热水蓄热器在区域供热系统中的应用

维普资讯．6期热水蓄热器在区域供热系统中的应用埃柯诺能源有限公司(Electrowatt—Ekono)张殿军北京市热力集团有限责任公司闻作祥【摘要】区域供热蓄热器是节能设施，因此在芬兰等北欧国家以及韩国得到了很普遍的应用，但是在中国仍然是新事物而未大规模应用。蓄热器将热负荷低谷时热源的部分供热量蓄存，在热负荷高峰时段与热源共同向热用户供热。蓄热器的投资远低于建设调峰热源，它可以最大限度地发挥热电联产以及最经济热源的优势，降低供热系统的运营成本，使热电厂与热力公司在经济与运行方面获得最大的收益。热电厂建设的蓄热器是热电厂优化其运行的有效手段；而热力公司建设的蓄热器可使其优化外购热与自产热，满足供热系统的成本优化，减少高成本尖峰热源的建设与运行，提高供热系统的运行经济性与可靠性以及安全性。在举国上下建设节约型社会的形势下，蓄热器是热电联产与区域供热行业实现节能以及优化运行的最切合实际的举措。本文旨在通过介绍热水型蓄热器的应用原理与功能，企盼越来越多的热电企业与热力公司逐步认识它，到最终投资建设并使用它，使蓄热器成为热电与供热领域对节约型社会建设的重要举措之一。【关键词】热电联产供热节能蓄热器一、现代区域供热系统现代区域供热系统普遍采用以热电厂为主热源而区域锅炉为尖峰热源的联合供热系统。热电厂以其最经济的方式运行，不仅提高了能源利用率，更重要的是热电联产是减少CO排放的重要手段。与此同时现代供热系统普遍应用蓄热器来平衡热电厂的生产与供热系统的供需，因此在芬兰，瑞典，丹麦，韩国等地得到了广泛的应用，而韩国的区域供热系统就是在埃柯诺能源有限公司的全面支持下发展建设起来的。图1为埃柯诺能源有限公司设计供应的安装在韩国某热电厂的2×20000m大型区域供热热水蓄热器。二、蓄热器的结构与工作原理蓄热器为具有一定容积的罐，可用钢板焊接而成或钢筋混凝土结构。其体积与高度由供热系统的需要而决定的。蓄热器通常设计为圆柱形立式钢罐，类似于储油罐，对罐体进行隔热保温。蓄热器内部安装上下布水盘用于对蓄热／放热的水流控制，蓄热器外部系统蓄热／放热的水泵与相应的控制阀。蓄热器分为常压与有压蓄热器两类，有压蓄热器蓄热水温度通常小于120℃，而常压蓄热器其蓄热水温度小于98℃。蓄热器的运行依据不同温度的水其密度差异的冷热水分层原理，温度高的供水处于蓄热罐的一h部区域，而温度低的回水处于蓄热罐的下部区域。蓄热时，冷水从蓄热罐底部排出；而热水从蓄热罐上部区域蓄入罐内；放热过程，则流向相反。为了保证蓄热器的可靠运行，最重要的是控制进入／流出的水流量，以防止蓄热器内冷热水层的混合，参见图2。尽管有压蓄热器可以蓄存高于100℃的热水，但其投资高，而很少在区域供热系统得到应用。实际工程中常采用常压蓄热器，蓄存温度低于100℃的热水。蓄热器可与供热管网直接连接或间接连接，在多热源联网运行的供热系统中，仅有一个热源的蓄热器与热网直接连接并作为热网的定压系统，而其余的必须与热网通过换热器间接连接。三、热水蓄热器的应用热用户的热负荷是随着室外气温与用户的用热习惯而变化的，因此存在着用热负荷的高峰与低谷，尤其当用户实现了控制与热计量收费。为了满足用户供热的需求，热源必须根据热负荷进行实时的供热量调整。