zé)釒觳粌H可以在充熱過程中高效地將電能轉(zhuǎn)化為儲存在熱庫中的熱量。而且，在小功率緩慢放熱的工況下，放熱時間會很長，所儲存的熱量能夠持續(xù)、穩(wěn)定、完全地釋放。

4 高溫相變蓄熱系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

以高溫?zé)釒鞛楹诵难b置的高溫相變蓄熱系統(tǒng)將熱源產(chǎn)生的熱量通過載熱劑導(dǎo)熱油傳到高溫?zé)釒?，高溫?zé)釒熳鳛閮峤橘|(zhì)將熱量儲存起來，在需要供熱時，啟動熱庫側(cè)的循環(huán)泵（不需要開啟熱源），并且啟動用熱側(cè)的循環(huán)泵，利用換熱器將高溫?zé)釒熘袃Υ娴臒崃客ㄟ^載熱劑導(dǎo)熱油傳到用熱末端。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 高溫相變蓄熱系統(tǒng)原理圖

4.2 系統(tǒng)優(yōu)勢

高溫相變蓄熱主要用于提供工業(yè)蒸汽，在夜間電價低谷時段將電加熱爐（或其他熱源）產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱油循環(huán)換熱儲存在熱庫中，在峰電或平電時段利用熱庫的熱量通過高效換熱器產(chǎn)生穩(wěn)定的100～160℃的蒸汽，保證末端蒸汽需求（加熱、采暖、消毒等）；也可以通過導(dǎo)熱油直接釋放出120～180℃之間的熱量，用于工業(yè)加熱/烘烤等工藝流程。

高溫相變蓄熱技術(shù)主要用于工業(yè)應(yīng)用，具有零排放、使用安全、清潔環(huán)保、智能運行等諸多優(yōu)勢。

5 應(yīng)用案例

5.1 企業(yè)簡介

江蘇某企業(yè)位于蘇州市工業(yè)園區(qū)內(nèi)，是一家國內(nèi)知名的電子制造企業(yè)，主要生產(chǎn)集成電路板等產(chǎn)品。該企業(yè)生產(chǎn)工藝中要求需大量蒸汽烘干印刷電路板，企業(yè)原先采用一臺容量為360 kW電加熱蒸汽爐，加熱產(chǎn)生120℃蒸汽，經(jīng)熱力管道通到生產(chǎn)線上。由于蒸汽無法儲存，電蒸汽鍋爐一般在白天生產(chǎn)高峰期使用，電費成本十分高昂。為降低制造蒸汽成本，在經(jīng)過多種技術(shù)比較后，企業(yè)決定將原來電加熱蒸汽爐改造為高溫相變蓄熱系統(tǒng)，用相變蓄熱方式提供高溫蒸汽。

5.2 工作原理

高溫相變蓄熱系統(tǒng)在谷電時段將電蒸汽鍋爐產(chǎn)生的熱量儲存在熱庫中，在峰電時段關(guān)閉電蒸汽鍋爐，釋放熱庫熱量，通過高效換熱器產(chǎn)生穩(wěn)定的120℃的蒸汽，整套系統(tǒng)可穩(wěn)定滿足企業(yè)烘干工藝中末端蒸汽需求，實現(xiàn)了電量和負荷的“移峰填谷”。

5.3 設(shè)備選型

（1）高溫?zé)釒爝x擇

依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，使用電蒸汽鍋爐時峰電時段烘干工藝平均耗電量為1 751 kWh，按GB 4114—83中電與熱之間的轉(zhuǎn)換比例1 kWh=3.6 MJ換算，高溫相變熱庫所需儲存熱量為1 751kWh×3.6 MJ/kWh= 6 306 MJ。若熱量在通過通風(fēng)管路輸送至生產(chǎn)線過程中的熱損失約為25%計，總熱量需求為6 306.6 MJ÷（100%-25%）=8 408.8 MJ。每臺高溫相變熱庫蓄熱量650 MJ，供需8 408.8 MJ÷650 MJ/臺＝13臺。實際運行中考慮預(yù)留5%的余量，最終確定選用14臺高溫?zé)釒旃帷?/p>

（2）電功率計算

高溫相變蓄熱系統(tǒng)只在谷電時段運行，每天使用時間8 h，系統(tǒng)效率90%計算，最終所需電功率為: 1 751 kWh÷8 h÷0.9=242.2 kW。

