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分层蓄热水箱在电蓄热锅炉系统节能应用
发布时间:2016-08-17 21:15:18 点击浏览:
分层蓄热水箱在电蓄热锅炉系统节能应用

1 目前北京地区电锅炉采暖应用的情况
能源与发展是当今世界的两大主题,在各国争先恐后谋发展的过程中,能源成为制约各国发展的重要因素,同时能源问题也是目前全球普遍关注重视的问题。针对日益迫近的能源危机我国也提出了许多策略,比如节能减排,开发新能源以及应用,循环经济如太阳能、风能、生物能的开发等。北京作为我们国家的政治文化中心,在其中起到巨大的导向与引导作用。首都北京市的快速发展,面临冬季住宅、办公、学校、科研站所、部队、医院等供热问题,最为迫切解决的也是能源和环境保护,这不仅关系到首都民生的工作生活和身体健康环境改善,而且将对北京市可持续发展长远战略意义。改善北京的供热能源结构,大力推广低谷电电蓄热清洁型能源应用,是治理环境污染保证冬季供热的重要手段。
电采暖自97年开始推广以来,目前已被人们普遍接受。特别是近几年,随着北京市大气污染治理工作的进一步推进,城市能源结构将逐步调整。作为一种清洁能源,电能将进一步加大其在城市能源消耗中所占的比例。电能作为一种清洁方便的能源,逐步走入了采暖领域。现今电采暖在北京市正以每年300万平方米的速度 发展。据北京市供电局的统计资料显示,北京市共有217个单位或居民区开始实施电采暖工程。电采暖供热面积累计达到1000万平方米。但是电蓄热锅炉系统 在当时是属于新生事物,对它有一个逐步认识的过程和经验的积累,受传统燃煤锅炉设计供热方式的影响,初期设计考虑不科学,造成设计存在如下缺陷:
1).现在运行系统设计对不同时间不同环境温度的热用户功能需求,未进行细致考虑。供热系统涉及的建筑物有:楼房、平房、远近区等,对于不同建筑物的使用功能所需要的供暖时间、温度及其波动范围不同,混合供热难以调节,靠人工操作也很难实现。由于设计缺陷,电锅炉房无法达到按需供热优质节能目的。
2).削峰填谷应尽可能多使用低谷电储热,关键设备是蓄热水箱,由于水箱体积与电热源不相匹配,在低谷电时段蓄热水箱温度加不到所要求值,造成每天必须使用平电乃至峰电。又因蓄热水箱内部的流场和温度场分布十分复杂,而水箱的初设计未考虑蓄热水箱分层这一重要因素,造成流场和温度场分布不均匀,热水与冷水混合不规律,降低了水箱蓄热和出水温度。另外系统设计时没有考虑在蓄热时同时需要提供建筑物热源保温,因此现在造成平段必须启动锅炉补热,因而水箱的蓄热功能未能全部发挥。
3).没有适时动态温度智能控制补偿系统,供暖系统使用功能各异的采暖,完全靠人工调节,无法实现按需供热和节能运行的目标。
4).电锅炉房原设计对循环系统的水温调节手段有限,造成供热循环系统极不稳定,冷热不均,水力失调,供热效果不佳,严重影响了供暖质量,运行费用超出35/平方米。
2
蓄热式电锅炉在实际应用中的主要特点
蓄热式电锅炉的特点是一次投资较大,热源温度变化大,设备与控制点较多(包括电锅炉、蓄热水箱、采暖及补水水泵、系统恒压装置、软水设备、控制系统等)。其优越性包括:
1 热效率高,全谷电运行,运行费用低于燃气锅炉,煤能源价提高可与燃煤费用相当。
2 自动化程度高, 可根据室内、外温度变化和温度需求调节采暖供水温度;
3 运行安全可靠,具有超温、超压、过流、短路、接地、缺水,水泵连锁、电热元件循环工作等故障的报警和保护功能;
4 无噪音、无污染、占地灵活、消防等级低;
5 操作全自动, 可无人值守,安全可靠;
3
决定蓄热电锅炉经济运行的关键因素
因为电能是二次能源,那么如何才能经济的运行采暖,从以下几个方面分析:
3.1
全谷电运行
低谷时段的低电价为电网鼓励用电,电价0.260/千瓦时。根据次日非谷时段供热量,在晚上11-07低谷时段启动电锅炉将高温水储存在特制蓄热水箱内,已备次日全天供热。
3.2
分层蓄热水箱的水力学设计
自然分层蓄热技术的应用,可以节约投资和运行费用有很好的经济性。蓄热水箱的结构设计除考虑水力特性外,还应具有一定的结构强度和防腐性能,并具有良好的保温效果。蓄热水箱设计应考虑的因素主要有;形状、安装位置、结构与材料以及保温等。
1)蓄热水箱的形状
