固體蓄能供熱裝置在電能替代工作中的應(yīng)用研究

葛　平，楊　斌

（1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州　225000；2.江蘇省電力公司，南京　210024）

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固體蓄能供熱裝置在電能替代工作中的應(yīng)用研究

葛平1，楊斌2

（1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州225000；2.江蘇省電力公司，南京210024）

摘要：蓄熱電鍋爐是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存，用于向熱用戶(hù)采暖或作為其他熱能應(yīng)用的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，熱效率卻能達(dá)到95%左右。通過(guò)蓄熱調(diào)峰可以減輕火電機(jī)組采暖負(fù)荷，提高風(fēng)力發(fā)電利用率，在很大程度上解決了由于風(fēng)電場(chǎng)“棄風(fēng)”限電導(dǎo)致的大規(guī)模能源損失問(wèn)題。介紹固體蓄能供熱裝置的工作原理，分析其經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性。通過(guò)與天然氣對(duì)比，闡述蓄熱裝置生產(chǎn)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蓄熱；蓄熱調(diào)峰；供熱裝置

能源是經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的命脈，然而人類(lèi)對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的過(guò)度依賴(lài)嚴(yán)重影響和制約著自然環(huán)境的良好維護(hù)及其可持續(xù)發(fā)展。伴隨著當(dāng)今社會(huì)與經(jīng)濟(jì)逐步向現(xiàn)代化推進(jìn)，我國(guó)的能源生產(chǎn)總量與消費(fèi)額已躍居世界前列，但諸如能源結(jié)構(gòu)不完善、利用效率普遍不高、開(kāi)發(fā)安全水平較低等一系列問(wèn)題依然函待解決。故開(kāi)發(fā)和利用“安全、高效、低碳”的可再生能源，從而有效調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是我國(guó)未來(lái)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的電力事業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，2014年底裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到136.019億kW，發(fā)電量55 459億kWh。1997年以來(lái)每年投產(chǎn)的大中型機(jī)組容量都在10 GW以上。隨著城市化進(jìn)程的加快，民用負(fù)荷逐年增大，這就使得用電曲線(xiàn)的峰谷差加大，給發(fā)電機(jī)組的安全高效運(yùn)行帶來(lái)了困難，迫使電網(wǎng)建設(shè)蓄水調(diào)峰及燃汽輪機(jī)調(diào)峰電站。使很多機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行，降低了運(yùn)行效率及可靠性，因而也降低了經(jīng)濟(jì)性。

固體蓄能供熱裝置是以電能為熱源，利用夜間低谷廉價(jià)電力，以發(fā)熱管為媒介，在電網(wǎng)低谷時(shí)段以高比熱的金屬固體蓄能合金模塊為熱媒進(jìn)行加熱，并以高達(dá)750℃的溫度將其儲(chǔ)存在蓄熱器體內(nèi)，由電腦控制換熱速度，來(lái)達(dá)到控制散熱溫度的目的，供用戶(hù)全天使用，從而達(dá)到節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的目的。固體蓄能供熱裝置在電網(wǎng)高峰和平時(shí)時(shí)段自動(dòng)關(guān)閉電源，由儲(chǔ)存在固體蓄熱模塊中的熱與水（或油）交換供熱，可以提供客戶(hù)所需的熱風(fēng)（400℃以下）、熱油（300℃以下）、蒸汽（200℃以下）及熱水（85℃以下）。由于蓄能供熱裝置僅用夜間低廉谷電，將極大降低客戶(hù)的運(yùn)營(yíng)成本，提供同等熱量的成本是直熱式電鍋爐的40%～50%；是使用天然氣的60%～70%；是使用柴油的35%。

1　固體蓄能供熱裝置工作原理

固體材料蓄熱式電鍋爐利用特殊配制的固體蓄熱材料，將低谷時(shí)的電熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰時(shí)放出。特種蓄熱材料要求比熱大、密度大、耐高溫，由于固體蓄熱材料耐高溫，因此蓄熱量可以很大，而不像水壓力隨溫度升高而升高。

固體蓄能供熱裝置是利用相對(duì)低廉的平電、谷電，以鎳鉻發(fā)熱管為媒介，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并以高達(dá)750℃的溫度將熱能儲(chǔ)存于一種特殊的固體蓄能合金內(nèi)，實(shí)現(xiàn)“移峰填谷”。固體蓄能供熱裝置工作原理見(jiàn)圖1。在需要熱能的時(shí)候，通過(guò)電腦控制的離心風(fēng)機(jī)，將蓄能合金中儲(chǔ)存的熱能以熱風(fēng)的形式輸出，為生產(chǎn)線(xiàn)提供400℃以下的熱風(fēng)，或者通過(guò)裝置內(nèi)部的導(dǎo)熱油換熱器，用熱風(fēng)循環(huán)加熱300℃以下的導(dǎo)熱油。

