大型蓄熱水罐系統(tǒng)在城市集中供熱系統(tǒng)中的研究

中國電建集團河南省電力勘測設(shè)計院有限公司 孟勝利 李凱強 何 垚 李孟陽

城市集中供熱系統(tǒng)是城市能源建設(shè)的一項基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)乎一個城市的發(fā)展。熱電聯(lián)產(chǎn)機組和區(qū)域鍋爐房作為城市集中供熱的主要熱源，為城市的能源供給提供了巨大的支撐；同時，由于以煤炭為主要燃料，熱電聯(lián)產(chǎn)機組和區(qū)域鍋爐房也是城市煤炭能源消費的主力。在當(dāng)前節(jié)能減排和環(huán)境保護的新形勢下，如何在滿足城市熱量需求的前提下提高機組運行效率、減少能源消耗、降低污染物排放，已經(jīng)成為城市集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展方向。

城市集中供暖的供熱負(fù)荷主要受環(huán)境溫度的影響并隨溫度變化而變化，在一天內(nèi)出現(xiàn)明顯的的波動，熱負(fù)荷高峰往往出現(xiàn)在凌晨3～5點左右，熱負(fù)荷低谷出現(xiàn)在下午3～5點左右。因此，在實際運行中：當(dāng)熱網(wǎng)負(fù)荷處于熱負(fù)荷低谷段其值低于平均熱負(fù)荷，僅由熱電廠對熱網(wǎng)供熱，此時熱電廠不能處于滿負(fù)荷狀態(tài)運行，其熱經(jīng)濟性降低；當(dāng)熱網(wǎng)負(fù)荷處于熱負(fù)荷曲線波峰段其值高于平均熱負(fù)荷，需供熱成本較高的調(diào)峰熱源投入使用，彌補缺失的熱量，滿足熱負(fù)荷需求。

熱網(wǎng)負(fù)荷的波動一方面使熱電廠機組不能處于滿負(fù)荷運行，降低機組效率和熱經(jīng)濟性，一方面會增加調(diào)峰熱源的設(shè)置，增大調(diào)峰期間的熱網(wǎng)運行成本。如果能把熱網(wǎng)在峰值附近的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低谷處，那不僅能使熱電廠保持較高的機組效率和熱經(jīng)濟性，還能減少熱負(fù)荷峰值、減少調(diào)峰鍋爐的臺數(shù)，更能降低整體的供熱成本。為了實現(xiàn)熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，就需要將熱量在熱負(fù)荷較低的情況下儲存起來，在熱負(fù)荷較高的情況下釋放出去，從而實現(xiàn)能量的“轉(zhuǎn)移”。對于城市集中供熱系統(tǒng)，這一過程需要通過大型蓄熱水罐系統(tǒng)來實現(xiàn)。

1 大型蓄熱水罐系統(tǒng)

大型蓄熱水罐系統(tǒng)是指通過大型蓄熱水罐的充能、儲存和釋放過程，使熱能可在熱網(wǎng)溫度、熱源發(fā)生變化時使用的系統(tǒng)。熱能儲蓄系統(tǒng)可根據(jù)城市集中供熱系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化切換蓄熱和放熱狀態(tài)，對供熱管網(wǎng)進行調(diào)節(jié)，從而對集中供暖日負(fù)荷起到削峰填谷的作用。大型蓄熱水罐系統(tǒng)的工作原理如圖1（1熱網(wǎng)循環(huán)泵、2電動調(diào)節(jié)閥、3混水用電動調(diào)節(jié)閥、4蓄熱用電動調(diào)節(jié)閥、5放熱用水泵、6換熱站、7熱電廠、8蓄熱水罐、9熱用戶、蓄熱用水泵）：

圖1 蓄熱水罐系統(tǒng)運行原理圖

當(dāng)環(huán)境溫度較高時，用戶端熱負(fù)荷小于熱電廠機組負(fù)荷，用戶需熱量小于熱電廠機組供熱量。此時，打開蓄熱用電動調(diào)節(jié)閥4和蓄熱用水泵10，蓄熱水罐8作為熱用戶連接管網(wǎng)投入使用，將熱量儲存在蓄熱罐8內(nèi)，保證管網(wǎng)熱用戶熱量與其需熱量相匹配。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，用戶端熱負(fù)荷大于熱電廠機組負(fù)荷，用戶需熱量大于熱電廠機組供熱量，此時打開放熱用電動調(diào)節(jié)閥2和放熱用水泵5，蓄熱水罐8作為熱源接入管網(wǎng)，將熱量輸入管網(wǎng)，保證管網(wǎng)供熱量與用戶需熱量匹配。蓄熱水罐根據(jù)用戶熱負(fù)荷和熱源熱負(fù)荷的大小關(guān)系，切換蓄熱和放熱模式，保證熱用戶的用熱需求得到滿足。

