高温相变蓄热系统在电力需求侧管理中的应用

朱肖晶，王德峰，张继皇，薛祝亮

（1.国网苏州供电公司，江苏 苏州 215008；

2.江苏启能新能源材料有限公司，江苏 张家港 215600）

高温相变蓄热系统在电力需求侧管理中的应用

朱肖晶1，王德峰1，张继皇2，薛祝亮2

（1.国网苏州供电公司，江苏 苏州 215008；

2.江苏启能新能源材料有限公司，江苏 张家港 215600）

1.蓄热技术及分类

当前，受到燃烧效率和排放等技术因素制约，传统的燃煤供暖所造成大气环境污染和能源浪费问题日益严重。实现热能较大规模储存的蓄热技术能够有效解决热能供给与需求时间不匹配的矛盾，同时借助电网负荷峰、谷时间段电价差降低系统运行费用，提高能源使用效率。蓄热技术广泛应用于民商用建筑采暖、工业废热利用、余热回收等行业中，己成为学术研究和商业应用的热点领域。

根据蓄热的形式划分，可以将蓄热技术分为3类:

（1）显热蓄热技术（sensible thermal energy storage，STES）:通过比热容较大的蓄热物质的温度变化来存蓄热能。低温（小于100℃）显热蓄热物质包括水、岩石、砂等；中温（120～600℃）显热蓄热物质包括导热油、混凝土和熔融盐，高温（大于600℃）显热蓄热物质包括陶瓷、耐火砖、混凝土等。显热蓄热技术成本较低，但存在储能密度低、温度输出波动大的问题。

（2）相变蓄 热 技 术（latent thermal energy storage,LTES）:利用材料物相变化过程中吸收（释放）大量潜热来实现热量存储和释放。相变蓄热具有储能密度大、系统体积小的优点，按相变转变的形式可分为固-气、液-气、固-固和固-液4类。按工作温度可分为低温和高温相变材料。利用相变蓄热储存热能，相比同体积的水蓄热量可达到水的5～15倍，而在相同蓄热量的情况下，相变材料的体积较水又缩小了3～10倍。

（3）化学蓄热技术（thermo⁃chemical energy storage，TCES）；化学蓄热是利用储能材料相接触时发生可逆的化学反应来储、放热能。热化学反应蓄热具有更大的能量存储密度，没有散热损失，可在常温下长期存蓄热量，是目前的研究重点，但稳定性差、规模化难度高，离大规模工业化应用尚远。

3种蓄热技术的主要技术指标比较见表1。

表1 3种主要蓄热技术指标比较

2 蓄热技术在电力需求侧管理中的作用

近年来，随着经济发展和生活水平提升，江苏等南方地区冬季采暖制热需求日益增大，导致电网冬季最高负荷逐渐与夏季最高负荷接近,如何有效转移冬季尖峰负荷是电网公司面临的新挑战。蓄热技术的广泛应用为解决这一问题提供了一个新途径。

安装在终端客户侧的蓄热设备利用电网谷段时间蓄热，高峰时段放热，有效节约高峰时段电力需求，为降低电网高峰负荷，提升整个电力系统可靠性和经济性起到了重要作用，是需求侧管理的重要手段之一。

通常而言，蓄热技术可被归类于移峰填谷类别中（即将低谷时间段负荷需求转移到高峰时间段，优化电网负荷特性,提高电力系统效率）。安装蓄热设备将高峰时间段负荷需求转移到低谷时间段,达到移峰填谷的目的。这类移峰设备的安装使用往往会增加电量消耗,但由于低谷时段电价远低于高峰时段，同时移峰填谷抬高了低谷负荷,优化了电网负荷特性,系统运行的经济效益大幅提升。

以单个蓄热设备为例,相关电量计算过程如下：

（1）蓄热设备的用电量E y计算式为

式中：P y()

t为移峰设备的运行负荷曲线；T为研究周期。

（2）被替代的常规设备的用电量E c为

式中：P c(t)为常规设备的运行负荷曲线。

（3）蓄热设备多耗电量ΔE为

式中：μ为折算系数,在0～1之间取值,主要影响因素为能源转换效率、能源损耗等。当然,在有些情况下,蓄热设备的用电量也不一定比常规设备用电量高,所以多耗电量ΔE也可能为负值。