最适合自然分层的蓄水箱形状是直立平底圆柱体,与长方体或立方体蓄热水箱相比,圆柱体在同样的容量下,面积与容量之比小。蓄热水箱的面积与容量之比越小, 热损失就越小,单位蓄热量的基建投资就越低。球形蓄热水箱的面积与容量之比最小,但分层效果不佳,实际应用较少。立方体和长方体的蓄热水箱可以与建筑物一 体化,虽热损失较大,但可以节省每个独立的蓄水箱。如应用现有的消防水池作简单改制做蓄热水箱,可以节省一次初投资。
蓄热水箱的高度与直径之比是设计时需要考虑的一个形状参数,一般通过技术经济比较来确定。斜温层的厚度与蓄热水箱的尺寸无关,提高高度与直径之比可降低斜温层在蓄热水箱中所占的份额,有利于提高蓄热的效率,但在容量相同的情况下增加了蓄热水箱的投资。提高高度与直径之比限制了散流器的长度,给散流器的设计带来一定的难度。
2)蓄热水箱的基础防水层和保温
对蓄热水箱进行保温是提高其经济性的重要措施。在进行蓄热水箱设计时要考虑蓄热水箱底下、箱壁的绝热。
为了减少蓄热水箱的热损失和防止温度变化产生的应力而使蓄热水箱损坏,必须对蓄热水箱进行保温。同时,为避免保温材料由于吸水而影响保温材料的性能,并防止地下水渗入保温层,箱体的保温及基础防水层保护必须结合在一起进行。
3)蓄热水箱散流器设计
A
.自然分层的蓄热水箱需要用散流器将水平稳地引入蓄热水箱中,依靠密度差而不是惯性力产生一个沿箱底或箱顶水平分布的重力流,形成一个使冷热水混合作用尽量小的斜温层。因此,在自然分层蓄热水箱设计中,散流器的设计特别重要,它对蓄热水箱的蓄热效率有显著影响。设计好的散流器可以实现较佳的分层效果和稳定的斜温层。
在蓄热过程开始时,由下部散流器进入的冷水流,由于密度大,在水流速度较小的情况下,它会紧贴蓄热水箱的底面,依靠密度差而不是惯性沿水平方向移动,以纯导热的形式形成斜温层,避免与上部热水的对流混合,所以,在蓄热和放热开始时均会形成初始升温层。若进口水流速较大,则会破坏稳定的斜温层,导致冷、热水直接混合,减少蓄热水箱内的有效蓄热量。
散流器的作用就是通过使水流以密度流的形式缓慢地进入蓄热水箱,减少水流进入蓄热水箱时对储存水的冲击,促使斜温层的形成,并通过减少可能产生的混合作用维持斜温层的存在,减少对斜温层的破坏。
40-95范围内,水的密度差不大,形成的斜温层不太稳定,因此要求通过散流器的水流速要足够小,实验表明它与雷诺数和弗兰得数有关。
1
)散流器水力学特性
斜温层的水力学特性可由弗兰德数(Fr)和雷诺数(Re)决定,它们是两个重要的无因次准则数。
Fr=q/[gh3(pi-pa)/pa]1/2
式中,Fr为散流器进口的弗兰德数;
q
为散流器单位长度的体积流量;q=Q/L
g
为重力加速度;
h
为散热器最小进口高度;
pi
为进口水密度;
pa
为周围水的密度。
Q
为通过散流器的最大流量;
L
为散流器的有效长度
实验证实:Fr<1时,在进口水流中浮力大于惯性力,可很好地形成重力流;Fr>1时,也能形成重力流;Fr>2时,惯性流为主, 惯性力作用增大会产生明显的混合现象,并且Fr的微小增加就会造成混合作用的显著增加。若已知电锅炉的热水循环流量和散流器的长度,通过计算Fr准则数 后,就可以确定散流器所需的进口高度,散流器的进口高度定义为,当水以重力流从散流器的孔眼流出时,其孔眼与蓄热水箱底所需的垂直距离。一般要求 Fr<2,通常设计时取Fr=1.
2
Re准则数
蓄热水箱上下不同温度(即不同密度)的水混合造成斜温层的破坏,蓄热水箱斜温层的破坏,是由于进口散流器单位长度流量过大而引起的,其流体特性用雷诺数(Re)表示,其物理意义为流体的惯性力与该流体粘滞力的比值。散流器进口Re数的定义式为:
Re=q/v
式中,Re为散流器进口雷诺数;
q
为散流器单位长度水流量;
v
为进水的运动粘度。
对于确定的流量,可以通过调整散流器的有效长度来得到所需的Re数。散流器的设计应控制在较低的Re值,若Re值过大,由于惯性流而引起的冷温水混合 将加剧,致使蓄热水箱所需容量增大,对于高度小的蓄热水箱,通过实验得,Re值通常取200,对高度大于5m的蓄热水箱,其Re值一般取为850(计算 值)。
实验得出,较低的进口Re值有利于减小斜温层进口侧的混合作用,进口Re值一般取在240-800时能取得理想的分层效果。
B
.散流器的结构形式
散流器应采用对称自平衡的布置方式。在自然分层蓄热水箱中实验用的散流器形式是,水平缝口型散流器和H型散流器。
a.
