作者：李洪濤 1 張帥 1李旭東 1紀(jì)運(yùn)廣 1 孫明旭 1李欣 2

　　單位：1. 河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2. 國網(wǎng)河北能源技術(shù)服務(wù)有限公司

　　引用：李洪濤,張帥,李旭東等.單罐式儲能換熱系統(tǒng)在熱風(fēng)無紡布工藝中的應(yīng)用[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11(07):2250-2257.

　　DOI：10./j.cnki.2095-

　　4239.2022.0106

　　摘 要 電費(fèi)是無紡布纖維定型過程中除原料外的第二大生產(chǎn)成本，如何使其降低成為提高產(chǎn)品盈利的關(guān)鍵措施之一。基于國家為鼓勵電力的削峰填谷實(shí)施的“峰谷平電價”用電策略，提出一種基于儲能技術(shù)的纖維定型用單罐式儲能換熱系統(tǒng)，并對其關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述。結(jié)合河北某紡織企業(yè)的應(yīng)用案例，通過理論計(jì)算，若采用儲能換熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)纖維加熱裝置相比可節(jié)省用電成本約為38%；而實(shí)際上，由于單罐工質(zhì)的循環(huán)使得換熱器出力下降，必須采用電加熱器方可保證工藝運(yùn)行，實(shí)際節(jié)省用電成本為25%左右，經(jīng)濟(jì)性良好。本文為儲能技術(shù)在紡織工業(yè)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法提供支持。關(guān)鍵詞 儲能技術(shù)；無紡布；熔融鹽；單罐目前，儲能技術(shù)包括物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能三大類，儲熱技術(shù)在物理儲能中較為成熟，已經(jīng)在電力和供暖行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，例如西班牙的Gemasolar電站和美國Solar Two系統(tǒng)是典型的采用熔鹽做傳熱蓄熱工質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，遼寧省阜新市海州區(qū)政府大樓“煤改電”項(xiàng)目是儲熱技術(shù)在供暖行業(yè)的應(yīng)用。雙罐式熔鹽蓄熱可靠性高，但存在占地面積廣、儲熱介質(zhì)需求量大等問題。為此，PaCheco等對單罐式儲熱罐內(nèi)溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果證明了熔鹽單罐儲熱系統(tǒng)的可行性。目前，國內(nèi)外學(xué)者大多研究熔鹽單罐內(nèi)斜溫層的溫度變化規(guī)律，以提高儲罐的儲放熱效率，對于除供暖和發(fā)電的其他工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少。無紡布作為非織造布，廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)，2020年中國產(chǎn)量約為210萬噸，占亞洲2/3。熱風(fēng)無紡布纖維定型用的熱源來自熱風(fēng)爐和電加熱兩種方式，由于天然氣供應(yīng)的緊缺性及新能源的推廣，電加熱將成為主流方式，如何降低企業(yè)用電成本是提高產(chǎn)品盈利能力的關(guān)鍵。為此，本工作提出了一種基于熔鹽儲能技術(shù)的纖維定型用單罐式儲能換熱系統(tǒng)，并對儲熱材料的選擇、儲罐壁厚以及換熱器尺寸設(shè)計(jì)等關(guān)鍵部分做了闡述，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例對該系統(tǒng)與傳統(tǒng)裝置的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。圖1為傳統(tǒng)熱風(fēng)無紡布工藝與單罐式儲能換熱系統(tǒng)對比，其中圖1(a)為傳統(tǒng)熱風(fēng)無紡布工藝，纖維由傳送帶一側(cè)進(jìn)入烘箱，烘箱的底部設(shè)置熱風(fēng)的布風(fēng)口，從布風(fēng)口出來的熱風(fēng)對纖維定型加熱，定型的無紡布從傳送帶的另一端輸出，加熱完的較低溫度熱風(fēng)進(jìn)入引風(fēng)機(jī)，升壓后送入電加熱裝置，經(jīng)電加熱器加熱至140 ℃后，返回到烘箱底部的布風(fēng)口，形成內(nèi)部加熱循環(huán)，為了使烘箱內(nèi)部溫度場均勻，采用了冷風(fēng)兩路對稱布置。無紡布生產(chǎn)電能的消耗主要用于纖維升溫的顯熱和定型時耗用的熔化熱。

