電氣混合產(chǎn)蒸汽鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用分析

朱肖晶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

1 概述

本文介紹了電氣混合產(chǎn)蒸汽技術(shù)在蘇州市佳禾食品有限公司的應(yīng)用。電氣混合產(chǎn)蒸汽技術(shù)是一種新的電鍋爐應(yīng)用方式，即通過(guò)電鍋爐蓄熱系統(tǒng)給燃?xì)庹羝仩t的軟水進(jìn)行預(yù)熱，由電和天然氣2種不同能源類(lèi)型的鍋爐配合生產(chǎn)蒸汽。在制取蒸汽的過(guò)程中，利用谷電時(shí)段的電能替代原燃?xì)庹羝仩t生產(chǎn)蒸汽時(shí)消耗的部分天然氣。實(shí)踐證明，電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)相比常規(guī)的天然氣蒸汽鍋爐而言，可顯著降低企業(yè)整體用能成本，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

2 項(xiàng)目概況

蘇州市佳禾食品工業(yè)有限公司成立于2001年，現(xiàn)有11條生產(chǎn)線(xiàn)，具有20萬(wàn)t的生產(chǎn)能力，主要生產(chǎn)植脂末類(lèi)原料、植脂末類(lèi)配料、速溶咖啡、咖啡濃縮液等食品類(lèi)產(chǎn)品。生產(chǎn)線(xiàn)在生產(chǎn)食品的部分階段需要使用高溫蒸汽對(duì)材料及半成品進(jìn)行加熱，加熱熱源為燃?xì)忮仩t制取1.5 MPa高溫高壓蒸汽。

企業(yè)原有2臺(tái)2 t/h產(chǎn)汽能力的燃?xì)庹羝仩t，動(dòng)力能源為管道天然氣；鍋爐的排煙管道上設(shè)置有熱量回收裝置省煤器，補(bǔ)充給鍋爐的常溫軟水先經(jīng)過(guò)省煤器被煙氣加熱升溫后送入鍋爐爐鏜內(nèi)加熱汽化，軟水在經(jīng)過(guò)省煤器預(yù)熱后提升的溫度在30℃左右，鍋爐系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 原有蒸汽鍋爐系統(tǒng)流程示意圖

鍋爐每生產(chǎn)1t蒸汽消耗的天然氣用量為90.67m3，除常規(guī)例行檢修外全年無(wú)休。2014年鍋爐系統(tǒng)全年的補(bǔ)水量及耗氣量匯總情況如表1。

按照蘇州地區(qū)當(dāng)前天然氣價(jià)格4.04元/m3計(jì)算，該鍋爐系統(tǒng)2014年天然氣用量為842 978 m3，能源費(fèi)用為3 405 630元。

3 鍋爐系統(tǒng)電氣混合產(chǎn)蒸汽改造方案

3.1 電氣混合產(chǎn)蒸汽技術(shù)優(yōu)勢(shì)

電氣混合產(chǎn)蒸汽技術(shù)是在天然氣鍋爐前級(jí)增加電鍋爐及蓄熱裝置，對(duì)補(bǔ)充給燃?xì)忮仩t的常溫軟水進(jìn)行預(yù)熱，該技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)有2個(gè)方面。

表1 2014年鍋爐系統(tǒng)月度用水量及耗氣量統(tǒng)計(jì)表

（1）加熱成本低。蘇州地區(qū)工業(yè)低谷電價(jià)為0.322元/kWh，工業(yè)用天然氣價(jià)格為4.04元/m3，電能與天然氣加熱理論成本之比為：（0.322/3 596）∶（4.04/35 544）=0.788∶1。其中：3 596為電的等效熱值，kJ/kWh；35 544為天然氣的等效熱值，kJ/m3。

可見(jiàn)，在不考慮不同鍋爐的轉(zhuǎn)化效率的情況下，電力加熱的單位成本會(huì)比天然氣的單位成本低21.2%。

（2）加熱效率高。液態(tài)水加熱升溫階段，電磁感應(yīng)式鍋爐的蓄熱系統(tǒng)效率高于燃?xì)忮仩t直接加熱效率。燃?xì)忮仩t的實(shí)際整體熱轉(zhuǎn)換效率一般在50%～80%；而電磁感應(yīng)式鍋爐的加熱效率能達(dá)到1.056，蓄熱系統(tǒng)的24 h熱損耗一般可以控制在5%以?xún)?nèi)，電磁感應(yīng)式鍋爐的蓄熱系統(tǒng)效率約為1。

