Характеристика тепловых аккумуляторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловые аккумуляторы

Могенс Кьер Петерсен, менеджер отдела,

Йорген Огард, главный инженер

Данная статья рассматривает тепловые аккумуляторы как способ дальнейшего улучшения концепции когенерации. Более того, в статье описаны различные типы и применения тепловых аккумуляторов.

Тепловые аккумуляторы использовались в системах централизованного теплоснабжения в течение последних нескольких десятков лет. Практически все ТЭЦ с турбинами противодавления, а также небольшие станции, производящие тепло и энергию только в определенной пропорции, оснащены тепловыми аккумуляторами. Раньше ТЭЦ экстракционного типа только в ограниченном масштабе были оснащены тепловыми аккумуляторами.

Либерализация рынка электроэнергии увеличила необходимость большей гибкости ТЭЦ комбинированного цикла для работы в более экономичном режиме, для того, чтобы обслуживать и тепловых потребителей, и рынок электроэнергии. Сегодня практически все системы централизованного теплоснабжения в Дании со станциями комбинированного цикла экстракционного типа оснащаются одним или несколькими тепловыми аккумуляторами.

Предназначение теплового аккумулятора

Тепловой аккумулятор используется для кратковременного хранения энергии в воде. Содержание воды в емкости по весу постоянно и не зависит от содержания энергии. При зарядке аккумулятора горячая вода подается сверху с одновременным уходом соответствующего объема холодной воды со дна емкости. Холодная и горячая вода разделены неиспользуемым слоем в один метр. При разрядке горячая вода забирается сверху с одновременной подачей холодной воды снизу.

Подсоединение к сети

Тепловой аккумулятор присоединяется к сети централизованного теплоснабжения между ТЭЦ и сетью (рис 1). Если производство превышает потребление, тепловой аккумулятор заряжается. Это позволяет ТЭЦ комбинированного цикла производить энергию для сети централизованного теплоснабжения, когда это наиболее выгодно с точки зрения цен на электричество.

Варианты работы теплового аккумулятора

Возможности работы тепловых аккумуляторов немного различаются в зависимости от типа ТЭЦ - экстракционного типа (с регулируемым отбором) или типа противодавления (с нерегулируемым отбором).

ТЭЦ экстракционного типа может производить электричество в конденсационном режиме или комбинированно производить электричество и тепло. При максимальном производстве тепла производство электричества снижается приблизительно на 15%. Эта разница в мощности производимой электроэнергии используется при отключении производства тепла.

Основные функции теплового аккумулятора на этом типе станций следующие.

* В периоды высоких цен на электроэнергию производство тепла может быть приостановлено и тепло может подаваться из аккумулятора.

* ТЭЦ может работать в оптимальных режимах по соотношению производства тепла и электроэнергии.

* В периоды с низкими ценами на электроэнергию, например ночью, тепло может производиться с наименьшими затратами и храниться в аккумуляторе. Затем, при повышении цены на электроэнергию, например в утренние часы, тепло может подаваться из аккумулятора.

Станции противодавления могут производить только электричество и тепло в установленной пропорции. Это является недостатком с точки зрения производства электричества. Поэтому основными функциями теплового аккумулятора на этом типе станций являются.

Поставка тепла потребителям и возможность ТЭЦ производить необходимое тепло в периоды наиболее высоких цен на электричество. Эта работа особенно важна в сетях с различными временными тарифами.

Возможность ТЭЦ производить электричество до тех пор, пока аккумулятор не заряжен полностью, в случае проблем с мощностью в электросети.

Для работы всех типов ТЭЦ характерно.

Тепловой аккумулятор может помочь снизить или избежать потерь дохода, если электричество продается ниже себестоимости производства в случае эксплуатации ТЭЦ только для производства тепла.

Большие аккумуляторы могут позволить полную остановку станции на выходные, когда цены на электричество ниже, чем в рабочие дни.

Аккумулятор может компенсировать ежедневную разницу в нагрузке на тепло (в основном по причине ночных сдвигов), и таким образом снизить включения и выключения и использование более дорогого тепла в часы дневных нагрузок.

В частности может быть снижена максимальная мощность при использовании аккумулятора в "самые холодные дни".

Атмосферный тепловой аккумулятор может поддерживать статическое давление в системе централизованного теплоснабжения, а также работать как расширительный резервуар.

Как организовать

При изучении оценки преимуществ аккумулятора, важно рассмотреть все возможные преимущества и как они могут использоваться в различных режимах работы в определенные периоды года. При работе станции важно также, чтобы аккумулятор использовался с учетом преимуществ по теплу и электроэнергии на базе почасового, ежедневного и еженедельного моделирования производства.

Для того, чтобы принять правильное решение по установке тепловых аккумуляторов и их эксплуатации с минимальными затратами, необходимо изучить как электрическую, так и тепловую составляющую. В случае, если ТЭЦ и система ЦТ принадлежат разным компаниям, важно, чтобы эти компании имели хорошие отношения и были способны к сотрудничеству. Это включает анализ экономического эффекта, соглашение о распределении инвестиций и выгоды, и также согласование режима работы аккумулятора.

