论述蓄能系统中蓄能罐的工作原理

常立宏

【摘 要】随着电力经济的飞速发展，大容量、大机组、清洁能源逐渐成为电力发展的主流，但是随之暴露了一个问题，那就是电力发展的速度高于我国经济发展的速度，特别是在钢铁、石油、煤炭、重金属等大量去产能的背景下，全国大部分电厂的负荷率在50%左右徘徊，特别是一些装机容量在200MW的机组，在极寒地区，冬季供热时间长，晚间供热负荷低，如何平衡机组出力和供热的问题摆在了我们面前，蓄能罐的出现使这个问题成为了可能。

【关键词】蓄能罐 热网 调峰

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，水的蓄热能力强，水蓄能罐很好地解决了昼夜负荷和供热之间的平衡问题，利用水蓄能罐过渡层的上移和下移实现水中热能的存储和释放，笔者将就蓄能罐在蓄热系统中发挥的作用进行详细论述。

1 蓄能罐工作原理

蓄能罐内部储存热水，因为工作压力为常压，最高工作温度不高于98℃。水温不同，水的密度不同，在一个足够大容器中，热水在上，冷水在下，中间为过渡层，这就是蓄能罐内水的分层原理。蓄能罐就是根据水的分层原理设计和工作的，并使其工作保持在高效率。蓄热时，热水从上部水管进入，冷水从下部水管排出，过渡层下移；放热时，热水从上部水管排出，冷水从下部水管进入，过渡层上移。

蓄能罐工作过程的实质就是其蓄热放热过程，在用户低负荷时，将多余的热能吸收储存，等负荷上升时再放出使用。蓄能罐工作时，应保证其进出口水量平衡，保持其液面稳定，使其处于最大工作能力。另外，为避免蓄能罐内的水溶解氧而被带入热网，降低热网水质，蓄能罐内的液面上通常充入蒸汽（或氮气），保持微正压，使蓄能罐内的水和空气隔离。

蓄能罐的工作原理如图1所示。

2 蓄能罐的结构

蓄热系统的组成包含有蓄能罐本体，蓄热系统、放热系统、制氮系统及附属系统等。其中蓄能罐本体主要包含有：蓄能罐罐体、蓄能罐罐底、蓄能罐拱顶、蓄能罐上下布水盘、蓄能罐盘梯以及蓄能罐平台等部件，蓄能罐本体主要采用碳钢材料。其中内部上下布水盘为蓄放热的重要部件。布水盘的结构考虑蓄放热过程的速率，控制罐体内的流场。上布水盘吊装于罐体顶部，下布水盘采用下部支撑方法安装与罐体底部。

3 蓄能罐在热力系统中位置

蓄能罐在热网中有直接和间接两种连接方式，直接连接方式是指热水循环泵经汽水换热器到用户，在供回水管路中，热水罐直接通过热水泵、调整门将热水罐上部的热水打入供水管路，回水管路再经调门进入热水罐底部；间接连接方式是指热水循环泵经汽水换热器到用户，在供回水管路中，蓄能罐和供回水的连接之间多了一个换热器，换热器的存在使正常运行中蓄能罐内的水和热网的水之间不会直接接触，从而保证了热网的水质。

直接连接系统相对简单，较间接连接系统设备投资少，运行也相对简便。但是直接连接系统中热网水直接流入蓄能罐系统，如果蓄能罐微正压控制不好，容易在水中混入空气，流入热网，造成管网水质下降。间接连接系统相对复杂，较直接连接系统投资有所增加，运行也相对复杂，但该系统中的热网水与蓄能罐系统中的水不混合，对水质没有影响。

4 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，电负荷的波动给供熱造成影响，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。

蓄能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能罐蓄热；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能罐进行放热。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，建设蓄能罐项目，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能罐进行蓄热，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。

本蓄能罐项目中的蓄能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，本项目在选型蓄能罐的时，将白天蓄热时间定为17小时，晚上放热时间定为7小时。

5 热力系统及相关参数选型

完整的蓄热系统包括蓄能罐本体、蓄热系统、放热系统、制氮系统及附属系统等。蓄能罐本体本方案中设计容量为8000m3，高度25m，主体采用钢结构形式，为了防止顶部腐蚀在蓄能罐顶部设置一套制氮系统，运行时，蓄能罐顶部空间注满氮气。

蓄热系统：在进行蓄热时，在供水母管上引出一根DN300的热水管进入到蓄能罐上部；另外由于热网首站设计供回水温度120/70℃，而蓄能罐设计供水温度为98℃，为了匹配温度，在热网循环水泵与热网首站之间引出一根DN200的冷却水管用于混合至蓄能罐中的热水；对蓄能罐进行蓄热的时候为了保证水位稳定，同时满足蓄热17h的要求，设置2台蓄热泵，1用1备，单台泵流量600t/h。

放热系统：在进行放热时，为了满足放热7h的要求，设置2台放热泵，1用1备，单台泵流量1250t/h；所蓄热水直接接至热网首站出水母管之后。在供热高寒期时，热网水所供温度大于蓄能罐所需温度时，可以通过调节首站热网水出口温度来进行最终供水温度。为了保持蓄能罐稳定蓄放热，在回水处设置电动蝶阀进行补水。

6 蓄能罐在热力系统中发挥的作用

在热电联产区域供热系统中应用蓄热系统具有多方面的作用与效益：

6.1 加强热电厂的经济运行，稳定热电厂运行

使用蓄热系统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。此时蓄能罐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。考虑峰谷电价，在热电厂应用蓄能罐实现发电的灵活性与自由度，提高热电厂的经济性。

6.2 蓄能罐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能罐，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。

6.3 蓄能罐是供热系统的备用热源

某热源因故而停止供热时，蓄能罐可以及时运行补充供热，防止造成大面停热状态。

7 结语

笔者主要对热网系统中的蓄能罐从工作原理、结构组成、具体布置、蓄热、放热时间选择、热力系统设备参数选型、蓄能罐的作用全方位多角度对热网系统中的蓄能罐进行了探析，使极寒地区的热电机组在面临低负荷高供热压力使有一个好的供热思路，当然蓄能罐在热力系统发挥的作用毕竟有限，如装机容量过小、机组供热抽汽量有限的话，还可以在汽轮机抽汽改造上下功夫，解决冬季低负荷供热的难题。