蓄热式电热蒸汽锅炉

ｌ０２　化工机械　２００１正　蓄热式电热蒸汽锅炉　庄正宁　唐挂华叶永强　（西安交通大学）　摘要介绍了蓄热式电热蒸汽锅妒供热系统的供热原理、装置配置和设计要点，诸供热　系统具有广阔的应用前景。　关键词蓄热电热蒸汽锅妒供热系统节能　电热锅炉与燃煤、燃油锅炉比较，具有节省投　作性能好，供热负荷波动小，可以按照热用户的供　资，高热效率，高自动化程度，环保以及安全等多　热需求进行调节。尤其是对问断供热的用户，可　种优势，因此电热锅炉的应用有着广阔的前景。　以减少电热锅炉的启停次数，而且用蓄热器供热　目前，电热锅炉的运行主要集中在用电高峰期，运　启动速度快而平稳。　行费用较高，而蓄热式电热蒸汽锅炉可以有效地　２蓄热式电热蒸汽锅炉供热系统　解决这个问题　蓄热式电热蒸汽锅炉系统（图１）主要由电热　１蓄热式电热蒸汽锅炉的特点　蒸汽锅炉、蒸汽蓄热器、汽水换热器、热网及膨胀　蓄热式电热蒸汽锅炉是通过把蒸汽蓄热器与　水箱等组成。　电热锅炉联台起来进行供汽和供热，以达到环保　和节能的目的。蓄热式电热蒸汽锅炉具有以下特　点：　ａ．高效、节能、无污染、无噪声，可以实现无　人值守，安全自动运行。　ｂ．对电力部门的电网起到削峰填谷的作用。　该装置可以在用电低谷时用电能产生蒸汽储存在　蓄热器中，在用电高峰时蓄热器产生蒸汽或热水　供热用户使用。这种运行方式能够均衡电网的负　荷，减少电厂机组的调峰操作，降低电力生产中的　能耗。　ｃ．显著降低运行成本。目前电力部门对高、　图ｌ蓄热式电热蒸汽锅炉供热系统示意图　低峰时用电制定了不同的价格，用电高峰时的电　１——给水泵；２—一电热蒸忾锅炉；｝—蓄热嚣；　价是低谷电价的４倍，而用电尖峰时的电价是低　４—一流量调节闼；５—一忾水换热器；６—一睁胀术糖：　谷电价的４．５７倍，就是“常时”用电也是低谷时的　７——熟罔；　循环象；９＿—喈承嚣；　２．８６倍…。因此，这种供热方式能够有效提高运　１Ｏ—一除污器；　１１——集术箱；　ｌ２—一水处理设备；　ｌ，—一软水箱；　１４一补水泵　行的经济性，尤其适用于用电高峰期间需要供热　的用户。　３蓄热式电热蒸汽锅炉供热原理　ｄ．供热质量高，用户热负荷稳定。该装置工　蓄热式电热蒸汽锅炉系统工作原理是：在晚　·庄正宁，男，１９５２年１月生，副教授。陕西省西安市。７１００４９。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第２期　化工机械　ｌＯ３　上用电低谷时，给水经给水泵进入电热蒸汽锅炉，　５系统配套装置的设计要点　５．１电热蒸汽锅炉　电热蒸汽锅炉可设计为卧式或立式，主要由　电热蒸汽锅炉产生具有一定压力的饱和蒸汽进入　蓄热器，加热蓄热器中的水，使蓄热器内水的温度　和压力升高，形成具有一定压力的饱和水，蓄热器　中的水是储存热能的载热体；在白天用电高峰期，　电热蒸汽锅炉停止运行，打开蓄热器排汽阀，在蓄　筒体、电加热器、支座、给水分配管、蒸汽引出管和　其他附属装置组成。