Технические аспекты

Температура и статическое давление в сети.

Конструкция теплового аккумулятора зависит от температуры подаваемой воды, статического давления в сети, комбинации температуры и давления.

При температуре подаваемой воды ниже 100 0C тепловые аккумуляторы могут быть спроектированы как атмосферные емкости. При температуре подаваемой воды выше 100 0C тепловые аккумуляторы должны быть спроектированы как сосуды под давлением. В системах, где работа с температурой подаваемой воды выше 100 0C ограничена несколькими часами в зимнее время, также возможны атмосферные емкости с использованием обводного пути вокруг теплового аккумулятора в эти периоды или с дополнительным подогревом воды из аккумулятора.

В системах со статическим давлением около 7 атм. и температурой подаваемой воды ниже 100 0C, могут использоваться атмосферные емкости. (Пример 4 описывает атмосферный тепловой аккумулятор высотой 65 м).

Атмосферные тепловые аккумуляторы обычно проектируются в соответствии со стандартами на вертикальные емкости для хранения нефтепродуктов или воды. Тепловые аккумуляторы под давлением проектируются в соответствии со стандартами на сосуды под давлением.

Присоединение к сети. Атмосферные тепловые аккумуляторные емкости в основном располагаются между производящими установками и сетью, как показано на (рис. 1). Такая схема позволяет производственным установкам производить тепло вне зависимости от потребления. Когда статическое давление превышает технические высоты емкости или местные условия не позволяют иметь высокие емкости, или в случае емкостей под давлением необходимо разделение под гидравлическим давлением в форме систем зарядки и разрядки с двойными контрольными задвижками и насосами (рис. 2). Такая система используется в аккумуляторах в системе централизованного теплоснабжения Копенгагена. Диффузоры.

Для обеспечения хорошего разделения холодной и горячей воды используются диффузоры, установленные сверху и снизу. Скорость воды на входе и выходе может варьироваться в пределах 0,02-0,2 м/с.

Защита от коррозии. Когда вода в системе централизованного теплоснабжения отвечает требованиям, особенно в отношении чрезвычайно низкого содержания кислорода, обычно нет коррозии в части емкости, заполненной водой. Для того, чтобы избежать коррозии верхней части корпуса и конструкции крыши, должна поддерживаться неактивная атмосфера в виде паровой или азотной подушки.

Утепление и изоляция. Стандартная изоляция до 130 0C это 300 мм слой каменной ваты. Утепление может варьироваться от самых дешевых трапециевидных кусков алюминия до дорогих архитектурных решений. Утепление крепится к корпусу емкости легкой стальной конструкцией.

Расчет

Расчет содержания энергии - это анализ на основе стоимости по так называемым надежным и ненадежным параметрам. Например, ненадежный параметр это рыночная стоимость электричества. Надежный параметр - это, например, инвестиция в емкость.

Расчет активного объема хранения между диффузорами основывается на содержании энергии и разнице между температурами воды на подаче и обратке. Необходимо принять во внимание, что неиспользуемый разделительный слой имеет обычно толщину в один метр. Очень важен выбор температуры, так как температура имеет прямое воздействие на размер емкости. Для атмосферных емкостей разница температур обычно бывает 30-40 0C. Для емкостей под давлением 50-55 0C.

Обычно предпочтительно соотношение высота/диаметр более 1,5 для минимизации объема неактивного разделительного слоя. Однако, опыт показывает, что реально соотношение ниже 0,8, если диффузоры разбиты на несколько единиц, например в случае использования старых емкостей под нефтепродукты. аккумулятор мощность давление теплоснабжение

Приведем несколько примеров дающих некоторые данные по использованию и конструкции тепловых аккумуляторов.

Пример 1. Электростанция (аккумулятор 8тыс.ГДж - 2 x 22тыс. м3)

Станция расположена на юге Копенгагена. Она имеет 2 блока комбинированного производства экстракционного типа. Блок 1 в 250 MВт / 330 MДж/с и блок 2 в 560 MВт / 520 MДж/с. Совместно с другими ТЭЦ станция поставляет тепло в систему централизованного теплоснабжения Большого Копенгагена. Сеть имеет общую тепловую нагрузку в 28,000 TДж.

Установки по хранению тепла состоят из 2 идентичных емкостей под давлением с содержанием энергии 4тыс. ГДж. Из-за разницы давления между 15 атм. в системе централизованного теплоснабжения и около 5 атм. в емкости, система оснащена системой зарядки и разрядки. Для улучшения экономики работы водная турбина покрывает 50% возможности снижения давления. Турбина механически присоединена к одному из насосов поднятия давления, таким образом, снижая электропотребление. Мощность теплового аккумулятора 330 MДж/с. Инвестиции в емкости были около 5.5 млн. Евро (1992), что соответствует около 670 Евро/ГДж.