　　圖1 傳統(tǒng)熱風(fēng)無紡布工藝與單罐式儲能換熱系統(tǒng)對比為降低電能的消耗，在傳統(tǒng)熱風(fēng)無紡布熱風(fēng)纖維定型系統(tǒng)中添加了儲能裝置，包括熔鹽儲罐、熔鹽泵、復(fù)合式換熱器和控制系統(tǒng)等，形成單罐式儲能無紡布熱風(fēng)定型系統(tǒng)，如圖1(b)所示，該系統(tǒng)可利用夜間的谷電對熔鹽加熱進(jìn)行熱量的存儲，白天用電高峰時，則采用儲存在熔鹽的熱量加熱空氣，由于不同時段的電費(fèi)不同，采用儲能裝置可實(shí)現(xiàn)降低電費(fèi)的作用。單罐式儲能系統(tǒng)區(qū)別于雙罐式儲熱系統(tǒng)的核心在于熔鹽溫度隨時間推移逐漸降低。對于纖維定型用的熱風(fēng)溫度，要保證變化范圍不超過±1.5 ℃，如何保證進(jìn)入烘箱內(nèi)熱風(fēng)溫度是必須要考慮的，為此將原有電加熱器改造為復(fù)合式換熱器，具體的設(shè)計(jì)過程見下文。單罐式儲能熱風(fēng)無紡布儲能換熱系統(tǒng)由熔鹽儲罐、換熱器、烘箱以及傳送裝置等組成。本文對系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要分析，具體為儲熱材料的選擇、儲罐和換熱器設(shè)計(jì)。表1為幾種不同熔鹽熱物性，熔融鹽常用儲熱材料有二元混合硝酸鹽solar salt(40% KNO3，60% NaNO3，質(zhì)量分?jǐn)?shù))和三元混合硝酸鹽Hitec(40% NaNO2，7% NaNO3，53% KNO3)。因無紡布定型需要的熱風(fēng)溫度為140 ℃，而換熱器壁面溫差一般高于60 ℃，考慮到液體對流換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于固體熱導(dǎo)率，為了強(qiáng)化換熱，應(yīng)保證壁面溫度為200 ℃，熔鹽介質(zhì)應(yīng)為液體，所以選取Hitec作為工作介質(zhì)。

　　表1 熔鹽熱物性

　　2.2.1　儲罐材料及設(shè)備布置方式熔鹽儲罐罐體常用材料為Q345R與316L，依據(jù)GB 150.2—2011，在450 ℃工作溫度下允許工作應(yīng)力分別為66 MPa與84 MPa。316L材料Mo元素含量較高，具有較好的耐腐蝕性、耐高溫性和焊接性能。為降低儲罐在長期高溫環(huán)境下的σ相脆化和蠕變影響，材料選擇低碳奧氏體不銹鋼316L(022Cr17Ni12Mo2)。加熱器在儲罐上的布置方式分為頂部直插和側(cè)壁套裝兩種方式。頂部直插式電加熱棒的長度較大，有利于增大換熱面積，從而降低電加熱棒的壁面熱通量，但頂部直插式增大了頂部的承重；側(cè)壁套裝式，電加熱器的長度受到熔鹽儲罐直徑的限制，而且為了更換電加熱器時不發(fā)生熔鹽泄漏事故，需采用套管結(jié)構(gòu)，電加熱棒與熔鹽之間并沒有直接接觸，使得電加熱棒的壁面溫度不能太高。為使罐內(nèi)熔鹽可完全融化且受熱均勻，采用了頂部直插和側(cè)壁套裝相結(jié)合的布置方式。圖2為熔鹽單罐示意，由圖看出，本設(shè)計(jì)采用側(cè)壁均勻布置2層電加熱器，每層6根，頂部直插3根電加熱器。電加熱器功率共560 kW，既滿足了熔鹽受熱均勻，又保證了熔鹽罐結(jié)構(gòu)安全性。熔鹽流量需不小于3.75 m3/h以保證循環(huán)周期內(nèi)熔鹽換熱量，故泵選型為出口直徑32 mm的GY32-200型熔鹽泵，對稱布置于儲罐頂部，同時設(shè)置有填料口、壓力閥、雷達(dá)液位計(jì)、溫度傳感器。

