蓄热器与锅炉

高 坚 高书歧

上海电气

蓄热器与锅炉

高 坚 高书歧

上海电气

蓄热器是一种结构简单 ，运行可靠的高效节能设备。卧式变压运行的蓄热器得到广泛应用。在热力系统中应用蓄热器，能够吸收尖峰负荷，改善锅炉运行条件，提高锅炉效率，提高供热质量。利用小块面积法求取蓄热器的最佳容量，方法简单明了易行。减少投资简化操作，提高设备及系统的安全性。投资效益好，回收快。

蓄热器；锅炉；蓄热量；效率；节能

蓄热器是一种结构简单，运行可靠的高效节能设备。在国外已有几十年的历史，近20年在国内也得到长足的发展。取得一些成熟的经验，一些厂家已经能够成系列的生产许多产品。要充分发挥蓄热器节能减排的优势，应与锅炉联合使用。也就是说在锅炉供热的系统中设置适当的蓄热器，对稳定系统提高供热质量，提高锅炉的效率，减少污染，起到事半功倍的作用。

锅炉是将化学能转变为热能的重要设备。在国民经济的发展中起着重要和不可代替的作用。根据2012年统计全国工业锅炉的总数达到62.4万台。这些锅炉的总的特点是容量小效率低，能耗大污染重。这些锅炉消耗了全国三分之一的能源，排放的PM 2.5占全国总量的10%。为了节能减排对这些锅炉及系统进行改造是必须的和刻不容缓的。虽然近几年一些锅炉改用了清洁燃料，减少了排污改善了环境，但对其本身效率影响不大。现在的锅炉其设计效率大多在80%以上，有的甚至更高。然而在实际运行中的锅炉，由于受到众多因素影响，根据统计它的实际效率仅有60%多点。就目前的情况而言，要想大幅度的提高锅炉本身效率很难了。系统中使用蓄热器，是提高锅炉运行效率的简单而又有效的办法。

1 蓄热器的分类结构和原理

蓄热器是一种能够蓄积并能传输一定热能的压力容器。

蓄热器的分类有几种不同的方法，主要有：

按照安装方式分，可分为立式和卧式两大类。按照运行压力，又可分为变压式和定压式两大类。

蓄热器的結构比较简单，有一个能够承受一定压力的圆筒形外壳，筒内有充气总管及与其连接的分支管，分支管还连接着在筒的下部均匀分布着的蒸汽喷头。圆筒的上部有出汽管。圆筒的外表有保温层，其上部还安装了相应的阀门、仪表和控制设备等。圆筒内约90%容积储存着能够储存和传输热能的水。结构示意图如下图1。

蓄热器一般都与锅炉联合运行。当锅炉的蒸发量大于外部负荷时，多余的蒸汽经进气总管支管蒸汽喷嘴进入水中，将水加热。随着进入水中的汽量的增加，水的温度和压力逐渐升高，直到筒内的水全部变成与充熱蒸汽的压力相等的饱和水为止，此过程为充热。

当锅炉的蒸发量小于外部负荷时，筒内从饱和水面溢出蒸汽供给负荷，随着饱和汽的溢出，筒内压力降低，直到筒内压力与负荷压力相等，蒸汽不再溢出，蓄热器的放热过程结束。

图1 蓄热器的结构原理图

在实际运行的热力系统中，锅炉所带的负荷受到众多因素的影响，负荷时刻在变化着，且有时变化的很突然，幅度很大如图2a所示。图2中qe表示锅炉的额定蒸发量。图2a中ab段负荷变化的幅值很大，远大于锅炉的额定蒸发量。变化突然，且超出锅炉本身的供给和调节能力。

实际运行的锅炉效率远远低于设计值，其主要原因是锅炉长期在低负荷或负荷变化剧烈的情况下运行，再是启、停的次数多。在系统中设置合适的蓄热器，将使负荷曲线变的比较平缓（如图2b）。

图 2

2 蓄热器在热力系统中的应用

蓄热器是一种运行可靠操作简单经济高效的节能设备，它一般与锅炉联合运行，它在热力系统中的作用越来越受到人们的重视。现以某热力公司的具体系统为例，来探讨蓄热器的具体应用。

