热电联产集中供热热水罐蓄热技术的发展现状浅析.pdf
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1、Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展电力与能源进展,2023,11(3),93-100 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/aepe https:/doi.org/10.12677/aepe.2023.113012 文章引用文章引用:李俊峰,单伟贤,赵云霞,王延群,房晓蕾,张剑楠,柳爱芬,岳晋辉.热电联产集中供热热水罐蓄热技术的发展现状浅析J.电力与能源进展,2023,11(3):93-100.DOI:10.12677/aepe.2023.
2、113012 热电联产集中供热热水罐蓄热技术的热电联产集中供热热水罐蓄热技术的发展现状发展现状浅析浅析 李俊峰李俊峰1,单伟贤,单伟贤1,赵云霞赵云霞2,王延群,王延群1,房晓,房晓蕾蕾1,张剑楠张剑楠1,柳爱芬柳爱芬1,岳晋辉岳晋辉3 1建投河北热力有限公司,河北 石家庄 2河北城市燃气热力服务中心,河北 石家庄 3河北科技大学建筑工程学院,河北 石家庄 收稿日期:2023年4月24日;录用日期:2023年5月6日;发布日期:2023年6月25日 摘摘 要要 近年来,我国的集中供热面临巨大压力。六五期间,热电厂运用“以热定电”策略来降低运行成本,但近年来,我国的集中供热面临巨大压力。六五期间
3、,热电厂运用“以热定电”策略来降低运行成本,但该策略导致用电低峰期发电过度,用电高峰期产电不足,从而造成电力供需不平衡。为了解决“热电耦该策略导致用电低峰期发电过度,用电高峰期产电不足,从而造成电力供需不平衡。为了解决“热电耦合”问题,国内外许多学者提出了通过蓄热水技术与热电联产机组的协同运作来提高供电可靠性、提升合”问题,国内外许多学者提出了通过蓄热水技术与热电联产机组的协同运作来提高供电可靠性、提升供热质量、实现电力负荷调节的解决方案。本文旨在介绍热水蓄热技术中蓄热水罐的运作原理、应用条供热质量、实现电力负荷调节的解决方案。本文旨在介绍热水蓄热技术中蓄热水罐的运作原理、应用条件、结构组成和
4、热特性,并比较分析了集中式、分布式和分散式三种蓄热罐系统布置形式的热延迟性、件、结构组成和热特性,并比较分析了集中式、分布式和分散式三种蓄热罐系统布置形式的热延迟性、经济性、安全性和灵活性等方面。此外,文章总结了现阶段的研究成果经济性、安全性和灵活性等方面。此外,文章总结了现阶段的研究成果,并进行初步的经济性评估。,并进行初步的经济性评估。关键词关键词 集中供热集中供热,“以热定电以热定电”,热水蓄热热水蓄热,分析分析 Analysis on the Development Status of Hot Water Heat Storage Technology for Central Heat
5、ing and Power Cogeneration Junfeng Li1,Weixian Shan1,Yunxia Zhao2,Yanqun Wang1,Xiaolei Fang1,Jiannan Zhang1,Aifen Liu1,Jinhui Yue3 1Jiantou Hebei Thermal Power Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 2Hebei City Gas Heat Service Center,Shijiazhuang Hebei 3School of Civil Engineering,Hebei University of Science
6、and Technology,Shijiazhuang Hebei 李俊峰 等 DOI:10.12677/aepe.2023.113012 94 电力与能源进展 Received:Apr.24th,2023;accepted:May 6th,2023;published:Jun.25th,2023 Abstract In recent years,Chinas central heating is facing great pressure.During the sixth five-year period,the thermal power plants in China implement
7、ed a strategy called heat-led electricity generation to reduce operating costs.However,this strategy resulted in excessive electricity generation dur-ing periods of low electricity consumption and insufficient electricity production during peak consumption,leading to an imbalance between power suppl
8、y and demand.To address the issue of heat-electricity coupling,numerous scholars from both domestic and international sources have proposed a solution that involves the collaborative operation of hot water heat storage technology and combined heat and power units.This solution aims to enhance power
9、supply reliability,im-prove the quality of heat supply,and achieve power load regulation.This article aims to introduce the operational principles,application conditions,structural composition,and thermal characte-ristics of hot water storage tanks in thermal energy storage technology.Furthermore,a