　　圖2 熔鹽單罐2.2.2　儲罐尺寸電加熱器提供給熔鹽罐的熱量Q為：(1)式中，Q為熔鹽罐儲熱量，J；P為電加熱功率，kW；t1為儲熱時間，h；η為系統(tǒng)的熱效率，可取80%。熔鹽儲罐體積由熔鹽蓄熱量Q確定，熔鹽蓄熱量Q應(yīng)滿足用電平時期及高峰時段熱風(fēng)總的熱負(fù)荷Qc：(2)式中，Qc為換熱器熱負(fù)荷，kW；cp,c為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；mc為空氣質(zhì)量流量，kg/h；t2為釋熱時間，h；Tc為空氣傳熱溫差，K。所需的熔鹽量Mx為：(3)式中，k為熔鹽的附加裕量，可根據(jù)儲罐直徑及熔鹽泵*低吸入高度綜合計(jì)算確定；cp,l為熔融鹽比熱容，kJ/(kg·K)；Th為熔鹽工作溫度溫差，K。則熔鹽罐實(shí)際儲熱量為：(4)式中，Qh為熔鹽罐實(shí)際儲熱量，J。根據(jù)熔鹽量可確定熔鹽罐體積，熔鹽罐直徑d為：(5)式中，d為熔鹽罐直徑；b為富裕系數(shù)，b≥1.2；ρ為*高使用溫度下的熔鹽密度，kg/m3；n為儲罐高徑比，n=H/d；H為儲罐高度，m。暫不考慮開孔補(bǔ)強(qiáng)等因素，低溫熔鹽罐罐體厚度主要由*小計(jì)算厚度和厚度附加量兩部分確定，即：(6)式中，δ為儲罐的計(jì)算厚度，mm；Di為儲罐內(nèi)直徑，mm；p為儲罐設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa(熔鹽罐底所受*大靜壓力，ρgh)；[σ]t為儲罐在設(shè)計(jì)溫度下的許用壓力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)；K為計(jì)算厚度修正系數(shù)；C1為鋼板的厚度負(fù)偏差；C2為腐蝕裕量。無紡布纖維定型工藝的熔鹽空氣換熱器設(shè)計(jì)時要注意兩點(diǎn)。（1）熔鹽換熱器的“凍堵”問題。由于熔融鹽的熔點(diǎn)為142 ℃，常溫下熔鹽必然產(chǎn)生凝固現(xiàn)象，為了防止熔鹽凝固在換熱器內(nèi)出現(xiàn)“凍堵”問題，采取了當(dāng)熔鹽溫度低于壁面溫度200 ℃(設(shè)計(jì)值)倚靠自身重力作用回流至熔鹽罐的方案。具體的辦法為：熔鹽采用自下而上流動的方案，換熱器設(shè)置在整個系統(tǒng)的*上端；且熔鹽管路采用上下聯(lián)箱(分流槽)的單流程布局。（2）生產(chǎn)工藝中熱風(fēng)溫度恒定問題。因?yàn)椴捎脝喂奘絻嵯到y(tǒng)，經(jīng)過換熱器后的冷工質(zhì)返回熔鹽儲罐。在1個儲熱周期內(nèi)，冷工質(zhì)若不是單循環(huán)，其冷熱工質(zhì)必然出現(xiàn)換熱而引起換熱器溫度的入口工質(zhì)溫度變化，其換熱器的傳熱溫差變化，而熔鹽空氣換熱器的面積不變，換熱器的出口風(fēng)溫則會不斷降低。采取了復(fù)合式換熱器的方式來解決，如圖3所示，具體的做法為：將熔鹽翅片管換熱器與電加熱翅片管加熱器串聯(lián)?？諝庀冉?jīng)過熔鹽翅片管換熱器進(jìn)行溫度的粗調(diào)，然后利用可控硅電加熱靈活的特點(diǎn)，進(jìn)行電加熱翅片管加熱器溫度的精調(diào)，從而滿足生產(chǎn)工藝熱風(fēng)的恒定。