3 高温相变蓄热技术

综合比较上述3种蓄热方式，因为相变蓄热具有储热密度大、蓄热器体积小、热效率高、吸放热温度恒定、易与运行系统匹配、易于控制等突出的优点，已成为热量储能的主要形式。

根据相变温度高低，相变蓄热又分为低温和高温两部分。本文主要介绍高温相变蓄热及其应用。

3.1 高温相变蓄热材料种类

高温相变蓄热方相变时温度基本不变，能够满足系统稳定运行的要求，而且相变潜热大，蓄热器的尺寸可以大大减小。高温相变蓄热材料主要用于小功率发电、太阳能发电、工业余热回收、工业蒸汽等方面，一般分为5类。

●单纯盐:主要为某些碱或碱土金属氟化物、氯化物以及碳酸盐。它们常具有很高的熔点及很高的熔化潜热，可应用于回收工厂高温余热等。

●金属与合金:如铝及其合金因其熔化热大、导热性高、蒸汽压力低，是一种较好的蓄热物质。

●碱:比热高、熔化热大、稳定性强、高温下蒸汽压力低、价格低廉。

●混合盐:可根据需要将各种盐类配制成100～890℃温度范围内使用的蓄热物质，熔融温度可调、体积变化小、传热好。

●氧化物:使用温度高、熔化热较大。

3.2 高温相变蓄热产品——高温热库

高温相变蓄热技术逐渐成熟，应用领域不断扩大，加快了其产品化的进程，目前高温热库作为一种新型的高温相变材料受到市场广泛欢迎。

高温热库是一种内部填充相变储能材料并可与外界进行热交换的常压装置。其原材料是常用可回收的工业原料，整个储热循环过程是可控、常压的物理过程。作为一种绿色节能的供暖技术，高温热库能够以经济可行的方式，满足不同空间、不同客观条件下的热能储存和工业需求，为客户提供供暖和蒸汽系统解决方案。

3.2.1 高温热库特点

（1）储能密度高。由于相变材料具有高的相变焓，巨大的相变潜热使其具有很高的储能密度。

（2）导热性高。具有较高的导热性，在热交换过程中可以大大提高换热功率，实现快速充放热。

（3）高效稳定。换热效率高，能够实现持续稳定的供热，输出的功率可控性高，根据用热端的需求调节热量输出，在热负荷很高的环境下也能够满足用热需求。

（4）安全可靠。在蓄热与放热过程中均是常压运行。

（5）清洁环保。工作过程中无任何有害气体、粉尘污染物排放。

（6）费用低廉。利用谷电进行蓄热，在其它时间段进行放热，大大降低运行费用。

3.2.2 高温热库性能

蓄热量的大小、放热功率的高低、热损等热性能指标是评价蓄热产品的关键指标。高温热库采用相变储能材料，储热密度很高，可以在很小的空间中储存巨大的热量。高温热库内置换热器，通过循环导热油对热库进行蓄热与放热。

高温热库恒定功率放热曲线如图1所示。单台高温热库在接近30 kW的功率下进行放热，在出口温度为120℃时放出720 MJ热量，可见高温热库在较小的空间里可以储存巨大的热量，并且可以将储存的热量全部释放，同时放热过程持续、稳定。

图1 高温热库恒定功率放热曲线

高温热库的快速放热曲线如图2所示。其放热功率曲线峰值可达330 kW，相当于0.46 t蒸汽锅炉。在快速放热模式下，高温热库能够根据末端需求实现大功率、快速、高效的热量供应。

图2 高温热库快速放热曲线

高温热库的热损仅为4.2 W/K，在15℃的环境温度下静置24 h，热量储存完全状态下的高温热库的热量损失不高于12%。因此，高温热库不仅可以在充热过程中高效地将电能转化为储存在热库中的热量。而且，在小功率缓慢放热的工况下，放热时间会很长，所储存的热量能够持续、稳定、完全地释放。

4 高温相变蓄热系统

4.1 系统原理

以高温热库为核心装置的高温相变蓄热系统将热源产生的热量通过载热剂导热油传到高温热库，高温热库作为储热介质将热量储存起来，在需要供热时，启动热库侧的循环泵（不需要开启热源），并且启动用热侧的循环泵，利用换热器将高温热库中储存的热量通过载热剂导热油传到用热末端。系统原理图如图3所示。

图3 高温相变蓄热系统原理图

4.2 系统优势

高温相变蓄热主要用于提供工业蒸汽，在夜间电价低谷时段将电加热炉（或其他热源）产生的热量通过导热油循环换热储存在热库中，在峰电或平电时段利用热库的热量通过高效换热器产生稳定的100～160℃的蒸汽，保证末端蒸汽需求（加热、采暖、消毒等）；也可以通过导热油直接释放出120～180℃之间的热量，用于工业加热/烘烤等工艺流程。

