Тепловые аккумуляторы

В данной статье дается описание накопителей тепла в качестве средства для дальнейшего усовершенствования понятия комбинированного производства тепла и электроэнергии. Более того, в данной статье показаны различные типы и различные применения накопителей тепла.

Введение

Накопители тепла используются в системах централизованного теплоснабжения в течение последних десятилетий. Практически все теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с противодавленческой турбиной, а также мелкие теплоцентрали, производящие тепло и электричество в фиксированном соотношении, оснащены накопителями тепла. Ранее только немногие ТЭЦ с теплофикационными турбинами  были оснащены накопителями.

Либерализация рынка электричества привела к  необходимости более гибкого функционирования  ТЭЦ для того чтобы работать наиболее экономически выгодным путем, удовлетворяя потребности как потребителей тепла, а также рынка электричества. Поэтому в Дании в первые годы открытия рынка электричества  мы наблюдаем рост развития крупных систем накопления тепла.  Сегодня в Дании практически все системы централизованного теплоснабжения с ТЭЦ с теплофикационными турбинами оснащены одним и более накопителями тепла.

Функция накопителя тепла

Накопитель тепла используется для краткосрочного  хранения энергии, полученной из воды. Запас  воды в резервуаре  по весу является постоянным независимо от запаса энергии. При загрузке накопителя горячая вода подается   в верхнюю часть резервуара одновременно с отбором такого же количества холодной оборотной  воды  с нижней части резервуара. Из-за разницы в силе тяжести горячая и холодная вода разделяются неиспользуемым слоем высотой приблизительно 1 метр. При разгрузке происходит отбор горячей воды с верхней части с одновременной подачей холодной оборотной воды  в нижнюю часть.

Подсоединение к сети

Накопитель тепла подключается к системе централизованного теплоснабжения между ТЭЦ и сетью централизованного теплоснабжения (см. рисунок 1). Когда производство выше, чем потребление, то накопитель тепла загружен. Накопитель разгружается, когда производство ниже потребления. Это дает возможность теплоэлектроцентрали вырабатывать энергию для централизованного теплоснабжения, когда она является наиболее благоприятной в отношении цен на электричество.

Рис. 1. Тепловой аккумулятор, интегрированный в систему централизованного теплоснабжения:
1 — ТЭЦ; 2 — накопитель тепла; 3 — потребители тепла; 4 — производственный насос; 5 — насос сети

Варианты работы теплового аккумулятора

Варианты функционирования накопителей тепла слегка отличаются в зависимости от типа ТЭЦ – с теплофикационной  или с противодавленческой турбиной.

ТЭЦ с теплофикационной турбиной может производить  электричество в режиме  конденсации, или же  электричество в сочетании с  теплом. Объем электричества снижается приблизительно на 15% при максимальном производстве тепла. Данная разница объема электричества используется когда производство тепла отключено. Основными функциями накопителя тепла в ТЭЦ данном типа являются следующими:

  • Во время высоких цен на электричество производство тепла может быть отключено и тепло будет поставляться из накопителя.
  • ТЭЦ разрешается функционировать на оптимальных соотношениях производства электричества и тепла.
  • Во время низких цен на электричество, например, ночью, тепло может производиться при низкой себестоимости и храниться в накопителе. Затем, когда цена становится высокой, например, в утренние часы, тепло может поставляться из накопителя.

ТЭЦ с противодавленческой турбиной может производить только электричество и тепло в фиксированном соотношении. Этот недостаток виден с точки зрения производства электричества. Основными функциями накопителя тепла на ТЭЦ данного типа являются следующие.

  • Поставлять тепло потребителям  и давать возможность ТЭЦ производить необходимое тепло во время самых высоких цен на электричество. Данный функциональный режим особенно важен на сетях с тарифами, дифференцированными по времени.
  • Давать возможность ТЭЦ производить электричество пока накопитель является полностью загруженным, в случае проблем в электрической сети.

Для всех типов ТЭЦ   находят применение следующие функции накопителей:

  • Накопитель тепла может сократить или избежать потерь в прибыли, если  произведенное электричество продается ниже себестоимости в случае функционирования ТЭЦ только для производства тепла.
  • Большие накопители могут дать возможность останавливать ТЭЦ на выходные, когда цена на электричество часто ниже, чем в рабочие дни недели.
  • Накопитель может компенсировать ежедневные отклонения нагрузки в потребности тепла (в основном вызванных ночным спадом), и таким образом уменьшить количество пусков-остановок и использование дорогих источников тепла в ежедневные периоды пиковых нагрузок.
  • В частности, максимальная производительность может быть снижена, если накопитель может использоваться  для данной цели в «самый холодный день».

Накопитель атмосферного тепла может поддерживать статическое давление в сети централизованного теплоснабжения и также функционировать в качестве расширительного резервуара.

