论述蓄能系统中热力系统的工作原理

王相军

【摘 要】随着经济建设的不断发展，城市化建设逐渐向偏远地区发展，供热面积也随之增大，越来越多的供热换热站建立起来。高寒地区因地广人稀，且换热站监控自动化水平低，主要依靠人工操作，从而导致值班人员多，热电厂和供热换流站和供热用户任何一个环节出现问题，都会影响热力系统整体状态。本文主要就热力系统中的蓄能系统，就其作用进行详细论述。

【关键词】蓄能系统 供热系统 连接

供热对于北方的城市来说是重要的基础设施之一，传统的分散供热方式会造成能源浪费、环境污染，已不适应现代社会的发展需要，集中供热能解决这些问题，因此，发展集中供热在快速发展城市化进程中显得非常迫切和非常必要的，本文所论述的热力系统主要指的就是集中供热的热力系统。集中供热的热效率较高，有助于节能减排，供热效果好，热源一般采用热电厂的余热蒸汽或热水。随着国家对城市化进程的不断推动，城市热用户不断增加，热用量不断的加大，怎样才能更好、更有效地对整个热网进行管理，实现热网的可靠经济运行就成为人们迫切关注的问题，而蓄能系统就是在这样的背景下应运而生，它不仅起到了节能的作用，还肩负着调峰期间蓄能供热的重任，并提高了供热系统的可靠性。

1 集中供热系统的组成

集中供热系统包括热源、热网和热用户三部分。热力系统中的初始水经汽轮机抽汽加热，一般为三级加热器，经热网循环水泵和电动滤水器至换热站。换热站是集中供热网络与热用户的接口，是热源与热用户之间的“热交换站”，换热站能否高效运行对改善整个热网的热力不足、提高供热的品质起着重要作用。换热站热力系统由一次网供回水系统、二次网供回水系统、补水系统、热计量系统组成，各部分之间相互关联相互作用。热源经过一次网供水管路进入热交换器，经过充分的热交换后，再由一次网回水管路流回热源。而二次网中的水在热交换器中充分受热后经二次网供水管路进入热用户，用户取得热量后，二次网循环泵将水通过二次网回水管路再进入热交换器，如此循环供热给用户。在蓄能系统中蓄热罐是最重要的组成部分，它是蓄能系统的核心。

2 蓄热罐工作原理

蓄热罐内部储存热水，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，这就是蓄热罐内水的分层原理。蓄热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。

蓄热罐的工作原理如图1所示。

3 蓄熱罐的分类

从常用的供热系统中的蓄热罐的热介质来看，水是迄今为止普遍采用的最有利的热介质。水和其它热介质相比其优点有：

（l）容易获得，价格一般低廉；

（2）无毒性、无腐蚀性或其它有害的作用；

（3）具有相对高的比蓄热量；

（4）和供汽锅炉的工质相一致，在蓄热罐中，水既是蓄热介质，又是传热介质，因此可省去热交换器，水作为热介质的不利之处是沸点较低。用水蓄热时，水温常需超过100℃。如要多蓄热能，就必须提高压力，才能升高水温，为此需用相应的压力容器来贮水。一般压力愈高，水的沸点愈高，蓄热量愈多，而压力却随水温的上升而陡增。为此，也曾研究过其它热介质，大多数是化合物。这些化合物具有较高的沸点，因此可以在较高的温度和较低的压力下运行，但是价格昂贵，需用热交换器等相当复杂的装置。且有时有毒性和/或腐蚀性，所以迄今其实际应用范围极小。

4 蓄热罐在热力系统的连接

蓄热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，蓄热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热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。

5 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。

下表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。如表1所示。

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。

6 热网回水压力和温度的控制

6.1 热网网供回水温度差控制

为满足供热负荷的要求，换热站PLC控制器可根据室外温度，通过调节变频器控制循环泵转速来调节输出流量来调节温度，还可使循环泵在整个负荷和变化过程中的能耗降到最低。另外，PLC控制器通过对二次网供回水温度差进行控制，可实现对系统的量调节，降低热网输送成本。采用变频调速技术控制水泵的流量可使系统运行高效、节能。

具体的供回水温度差控制的过程为：首先启动第1台循环泵变频运行，根据负荷逐步增加泵的转速，当达到50Hz是还不能满足要求时，则使第1台循环泵切换至工频运行，同时启动第2台循环泵变频运行。若其中一台泵出现故障时，切换至备用泵运行。根据运行时间自动调节二次网循环泵实现分时段能量调节。

6.2 热网回水压力控制

为防止系统倒吸入空气，影响正常运行及腐蚀破坏管道，供热系统中回水压力水头必须高于用户系统的充水高度。因此，供热系统正常运行的基本前提必须是维持恒压点压力恒定。这可以通过补水泵维持二次回水压力来实现。

7 蓄热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：

（1）蓄热罐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罐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。

（2）建设蓄热罐可以代替尖峰热源的建设。蓄热罐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。

（3）蓄热罐与供热系统直接连接，可作为热网定压系统由于蓄热罐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。

（4）蓄热罐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。如果建设了蓄热罐，它可缓解热网的压力急剧升高，使供热系统安全运行。

8 结语

热力系统逐渐扩大，蓄能系统的作用越发凸显，蓄能系统对保证供热质量，维持供热稳定性起到了一定的作用，本文从热力系统的构成和蓄热系统的核心蓄能罐着手分析蓄能系统在热力系统发挥的巨大作用。