高温相变蓄热技术主要用于工业应用，具有零排放、使用安全、清洁环保、智能运行等诸多优势。

5 应用案例

5.1 企业简介

江苏某企业位于苏州市工业园区内，是一家国内知名的电子制造企业，主要生产集成电路板等产品。该企业生产工艺中要求需大量蒸汽烘干印刷电路板，企业原先采用一台容量为360 kW电加热蒸汽炉，加热产生120℃蒸汽，经热力管道通到生产线上。由于蒸汽无法储存，电蒸汽锅炉一般在白天生产高峰期使用，电费成本十分高昂。为降低制造蒸汽成本，在经过多种技术比较后，企业决定将原来电加热蒸汽炉改造为高温相变蓄热系统，用相变蓄热方式提供高温蒸汽。

5.2 工作原理

高温相变蓄热系统在谷电时段将电蒸汽锅炉产生的热量储存在热库中，在峰电时段关闭电蒸汽锅炉，释放热库热量，通过高效换热器产生稳定的120℃的蒸汽，整套系统可稳定满足企业烘干工艺中末端蒸汽需求，实现了电量和负荷的“移峰填谷”。

5.3 设备选型

（1）高温热库选择

依据企业生产历史数据，使用电蒸汽锅炉时峰电时段烘干工艺平均耗电量为1 751 kWh，按GB 4114—83中电与热之间的转换比例1 kWh=3.6 MJ换算，高温相变热库所需储存热量为1 751kWh×3.6 MJ/kWh= 6 306 MJ。若热量在通过通风管路输送至生产线过程中的热损失约为25%计，总热量需求为6 306.6 MJ÷（100%-25%）=8 408.8 MJ。每台高温相变热库蓄热量650 MJ，供需8 408.8 MJ÷650 MJ/台＝13台。实际运行中考虑预留5%的余量，最终确定选用14台高温热库供热。

（2）电功率计算

高温相变蓄热系统只在谷电时段运行，每天使用时间8 h，系统效率90%计算，最终所需电功率为: 1 751 kWh÷8 h÷0.9=242.2 kW。

5.4 经济效益

该企业采用10 kV供电，用电性质为大工业用电，分时电价时段及价格如表2所示。

表2 江苏电网分时电价销售价格表（10 kV一般大工业用户）

改造前:原电加热蒸汽锅炉系统每天在峰电时段用电量为1 751 kWh，考虑电锅炉的效率98%，年运行时间按360天计算，峰电价格为1.100 2元/kWh，电蒸汽锅炉年运行费用为1 751 kWh×360元/kWh÷ 98%×1.100 2＝707 675元。

改造后:采用高温相变蓄热系统后，原峰电时段电蒸汽锅炉生产的热量改由谷电产生，谷电价格为0.320 0元/kWh，考虑高温热库效率88%，电蒸汽锅炉效率98%，年运行时间按360天计算，高温相变蓄热系统年运行费用1 751 kWh×360元/kWh÷98%÷ 88%×0.320 0＝233 900元。

改用高温相变蓄热系统后，企业年所节省运行费用473 775元，节省高达66.95%，同时实现了360 kW的高峰用电负荷转移。该项目经济效益好、回收周期短、零污染零排放，对于改善电网负荷曲线和促进节能环保均有积极意义。

6 结束语

本文介绍了高温相变蓄热技术及产品的性能特点及其在工业产蒸汽领域的应用。高温相变蓄热技术通过蓄热调峰，为企业工业蒸汽需求提供了很好的解决方案。该技术的应用一方面有效削减电网高峰时段电力需求，减缓供电压力和节约电力设施投资，另一方面借助峰谷电价之间的价格差为使用企业带来良好经济效益，形成电网与企业双赢的局面，发展前景十分广阔。D

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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）

从对各类蓄热技术简要比较分析入手，分析蓄热技术在电力需求侧管理中的作用，着重介绍了高温相变蓄热技术原理及主要产品，以及高温相变蓄热系统在江苏某电子企业应用的成功案例。该企业在谷电时段采用相变储能技术进行电热蓄热,在日间高峰时段释放所储热能用于工业蒸汽制造。项目取得良好的经济和环保效益，对降低企业生产成本和改善电网峰谷时段负荷差效果显著。

高温相变；蓄热；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