5.4 經(jīng)濟效益

該企業(yè)采用10 kV供電，用電性質(zhì)為大工業(yè)用電，分時電價時段及價格如表2所示。

表2 江蘇電網(wǎng)分時電價銷售價格表（10 kV一般大工業(yè)用戶）

改造前:原電加熱蒸汽鍋爐系統(tǒng)每天在峰電時段用電量為1 751 kWh，考慮電鍋爐的效率98%，年運行時間按360天計算，峰電價格為1.100 2元/kWh，電蒸汽鍋爐年運行費用為1 751 kWh×360元/kWh÷ 98%×1.100 2＝707 675元。

改造后:采用高溫相變蓄熱系統(tǒng)后，原峰電時段電蒸汽鍋爐生產(chǎn)的熱量改由谷電產(chǎn)生，谷電價格為0.320 0元/kWh，考慮高溫?zé)釒煨?8%，電蒸汽鍋爐效率98%，年運行時間按360天計算，高溫相變蓄熱系統(tǒng)年運行費用1 751 kWh×360元/kWh÷98%÷ 88%×0.320 0＝233 900元。

改用高溫相變蓄熱系統(tǒng)后，企業(yè)年所節(jié)省運行費用473 775元，節(jié)省高達66.95%，同時實現(xiàn)了360 kW的高峰用電負荷轉(zhuǎn)移。該項目經(jīng)濟效益好、回收周期短、零污染零排放，對于改善電網(wǎng)負荷曲線和促進節(jié)能環(huán)保均有積極意義。

6 結(jié)束語

本文介紹了高溫相變蓄熱技術(shù)及產(chǎn)品的性能特點及其在工業(yè)產(chǎn)蒸汽領(lǐng)域的應(yīng)用。高溫相變蓄熱技術(shù)通過蓄熱調(diào)峰，為企業(yè)工業(yè)蒸汽需求提供了很好的解決方案。該技術(shù)的應(yīng)用一方面有效削減電網(wǎng)高峰時段電力需求，減緩供電壓力和節(jié)約電力設(shè)施投資，另一方面借助峰谷電價之間的價格差為使用企業(yè)帶來良好經(jīng)濟效益，形成電網(wǎng)與企業(yè)雙贏的局面，發(fā)展前景十分廣闊。D

［1］ 崔海亭，楊鋒.蓄熱技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)化工出版社，2004.

［2］ 宋鴻杰，李亞奇，李亞鵬，等.高溫相變蓄熱技術(shù)［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2012（8）：36-41.

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Application ofthe high temperature phase?change thermalstorage in DSM

ZHU Xiao?jing1，WANG De?feng1，ZHANG Ji?huang2，XUE Zhu?liang2
（1.Suzhou Power Supply Company,Suzhou 215008,China; 2.Jiangsu Qineng New Energy Materials Co.,Ltd.,Zhangjiagang 215600,China）

從對各類蓄熱技術(shù)簡要比較分析入手，分析蓄熱技術(shù)在電力需求側(cè)管理中的作用，著重介紹了高溫相變蓄熱技術(shù)原理及主要產(chǎn)品，以及高溫相變蓄熱系統(tǒng)在江蘇某電子企業(yè)應(yīng)用的成功案例。該企業(yè)在谷電時段采用相變儲能技術(shù)進行電熱蓄熱,在日間高峰時段釋放所儲熱能用于工業(yè)蒸汽制造。項目取得良好的經(jīng)濟和環(huán)保效益，對降低企業(yè)生產(chǎn)成本和改善電網(wǎng)峰谷時段負荷差效果顯著。

高溫相變；蓄熱；移峰填谷

This paper starts with a brief comparative of vari?ous types ofheatstorage technologies,then analyzes the role of heat storage technology in DSM，mainly introduces the high temperature phase?change thermal storage technology and products.After that,a successful application of high temperature phase?change heat stor?age system in an enterprise in Jiangsu is also informed.By using this new technology,the enterprise in the off?peak hours made the heat storageand in the peak hours release the stored energy for manufac?turing industrialsteam.Ithas a good effecton reducing heating costs and improving power grid peak and off?peak time load user differ?ence.

high temperature phase?change;thermal stor?age;load shifting

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.007

F407.61；TK018

B

2017-02-27