固體電制熱蓄熱能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究

邢作霞, 項 尚, 徐 健, 李 健, 紀 勇, 趙慶杞

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870； 2. 國網(wǎng)遼寧綜合能源服務(wù)有限公司, 遼寧 沈陽 110000; 3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司營口供電公司, 遼寧 沈陽 110000)

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題日益嚴重,轉(zhuǎn)變采暖方式是解決能源問題的必然趨勢[1]。煤做燃料的傳統(tǒng)采暖方式價格高,污染嚴重。目前我國正在進行煤改電的采暖方式轉(zhuǎn)型,對電蓄熱裝置需求迫切。蓄熱方式可分為水箱蓄熱電阻式、水箱蓄熱電極式、固體蓄熱電阻式及相變儲熱式[2-4]。本文設(shè)計的固體電制熱蓄熱能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(固體蓄熱系統(tǒng))采用固體蓄熱電阻式,能夠在低谷時段蓄熱,在高峰時段給用戶供熱,起到削峰填谷的作用,能夠節(jié)省大量購電開支[5-7]。本文主要搭建基于內(nèi)置式的固體蓄熱系統(tǒng),具有加熱溫度可控、自動控制、無污染等優(yōu)點，為學(xué)生創(chuàng)造了一個解決實際工程問題的條件,也對能源利用轉(zhuǎn)型并改善環(huán)境具有重要的作用。

1 固體蓄熱系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

固體蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用固體電阻加熱方式,把電能轉(zhuǎn)換為熱能,并通過輻射換熱、對流換熱方式把熱量傳遞并存儲到儲熱材料中。當需要利用這部分熱量時,通過對流換熱方式將空氣加熱,空氣流經(jīng)汽水換熱器將熱量供給到供暖系統(tǒng)。固體蓄熱系統(tǒng)由儲熱體、加熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、風循環(huán)控制系統(tǒng)、外部換熱附屬循環(huán)系統(tǒng)等構(gòu)成,其附屬系統(tǒng)設(shè)備有熱水循環(huán)泵、軟化水設(shè)備、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、定壓補水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、熱量計量裝置及溫度測量裝置。

圖1 固體蓄熱系統(tǒng)

高溫固體蓄熱系統(tǒng)的電熱能量轉(zhuǎn)換過程主要有如下幾個環(huán)節(jié):

(1) 熱量產(chǎn)生:通電之后,蓄熱機組內(nèi)加熱元件產(chǎn)熱將電能轉(zhuǎn)化為熱能[8]；

(2) 熱量儲存:熱量產(chǎn)生后通過熱交換將熱量存儲于固體儲熱體中,儲熱溫度可達到500～800 ℃；

(3) 熱量控制:儲熱體外層采用高等隔熱體,與外環(huán)境隔熱,以防止熱量散失過快,提高熱量利用率[9]；

(4) 熱量釋放:被儲存的熱量通過內(nèi)置循環(huán)風機有序地向外釋放,其風速由變頻調(diào)速電機轉(zhuǎn)速等因素決定[10]；

(5) 熱量輸送:在負載需要熱量供給時,設(shè)備可按照預(yù)先設(shè)定好的程序、設(shè)定的供回水溫度等,由變頻風機提供循環(huán)高溫空氣,并經(jīng)過汽-水分離換熱設(shè)備將熱能釋放[11]。

上述的結(jié)構(gòu)可以分為蓄熱(蓄能)與熱轉(zhuǎn)換供熱輸出兩大部分,兩者之間相互獨立,具有很高的安全系數(shù),系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 蓄熱工作原理圖

蓄熱部分利用10～110 kV高電壓直接接入蓄熱體,采用電阻發(fā)熱原理產(chǎn)生熱量,再通過輻射換熱、對流換熱方式將熱量傳遞并存儲于蓄熱材料中；當蓄熱體溫度達到200～800 ℃時蓄熱體開始放熱,主要通過對流換熱、輻射換熱等方式將空氣加熱。

熱轉(zhuǎn)換供熱輸出部分的熱空氣通入汽-水換熱器與輔助供熱系統(tǒng)中的冷水進行熱交換。換熱速率由循環(huán)熱風的流量和流速決定,根據(jù)用戶需求供熱溫度進行雙閉環(huán)控制。固體電熱蓄能設(shè)備的投切時間和時長由用戶或電力系統(tǒng)調(diào)度運行者確定。蓄熱機組內(nèi)部有換熱出水溫度和變頻風機轉(zhuǎn)速兩層閉環(huán)控制，可基于儲熱量、釋熱速度進行先進PID自動控制。

2 控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集

良好的實驗系統(tǒng)必須擁有精良的控制系統(tǒng)。為了使固體蓄熱系統(tǒng)合理地運行,需要長時間檢測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù),便于學(xué)生及時了解系統(tǒng)的工作狀況。實驗過程檢測參數(shù)包括出水溫度、回水溫度、空氣進口溫度和進口溫度、管道壓力、管道中水的流速。數(shù)據(jù)采集后傳輸給控制器,控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行調(diào)整。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制

