蓄能系统蓄热、放热时间分析

宫志阳

【摘 要】蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点。本文主要就冬季高供热和低负荷之间的关系，冬季白天气温高、负荷高，夜间负荷低、气温低，这就需要采用蓄热技术，将白天高负荷的这些热量暂时储存起来，在夜间低负荷的时候再释放出去。这样既可以降低企业能耗，又可以减少由一次能源转变为二次能源时产生各种有害物质对环境的污染。

【关键词】蓄热罐 放热时间 蓄热时间

本文主要对东北等极寒地区小容量热电机组在极寒天气情况下，在白天温度高，负荷高，夜间温度低，负荷低的情况下，如何使白天机组出力大，供热抽汽流量大，白天多产生的热量如何在夜间负荷低的工况下发挥作用。那么这部分热量如何储存，众所周知，水的蓄熱能力强，水蓄热罐很好地解决了昼夜负荷和供热之间的平衡问题，利用水蓄热罐过渡层的上移和下移实现水中热能的存储和释放，笔者将就蓄热罐的蓄热时间、放热时间上进行探析，在蓄热方式、蓄热材料上论证如何使蓄热效率最高。

1 蓄热方式

目前主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种。

显热蓄热是利用物质的温度升高来存储热量的。这种蓄热方式在各类蓄热方式中是最简单和最成熟的，应用也最广泛，可用于供暖和发电。

潜热蓄热是利用物质在凝固、熔化、凝结、气化、凝华、升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理。根据相变温度高低，潜热蓄热又分为低温和高温两部分。低温潜热蓄热主要用于废热回收、太阳能储存以及供暖和空调系统。高温潜热蓄热可用于热机、太阳能电站、磁流体发电以及人造卫星等方面。高温相变材料主要采用高温熔化盐类、混合盐类和金属及合金等。

2 蓄热材料分类

材料的蓄热核心在于它可以将热量以某种形式，并对其进行释放，其中热量的存储和释放均需要某些特定的条件，以便使热量的存储和释放可控。因此蓄热材料一般具备可逆性强、可控性高、储能能力强的特点。蓄热材料一般分为显热型、化学反应型、潜热型三大类。

2.1 显热蓄热材料

显热蓄热材料，在发生热量存储和释放的过程只发生在材料表面，热量的存储和释放只和温度有关系，而和其他材料的任何特性都没有关系。这种蓄热方式的特点是蓄热过程简单，蓄热材料简单易获取，但是蓄热过程不可控，为了达到蓄热效果，受限于显热蓄热材料密度低往往会需要很大体积的蓄热材料才能达到效果。

2.2 潜热蓄热材料

物质由固态转变为液态，由液态转变为气态，或由固态直接转变为气态（升华）时，则将释放相变热，这是潜热型蓄热运用的基本原理。所以，潜热型蓄热按照相变的方式一般分为4类：固-固相变、固-液相变、固-气相变及液-气相变。由于固-气相变和液-气相变材料相变时体积变化太大，使用时需要很多的复杂装置，因此尽管它们有很大的相变潜热，但在实际应用中很少被采用。综上所述，固-固相变和固-液相变是目前蓄热材料中研究的重点。另外，相变蓄热材料按相变温度的范围可分为：高温、中温和低温蓄热材料，按材料的组成成分可分为无机类和有机类（包括高分子类）蓄热材料。蓄热材料通常是由多组分体系构成的，包括蓄热剂、相变温度调整剂、防过冷剂（成核剂）、悬浮剂、防相分离剂（当固、液相共存时因密度差易发生相分离）和促进剂。

2.3 热化学蓄热材料

热化学蓄热材料主要利用氢氧化物和氨化物进行可逆的化学反应进行蓄热，在有催化剂存在、温度适当反应效果良好。现在目前在研究阶段的是用于风光储技术中太阳能的储存技术，但是这个热化学蓄热需要保证容器的耐腐蚀性和密闭性。热化学蓄热材料在环保、节能发表达到了很好的要求，且蓄热材料性能优越，蓄热密度大，但是蓄热过程中可能会发生泄露，且因为蓄热材料的特殊性，要求蓄热罐等前期的投入特别大，短期内无法收回成本，实际应用效果有效。

蓄热材料的工作过程包括两个阶段：一是热量的储存阶段，即把高峰期多余的动力、工业余热废热或太阳能等通过蓄热材料储存起来；二是热量的释放阶段，即在使用时通过蓄热材料释放出热量，用于采暖、供热等。热量储存和释放阶段循环进行，就可以利用蓄热材料解决热能在时间和空间上的不协调性，达到能源高效利用和节能的目的。