2.1 系统主要设备及热力参数和系统图

三台自动燃油蒸汽（饱和汽）锅炉

表1 主要设备参数

低压用气压力：5 kg·f/cm2（0.49 MPa）

为了说明问题方便，将热力系统做了必要的简化，简化系统图如图3。

图3 简化热力系统图

2.2 热力系统的负荷曲线与最佳蓄热量G0的计算

一般而言求取蓄热器最佳蓄热量的原则性步骤大致如下。

（1）选取合适的负荷曲线，合理分段，并分段求出最佳平均负荷线；

（2）根据分段负荷曲线及其最佳平均负荷，求出各段负荷的积分曲线；

（3）在负荷的积分曲线上，求出所需的最大蓄热量Gmax和最小蓄热量Gmin；

（4）求取蓄热器的最佳蓄热量G0

热力系统的负荷曲线是研究热力系统的基本资料和主要依据。下面的表2和图4给出了该系统3个季度的典型日的日负荷曲线，夏季L1、春季L2、秋季L3。

图4 典型日的负荷曲线

总的看来，L1在一日内总的需求量大，峰谷差也大，L2、L3总的需求量不大，峰谷差也小。由此可以看出，只要解决了夏季（L1）的问题，那么春季（L2）和秋季（L3）的问题也就迎刃而解了。

根据研究，蓄热器的容量大小，不仅与充熱压力和放热压力有关，与计算时所取时间段的长短也直接相关。所取的时间段越长，所需要蓄热器的容量就越大，所取得的调节和节能效果就越好。时间段越小，需要的蓄热器的容量就越小，当然蓄热器的作用也就小了，所以分段大小要合适。在充分发挥锅炉的作用的前提下，按时间将负荷曲线适当的分段，并分别求出各段的最佳平均负荷，以求得所需蓄热器的最佳容量。最佳平均负荷的大小，直接影响蓄热器容量的大小。所以这个最佳平均负荷不一定是这段时间内实际负荷的平均值，而是经过多次试探确定的。

以图4的曲线L1为例，经过几次试探确定，将曲线分成3段，分别确定其最佳平均负荷线。如图5所示。

分段时间段平均负荷/h I 0～93 II9～1814.5 III18～245

为了求得Gmax和Gmin需先根据实际的负荷曲线和最佳平均负荷曲线，求出负荷的积分曲线。所谓负荷的积分曲线，就是以时间为横坐标，每个时间段内所需的蓄热量的代数和为纵坐标，而绘制的曲线。

在实际计算蓄热器的蓄热量时，往往将计算过程进行简化，只要求出最佳平均负荷与实际负荷线交点的积分值即可。最佳平均负荷线与实际的负荷线所包围的面积大小，即代表着在这段时间内蓄热器所蓄积的热能的多少。最佳平均负荷线下面的部分，代表着蓄热器蓄积的热量，为正值方向向上。最佳平均负荷线上面的部分，代表着蓄热器放热的热量为负，方向向下。积分曲线上每个时间点对应的纵坐标值，是该时间点左边的最佳平均负荷线与实际的负荷曲线所包围的面积的代数和。

为了计算这些面积，这里采用简单易行的“小面积法”。所谓的“小面积法”，就是将两条曲线之间所包围的面积，均匀地划分成许多相等的小方块，要知道蓄热量的多少，数一下该范围内小方块的个数，再标以适当的单位就知道了,分割的块越小越精确。

根据图5各分段对应的面积统计如表3。

表3 各段面统计积表（一个方格代表1 t）

按照上面的数据，将这些数据按照正负方向连续画在实际的负荷曲线上方，相关的点一一对齐。用这种方法画出的负荷积分曲线如图5的上半部所示。在图上可以看到g’点的纵坐标值最大，即为Gmax，其值为8。a’点的纵坐标值最小，即为 Gmin其值为（-1）。根据式（1）有最佳蓄热量G0。

表2 典型日负荷表

图5 负荷积分曲线图

2.3 单位容积的蓄热量的计算

式中

g0——单位容积蓄热量，kg·汽/m3

一般情况下蓄热器与锅炉直接相连，所以蓄热器的充热压力应为锅炉蒸汽的出口压力Pg，但是考虑到管路及其内部设施的压力损失△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：

将以上数据代入式（2）

则有：

=61.79（kg汽/m3）

此数值也可根据压力P1、P2从相关的图表或曲线中查得。但是由于使用了不同的工具，可能结果会有些差别。P1、P2的压差越大，单位热容量越大。

小窍门：瘦猪肉用蚝油腌制，因为蚝油比酱油含有更多的锌。各种新鲜、天然的蔬菜瓜果、不加糖的鲜榨果蔬汁、红薯、煮玉米、坚果类。当然，那些过度加工含有太多食品添加剂的零食就属于限制级的零食，尽量少给孩子吃或者不吃，这些食物包括：膨化食品、巧克力派、糖果、炸鸡块、炸鸡翅、奶油夹心饼干、方便面、奶油蛋糕、水果罐头、果脯、蜜枣脯、全脂或低脂炼乳、炸薯片和炸薯条、高糖分汽水或可乐等碳酸饮料、较甜的雪糕、冰激凌等。

2.4 蓄热器的总容积V

式中G0—— 需要的最佳蓄热量kg，由前面知蓄热器所需的最佳蓄热量G0=9（t）；

g0——单位蓄热量kg/m3由前面知g0是61.79kg/m3

n——充水系数一般取0.9

n1——蓄热器的效率一般取0.99

取整数170 m3。

3 效益分析

从图4中的曲线L1可以看出，在夏季一日里不仅总的需求量大，负荷的峰值高，峰谷差特别大，高达17倍。为满足负荷需要，15 t/h的锅炉在一天中要运行16 h，平均负荷率很低。其中只有7 h的负荷率达到或超过经济负荷率（80%）。其余的时间里负荷率皆低于40%。在这16 h内有3 h的尖峰负荷最高达17 t/h，这需要加开一台5 t/h的锅炉辅助供给。这台锅炉在这3 h里平均负荷率只有20%.