大型蓄熱水罐蓄熱技術(shù)在歐洲具有成熟的理論體系，已被深入研究。Bogdan and Kopjar[1]的研究表明，使用大型蓄熱水罐的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱機組具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。Verda and Colella[2]分別對都靈（意大利）城市熱網(wǎng)兩個時間段的熱負(fù)荷進行了分析，在最大熱負(fù)荷為600MW、使用3000m3的熱水儲罐系統(tǒng)可將最大熱負(fù)荷削減為508MW，使用10000m3的熱水儲罐系統(tǒng)可將最大熱負(fù)荷削減為400MW；在熱網(wǎng)最大熱負(fù)荷為900MW時，使用3000m3的熱水儲罐系統(tǒng)可將最大熱負(fù)荷削減為800MW，使用10000m3的熱水儲罐系統(tǒng)可將最大熱負(fù)荷削減為680MW。Pagliarini and Rainieri[3]的研究指出，使用帶有蓄熱水罐的熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱系統(tǒng)，可減少調(diào)峰鍋爐的使用，具有顯著的經(jīng)濟效益。Romanchenko[4]研究表明，帶蓄熱水罐系統(tǒng)的集中供熱系統(tǒng)運行費用較不帶蓄熱水罐系統(tǒng)減少2%。

大型蓄熱水罐系統(tǒng)在歐洲北部國家也得到了廣泛應(yīng)用。在丹麥馬斯塔爾，一座75000m3的蓄熱罐被用于太陽能、生物質(zhì)有機朗肯循環(huán)和熱泵耦合項目，用以全年持續(xù)供熱[5]。在丹麥的Vojens，一座200000m3的蓄熱水于用于當(dāng)?shù)爻鞘袇^(qū)域供熱[6]。在冰島，一座101000m3的蓄熱水被用于供熱削峰[7]。此外，在芬蘭等國家還有大量10000～20000m3的蓄熱水罐用于集中供熱系統(tǒng)。2006年北京左家莊蓄熱廠8000m3蓄熱水罐工程投入使用，用于對熱負(fù)荷削峰填谷，該工程系蓄熱水罐在我國城市集中供熱管網(wǎng)的首次應(yīng)用[8]。大型蓄熱罐技術(shù)雖然已經(jīng)十分成熟且在國外得到廣泛應(yīng)用，其在國內(nèi)集中供熱工程的應(yīng)用尚需發(fā)展。

2 大型蓄熱水罐的削峰功能

本文以鄭州市為研究對象，選取其最冷月一天的供暖日負(fù)荷變化進行分析，結(jié)合鄭州市的集中供熱情況對大型蓄熱水罐的調(diào)峰功能進行分析。根據(jù)鄭州市《鄭州市城市集中供熱規(guī)劃（2018-2030）》，2017年鄭州市集中采暖熱負(fù)荷為8107MW、平均采暖熱負(fù)荷為5845MW，以熱電廠為基礎(chǔ)熱源，以燃?xì)忮仩t熱源廠為調(diào)峰熱源。圖2給出了當(dāng)天的溫度變化，可看出：最高溫度出現(xiàn)在下午三點，為6.0℃；最低溫度出現(xiàn)在凌晨4點，為-3℃，平均溫度為1.4℃。當(dāng)天任一時刻的熱負(fù)荷可根據(jù)Q=Qmax(tn-t)/(tn-tw)進行計算，式中：Qmax為集中供熱采暖最大熱負(fù)荷，MW；tn為采暖期室內(nèi)設(shè)計溫度，取18℃；tw為采暖期室外計算溫度，取-3.5℃；t為某一時刻的溫度，℃。

