中高温相变储热控制系统应用研究
2017-06-15赵洁莲
陶 晔 赵洁莲 孙 佳
【作者简介】
陶晔：（1982.1-），男，高级工程师。上海发电设备成套设计研究院，主要从事常规火电站、太阳能光热发电、生物质发电等设计工作。
中高温相变储热控制系统应用研究
陶 晔1赵洁莲2孙 佳3
目前普遍使用的储热方式有两大类：显热式储热和潜热式储热。显热式储热，通过加热介质使其温度升高而储热，也叫“热容式储热”。潜热式储热利用储热介质被加热到相变温度时吸收大量相变热而储热，它也叫“相变式”储热[1]。物质由固态转变为液态（熔解），由液态转变为气态（气化），或由固态直接转变为气态（升华），都会吸收相变热；而进行逆过程时则释放相变热。与显热式储热相比，潜热式储热有两大明显优点：储热密度大，即可以用很小的体积贮存很多的热能；吸热过程和放热过程几乎是在恒温条件下进行，有利于与热源和负载相配合[2]。
通过相变储热系统，可将不稳定的太阳能热输入转化为稳定的热输出，对于太阳能热利用有着重大意义。国内对于相变蓄热在太阳能领域的研究，可以追溯到上个世纪的70年代，但真正应用于实际工程的情况只是近几年的时间，目前有报导的案例也还非常少。
【作者简介】
陶晔：（1982.1-），男，高级工程师。上海发电设备成套设计研究院，主要从事常规火电站、太阳能光热发电、生物质发电等设计工作。
1 相变储热系统
相变储热系统如图1所示，太阳能多余的蒸汽从汽包出来后进入储热装置，经过换热将热量传给储热装置，换热完毕后排出。放热时水从相反方向进入装置，获取热量后成为蒸汽进入汽包。
2 储热装置及相变介质
2.1 实验
本实验中的储热装置采用骄英能源专利技术高温相变储热材料作为相变储热介质，主要分为两种介质A和B。
介质A特点：比热容高、熔点较高、温度变化不明显、能存储较多热量。
介质B特点：比热容低、熔点低、换热效果明显、温度变化显著。
两种介质的温升曲线如图2所示。
2.2 介质设计
根据以上两种介质的特点，对储热装置中的介质设计。储热装置储存热量主要依靠介质A，故装置中层和上层都设置存放介质A。配合热源蒸汽上进下出的流向，处于上侧高温侧能更好地吸收热量，同时放热时能更有效提高排汽温度。
储热装置由温度判断控制逻辑，故介质B受热温度变化明显，设置于装置下侧能更好地反映温度变化，利于控制。
3 储热、放热工艺控制
3.1 储热流程
（1）初始状态
电动阀门MV 001，MV 002，MV003，MV004，MV 006，MV 008，MV009，电动调节阀门MV 005，MV 007状态反馈，如果工作正常，则可继续运行，如果报错，系统发出警告。
电动阀门MV 001～MV 009都在常闭状态。
读取流量计FT 001，FT 002，汽包压力，PT 01，PT 02，TE 01～TE 20，TE 37，TE 38信号。
系统参数1号储热状态值为0，系统参数2号储热状态值为0。
（2）开始运行
图1 相变储热系统
电动阀MV 001，MV 004，MV 008打开。
图2 储热介质温升曲线
当汽包压力值>400 kPa（G）之后，开启电动调节阀MV 005到15%。当TE 38>165℃时开启电动调节阀MV 007到15%，电动门MV 009。
TE 38<150℃时，关闭电动调节阀MV 007，关闭电动门MV 009。
TE 38>170℃时，电动调节阀MV 005和MV 007的开度为25%；TE 38<170℃时，电动调节阀MV 005和MV 007的开度为15%。
当TE 1～TE 6的信号值中有5个信号值升至150℃时，关闭电动调节阀MV 005，关闭电动门MV 008。
系统参数1号储热状态值为1。
当TE 11～TE 16的信号值中有5个信号值升至150℃时，关闭电动调节阀MV 007，关闭电动门MV 009。
系统参数2号储热状态值为1。
3.2 放热流程
（1）初始状态
电动阀门MV 001，MV 002，MV 003，MV004，MV0 06，MV 008，MV 009，电动调节阀门MV 005，MV 007状态反馈，如果工作正常，则可继续运行，如果报错，系统发出警告。