3.2 系統(tǒng)設(shè)置及流程

3.2.1 系統(tǒng)設(shè)置

該企業(yè)原有燃?xì)忮仩t上的省煤器大體上能將鍋爐補(bǔ)充的軟水提升30℃。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電氣混合產(chǎn)蒸汽技術(shù)改造，在原有鍋爐系統(tǒng)的軟水箱到省煤器之間的供水管路增加電加熱式的蓄熱系統(tǒng)，用來(lái)提升進(jìn)入省煤器的軟水溫度。蓄熱系統(tǒng)由蓄熱水箱、電磁感應(yīng)式鍋爐、供熱水箱以及循環(huán)水泵等設(shè)備組成，系統(tǒng)流程如下圖2所示。

圖2 電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)流程圖

3.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行可分為3個(gè)階段。

（1）第一階段：電磁感應(yīng)式鍋爐加熱常溫軟水

谷電開(kāi)始及谷電階段，將第二天所需要足量的10～25 ℃自來(lái)水經(jīng)軟化后送至蓄熱水箱，0：00～8：00時(shí)間段內(nèi)將常溫軟水加熱到58～65℃左右。

（2）第二階段：省煤器再升溫

供熱水箱持續(xù)向省煤器供應(yīng)58～65℃左右的中高溫?zé)崴?，軟水?jīng)過(guò)省煤器后再升溫30℃到90～95℃左右的高溫水。

（3）第三階段：高溫水加熱汽化生成高溫高壓的蒸汽

經(jīng)省煤器再加熱后達(dá)到90～95℃左右的高溫水送至燃?xì)庹羝仩t繼續(xù)加熱，高溫水受熱后汽化成1.5 MPa蒸汽。

上述3個(gè)過(guò)程相結(jié)合且由與電磁感應(yīng)式鍋爐配套的控制柜自動(dòng)調(diào)節(jié)，共同完成蒸汽制取過(guò)程，其中第一、二階段為本項(xiàng)目的改造內(nèi)容。

4 改造設(shè)備選型

鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行電氣混合產(chǎn)蒸汽技術(shù)改造增加的主要設(shè)備為電磁感應(yīng)式鍋爐、蓄熱水箱和供熱水箱。

（1）電磁感應(yīng)式鍋爐

本方案選用GTG30電磁感應(yīng)式鍋爐主機(jī)。該主機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的水冷干式短路變壓器，直接設(shè)置在循環(huán)水中。變壓器副邊外殼作為第一主發(fā)熱體，副邊短路電流產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，其漏磁又使循環(huán)水箱感應(yīng)產(chǎn)生很大的渦流與磁滯，使循環(huán)水箱成為第二發(fā)熱體。變壓器副邊感應(yīng)產(chǎn)生的大電流、原邊銅損、鐵損、雜散損耗及短路漏磁等有功及無(wú)功幾乎全部通過(guò)介質(zhì)水轉(zhuǎn)換成熱能，整體熱效率大幅提高。表2為電磁感應(yīng)式鍋爐與電加熱管式鍋爐優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

·用水量及溫升

從該企業(yè)2014年鍋爐運(yùn)行情況來(lái)看，鍋爐全年最高日用水量44 m3，且日用水量超過(guò)40 m3的僅有8天，考慮到實(shí)際使用情況及系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性，電磁感應(yīng)式鍋爐設(shè)計(jì)的日最高加熱用水量取值為40 m3。蘇州的全年自來(lái)水溫度在10～25℃，冬天溫度約為10℃，最終供應(yīng)給蒸汽鍋爐爐鏜的為90～95℃高溫?zé)崴?，原省煤器可以將軟水加熱升?0℃左右，因此，電磁感應(yīng)式鍋爐構(gòu)成的蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)加熱軟水升溫的溫度定為50℃。

表2 電磁感應(yīng)式鍋爐與電加熱管式鍋爐優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

·選擇鍋爐功率

式中：V為單位小時(shí)需要加熱水的體積；谷電時(shí)長(zhǎng)8 h，總的水容積為40 m3；Δt為水在谷電階段的溫升；η為系統(tǒng)效率，其中電鍋爐的加熱系統(tǒng)為1.056；水箱及管路的全天溫降損耗為5%，即系統(tǒng)保溫效率為0.95。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的變壓器容量及負(fù)荷余量，選用GTG30-280/265工頻感應(yīng)電磁鍋爐一臺(tái)，單臺(tái)熱功率280 kW，輸入電功率265 kW。

（2）蓄熱水箱及供熱水箱設(shè)備

·蓄熱水箱

蓄熱水箱的體積根據(jù)電磁感應(yīng)式設(shè)計(jì)為每天加熱水的容積40 m3，結(jié)合系統(tǒng)日最大用水量為44 m3，考慮一定的水箱空間余量，水箱體積設(shè)計(jì)為48 m3。

·供熱水箱

供熱水箱的體積要保證谷電時(shí)段8 h的用水量，供熱水箱體積取蓄熱水箱的1/3，設(shè)計(jì)體積為16 m3。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 系統(tǒng)改造的初始投資