除此之外，在这一日里还要有一台5 t/h的锅炉再运行8 h，在这8 h内平均负荷率只有38%。

长时间在这样多变的低负荷下运行，严重影响锅炉的效率，设备本身的安全也受到很大影响。一日之内一台5 t/h的锅炉要启动两次，增加了燃料的消耗。

在系统中设置合适的蓄热器后，是原来弯曲不平峰谷差很大的曲线，变成由三条直线段组成的折线。在新的运行曲线中，15 t/h的锅炉每天只要运行9 h即可。在这期间内它的负荷平稳，负荷率一直保持在97%，且不需要再启动一台5 t/h的锅炉了。在其余的15 h里，一台5 t/h的锅炉运行，这其中有6 h负荷率稳定的保持在100%，另外的9 h里负荷率也平稳地保持在60%。

在春季（L2）中，一日内的总负荷只有18 t，最低负荷仅有0.35 t/h, 平均负荷率只有15%。即使在这样的小负荷下，也要有一台5 t/h的锅炉24小时内连续运行来维持供给。采用蓄热器后，只要一台5 t/h的锅炉在满负荷下运行4 h后即可停止，余下的时间里有蓄热器供给。

在秋季（L3），一天当中最高负荷5 t/h，全天总用量近42 t/h，全天的平均负荷为1.75 t/h，平均负荷率35%,也要一台5 t/h的锅炉24 h内不停地运行维持供应。在24 h内只有一个小时负荷达到5 t/h,负荷率在80%以上，其余的时间里负荷率皆不足30%。负荷率很低，锅炉的效率也会大打折扣。采用蓄热器后，在一日内只要一台5 t/ h的锅炉满负荷下运行8.6 h即可停止，剩下的时间里由蓄热器供应。

从上面的分析可以看出，在热力系统中设置蓄热器具有明显的效益。

（1）蓄热器能使锅炉负荷均衡，提高了负荷率，提高了锅炉的效率，节能效果明显。

系统采用蓄热器以后负荷平稳且负荷率大多在80%以上。根据厂家提供的资料，在这种情况下，锅炉的效率一般可提高4～6%，可节约燃料5%～15%。若依燃料节约率的平均值10%计算，本案每年可节约燃油约250 t，折合人民币约150万元。若依2012年煤炭产量36.6亿t计，全国若有10%的锅炉与蓄热器联合运行的话，每年可节约煤炭1 200万t，可减排CO22 000多万t，还有相应的S和NOx。

（2）15 t/h的锅炉每年可以少运行400多小时。5t/h的锅炉每年可以少运行4 000多小时。减少设备运行时间，减少了设备的磨损，节约了大量的设备维修费，也节约了许多电费。

（3）蓄热器吸收了系统中的突变负荷，稳定了热源，提高了供热质量，也免除了突变负荷对设备和系统的冲击，提高了设备和系统的可靠性。

4 结语

（1）蓄热器结构简单，安装方便，运行简单安全可靠；

（2）蓄热器能使锅炉负荷均衡，提高了负荷率，提高了锅炉的效率，节能减排效果明显；

（3）减轻了工人的劳动强度，提高了供热质量，同时也可以减少投资；

（4）投资效益好，回收快。设备及工程的全部投资可再1.2～1.5年内回收。

蓄热器和锅炉联合运行节能减排效果好，应积极推广。

参考资料

1 程祖虞 蒸汽蓄热器的应用和设计 机械工业出版社 1986.12月 北京

2 胡兆吉 郭慧 严军华 孙建华 蒸汽蓄热器的节能及其在轻化工中的应用,化工机械 1998年 第1期

3 张云峰 蒸汽蓄热器的设计和应用 有色冶金设计 1992年 2期

更正启事

本刊2016年第12期《产业领域节能化的未来和创新》一文作者应为石原 明，现任日本节能中心国际协力本部特别资深顾问，主要从事钢铁节能技术、节能法和能源管理的研究。译文校对编辑为陆蓓。特此更正。谨向作者、译者及读者致以歉意。

编辑部

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

高坚：（1969-）女，高级工程师。主要从事电力工程质量管理，国家注册审核员，近年也做了许多节能及新能源方面的研究。