电加热元件可采用Ｕ形电　阻式加热管，按电热锅炉功率选择由电加热管的　单管功率；每３个电热管配成一组电加热器，呈三　角形布置，用螺母或焊接形式固定在法兰上，如图　２所示，装入焊接在锅炉两侧筒体上的法兰接管，　并用螺栓紧固；通过固定夹、支撵角钢将电加热器　固定在筒体内，电加热器外面应有护罩保护。　热器内压力下降的条件下，饱和水成为过热水，立　即沸腾而自蒸发，产生低压蒸汽。根据用户要求，　通过流量调节阀调节蒸汽流量直接将蒸汽送人用　户，或者低压蒸汽进入汽水换热器，与供热回水进　行热交换，达到一定供热参数后送人用户热网。　系统中设置膨胀水箱是用来克服回水从除污　器出口到热水进入循环水泵这一段的系统阻力及　循环泵气蚀余量。从溢流管中出来的水以及从蓄　热器中排出的热水均接人集水箱，然后经过水处　理、软水箱，由补水泵分别送往给水泵、膨胀水箱。　４系统配套装置举例　下面以一个蓄热式电热蒸汽锅炉系统为倒，　其具体参数配置如下：　电热蒸汽锅炉　电功率　７５６ｋＷ　图２电加热器法兰端盖示意图　额定蒸发量　额定工作压力布置形式９６Ｏｋｇ／ｈ　１．３　ＭＰａ　电热蒸汽锅炉运行中可实现全自动控制，通　卧式　过编程或设置达到无人值守运行。控制项目主要　包括电加热器分组加热及停运，自动调压和补水，　给水泵、循环泵的自动切换，加热器和绘水泵的联　锁等，并具备超温、超压、断水、缺相、短路、过流、　外形尺寸（长ｘ宽ｘ高）３＂￣ＯｍｍｘｌＴＯＯｍｍ×１７００ｍｍ　蒸汽蓄热器　蓄水量　５Ｏ　ｍ３　几何容积　工作压力　５６　ｍ３　１．３ＭＰａ　接地等报警及保护功能。　５．２变压式蒸汽蓄热器　变压式蒸汽蓄热器依靠容器内饱和水压力的　升降变化，使容器内饱和水焓值相应地变化．从而　蓄存或释放蒸汽热能。主要由蔷热器篱博、充热　装置和排汽装置、保温装置以及附属装置等组成。　设计时首先根据工程需要确定蓄热器充热压　力Ｐｌ（充热终止时蓄热器内最高压力）和放热压　力ｐ２（放热终止时最低压力），假设其对应的饱和　水与饱和蒸汽比容、焙分别为　、　、　、　，单位　水容积蓄热量为：　一　２　蒸汽发生量输出热功率布置形式５　９４０ｋ　７００ｋＷ　卧式　外形尺寸（直径ｘ全长）２６０。Ⅲｘ　１２０００ｒｍｎ　汽水换热器　输出热功率０．７ＭＷ　供回水温度９５／７０℃　采用上述技术参数配套而成的蓄热式电热锅　炉系统在０：００—６：Ｏ０用电低谷时蓄热器进行充　热，白天工作时蓄热器进行放热，井通过汽水热交　换换热器向热网供热７００ｋＷ，供热时间约５．５　ｈ。　若用电差价为Ｏ．２ｏ元／ｋＷ·ｈ，一个采暖季节即可　节省运行费用约９万元。　ｇｏ　而　万　：　ｋｇ（蒸汽）／　（水）　（１）　蒸汽蓄热器的蓄热量主要取决于充、救热的　压差。提高充热压力，降低放热压力均使单位水　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ０４　化工机械　２００１拒　目　客积蓄热量增加。但是，随着充热压力的提高，蓄　０．８５，口＝０．９８，ｇｏ＝１２６．３ｋｇ／ｍ３，Ｖ＝５８．８３　，　热器的简体壁厚也相应增加，制造费用随之增大。　