论述蓄能系统中蓄能罐的结构

姜青松

【摘 要】随着城市化的推进，集中供热需求日益增长，为满足供热需求，提高电网调度的灵活性，提升电力系统和区域热网的安全运行水平，热电厂开始对供热系统进行技术改造，汽轮机通流部分的改造目前主要从打孔抽汽改造和光轴运行模式两方面进行技术革新，已经有一部分热电厂取得了一定的收益，同时配套相应的蓄热储能调峰系统，蓄热系统将在外网供热负荷低谷期进行蓄热，高峰期进行放热，同时可实现电力负荷深度调峰服务，本文主要就在改造过程中蓄能器发挥的作用进行一个深度探析。

【关键词】蓄能罐 热网 调峰

热电厂肩负着城市热网供热的重任，保证冬季热网的供回水温度至关重要，那么在热电厂出力负荷达到高峰或低谷时，供汽压力往往随之升降，锅炉的燃烧工况很不稳定，运行热效率下降，为保证一个恒参数的供热调整造成了很大困难，运行人员往往24小时就盯着那几个热网的参数，也不利于电厂生产运行的安全。为消除供汽锅炉负荷的较大波动，稳定供汽压力，提高供热质量，特别是低负荷下的供热质量，可在供热系统中设置蓄热装置，亦即热能的吞吐仓库——蓄能罐，当外界供热负荷低锅炉供汽有多余时，就将热能储蓄于蓄热装置；在发生低谷负荷锅炉供汽不足时，蓄热装置就释放出所蓄热能以补不足。这样就使锅炉低负荷时也能保证供热质量，在稳定的燃烧工况下达到最佳的供热效率。

1 蓄能罐工作原理和结构

1.1 蓄能罐工作原理

自然分层热贮存箱是一个内部没有分隔物的单个箱体。它依靠密度差而不是分隔物来维持贮箱上部热液体与下部冷液体之间的分隔。箱上只有一个入口和一个出口，蓄热时来自余热回收装置的热水由上部进入，箱内原有冷水由下部排出，回到余热回收装置。放热时，来自余热利用装置的冷水由下部进入，箱内原蓄存的热水由上部排出，送至余热利用设备使用。无论箱内液体流动方向是自上而下还是自下而上的，均近似呈活塞状流动。箱内容积交替地全部贮存热水或全部贮存冷水；也可以同时贮存一部分热水和一部分冷水。箱内永远充满水，容积得到充分利用。

1.2 蓄能罐结构

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，如图1所示。

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。布水盘结构示意图如图2所示。

1.3 蓄热系统简介

蓄热系统与热网水系统采用直接式连接方式，蓄热高、低温水分别与厂区热网供、回水管道相连。富发电厂与富热电厂作为双热源联合供热，共设一套热网循环水系统。热网主循环水泵设于富热厂内，富发电厂只设加压水泵，以承担两电厂间的压力损失。热网供、回水设计温度为120/60℃，供、回水设计压力为1.47/1.27MPa，设计流量2500t/h。热网首站设有2台热网循环泵，1台运行，1台备用。

1.4 主要建（构）筑物结构选型

1.4.1 蓄热罐

为了在满足采暖供热的前提下，充分利用机组深度调峰的补偿机制，本方案采用1台光轴方案另1台打孔抽汽方案的运行模式进行蓄热系统的设计，蓄热系统采用直接式连接方式；供回水温度设计选取98/65℃；容器选择8000m3，蓄热罐高度考虑实际运行时回水压力约0.2MPa，高度设定为25m。

蓄热罐位于花苗大棚旁，其基本尺寸为：直径20m，高度H=25m，建筑面积314m2，采用钢制储罐。蓄热罐基础的选型，应根据储罐的形式、容积、地质条件、材料供应情况，电厂要求及施工技术条件、地基处理方法和经济合理性等条件综合考虑。

储罐基础的形式基本有四种：环墙式基础、护坡式基础、外环墙式基础和刚性桩基钢筋混凝土承台式基础。根据储罐本体形式和常用基础优缺点等，蓄热罐基础最终选用环墙式基础。

1.4.2 管架

管道支架结构采用H型钢柱、钢梁（工期富裕时可考虑钢筋混凝土支柱结构），钢筋混凝土独立基础，埋深-2.00～-2.50m。

管道支墩为现浇钢筋混凝土块式支墩，埋深1.00～1.50m。

钢结构支架表面彻底除锈后，刷防腐底漆、中漆及面漆各一道。

本项目建（构）筑物基础均位于地下水位以上，故不考虑降水。

2 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：

（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。

蓄能罐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蓄存于蓄能罐内，在热网尖峰负荷状态下，蓄能罐与热电厂联合供热，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。

（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。

（4）蓄能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能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。

（5）建設蓄能罐可以代替尖峰热源的建设。蓄能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。

（6）蓄能罐与供热系统直接连接，可作为热网定压系统由于蓄能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。

3 蓄能罐的运行特性分析

目前在东北地区存在一个现象，冬季供暖期因“风热冲突”导致的弃风问题越来越严重，而“风热冲突”的本质原因是因为传统的供热机组过于依赖机组出力，即所谓的以热定电，在保证供热的同时，使电网可以做到有效消纳风电，实现资源的最大化利用，蓄能系统使这个问题成为了可能，而蓄能罐是蓄能系统的核心元件，那么如何蓄热，如何把握蓄热时间和放热时间，这个问题值得深思。

运行经验表明：在东北地区，大容量抽汽火电机组在负荷低谷时，配置蓄热系统，可显著降低机组出力，同时消纳风电电量，打开了弃风上网的通行空间，单纯从解决新能源上网问题而言，蓄热系统具有最小的经济投资和最佳的供电煤耗手段。未来热电和风电作为国家节能降耗的主要手段，热电厂加装蓄能罐参与调度调峰必将成为热电厂今后发展的一个趋势。目前国外主要通过发电峰谷电价来导引蓄能系统参与蓄能调峰，而国内主要是通过两个细则深度调峰中的补偿来鼓励蓄能系统参与调峰。

4 结语

笔者主要从蓄能罐的结构、分类上，探析自然分层蓄能罐在供热系统中的运用，并结合实际分析蓄能罐运行中需要注意的问题，最后从蓄热系统在热电调峰和支撑新能源入网中担当的角色论述了蓄能罐的地位，蓄能罐在当前的经济形势和供热背景下发挥着不可替代的作用，蓄能系统必将成为未来热电厂经济运行的一种有效手段，希望能给供热电厂提供一个可行的思路。