本項(xiàng)目中鍋爐進(jìn)行電氣混合產(chǎn)蒸汽改造的整體費(fèi)用約為580 285元。

5.2 電氣混合產(chǎn)蒸汽的節(jié)能收益

（1）天然氣費(fèi)用

燃?xì)庹羝仩t在實(shí)際應(yīng)用中，液態(tài)水升溫階段和高溫水（90～100℃）汽化階段的能耗比例并非按照水和蒸汽的焓值變動(dòng)分配。參照以往類(lèi)似項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行記錄，同時(shí)考慮到本項(xiàng)目中燃?xì)忮仩t省煤器的熱回收效率及鍋爐的整體效率，實(shí)施電氣混合技術(shù)改造后的鍋爐系統(tǒng)最終較原有燃?xì)忮仩t可降低18%左右的燃?xì)庥昧俊；?014年大體相當(dāng)?shù)哪戤a(chǎn)能，預(yù)計(jì)改造后2015年鍋爐系統(tǒng)全年天然氣用量如表3所示。

預(yù)計(jì)最終天然氣年運(yùn)行費(fèi)用=688 603元×4.04=2 781 955元

（2）電力費(fèi)用

鍋爐系統(tǒng)2014年全年各個(gè)月份的日均加熱水量如表4所示。

分析表4中數(shù)據(jù)可以得出：鍋爐系統(tǒng)冬季平均日用水量約為32 m3，春秋季平均日用水量約為27 m3，夏季平均日用水量約為20 m3。各個(gè)季節(jié)的軟水經(jīng)過(guò)蓄熱系統(tǒng)加熱后的升溫情況不同，其中，冬季自來(lái)水水溫10℃，電鍋爐加熱升溫空間50℃；春秋季自來(lái)水水溫18℃，電鍋爐加熱升溫空間47℃；夏季自來(lái)水水溫25℃，電鍋爐加熱升溫空間40℃。

表3 電氣混合的鍋爐系統(tǒng)2015年天然氣用量預(yù)測(cè)表

表4 鍋爐系統(tǒng)2014年各月份日均加熱水量匯總表

2015年季節(jié)氣候及鍋爐日用水量預(yù)計(jì)與2014年基本相同。實(shí)施電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)改造后，預(yù)計(jì)2015年全年運(yùn)行耗電量情況如表5所示。

表5 電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)2015年運(yùn)行耗電量預(yù)測(cè)表

預(yù)計(jì)最終年運(yùn)行費(fèi)用=497 059元×0.322=160 053元。

（3）年度能耗總費(fèi)用

預(yù)計(jì)電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)的年度能耗總費(fèi)用=天然氣費(fèi)用+電費(fèi)=（2 781 955+160 053）元=2 942 008元。

（4）電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)年度節(jié)能收益

電氣混合產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)天然氣制蒸汽系統(tǒng)，年度節(jié)能費(fèi)用=（3 405 630-2 942 008）元=463 622元。

（5）投資回收期

電氣混合產(chǎn)蒸汽改造項(xiàng)目投資回收期約為1.25年。

綜上可知，鍋爐系統(tǒng)通過(guò)電氣混合產(chǎn)蒸汽的技術(shù)改造后，預(yù)計(jì)年節(jié)省能耗費(fèi)用463 622元，改造投資580 280元，1.25年即可回收前期投資。

6 結(jié)束語(yǔ)

電熱鍋爐具有節(jié)能、清潔、安全等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于學(xué)校、醫(yī)院、工廠(chǎng)、超市、商場(chǎng)等人口密集型單位，主要用于生產(chǎn)生活熱水及供暖。長(zhǎng)期以來(lái)，電熱鍋爐在推廣過(guò)程中存在許多困難：一是整體初始投資高。除電鍋爐投資外，企業(yè)往往需要增加配電容量，產(chǎn)生電力增容費(fèi)用；二是直熱式電鍋爐運(yùn)行成本高。直熱式電鍋爐無(wú)法使用低谷電蓄熱，在平和峰時(shí)段電價(jià)成本高于燃煤、天然氣等其他能源價(jià)格；三是蓄熱式電鍋爐應(yīng)用存在局限性。蓄熱系統(tǒng)初始投資較高，且主要用于產(chǎn)生熱水，難以滿(mǎn)足蒸汽需求量大的企業(yè)的生產(chǎn)要求。

本文所述蓄熱式電鍋爐與燃?xì)忮仩t混合生產(chǎn)蒸汽技術(shù)可彌補(bǔ)電鍋爐上述不足之處。該技術(shù)廣泛適用于已有天然氣鍋爐的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，利用谷電替代部分工業(yè)用天然氣，能夠大幅降低企業(yè)能源成本，提升谷電時(shí)段電能利用效率，緩解天然氣供應(yīng)緊張的局勢(shì)。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心.電力需求側(cè)管理實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]王丹.淺析燃?xì)忮仩t作為采暖熱源的優(yōu)劣[J].煤炭工程，2007（10）：89-91.