但是受热电厂自控水平的限制以及热电厂增减负荷的复杂性，热源的供热量不可能严格地随用户热需求的变化而及时调整，因此室外气温的变化将导致用户室温的相应变化。如突来寒流，热源供热量的调节滞后与不及时将导致用户室温的降低，影响了供暖质量；气温升高将导致室温的超高，因而浪费能源，同时频繁地调整负荷将降低设备的使用寿命。为了平衡热源的运行，使之相对稳定运行，在热电厂建设蓄热器对提高热电厂的供热能力降低热电厂的供热量波动提高供热质量节约能源都具有重要的作用与意义。蓄热器的应用可保持电厂供热机组恒定负荷运行，在用户热负荷较低时，蓄热器将多余的供热量储存在罐体内，当室外气温降低，热负荷增加，而供热机组的供热能力不能满足用户热负荷的需要，此时蓄热器将放热，将储存在罐体内的热量与供热机组的恒定供热量共同供给用户，以满足高峰热负荷的需要。通常蓄热器可以向供热系统提供l0一15％的消峰能力，如图3。另外一种情况是，夜晚用电负荷较低，可从凝汽式汽轮机抽取相当量的蒸汽与蓄热器系统进行汽水热交换，将热蓄存于蓄热器内，在白天用电负荷较高时，汽轮机减少抽汽而增加发电，蓄热器与降低了供热出力的供热机组同时供热，以满足热网需求。四、蓄热器的功能与作用在热电联产供热系统中应用蓄热器具有多方面的作用与效益：1．加强热电厂的经济运行，稳定热电厂运行使用蓄热器的主要效益是在同样热负荷状态下能够提高热电厂的发电生产(减少热电厂的凝汽运行)，减少热电厂部分负荷运行，此时蓄热器可被看作为热源与热用户之间的缓冲器，主要用于平衡热负荷(消除峰值)并为热源(与输配)提供灵活性。在供热系统若干个热电厂中利用最经济的热电厂(最廉价燃料)更好地利用成本最优热能生产与燃料。考虑峰谷电价，在热电厂应用蓄热器实现发电的灵活性与自由度，提高热电厂的经济性。蓄热器尤其对背压机组与抽汽凝汽式汽轮机的稳定与经济运行具有重要作用，它充分地利用了热电厂的供热。它将热电厂廉价的热能态下，蓄热器与热电厂联合供热，可降低高价尖峰热源的供热量，优化系统的运行。2．蓄热器是热网安全运行的保障当供热系统水泵因意外原因而突然停止运行时，将产生水击，使电厂内部与热力管网遭到很大的破坏。如果供热系统装备有蓄热器，它将大大缓解水击造成的高压振荡，减轻水击造成的破坏与灾难。3．蓄热器是供热系统的备用热源某热源因故而停止供热时，蓄热器可以及时运行补充供热，防止造成大面停热状态。4．蓄热器是突发事故时热网的紧急补水系统当热网某处突然爆裂而大量失水时，与热网直接连接的蓄热器立即向热网补水维持系统压力，以防整个热网系统的事故与停运。5．建设蓄热器可以代替尖峰热源的建设蓄热器一个重要作用是对供热系统的削峰填谷，它的调峰能力可取代建设尖峰热源，节约尖峰供热厂的燃料消耗。6．蓄热器与供热系统直接连接，可作为热网定压系统由于蓄热器始终保持恒定的液位高度，它可保证供热系统静压值恒定，因此它可作为热网的定压系统。7．蓄热器可缓解夏季热网压力波动供热系统夏季只供应生活热水负荷，由于热水负荷的随时变化，导致热网循环水流量的剧烈变化，由于热网循环泵定速运转，因而致使热网的压力剧烈变化，在低峰负荷时，热网压力急剧上升，威胁系统的安全运行。如果建设了蓄热器，它可缓解热网的压力急剧升高，使供热系统安全运行。四、蓄热器的经济性及其影响因素区域供热系统应用蓄热器的经济性取决于热电厂供热与尖峰锅炉房供热热价之差，电力峰谷电价，不同热电厂之间的成本之差，蓄热器的使用频率，蓄热器回水温度，热价与燃料价格等诸多因素。