該系統(tǒng)在自動控制的基礎(chǔ)上,可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。系統(tǒng)控制器將模擬量信號及開關(guān)信號傳送到遠程監(jiān)控系統(tǒng)。遠程監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)運行數(shù)據(jù)對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行分析與控制,極大提高了固體蓄熱系統(tǒng)的安全性。

該固體蓄熱系統(tǒng)配置兩組加熱絲。根據(jù)實際供熱需求,可同時投切1組或2組加熱絲進行工作。圖4為蓄熱系統(tǒng)的兩組加熱絲。當斷路器QF1合閘時,系統(tǒng)控制器控制接觸器KM1和KM2吸合和斷開,對兩組加熱絲的工作狀態(tài)進行控制。

圖4 系統(tǒng)加熱絲

圖5為系統(tǒng)流程圖。設(shè)備運行前首先要進行故障巡檢,檢驗設(shè)備是否正常。當設(shè)備不正常時,程序進入故障處理子程序運行；當設(shè)備檢測正常時,對電網(wǎng)的狀態(tài)即峰谷平時段進行判斷。電網(wǎng)無論處于哪種狀態(tài),都需要對設(shè)備的運行模式進行選擇。當電網(wǎng)處于峰值狀態(tài)時,進入儲熱量以及放熱速率的計算，然后開始放熱控制程序；當電網(wǎng)處于谷狀態(tài)時,程序也進行儲熱量以及放熱速率的計算,然后進入儲熱控制程序；當電網(wǎng)處于平狀態(tài)時,程序也進行儲熱量以及放熱速率的計算,然后進入儲熱并放熱的控制程序。上述3種狀態(tài)無論是進入放熱控制程序，還是儲熱控制程序,都需要對設(shè)備的溫度流量、壓力、流量、電量進行采集檢測,將數(shù)據(jù)統(tǒng)計上傳到遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖5 系統(tǒng)流程圖

3 實驗研究

圖6為固體蓄熱系統(tǒng)實物圖,該系統(tǒng)即可應(yīng)用于用戶供熱,也可應(yīng)用于高校的實驗研究。學(xué)生利用該系統(tǒng)進行實驗時,可以研究以下固體蓄熱技術(shù):大功率發(fā)熱技術(shù)、高密度熱存儲技術(shù)、水電分離技術(shù)。

圖6 固體蓄熱系統(tǒng)實物圖

圖7為固體蓄熱系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面。系統(tǒng)運行后在該界面修改參數(shù),可以對系統(tǒng)運行情況做出調(diào)整。

依托本實驗平臺,根據(jù)不同參數(shù)對系統(tǒng)熱力性能的影響特性開設(shè)一系列綜合性、設(shè)計性和研究性實驗。學(xué)生可以靈活地確定實驗?zāi)繕?自行設(shè)計實驗方案,展開探索性和創(chuàng)新性研究,可以選擇獨立完成或團隊合作的模式[12]。

該系統(tǒng)可應(yīng)用于實際運行,現(xiàn)以位于遼寧省某地區(qū)功率為100 kW的固體蓄熱機組為例進行研究,提取固體蓄熱機組冬季供暖運行數(shù)據(jù)進行比分對析。

系統(tǒng)處于加熱和放熱的工作模式,加熱時間6.5 h左右時爐溫達到最高，如圖8所示。雖然12月和1月系統(tǒng)工作的溫度變化曲線有小幅度的波動,但同一時間內(nèi)蓄熱體溫度相差不大且溫度變化符合設(shè)計參數(shù)。因此說明固體蓄熱系統(tǒng)中加熱系統(tǒng)與蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理且具有良好地適配性,保證了蓄熱體溫度變化穩(wěn)定合理。

圖7 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖8 固體蓄熱系統(tǒng)爐溫度變化曲線

從圖9中可以得出,當蓄熱系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時,爐平均溫度值在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，先逐步升高再下降,但是換熱器出水溫度和回水溫度分別保持在50 ℃和30 ℃左右,并且符合實驗設(shè)定范圍。因此,當蓄熱體處于邊加熱邊放熱狀態(tài)時,通過調(diào)節(jié)風機頻率使出水溫度和回水溫度的穩(wěn)定,同時也說明蓄熱系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間參數(shù)良好的適配性。

4 結(jié)論

發(fā)展固體蓄熱技術(shù)并將其應(yīng)用于社會能夠推動社會能源利用的轉(zhuǎn)型,提高能源利用率并緩解電網(wǎng)調(diào)度壓力。本文設(shè)計的固體蓄熱系統(tǒng)實驗平臺可進行的實驗內(nèi)容都是針對固體蓄熱技術(shù)中存在的急需解決的問題而設(shè)計。學(xué)生利用該實驗平臺進行實驗,研究和完善固體蓄熱材料的選擇、系統(tǒng)熱力計算和運行控制策略,對促進固體蓄熱技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

圖9 爐溫、出水和回水溫度變化曲線