＝５ｏ　，　＝３９．４５６ｍ３，ＡＧ＝３４３　ｋｇ，蓄热器筒体　根据水与水蒸气的性质分析，当充热压力小于　２　６００ｍｍｘ　２０ｍ，充热装置共６个喷头，每个喷　１．５ＭＰａ时，单位蓄热量随充热压力的提高增长很　头４个喷嘴．喷嘴孔径为１０ｒａｍ。　快，是蒸汽蓄热器用于供热系统的合理压力蓖围，　５．３汽水热交换器　而放热压力应在满足汽水换热器的工作条件下尽　蓄热器工作蒸汽压力从充热压力Ｐｌ一直下　量降低。　降到放热压力Ｐ２，郎汽水换热器进汽压力不断变　蓄热器容积为：　化，这需要设计一个在变工况条件下稳定工作的　Ｖ：—旦一　（２）　汽．水热交换器。通常使用的热交换器有管壳式　ｇ０　冷凝热交换器、汽水喷射泵以及直接混合式热交　式中　——充水系数，根据不同工程的放热送　汽要求可在０．７．５～０．９５之问选取；　换器。这几种类型的换热器能否满足蓄热器工作　蒸汽的变工况条件以及恒定的供热热量和供热温　蓄热器热效率，与蓄热器保温有关，　度的要求，需要进行分析比较。　般可取０．９８计算；　Ｃ——蓄热器总蓄热量，　蒸汽。　５．３．１管壳式玲凝换热器　蓄热器充热终了时水容积：　对于管壳式换热器，由于换热过程中蒸汽的　Ｖｌ＝　ｍ３　（３）　压力和饱和温度不断降低，使得传热温压△　随　蓄热器放热终了时水容积：　之减小，而传热系数量随之增大，而△ｌ的减小值　太于　的增大值。若换热器出口水温要求维持　｜，　（　一　助）　２　（４）　在９５±５℃之问，且供热量恒定，由传热公式Ｏ＝　１　蓄热器放热时产生ｌ　蒸汽（压力Ｐｚ）所需　ＫＦＡｔ，换热器的面积在运行中将发生变化。部分　的热量近似为：　计算结果见表ｌ。　表１不同进汽压力下营壳式换热嚣的计算蛄果　ｈ２＇ｋＪ／ｋｇ（蒸汽）　（５）　当用压力为Ｐ－的干饱和蒸汽充热时，从ｌ　ｋｇ　充热蒸汽中，用来加热蓄热器中贮水的热量为：　ｑｌ：ｈ．　一　Ｊ　ｋｇ（蒸汽）（６）　因此，蓄热器放热时产生ｌｋ的蒸汽，必须供给　ｌ　ｋ的干饱和充热蒸汽，在一个完整的充热放热周　期中，蓄热器中的蓄水量在放热终了时比开始充　当换热器进口蒸汽压力从１．４ＭＰａ降低到　热时增加：　０．６ＭＰａ时，可以维持一定的换热面积不变，面积　ＡＧ＝Ｇ（ｑ２／ｑ１一１）　ｋｇ（水）　（７）　为２．５２　，此时可满足出Ｉ＝Ｉ水温和供热量的要　应排放掉这部分水。如果是用过热蒸汽充热，通　求；当压力从０．６ＭＰａ降低到０．３胁时，需要增　过计算可知，在一个完整的充热放捕周期中，水量　加纵向管子数，此时总换热面积为３．５９２ｍ２。而且　将减少，这时应向蓄热器中补水。　当压力为０．３ＭＰａ时，出口热水温度降低到９ｏ℃，　充热装置的设计要保证充热时蓄热器内水温　如果维持该面积不变而一直放热到０．２ＭＰａ．此时　迅速达到均匀，避免热应力差，井力求减少蒸汽压　出口热水温度降低到８４．７℃，已经不能满足用户　力损失。排汽装置的设计则要尽量减少蒸汽带水　要求。因此，如果选用管壳式换热器，在放热过程　量。　中就必须对换热器的传热面积分段进行调整。　以上面举例的蓄热器为例，其结构参数为　５．