Организация работы

В изучении оценки выгоды  накопителя важно рассмотреть все возможные преимущества, и как они могут быть использованы в различных режимах функционирования в течение типичных периодов года.

При функционировании ТЭЦ также важно применение накопителя, принимая во внимание выгоду как для электричества, так и тепла на основе моделирования почасового, ежедневного и еженедельного производства.

Для того чтобы принимать правильные решения по созданию накопителей тепла и по работе с ними при минимальных затратах, необходимо  проверять вопрос как с точки зрения электричества, так и тепла. В случае, если ТЭЦ и система централизованного теплоснабжения принадлежат разным компаниям,  то жизненно важно, чтобы у данных компаний были хорошие отношения, и чтобы они могли открыто сотрудничать друг с другом. Это включает в себя анализ общих преимуществ и соглашений о том, как делить инвестиции и  прибыли, а также как управлять накопителем.

Технические аспекты

Температура и статическое давление в сети.

Конструкция резервуара накопителя тепла зависит как от температуры подачи и статического давления  в сети,  так и от сочетания температуры и давления.

При температуре подачи ниже 100°С резервуар накопителя тепла  может быть сконструирован как  емкость для рабочей среды под атмосферным давлением.  При температуре выше 100°С резервуар накопителя тепла должен быть сконструирован как сосуд высокого давления. В системах, в которых работа с температурой подачи выше 100°С сведена  только к нескольким часам в зимнее время, возможно применение  емкости для рабочей среды с атмосферным давлением посредством обхода  накопителя тепла в данные периоды, или посредством повышения температуры после резервуара.

В системах с статическим давлением около 7 бар и температурой подачи ниже 100°С могут использоваться емкости с атмосферным давлением. В случае 4 описывается накопитель тепла высотой 65 метров  с атмосферным давлением.

Накопители тепла с атмосферным давлением обычно сконструированы в соответствии с стандартом для вертикальных емкостей для хранения нефтепродуктов или воды. Накопители тепла под давлением сконструированы в соответствии с стандартом для сосудов высокого давления.

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.

Диффузор. 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 качество воды центрального теплоснабжения соответствует требованиям, особенно в отношении чрезвычайно низкого содержания кислорода, то обычно в водной части резервуара коррозия отсутствует. Во избежание образования коррозии в верхней части кожуха и крыши должна поддерживаться инертная атмосфера в виде паровой или азотной подушки.

Утепление и изоляция. Стандартная изоляция до 130°С – 300 мм минеральной ваты. Оболочка для защиты от погодных условий  может изготавливаться из самого дешевого трапецевидного алюминиевого листа, а также могут осуществляться   более дорогие архитектурные решения. Защитная оболочка прикрепляется к обшивке резервуара легкой стальной конструкцией.

Рис. 2. Тепловой аккумулятор с гидравлической системой отделения от системы централизованного теплоснабжения: 1 — ТЭЦ; 2 — накопитель тепла; 3 — система передачи; 4 — потребители тепла; 5 — расширительный резервуар; 6 — насосы сети

Определение размеров

Измерение запаса энергии является основой анализа затрат и результатов как на надежных, так и на ненадежных параметрах.  Ненадежный параметр – это  рыночная цена на электричество. Надежный параметр – это вложение средств в резервуар.

Расчет активного (полезного) объема между диффузорами  основывается на запасе энергии и разнице между расчетными температурами подачи и возврата. Следует принять во внимание, что обычно толщина неиспользуемого разделительного слоя составляет 1 метр. Выбор температур является  очень важным фактором, так как температура оказывает непосредственное влияние на размер резервуара. Для резервуаров с атмосферным давлением, разница температур обычно будет составлять 30-40°С. Для сосудов высокого давления, разница температур может быть 50-55°С.

Обычно, для того чтобы свести к минимуму объем неактивного разделительного слоя,  предпочтительно соотношение высоты к диаметру — более 1,5. Однако, опыт показывает, что соотношения  ближе к 0,8 являются подходящими, если диффузоры разделены, как, например, в случае использования старых резервуаров из-под нефтепродуктов.

Будущие тенденции

В течение последних 20 лет многие научно-исследовательские проекты сконцентрированы на хранилищах с низкой себестоимостью, включая альтернативные хранилища, например в водоемах, горах и почве. При последнем варианте очень трудно поддерживать качество воды, например низкое содержание кислорода, приемлемое для систем централизованного теплоснабжения. Сезонное хранение также явилось предметом научно-исследовательских работ. Исследования показывают, что такие проекты не являются осуществимыми, так как вложения не соответствуют сбережениям.

Рынок электричества с разницей в ценообразовании подтолкнет компании-производители тепло- и электроэнергии и компании-операторы централизованного теплоснабжения к созданию накопителей тепла большего объема для получения выгоды на рынке электричества. Это приведет к появлению больших и более дешевых резервуаров. Одним из вариантов является реконструкция старых резервуаров из-под нефтепродуктов.