圖1　固體蓄能供熱裝置工作原理

由于電能是不能儲(chǔ)存的，所以夜間電廠所發(fā)電力大部分被白白浪費(fèi)掉，這是全球面臨的實(shí)際而又無(wú)法解決的難題。為鼓勵(lì)企業(yè)利用夜間電力，各國(guó)均推出“峰平谷”電價(jià)政策，即按用電時(shí)間劃分為上述3個(gè)時(shí)段，價(jià)格也是遞減的，價(jià)格的比例通常為3：2：1。甚至有些地區(qū)還有“尖峰”或稱(chēng)“峰峰”電價(jià)，價(jià)格通常是谷電的4倍。而企業(yè)用電一般是在高峰期或是平段時(shí)間，電費(fèi)很高。圖2為固體蓄能供熱裝置安裝圖。

圖2　固體蓄能供熱裝置安裝

2　固體蓄能供熱裝置性能分析

2.1經(jīng)濟(jì)性分析

某亞洲最大的氣球生產(chǎn)企業(yè)，原先利用燃煤鍋爐循環(huán)加熱導(dǎo)熱油（出油230℃，回油210℃），燃煤鍋爐排煙溫度高達(dá)300℃，實(shí)際能夠利用的只有20℃的溫度段。由于過(guò)高的排煙溫度造成的排煙熱損失、導(dǎo)熱油管道過(guò)長(zhǎng)造成的管路熱損失，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，燃煤產(chǎn)生的熱量只有30%左右最終被生產(chǎn)線(xiàn)所使用。而固體蓄能供熱裝置由于沒(méi)有排煙，并且可以貼近生產(chǎn)線(xiàn)擺放，系統(tǒng)熱效率可達(dá)90%。

目前燃煤鍋爐與天然氣鍋爐、固體蓄能供熱裝置運(yùn)行成本比較如表1所示。

綜合檢測(cè)一段時(shí)間下來(lái)，功率穩(wěn)定在550 kW，白天加熱平均電價(jià)0.95元/kWh。

（1）年耗電量=550kW×10×330h=1815000kWh

（2）年耗電費(fèi)：1 815 000元×0.95=1 724 250元。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本項(xiàng)目中熱風(fēng)機(jī)使用情況：

（1）夜電蓄能熱風(fēng)機(jī)年能耗=700 kW×8×330 h= 1 848 000 kWh。

（2）年耗電費(fèi)用1 848 000元×0.32=591 360（元）綜合分析：通過(guò)蓄能熱風(fēng)技術(shù)改造，預(yù)估熱風(fēng)系統(tǒng)的年節(jié)省費(fèi)用為

（1 724 250-591 360）元=1 132 890元。

2.2穩(wěn)定性分析

考慮到，其一氣球是薄利多銷(xiāo)的產(chǎn)品，任何原材料、燃料價(jià)格的波動(dòng)都會(huì)對(duì)企業(yè)的銷(xiāo)售產(chǎn)生影響，相比較受?chē)?guó)際大環(huán)境影響較大的天然氣價(jià)格，電價(jià)特別是谷電價(jià)格是相對(duì)穩(wěn)定的，趨勢(shì)是往下走的；其二，冬季圣誕節(jié)前國(guó)外氣球訂單數(shù)量較大，但冬季天然氣熱值會(huì)下降，這樣會(huì)對(duì)企業(yè)正常生產(chǎn)造成很大影響，而冬季電力供應(yīng)是穩(wěn)定可靠的；其三，在夏季用電高峰時(shí)段，使用谷電可以避免白天用電高峰時(shí)段電網(wǎng)限電對(duì)生產(chǎn)的影響，也無(wú)需支付用電高峰時(shí)段的峰期電價(jià)。

表1　燃煤鍋爐與天然氣鍋爐、固體蓄能供熱裝置運(yùn)行成本比較

3　蓄能供熱裝置特點(diǎn)

（1）高溫蓄熱。溫度達(dá)到目前國(guó)內(nèi)最高水平，高達(dá)750℃的固體合金蓄熱，突破高溫蓄熱的溫度極限，并仍處于安全狀態(tài)。單位體積內(nèi)蓄熱量為國(guó)內(nèi)最高，減少占地面積并降低客戶(hù)成本。

（2）高效率。采用納米微孔保溫材料，保溫效果極好，效率達(dá)到95%以上，可以保證晝夜損失3.2%以下，減少能量浪費(fèi)。

（3）運(yùn)營(yíng)成本低。完全利用夜間低廉的谷價(jià)電能、風(fēng)電或太陽(yáng)能所發(fā)電力工作。同等熱量的運(yùn)營(yíng)成本是直熱式電鍋爐運(yùn)營(yíng)成本的40%～50%，天然氣的60%～70%，柴油的35%。

（4）全自動(dòng)控制。處于低谷期加熱或接受電網(wǎng)調(diào)度中心自動(dòng)指令控制，可以任意時(shí)段、任意溫度加熱或放熱，無(wú)須人員看管。