３．２汽水喷射泵　ｐｌ＝１．４ＭＰａ，ｐ２＝０．２ＭＰａ，Ｇ＝６　０００　蒸汽，　＝　汽水喷射泵是一种用水蒸气加热和引射水的　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第２期　化工机械　１０５　设备。水蒸气和被引射水在喷射泵中直接混合，　进行动量和能量的交换，提高被引射水的温度和　压力。汽水喷射泵构造简单，造价低，因此在热水　供热中获得广泛应用。由质量守恒方程：　Ｇ　＝Ｇｏ＋Ｇｈ　ｋｓ／ｈ　Ｇ　＝（１＋Ⅱ）岛ｕ——喷射系数。　由能量守恒方程：　ｉｏ＋　ｂ＝（１＋Ⅱ）ｄ＾　（１１）　式中　ｉ０——喷射前工作流体焓，ｋＪ／ｋｇ；　（８）　（９）　（１Ｏ）　ｃ——水的比热，Ｋ／（ｋ·℃）；　ｔｈ、￡　—－分别为喷射前被引射水温和喷射　后混合水温，℃。　以上面举例的供热参数为倒，不同进汽压力　下的计算结果见表２。　ｋｇ／ｈ　Ｇｈ／Ｇｏ　式中Ｇ¨Ｇｈ和Ｇ　——工作流体、披引射流体和　混合流体的质量流量；　表２不同进汽压力下汽水喷射泵的计算结果　由表２可知，虽然进汽压力值变化较大，但喷　射系数值变化较小，可以通过控制蒸汽流量来保　证喷射器的出口水温。随着进汽压力的变化，喷　虽然混合器进汽压力变化范围较大，但由于　在该压力变化范围内蒸汽焙值变化较小，工作蒸　汽量的变化范围很小。在该变化范围内．出口混　合水温度波动范围不会超过１℃，所以汽水混合　管的临界直径变化较大，选取进汽压力０．６　ＭＰａ　为工作蒸汽压力以设计喷管的各项几何参数。但　当进汽压力为０．３ＭＰａ时，蒸汽通过该喷管最大　流量为５７９ｋｇ／ｈ．进入混合室的蒸汽流量不足，因　此当进汽压力小于Ｏ．６ＭＰａ时，需要设计两个喷　管，以满足工作蒸汽量的要求。　５．３，３直接混合式热交换器　采用大空间直接混合，或用一根直径较小的　管子先将蒸汽导人，再通过管子上的喷孔将蒸汽　器在整个工作过程中，可通过蒸汽调节阀控制进　汽流量不变，回水流量相应不变，这样方便了操　作。喷孔开孔小，混合好，噪声小，设计时取喷孔　直径５ｒｍａ。因为蒸汽在Ｐ２压力时密度最小，相同　质量流量时体积流量大，且此时喷射压差小，所以　喷孔数目的设计应保证在Ｐ２压力时能够将所　需低压蒸汽喷人混合水中。喷孔开孔沿蒸汽喷　射筒体周向和轴向错列布置，并与轴向成４５。角　度。　喷人混台水中，该装置结构简单，但当蒸汽在回水　中冷凝时．噪声和振动都较大。　分析比较了管壳式换热器，汽．水喷射泵和直　接混合式热交换器后，最终选择了如图３所示的　汽水混合器　６结束语　综上所述，蓄热式电热锅炉及其供汽和供热　系统具有加强环境保护和合理利用电能的功能。　该系统运行安全可靠，操作方便，尤其对电网削峰　填谷和降低热用户运行费用起到明显作用，在开　拓电力市场中有着广阔的前景。　参考文献　１艾书模．电锅炉应用低谷电能的可行性分折及应用前　图３汽水混合器示意图　ｌ——喷孔；２——蒸汽喷射筒体；　—＿棍台器筒体　景．大众用电，１９９８（３）：２６—２８　（收稿日期：２０００－Ｏ１．２５）