Тепловое аккумулиров ание энергии

Обзор практики теплового аккумулирования энергии

Хотя тепловое аккумулирование энергии (ТАЭ) применя­лось при строительстве сооружений и отопительных систем с давних пор, его промышленное использование началось только в XIX столетии; регенераторы для систем утилизации тепла продуктов сгорания на основе керамических материалов примерно с середины прошлого века применяются в промыш­ленных процессах, требующих высоких температур горения и, следовательно, высоких температур воздуха. Системы та­кого рода все еще используются в металлургической и сте­кольной отраслях промышленности, в производстве кокса, в низкотемпературной части парогенераторов и нашли приме-

нение в газовых турбинах открытого цикла, а также в систе­мах кондиционирования воздуха.

Применение ТАЭ для аккумулирования механической энергии на транспортных средствах с помощью термохими­ческих (NaOH) превращений восходит к 80-м годам XIX сто­летия. Известны речное судно, построенное в 1883 г., которое совершало плавания по Шпрее, дорожный экипаж, находив­шийся в эксплуатации на линии между Берлином и его при­городом Шарлоттенбургом, и, наконец, железнодорожный локомотив Хонигмана, который использовался в качестве тяги

пассажирских поездов,, регулярно курсировавших между Юлихом и Аахеном в 1882. г. [8.6]. Этот локомотив не имел выхлопа. Отработавший пар абсорбировался NaOH, выделяя тепло, которое шло на генерирование пара в трубах котла локомотива (рис. 1.18). Зарядная станция, на которой вос­станавливалась исходная концентрация NaOH (путем выпа­ривания), была расположена на одной из железнодорожных станций (рис. 1; 19).

Процесс аккумулирования тепла с применением NaOH после этого был предан забвению и только в последнее время предложен снова [8.18] .

За несколько лет до появления локомотива Аонигмана принцип аккумулирования пара (в насыщенной воде под дав­лением) был применен в городских экипажах Нового Ор­леана. Номинальное давление в аккумуляторе было равно рабочему давлению. При снижении давления в аккумуляторе выходная мощность уменьшалась. На промышленных пред­приятиях, где из соображений безопасности не допускается применение топок, локомотивы такого типа применялись очень часто и получили название бестолочных локомотивов (рис. 1.20).

Примерно к тому же времени относится применение ТАЭ в стационарных установках генерирования пара. Внешний сосуд горячей воды для аккумулирования пара (рис. 1.21) — предшественник аккумулятора с переменным давлением Рут - са, появившегося в начале XX столетия, — был запатентован Макмагоном в 1873 г. [1,20].

Рис. 1.22. Клепаный стальной сосуд шарлоттенбургской аккумулирующей установки (размеры в миллиметрах).

ВУВ — высший уровень воды при 1,4 МПа (полностью заряжен); НУВ — низший уро­вень воды при 0,15 МПа (полностью раз­ряжен).

Разработка современной схемы аккумулятора пара с пе­ременным давлением основывалась на идее Я. Рутса. В па­тенте, выданном Рутсу в 1913 г. [1.20], уже указывалось на возможность применения этой идеи для выработки пара. Пер­вая энергетическая пиковая турбинная установка с аккуму­лятором пара была сооружена в 1920 г. в Мальме (Швеция) для покрытия пиковых нагрузок и обеспечения необходи­мого резерва. Кроме этого, Маргуэрре также в 1920-х гг. разработал систему аккумулирования питательной воды (выносной аккумулятор при постоянном давлении); крупная установка такого рода была построена и в Мангейме. Энер­гетическая установка с аккумулированием пара электрической мощностью пиковой турбоустановки 50 МВт с емкостью акку­мулятора 67 МВт-ч и давлением в нем 1,4 МПа была по­строена в 1929 г. в Шарлоттенбурге. По прошествии более чем 50 лет эта аккумулирующая установка по-прежнему не­сет круглосуточную службу пиковой и резервной станции в энергосистеме Западного Берлина. На рис. 1.22 представлен

Рис. 1.25. Теплоаккумули­рующая установка горячего резерва в Зиммеринге.

один из 16 клепаных стальных сосудов давления этой уста­новки, а на рис. 1.23 показан ее общий вид.

В 1920 г. П. Гилли применил метод аккумулирования тепла при переменном давлении для перегретого пара и вы­соких давлений (до 12 МПа). Пар высокого давления, гене­рируемый в сосуде-аккумуляторе, дросселируется до рабочего давления (1,4—1,7 МПа), а затем перегревается в паровом пространстве аккумулятора [2.4, 8.8—8.15]. Такая система была использована на большом количестве локомотивов (рис. 1.24) и на установке горячего резерва теплоэлектро­станции Венского муниципалитета в Зиммеринге (рис. 1.25).

В промышленности теплоаккумулирующие установки ис­пользовались меньше; большинство из них работало по прин­ципу переменного давления (на паре скользящих парамет­ров). В частности, они применялись в химической, пищевой и металлургической отраслях промышленности для техноло­гических процессов, связанных с использованием тепла. На­шли применение в районных системах теплоснабжения и вы­теснительные тепловые аккумулирующие установки.

Интерес к тепловым аккумулирующим системам возро­дился вновь главным образом в связи с необходимостью эко­номии и замены нефтепродуктов при выработке тепла и

2 Зак 414
электроэнергии. Солнечные установки для обогрева помеще­ний и нагрева воды для бытовых и технологических нужд нуждаются в системах аккумулирования тепла почти всегда, районные отопительные системы и установки с тепловыми насосами — во многих случаях. Солнечные энергетические установки нуждаются в аккумулировании энергии для соз­дания резерва и ее использования в нужное время. При ис­пользовании установок базисной нагрузки, работающих на угле или ядерном топливе, замена пиковых установок на жидком топливе аккумуляторами энергии даст эксплуата­ционные преимущества и обеспечит лучшее использование энергетического оборудования. В частности, для ядерных установок (и даже в большей степени для систем с реакто­рами на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов) с их высокими капитальными затратами и низкой стоимостью топ­лива весьма эффективным может оказаться комплексное или гидравлическое аккумулирование энергии, когда общая мощ­ность таких установок превосходит базисную нагрузку. Та­кие новые применения, а также новая технология изготовле­ния сосудов-аккумуляторов (например, подземные полости и сосуды из предварительно напряженного чугунного литья) открывают возможности для реализации новых принципов аккумулирования и схем потоков теплоносителей. Была раз­работана и построена [7.1—7.11] система аккумулирования энергии посредством сжатого воздуха, состоящая из газовой турбины открытого цикла и пневматической аккумулирующей системы, в которой используется подземное хранилище.

Для паровых энергетических установок была разработана комбинированная система теплового аккумулирования, в ко­торой используются аккумуляторы расширительного типа и аккумуляторы питательной воды и пара.