散流器的布置
冷温水散流器的设置及与之相连的干支管均应尽可能对称布置,其主要目的是不引起干支管水流的偏流,以确保散流器单位长度的水流量均等,排出水流速均匀,基本上处于重力流状态,避免引起蓄热水箱内水平方向的扰动。在蓄热水箱内的分配管相对于与蓄热水箱的中心轮垂直的水平面内作成对称布置,保持在各种负荷情况下,散流器接管上任意点的压力恒等。
在设计中要注意散流器的开口方向,尽量减少进水对蓄热水箱中水的扰动。底部散流器的开口方向朝下,避免有直接向上的动量。散流器的开口一般为90-120
另外,必须限制通过散流器开孔的水流速度,一般要求在0.2m/s--0.4m/ s范围内,孔中心间距应小于2倍的开孔高度,以确保孔间水的混合可能性降到最低限度。
b.
散流器的开口长度和开口高度的确定
散流器的开口高度是入口水流离开散流器并形成重力流所占有的垂直距离。对于蓄热水箱下部激流器,开口高度就是蓄热水箱底面与散流器入口开口顶部的距离。在散热器直管上,相邻两个开口间的间距应能防止重力流在管附近形成时造成混合现象。实验发现,在管子底部开设圆孔,且开口间距4倍于开口高度时混合作用相当小。
散流器开口长度为水流进蓄热水箱时开口的有效长度。当直管上开口等间距布置时,有效长度应为所有开口的总长度。
可按下式来确定散流器的开口长度L和开口高度H:
q= Re×v
L=Q/q
h=
q/Fr2/3/[g(pi-pa)/pa]
首先选定蓄热、放热温度和入口Re,确定单位长度体积流量q。根据蓄热的总设计流量,确定激流器总长度。选择Fr数,计算确定出入口最小开口高度。最后根 据散流器开口流速均匀和分支中流量分配均匀的原则,布置分支结构、开口长度和间距。设计流量应当是所预定的最大体积流量。
对于确定的流量,可以通过调整散流器的有效长度来达到所需的Re值,然后由确定的流量和散流器开口长度,来确定出所需要的最小开口高度。
在大型蓄热水箱中,简单的散流器形式可能没有足够的长度来满足Re值的要求,这时就要考虑使用H型散流器,以确保激流器具有足够的长度。在散流器设计中,除根据FrRe值确定出散热器最小开口高度和开口长度外,还需要根据水流分配均匀的原则来决定具体的结构形式。
分层蓄热水箱技术的开发,已经通过很多工程案例的证实,得到了用户的认可,节能利用率10%以上。供热热源稳定均衡,用户负荷供水温度变化平稳。
3.3.
配合智能控制系统
蓄热电锅炉经济运行过程是一个复杂的系统控制工程,不仅具有合理的设备匹配,各管网的热力平衡,而且还需要具有先进、实用的控制数字模型以及可靠的控制调节系统,方能实现高供热质量和节能运行的目的。智能控制系统是电蓄热锅炉经济运行的核心部件,将采集环境、供水、回水、锅炉、锅炉压力、蓄热水箱分层、不同房间室内的温度,经过CPU热力已建立的时间序列参数库并采用智能专家系统对室外进行短期预测运算,从而得知采暖热负荷。根据预测热负荷的大小,自动调节供热热量及加热管启停和加热时间,达到按需供热用户热量。
3.4.
合理匹配的辅助设备
辅助设备包括:循环水泵、软水装置、补水水泵等,这些设备是不分时间段来运行的,所以合理的匹配辅助设备可降低峰、平电消耗的功率,是节约运行中降低峰、平电量的重要途径。
3.5.
外系统热力平衡
由于室内采暖系统以及室外管网系统一般情况下不是一次设计完成,设计存在差异等多种因素影响,在采暖系统运行初期往往存在热力失调的问题。比如离热源近的采暖系统阻力小流量大室内温度偏高,离热源远的用户室内温度偏低,如果不进行合理的室外、室内调节,为保证供热质量,往往增加供热量造成能源浪费。
4
结论
为加快城市现代化建设步伐,对提高城市生态环境水平越来越高。作为一种清洁能源,电能将在城市供热能源中所占的比例。电蓄热采暖作为一种新型的采暖方式,正在逐步被人民所接受。而分层蓄热式电采暖是一种适用现代北方冬季采暖又一选择热源,它不但环保还具有提高供热质量,同时提高了电网发电力率,削峰填有建设蓄能电站的功能,将低谷电力分散储在不同用户,减少国家对建设蓄能电站的建设。

热点标签:锅炉系统节能
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