根据国外经验，如果热价相差大于20元／GJ，则蓄热器具有很好的经济性。而根据国内的实际运行经验，燃煤供热锅炉的供热成本超过热电厂(25元／GJ)供热成本的2倍以上，而天然气供热锅炉的热生产成本是热电厂的3倍，因此燃煤尖峰锅炉的热价高于60元／GJ，而天然气尖峰锅炉的热价高达96元／GJ。显而易见，对于中国的供热系统，建设蓄热器充分利用热电联产，减少启动尖峰锅炉，将极大地提高热力公司的经济效益。根据中国供热系统的实际运行经验，供热负荷尖峰时段仅为6小时，为满足短期尖峰时段的供热需求而投入大量资金建设锅炉供热厂显然不甚合理。而建设蓄热器来满足同样的供热需求，其投资额远远低于建设供热锅炉房，实现合理的投资。对于蓄存98℃热水的蓄热器，回水温度越低，其蓄热量则越大，则效益越好，投资回收期越短。对于10000m3的蓄热器，当水温为98／65℃时，其蓄热能力为380MWh；如果回水温度降低至50℃，则蓄热能力提高至495MWh，增长30％。建设单台l0000m蓄热器，如果用于取代建设天然气供热尖峰锅炉，则投资回收年限仅仅为5年左右；若用于取代建设燃煤尖峰锅炉，则蓄热器的投资回收年限为l0年。蓄热器建设规模越大，则蓄热器比投资额越低。10000m3蓄热器蓄热量380MWh，可以以63MW连续供热6小时，满足供热系统的调峰。但如果建设一台60MW或者2×30MW燃用天然气热水锅炉供热厂的投资额将达到2000万人民币，建设安装蓄热器的投资低于建设同等规模供热厂的投资，同时节约大量与燃料相关的费用，以及大量运行费用。五、芬兰赫尔辛基Vuosaari热电厂蓄热器项目Vuosaari燃气蒸汽联合循环热电厂位于赫尔辛基东部，总发电能力为464MW，供热能力为540MW，该热电厂通过10公里DN1000输配干线将热力输配至赫尔辛基市中心区。作为现代化供热系统，在该电厂建设了一台20000m3的热水蓄热器，罐直径29.15m，高度为39.5m，蓄充98／65℃热水，其蓄热能力为1000MWh，其供热能力为120MW，供热8小时，蓄热器采用冷热水分层技术，并与热网通过一换热器间接连接。此蓄热器的应用大大提高了热电厂的运行灵活性与运行经济性。六、中国第一个区域供热蓄热器项目北京热力集团是中国最大的供热公司，8座热源联网运行，所属热力站1612座，管网主干线长度526公里，现供热面积8800多万平方米。北京热力集团高瞻远瞩，深深领会了国家热电联产政策，为了优化北京市特大型供热系统的经济运行，最大限度地利用热电联产区域供热的规模经济优势与节能和环保优势，保证供热系统的安全与稳定运行，提高热网运行的可靠性，在国务院颁布建设节约型社会号召之前，北京热力集团已决策建设一座区域供热蓄热器，体现了中国供热界最大公司的前瞻性，以及对节能的特殊重视。目前项目已在进行紧张的施工，预期2005年冬季供暖季可投入运行。该蓄热器的技术参数为：蓄热器体积：8000m³高度：25．2m直径：20m最高运行温度：98℃蓄／放热能力：蓄热36MW持续8小时，供热71MW持续4小时蓄热量：285MWh与热网的连接：直接连接，可用于热网的定压。项目设计：Electrowatt—Ekono埃柯诺能源，北京热力工程设计公司。