Уникальные месторасположение и архитектура станции потребовали уникальной конструкции двух тепловых аккумуляторных емкостей.

В 2003 компания ENERGI E2 A/S построила аналогичную тепловую аккумуляторную емкость в 4тыс. ГДж на станции Amager Power Station, которая также поставляет тепло в систему централизованного теплоснабжения Большого Копенгагена. Задача этой емкости в основном улучшить производственную гибкость ТЭЦ и соседнего мусоросжигающего завода. В целом в Дании 5 больших аккумуляторных емкостей под давлением.

Пример 2. Электростанция Fyn, ( аккумулятор 13,500 ГДж / 73,000 м3)

Электростанция Fyn - которой владеет и управляет компания ELSAM A/S -поставляет тепло близко расположенной муниципальной теплоснабжающей компании Odense Municipal District Heating Company (7,700TДж). Станция имеет два блока - блок 3 285 MВт /325 MДж/с и блок 7 400 MВт / 450 Mдж/с. Кроме того, поставлять тепло в тепловой аккумулятор может ТЭЦ Odense CHP Plant A/S с двумя установками для сжигания мусора по 10 MВт / 29 MДж/с и 14 MВт / 35 МДж/с.

Для того, чтобы увеличить гибкость в работе ТЭЦ и мусоросжигающих установок в 2003 году был построен тепловой аккумулятор на 73,000 м3. Система централизованного теплоснабжения в Odense работает при низкой температуре теплоносителя, на выходе около 92 0C в зимний сезон. Аккумулятор построен как атмосферная емкость высотой 40 м с учетом параметров давления в сети. При диаметре 50 м, отношение высота/ диаметр составляет только 0.8 против обычного показателя более 1,5. В емкости содержится 13,500 ГДж энергии и мощность составляет 600 MДж/с.

Зимой аккумулятор позволяет станции останавливать ночью блоки комбинированного производства тепла и электроэнергии, если цена на электричество низкая, и останавливать производство тепла в часы пиковых электрических нагрузок. Летом возможно останавливать блоки ТЭЦ на все выходные, а в зимний период на 6-8 ч. Инвестиции (2003) в емкость составили около 5,5 млн Евро, что составило около 400 Евро/ГДж.

Пример 3. ТЭЦ ( аккумулятор 720 ГДж / 6330 м3)

ТЭЦ - небольшая био- (солома) ТЭЦ с турбиной противодавления мощностью с10 MВт/20MДж/. Тепло поставляется теплоснабжающей компании (200TДж) по 8 км сети и компании (181TДж).

В емкости содержится 720 ГДж мощностью 28,5 МДж/с. (Диаметр 18,5 м и высота 25 м).

Аккумулятор вставлен как буфер между ТЭЦ сетью централизованного теплоснабжения. Высота емкости спроектирована для поддержания статического давления в сети.

Инвестиции (2000) в емкость составили около 550,500 Евро, что составило около 750 Евро/ГДж.

Пример 4. Электростанция, 3тыс. ГДж / 20,000 м3

- поставляет тепло близкорасположенной муниципальной теплоснабжающей компании (900TДж). Станция имеет два блока комбинированного производства

блок 1 125 MВт / 100 MДж/с и блок5 640 MВт / 150 MДж/с. Оба блока экстракционного типа.

Из-за условий рынка электроэнергии очень часто в работе только один блок. Для того, чтобы улучшить безопасность поставок и цены на тепло компания и муниципальная теплоснабжающая компания договорились в 2002 построить аккумуляторную емкость на 3 тыс. ГДж.

Емкость была спроектирована как подсоединенная напрямую атмосферная емкость на 98 0C. Из-за топографических условий в сети необходимо было иметь 65 м над уровнем моря для статического давления. Результатом стала емкость с диаметром в два метра и высотой в 65 м. Чрезвычайное соотношение высота/ диаметр потребовал дорогого насыпного основания.

Зимой тепловой аккумулятор может поставлять тепло в течение 3-4 ч. Летом емкость может поставлять тепло до 48 ч, например все выходные. Инвестиции (2002) в емкость, включая инженерные работы, составили около 3 млн Евро (около 1075 Евро/ГДж)

Будущие тенденции

В последние 20 лет многие научно-исследовательские проекты фокусировали свое внимание на низко затратных вариантах хранилищ, включая, так называемые, альтернативные варианты хранилищ, например в озерах, скальных породах и под землей. Для последнего варианта было трудно поддерживать качество воды, например, содержание кислорода на уровне приемлемом для систем ЦТ. Так называемые сезонные хранилища так же показывают, что такие проекты не реальны, т. к, инвестиции не соответствуют экономии.

Рынок электроэнергии с его дифференцированным ценообразованием заставит ТЭЦ и операторов систем ЦТ создавать большие мощности аккумуляторов для того, чтобы использовать рынок электроэнергии. Результатом станут большие по размеру и менее дорогие емкости, как показано во втором примере. Другим вариантом является реконструкция старых емкостей для нефтепродуктов.

Размещено на Allbest.ru