　　圖3 熔鹽空氣復(fù)合式換熱器Fig. 3 Schematic diagram of molten-saltair composite heat exchanger電加熱翅片管加熱器的總功率應(yīng)滿足熔鹽翅片管換熱器不工作時熱風(fēng)工藝總的熱負(fù)荷需求，即總負(fù)荷為280 kW。熔鹽翅片管換熱器的設(shè)計(jì)方法如圖4所示。具體的計(jì)算過程為：①選取翅片參數(shù)與管內(nèi)外工質(zhì)參數(shù)；②通過空氣側(cè)熱負(fù)荷以及熱平衡方程式[式(2)和式(7)]確定熔鹽側(cè)出口溫度T′′；③確定對數(shù)平均傳熱溫差[式(8)]，計(jì)算傳熱面積A′[式(9)]；④由傳熱面積A′確定翅片管根數(shù)[式(10)]；⑤校核傳熱系數(shù)K′，若K′與K誤差不大于2%，則可認(rèn)為初始假設(shè)可靠，換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算由此結(jié)束，否則需要重新迭代假設(shè)傳熱系數(shù)K。

　　圖4 翅片式換熱器計(jì)算流程高溫熔融鹽循環(huán)流動時，熔鹽熱量傳遞至空氣側(cè)，暫不考慮能量損失，根據(jù)能量守恒原則熱風(fēng)側(cè)熱負(fù)荷Qc[式(2)計(jì)算]等于熔融鹽側(cè)熱負(fù)荷，熔鹽側(cè)進(jìn)出口溫差?Th為：(7)式中，λ為熱負(fù)荷安全系數(shù)，暫取值為1.1；Qc為換熱器熱負(fù)荷，kW；cp,l為熔鹽比熱容，J/(kg·K)；mh為熔鹽質(zhì)量流量，kg/s。對數(shù)平均傳熱溫差?Tm為：(8)式中，T′為熔融鹽進(jìn)口溫度，℃；T′′為熔融鹽出口溫度，℃；t′為空氣進(jìn)口溫度，℃；t′′為空氣出口溫度，℃。熔融鹽側(cè)換熱面積為：(9)式中，Ψ為影響因子；ηc為肋(翅片)效率，取值0.93。所需翅片管根數(shù)：N=A'/A(10)式中，A′為總換熱面積，m2；A為單根翅片管的換熱面積，取值1.34 m2；應(yīng)用威爾遜法對傳熱系數(shù)進(jìn)行校核，則：(11)式中，K′為換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；hi、ho為管內(nèi)、外側(cè)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；Rw為管壁導(dǎo)熱熱阻，m2·℃/W；Rf為污垢熱阻，m2·℃/W(因換熱器為新加工，暫時忽略污垢熱阻)；do、di為管子內(nèi)外直徑，m。依據(jù)河北省某無紡布生產(chǎn)開發(fā)出一套儲能加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

　　表2 主要參數(shù)

　　由表2給出的參數(shù)，根據(jù)式(1)～式(6)對熔鹽罐進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表3。

　　表3 熔鹽罐主要參數(shù)

　　由表2給出的參數(shù)，根據(jù)式(7)～式(11)對熔鹽翅片管換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果見表4。

　　表4 換熱器主要參數(shù)