10、compara-tive analysis is conducted to assess the thermal latency,economic viability,safety,and flexibility aspects of three different arrangements of thermal storage tank systems:centralized,distributed,and decentralized.Additionally,the article summarizes the current research achievements and prese
11、nts an initial economic evaluation.Keywords Central Heating,“Heat-Led Electricity Generation”,Hot Water Heat Storage,Analysis Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/lic
12、enses/by/4.0/1.引言引言 随着我国城市化进程的推进,城市供热以燃煤热电联产和大型锅炉房集中供热为主1。据国家统计局数据,2021 年年末,全国城市集中供热面积 106.03 亿平方米,同比增长 7.30%。由于不同热用户对热负荷需求的特殊性以及国内现有自控系统技术水平有限,不易处理复杂多变的运行工况,使得供热量难以迅速响应热负荷的变化。此外为响应“以热定电”政策,致使热电耦合、热电联产机组运行灵活性下降以及经济效益降低。而蓄热技术可以在供暖低谷将多产热量储存,而在供暖高峰,将储存的热量释放,从而达到“削峰填谷”。目前蓄热技术应用最广泛的是显热蓄热技术,而显热蓄热技术中发展较为成熟
13、的就是蓄热罐蓄热技术,其利用冷热水因密度不同分层原理,在蓄热罐内蓄能。近年来,国内外学者对于蓄热水罐的使用方式、热性能参数做了不少研究。其中,Dogan 2等人在蓄热罐体内部设置障碍物后发现罐内流体分层得到优化;Abdelhak 3通过数值分析对比蓄热罐水平与垂直两种结构的蓄能性能差异得出,垂直结构性能更高、斜温层更稳定。Savicki 4设置垂直结构蓄热罐与层流自然对流工况分析罐内温度场得出,恰当的入口射流位置有效的促进热分层。因此,不同的罐体参数以及工况对蓄热水箱蓄热蓄冷效果影响较大。E.Kaloudis 等5分析蓄热罐内自然分层,并且用流场和温度场数据对分层和混合程度进行了定量分析,采用
14、的分析参数有斜温层厚度、嫡产率。Jae Dong Chung 等6分析研究布水器结构对水箱分层的影响,得出了 Re 数是影响分层效果主要因素的结论。蓄热罐体在国外应用较多,在法国与Open AccessOpen Access李俊峰 等 DOI:10.12677/aepe.2023.113012 95 电力与能源进展 芬兰等欧洲国家多用于民用供暖,德国、瑞士等国家将可再生能源与蓄热水罐技术结合,从而实现减费减排双重进步。我国蓄热水罐应用较晚,2005 年北京热力集团与北京上庄燃气热电有限公司共同开发国内首个热电厂内蓄热水罐项目7,即北京左家庄供热厂将蓄热水罐安置在热源侧,为热电联产机组调峰蓄能。
15、本文将以水蓄热技术、蓄水罐构造与热特性为主题,归纳并分析其各项物性及应用方式。2.蓄热罐蓄热技术蓄热罐蓄热技术 本技术利用高低温水分层现象进行蓄热,即温度不同的水密度不同,在罐体内部密度较低的高温水受浮升力处于罐体上层,密度较高的低温水处于罐体下层,在两者之间形成温度过渡区(即斜温层)。蓄热罐罐体一般由钢板焊接而成,罐体容积根据供热系统的调峰强度决定8。国内外运用最多的是圆柱形立式钢罐,蓄热罐通过内置布水器使流体平稳进入罐体内部,以降低罐体流体扰动减少冷热流体掺混,控制产生较少的冷热掺混流体,即产生更薄的斜温层,以提高蓄热效率9。2.1.运行原理运行原理 在蓄热工况下,高温的水从蓄热罐的上布水
16、器流入,低温的水从罐体的下布水器以相同的流量流出。当蓄热完成后,冷热水过渡区(斜温层)从罐体的上方布水器开始逐渐下移,并在移动结束后消失。在取热工况下,当供热高峰出现时,低温的水从罐体的下布水器进入罐内,同时高温的水通过上布水器供给于热用户。斜温层从罐体的下布水器位置开始逐渐形成并向上移动,在取热完成后消失。请参考图 1 了解蓄热罐的运行原理。Figure 1.Operation schematic diagram of heat storage tank 图图 1.蓄热罐运行原理图 2.2.应用条件应用条件 蓄热罐通过在供热低峰段蓄能以缓解供热高峰段供热压力,实现削峰填谷,提高热电联产供热系
17、统整体运行的经济性。因此在热电厂中设置蓄热罐需要满足两个条件:热用户侧热负荷波动或热源测不可调节的热负荷波动比较大且比较频繁,热负荷高低峰差过高;热源自身的调节能力差,当用热需求改变时无法迅速做出调整。李俊峰 等 DOI:10.12677/aepe.2023.113012 96 电力与能源进展 2.3.热水蓄热罐的斜温层与布水器热水蓄热罐的斜温层与布水器 在一个因冷热水温度不同导致密度不同自然分层的热水蓄热罐中,由于不同分层间发生热传导现象,从而在冷热水的交界面处形成温度过渡区斜温层。斜温层的厚度会由于罐体的构造、入口流体流速带来的扰动等发生变化,斜温层厚度增加代表更多热量损耗流失,为避免不必
18、要的能源浪费需要采取相应措施以降低斜温层的厚度。布水器是外界向蓄热罐储存热量的通道,引导流体以层流状态平稳进入蓄热罐并在冷热水交界处形成斜温层。布水器的构造对蓄热罐内部温度场、速度场影响很大,通常来说减少蓄热罐内部流场的扰动可以降低斜温层厚度、提升蓄热效率。经戈志华10等人以水平双侧开孔布水器的圆柱形热水蓄热罐的放热过程数值分析研究得出,流量一定时开孔的数量越多、直径越大越能降低斜温层厚度。胡国霞等人11研究得出,保持流量恒定加大布水器上的开孔直径可以使罐内形成更薄的斜温层,蓄能效果更佳。此外,布水器上开孔多为均匀型,张飞宇等人12设置中间密集型、两侧密集型以及均匀型三种布水器,对比发现中间密
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