电动阀门MV 001～MV 009都在常闭状态。
读取流量计FT 001，FT 002，汽包压力，PT01，PT 02，TE 01～TE 20，TE 37，TE 38信号。
系统参数1号储热状态值为1，系统参数2号储热状态值为1。
（2）开始运行
打开手动阀V 005，开度约30%。
电动阀MV 002，MV 003打开，30 s后打开MV 008。
开启电动调节阀MV 005到23%。
（电动调节阀门MV 005标准调节程序：随着TE 07～TE 10温度值调节MV 005开度，如果TE 07～TE 10中有3个值低于157℃，MV005开度调小为20%，TE 07～TE 10中有3个值低于152℃，MV 005开度调节为15%，TE 07～TE 10中有3个值低于148℃，MV 005关闭。）
当TE 07～TE 10中有3个值低于148℃，关闭MV 005，开启MV 006，开启MV 007到 23%，当TE 01～TE 04中有3个值小于145℃，关闭MV 008。
系统参数1号储热状态值为0。
关闭MV 006，开启MV 009。
（电动调节阀门MV 007标准调节程序：随着TE 17～TE 20温度值调节MV 007开度，如果TE 17～TE 20中有3个值低于155℃，MV007开度调小为20%，TE 17～TE 20中有3个值低于150℃，MV 007开度调节为15%，TE 07～TE 10中有3个值低于145℃，MV 007关闭。）
当系统参数1号储热状态值为0且TE 11～TE 14中有3个值小于145℃，关闭MV009，15 s之后关闭MV 007，MV 002，MV003。
关闭手动阀V 005。
系统参数2号储热状态值为0。
4 应用实例数据及分析
储热装置根据以上的控制逻辑进行实验，主要分为储热和放热两个过程。本实验两套装置采用串联方式进行实验，对两套装置的温度数据进行采集分析。
4.1 储热过程
储热装置1号和2号温度变化如图3、图4所示，位于装置下层介质B对应的7～10号温度计温升较快，装置上层介质A对应的1～6号温度计温升较慢，与之前的分析完全一致，升温较慢的介质A主要负责储存热量，升温较快的介质B变化明显，易于逻辑控制。
4.2 放热过程
储热装置1号和2号温度变化如图5、图6所示，位于装置下层介质B对应的7～10号温度下降很快，装置上层介质A对应的1～6号温度下降相对较慢。
整个放热过程分为两个阶段。
饱和蒸汽阶段，此过程约为50 min，可持续产出饱和蒸汽，过程中只有管道内少量的凝结水。
汽水混合阶段，此过程还能产出饱和蒸汽，持续时间约为2.5 h。
图3 储热装置1号储热过程温度变化曲线
图4 储热装置2号储热过程温度变化曲线
图5 储热装置1号放热过程温度变化曲线
5 优化建议
本文主要通过对相变储热系统，储热、放热工艺控制进行研究及分析，并以两套储热装置为依托进行实验数据分析，实验测试后结果表明储热装置能够起到储存热量，并将能量放出的作用，可以弥补太阳光热热源不稳定的缺陷，对于太阳能热利用有着重大意义。
本次实验放热所获得的产物分为饱和蒸汽和热水，而只有饱和蒸汽是可以弥补太阳能光热热源的，在后期放热过程中得到的大量热水作用不大，因此整个储热装置的效率相对较低，放热维持的时间也不长。
针对以上弊端，储热装置还需要在串并联控制方式以及在太阳能光热系统中的连接方式做出改进，尤其是目前实验后期所获得的热水没有作用。有如下几种方法可进行优化。
图6 储热装置2号放热过程温度变化曲线
（1）串联更多的储热装置，热水换热后有效提高进水温度。
（2）热水可与太阳能光热系统中的循环水进行换热，回收热量。
（3）储热装置的保温还不够完善，可进行优化，以降低散热损失。
（4）在不增加储热装置体积的前提下，继续优化增加储热装置本身的有效换热面积。
[1] 叶宏.新型相变贮热材料[J].太阳能, 2000 (03) .
[2] 王志强等.相变储热材料的种类、应用及展望[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