圖2表示的是當(dāng)天熱負(fù)荷隨溫度的逐時變化曲線。可看出晚上11點到早上3點及早上5點到早上9點熱負(fù)荷穩(wěn)定在較高值，為7000MW左右、為熱負(fù)荷穩(wěn)定段，早上4點左右進入熱負(fù)荷的尖峰段、峰值負(fù)荷為7925MW，早上10點到晚上11點負(fù)荷較小，谷值出現(xiàn)在下午三點左右、為4520MW。圖中區(qū)域1的負(fù)荷低于集中供熱的平均熱負(fù)荷，此時熱電廠的熱負(fù)荷大于集中供暖所需要的熱負(fù)荷，經(jīng)計算，富余的熱量約為5840MWh。圖中區(qū)域2的熱負(fù)荷大于集中供熱的平均熱負(fù)荷，需調(diào)峰熱源投入使用彌補缺失的熱量，經(jīng)計算缺失的熱量約為15640MWh。通過使用蓄熱水罐系統(tǒng)可將區(qū)域1內(nèi)的熱量進行儲存，在熱負(fù)荷達到峰值時釋放熱量，既可保證熱電廠機組在較高的效率下運行、提高熱經(jīng)濟性，又可替代燃?xì)忮仩t熱源廠削減熱負(fù)荷峰值，減少部分調(diào)峰鍋爐房的設(shè)置。

圖2 鄭州市最冷月一天溫度變化

為研究蓄熱水罐的容量對熱網(wǎng)熱負(fù)荷的削峰作用，分別設(shè)置蓄熱罐的容量為500MWh、1000MWh、1500MWh、2000MWh、2500MWh、4000MWh、6000MWh進行分析。圖4～10分別給出了7種蓄熱罐容量對熱網(wǎng)熱負(fù)荷的削峰效果，可看出，通過蓄熱水罐系統(tǒng)的調(diào)峰熱負(fù)荷的峰值分別降低 至7450MW、7220MW、7130MW、7080MW、7020MW、6870MW、6670MW，削峰負(fù)荷分別為475MW、705MW、 795MW、845MW、905MW、1055MW、1255MW。

圖4 容量為500MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖5 容量為1000MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖6 容量為1500MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖7 容量為2000MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖8 容量為2500MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖9 容量為4000MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖10 容量為6000MWh的熱負(fù)荷削峰效果

圖11給出了蓄熱水罐容量與其對削峰負(fù)荷的關(guān)系，當(dāng)蓄熱罐容量低于1100MWh時，削峰范圍處于熱負(fù)荷尖峰段，削峰負(fù)荷隨蓄熱罐的容量增長較快，削峰效果顯著；當(dāng)蓄熱罐容量大于1100MWh時，其削峰范圍超過熱負(fù)荷尖峰范圍段，進入熱負(fù)荷平穩(wěn)段，削峰負(fù)荷隨蓄熱罐容量改變的趨勢逐漸變緩，削峰效果減弱，削減同樣的熱負(fù)荷在熱負(fù)荷曲線穩(wěn)定段需要更大的蓄熱罐容量。

圖11 蓄熱水罐容量與削峰負(fù)荷的變化

另外從圖3中知道，當(dāng)天最大的蓄熱量由熱負(fù)荷的波谷段決定，為5840MWh，超過此范圍的蓄熱量需由當(dāng)天之前一段時間的熱負(fù)荷情況所確定。因此當(dāng)蓄熱罐的容量超過當(dāng)天最大的蓄熱量時，便需進一步研究一周內(nèi)或半月內(nèi)的熱負(fù)荷變化，取得蓄熱罐容量的最優(yōu)值，這也是下一步工作開展的方向。

圖3 鄭州市最冷月一天熱負(fù)荷變化

綜上，大型蓄熱水罐系統(tǒng)作為城市集中供熱系統(tǒng)集中調(diào)節(jié)的一種方式具有以下功能：保證了熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行效率和熱經(jīng)濟性，節(jié)約了能源消耗；對熱負(fù)荷波峰起削峰作用，減少了調(diào)峰鍋爐房的設(shè)置，降低了集中供熱整體供熱成本；使熱網(wǎng)調(diào)節(jié)更靈活，及時根據(jù)用戶熱負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)供熱負(fù)荷，提高了用戶體驗的舒適性。在確定大型蓄熱水罐的容量時，容量小于熱負(fù)荷曲線尖峰段內(nèi)熱量時其削峰效果最好，當(dāng)容量處于熱負(fù)荷曲線穩(wěn)定段熱量時削峰效果減弱。