　　利用儲能技術(shù)的烘干系統(tǒng)在用電低谷時期仍采用傳統(tǒng)的280 kW電加熱器進(jìn)行生產(chǎn)，同時以560 kW電加熱器為熔鹽罐儲熱。而在用電平時及高峰時段，則用熔鹽罐在用電低谷時期所儲熱量生產(chǎn)。相當(dāng)于整日用電均為低谷時段，而傳統(tǒng)工藝每日用電則是低谷、平時及高峰3個時段。表5為6處具有代表性地區(qū)峰谷電價，各地雖峰谷電價時段有所不同，但各地各時段時間均為8 h，傳統(tǒng)烘干系統(tǒng)及利用儲能技術(shù)烘干系統(tǒng)的每日電費(fèi)如下：(12)式中，S為成本費(fèi)用，元；P為電加熱器功率，kW；si為階梯電價，元/度；ti為工作時長，h。

　　表5 峰谷電價收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

　　圖5為本無紡布設(shè)備在不同地區(qū)單日能耗費(fèi)用對比。由圖看出，因各地峰谷電價時間段不同，當(dāng)采用直接電加熱方式時，各地每日用電費(fèi)用存在很大差異。浙江單日電費(fèi)*高，為5032元；烏魯木齊單日電費(fèi)*低，為2540元；河北省每日電費(fèi)為3783元；江蘇、北京和上海三地每日電費(fèi)相差不多，均在4300元左右。而由于各地峰谷電價有所差異，利用儲能技術(shù)的每日電費(fèi)也有很大不同，但相比直接電加熱均有節(jié)省，上海和烏魯木齊節(jié)省成本比例*高，均為65%左右；河北地區(qū)節(jié)省比例*低，為38.28%；北京節(jié)省比例為48.34%；浙江和江蘇節(jié)省比例在57%左右。由此可知，雖然各地的電費(fèi)計(jì)費(fèi)方式存在差異，但若采用儲能供熱系統(tǒng)均能降低用電成本，降低用電成本比例與峰谷電價差值有關(guān)，峰谷電價差值越大，其用電成本降低的比例越大。

　　圖5 不同地區(qū)單日能耗費(fèi)用對比按河北地區(qū)電價計(jì)算，應(yīng)用該儲能系統(tǒng)單日可節(jié)省費(fèi)用1448元，按每年生產(chǎn)330天計(jì)算，年節(jié)省費(fèi)用約為47.8萬元?；A(chǔ)設(shè)備成本預(yù)算見表6，包括設(shè)備改造、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、材料購買，考慮到稅費(fèi)等問題，該系統(tǒng)改造總費(fèi)用約為133.6萬元，企業(yè)投資約3年可回收成本。

　　表6 制作成本預(yù)算

　　為了與傳統(tǒng)能源的能耗費(fèi)用進(jìn)行對比，將采用燃煤、燃?xì)?、電加熱、電儲?種供熱方式的每天能耗費(fèi)用進(jìn)行了比較。其中燃煤價格以秦皇島港2021年12月熱值為5000 kcal燃煤離岸價(810元/t)計(jì)算；天然氣價格以2021年5月石家莊管道天然氣第三梯隊(duì)價格(3.4元/m3)計(jì)算，即4.8元/kg。設(shè)定熱風(fēng)爐效率按80%，則不同供熱方式單日能耗費(fèi)用如圖6所示。由圖可以看出，燃煤方式成本明顯偏低，相較于直接電熱方式單日可節(jié)省2616元，約節(jié)省成本69%；采用燃?xì)夤釂稳湛晒?jié)省759元，約節(jié)省成本20%；而采儲能供熱方式，單日可節(jié)省1448元，約節(jié)省成本38%。雖然燃煤價格明顯較低，但由于環(huán)保的要求，尤其是京津冀地區(qū)被**禁止；天然氣雖然比燃煤清潔，但我國具有“多煤、貧油、少氣”能源特點(diǎn)，到了冬季供暖季，若均采用天然氣供暖，必然造成氣荒，使得天然氣價格暴漲。因此，采用電儲能加熱不僅符合國家“雙碳目標(biāo)”的實(shí)施，還可降低無紡布企業(yè)的生產(chǎn)成本，值得在紡織企業(yè)推廣。