3 蓄热和放热时间的选择

一般情况下，白天时期，供电负荷需求量大，发电机组负荷率大；晚上时期，供电负荷需求量小，发电机组负荷率小。当机组改为供热机组时，电负荷的波动给供热造成影响，而白天电负荷大，晚上电负荷小的特点也为蓄热系统应用提供一个可能。

蓄热罐在供热过程中起到削峰填谷的作用。白天机组电负荷较高时，同时供热能力也较大，通过一部分抽汽对蓄热罐蓄热；晚上机组电负荷较低，同时供热能力降低，这时供热能力不足的部分用蓄热罐进行放热。而在蓄热系统设计时，蓄热和放热的时间选择时蓄热系统设计的重要因素，因此必须结合机组实际运行情况来分析。

表1为某电厂所提供的机组在未进行供热改造之前，机组的电负荷情况在一天当中的变化情况统计表。

从表1我们可以看出，某电厂在往年运行过程中，白天负荷较高，负荷率维持在75%以上，晚上基本上负荷率维持60%左右。

某电厂在经过供热改造之后，建设蓄热罐项目，在机组运行时，保证电负荷和供热负荷的情况下，白天将多余的抽汽用蓄热罐进行蓄热，然后晚上放热，实行供热的削峰填谷功能，从而为电厂带来更多的经济效益。

本蓄热罐项目中的蓄热罐运行以完成一次蓄热和放热过程为一个周期。根据上面分析，本项目在选型蓄热罐的时，将白天蓄热时间定为17小时，晚上放热时间定为7小时。

4 热力系统及相关参数选型

4.1 蓄热系统

蓄热系统与热网水系统采用直接式连接方式，蓄热高、低温水分别与厂区热网供、回水管道相连。

富发电厂与富热电厂作为双热源联合供热，共设一套热网循环水系统。热网主循环水泵设于富热厂内，富发电厂只设加压水泵，以承担两电厂间的压力损失。热网供、回水设计温度为120/60℃，供、回水设计压力为1.47/1.27MPa，设计流量2500t/h。热网首站设有2臺热网循环泵，1台运行，1台备用。蓄热系统主要由蓄热罐、蓄热升压泵、自动滤水器、蓄热管线及阀门等组成。

4.2 蓄热过程

蓄热时，热水自厂区热网供水母管预留接口引出，经一根DN450的蓄热高温水母管引至蓄热罐上部高温水接口。高温水母管上设有电动蝶阀、调节阀及流量测量装置等，靠近蓄热罐及厂区热网水管线处分别设置手动闸阀。调节阀设有旁路，蓄热过程，旁路关闭，热水经调节阀进入蓄热罐。

蓄热罐中的冷水自蓄热罐下部低温水接口引出，经一根DN450的蓄能低温水母管，由蓄热升压泵升压后送至厂区热网回水母管预留接口。低温水母管上设有自动滤水器、电动蝶阀、调节阀及流量测量装置，靠近蓄热罐及厂区热网水管线处分别设置手动闸阀。自动滤水器及调节阀均设有旁路，蓄热过程，自动滤水器及调节阀前后电动蝶阀均关闭，冷水均经旁路进入热网回水母管。

自升压泵后、调阀前的低温水母管上引出一根DN150的高温水调温管道，接至调阀后、升压泵前的高温水母管上。调温管道上设有调节阀及流量测量装置。当热网供水温度超过98℃时，为避免蓄热罐内高温水沸腾，需开启高温水调温管路，形成低温水自循环，调温水与高温水混合后进入蓄热罐。

4.3 放热过程

放热过程与蓄热过程共用同一蓄热管线。放热时，冷水自厂区热网回水母管预留接口引出，经一根DN450的蓄热低温水母管引至蓄热罐下部低温水接口。放热过程，自动滤水器及调节阀旁路均关闭，冷水均经自动滤水器及调节阀进入蓄热罐；高温水调温管道阀门关闭。

蓄热罐中的热水自蓄热罐上部高温水接口引出，经一根DN450的蓄能低温水母管，由蓄热升压泵升压后送至厂区热网供水母管预留接口。放热过程，调节阀前后电动蝶阀关闭，热水经旁路进入热网供水母管。

本项目泵及管道的选型按照放热时间不小于6h，蓄热时间不小于8h来进行选取。本系统设有3台蓄热升压泵，单台泵容量为800t/h，扬程为150m，根据蓄、放热时间确定开启泵的数量。蓄、放热时间超过11h，1台泵运行，2台泵备用；蓄、放热时间不超过11h，2台泵运行，1台泵备用。三台泵设置2套变频设备，采用一拖一和一拖二两种方式变频调节。

5 结语

笔者主要从蓄热罐的蓄热、放热原理、蓄热方式、蓄热材料、蓄热放热时间引发人们对蓄热罐的重视，在当今经济形势“L”型增长的今天，如何做好热电厂负荷和供热的平衡问题值得深思。