　　圖6 4種不同供熱方式單日能耗費(fèi)用對比圖7為耗電功率的理論值與實(shí)際值對比。在理論設(shè)計(jì)時，預(yù)期整個系統(tǒng)的供熱均來自夜間的谷電，如圖7中的理論預(yù)測電功率，工作時段為22:00—凌晨6:00采用谷電加熱，電加熱功率為840 kW；而實(shí)際運(yùn)行時，由于單罐熔鹽的回流的影響，熔鹽罐內(nèi)的溫度逐漸降低，使得進(jìn)入熔鹽換熱器的介質(zhì)溫度降低，換熱器的出力變小，輔助電加熱的功率隨之變大，由于熔鹽罐內(nèi)溫度斜溫層的存在，輔助電加熱的加熱功率呈現(xiàn)階梯狀。每日用電量為陰影部分面積，通過計(jì)算理論用電量與實(shí)際用電量的比值，計(jì)算出儲能效率為89.8%，其主要能量損失為儲熱系統(tǒng)的熱損失和熔鹽泵的電耗。

　　圖7 耗電功率的理論值與實(shí)際值對比，采用常規(guī)電加熱，工作時段在夜間22:00—凌晨6:00時，電價為97元/h；工作時段為6:00—8:00、12:00—16:00和20:00—22:00時，電價為158元/h；工作時段為8:00—12:00和16:00—20:00時，電價為219元/h。采用儲能供熱時，則主要電費(fèi)發(fā)生在22:00—凌晨6:00時，電價為273元/h。通過對不同工作方式每小時電費(fèi)求和，可得到儲能供熱與常規(guī)電加熱每日的總電費(fèi)，分別為2834元和3792元，儲能供熱相較于直接電熱單日可節(jié)約電費(fèi)958元，每年可節(jié)約電費(fèi)約31.6萬元，4年左右即可回收成本。

　　圖8 儲能供熱與常規(guī)電加熱每日電費(fèi)對比針對無紡布生產(chǎn)工藝中熱風(fēng)加熱費(fèi)用高的缺點(diǎn)，提出了用電低谷時進(jìn)行熔鹽儲能蓄熱，用電高峰時將存儲熔鹽的能量加熱熱風(fēng)的工藝路線，利用電網(wǎng)峰谷電價差套利實(shí)現(xiàn)降低電費(fèi)。結(jié)合實(shí)際工程得出以下結(jié)論：（1）采用單罐儲熱，具有布局靈活、投資成本低的特點(diǎn)，將電加熱器集成在單罐上是可行的，但電加熱器應(yīng)采用頂部直插和側(cè)壁套裝相結(jié)合的布置方式。（2）在紡織工業(yè)應(yīng)用熔鹽單罐加熱系統(tǒng)，不僅要考慮熔鹽的“凍堵”問題，還要考慮熱風(fēng)溫度的恒定問題?？梢酝ㄟ^加裝伴熱帶和換熱器*高點(diǎn)布置的方式緩解“凍堵”問題；為了維持熱風(fēng)溫度恒定，應(yīng)保留可控硅電加熱裝置。（3）不同地區(qū)峰谷電價政策不同，使得項(xiàng)目能耗的節(jié)約費(fèi)用和回收年限有差別。通過熱風(fēng)無紡布工藝中單罐式儲能換熱系統(tǒng)的應(yīng)用表明：在河北南部，采用儲能供熱實(shí)際年節(jié)省電費(fèi)約31.6萬元，項(xiàng)目的投資成本為133.6萬元，4年左右可回收成本，無紡布的儲能供熱系統(tǒng)具有較好的市場推廣價值。

　　**作者：李洪濤（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉蠢?、儲能技術(shù)及強(qiáng)化換熱技術(shù)，E-mail：；

　　通訊作者：紀(jì)運(yùn)廣，博士，副教授，主要從事液體壓力能量回收技術(shù)的相關(guān)研究，E-mail：。

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