（5）零排放。零排放，零污染，純電熱管加熱，不受氣候影響。

（6）安全。保護(hù)裝置齊全，安全可靠。

4　使用天然氣與谷電蓄能供熱比較

同使用天然氣相比，企業(yè)使用低谷電力可以獲得以下優(yōu)勢(shì)。

（1）冬季天然氣供應(yīng)緊張，燃?xì)夤就攸c(diǎn)保障城市居民供氣，企業(yè)可能因斷氣而影響生產(chǎn)。且天然氣冬季往往熱值會(huì)降低較多。

（2）天然氣氣價(jià)受?chē)?guó)際大環(huán)境影響波動(dòng)較大，而電價(jià)相對(duì)穩(wěn)定，需要省發(fā)改委及省物價(jià)局批準(zhǔn)后售電企業(yè)才可調(diào)整電價(jià)。

（3）與天然氣鍋爐相比，谷電蓄能供熱裝置更加安全可靠。

（4）蓄能供熱裝置自動(dòng)化程度高，無(wú)人化操作，節(jié)約企業(yè)用人成本。

（5）使用谷電蓄能供熱裝置可以保證企業(yè)在夏季白天用電高峰時(shí)段熱源穩(wěn)定供應(yīng)，免受電網(wǎng)限電對(duì)生產(chǎn)的影響。

（6）避免夏季用電高峰的“峰峰電價(jià)”（夏季用電高峰時(shí)段每千瓦時(shí)電價(jià)上調(diào)0.1元）。

（7）根據(jù)中央2015年9號(hào)文件《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)》，電力銷(xiāo)售市場(chǎng)將全面放開(kāi)。企業(yè)可以直接購(gòu)買(mǎi)電廠發(fā)的電（付給電網(wǎng)企業(yè)一定的過(guò)網(wǎng)費(fèi)），從而將可使用更便宜的電力。隨著核電、風(fēng)電等新能源發(fā)電裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，夜間電力負(fù)荷將更加充足、低廉。歐美國(guó)家峰谷電價(jià)相差10倍以上，國(guó)內(nèi)為3倍左右，后續(xù)峰谷電價(jià)差會(huì)更大。

（8）夜間谷電往往是來(lái)自北方草原清潔的風(fēng)電、西部山區(qū)清潔的水電和東部沿海地區(qū)夜間富余的核電，通過(guò)使用谷電，企業(yè)可為消納國(guó)家夜間清潔能源，減少白天電網(wǎng)用電負(fù)荷盡到企業(yè)自身的一份社會(huì)責(zé)任。

電力供需平衡關(guān)乎電力企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效果和發(fā)展速度。從培育電力市場(chǎng)，滿(mǎn)足社會(huì)用電需求，提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)等方面考慮，加強(qiáng)需求側(cè)管理是電力企業(yè)走向市場(chǎng)的重要契機(jī)。制度和管理的完善、發(fā)供用電同時(shí)完成的規(guī)定性，要求電力企業(yè)不可不兼顧需求側(cè)的用電技術(shù)更新、消費(fèi)方式的變革。電力企業(yè)在資金投入選擇上，有必要對(duì)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)遺留的已成之見(jiàn)進(jìn)行突破。通過(guò)把資金投向用戶(hù)用電技術(shù)改造上，實(shí)現(xiàn)供需平衡，使相對(duì)過(guò)剩的電力生產(chǎn)力發(fā)揮出來(lái)。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)常規(guī)低谷電利用不足及風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)浪費(fèi)現(xiàn)象，本文采用固體電蓄熱技術(shù)解決以上問(wèn)題。該技術(shù)不僅在一定程度上克服了傳統(tǒng)水蓄熱的介質(zhì)蓄熱溫度較低、保溫效果不良以及須使用體積龐大的蓄熱水箱等缺陷，而且能在具有峰谷電價(jià)的地區(qū)節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的熱需求需要消耗大量的能源，通常能占到一個(gè)企業(yè)能源總消耗的50%～70%左右。推廣固體蓄能供熱技術(shù)不僅能減少化石能源燃燒對(duì)大氣環(huán)境的危害，還能為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)多方共贏的局面。

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（本欄責(zé)任編輯孫晶）

◆營(yíng)銷(xiāo)與服務(wù)◆

App1ication of so1id energy storage heating device in the power substitution work

GE Ping1，YANG Bin2
（1. Yangzhou E1ectric Power Supp1y Company，Yangzhou 225000，China；2. Jiangsu E1ectric Power Company，Nanjing 210024，China）

Abstract：The thermoe1ectric boi1er is a kind of heating app1ication equipment which can converse e1ectrica1 energy into heat energy storage，used to supp1y heat to the users or other heat energy app1ications. Its structure is simp1e，but the therma1 efficiency can reach about 95%. Peak 1oad shifting through heat storage can reduce therma1 power 1oad of therma1 power unit，improve the uti1ization rate of wind power to a 1arge extent，and so1ve a 1arge sca1e energy 1oss caused by the wind farm "waste wind" e1ectricity. The artic1e introduces the working princip1e of so1id energy storage heating unit，ana1yzes its economica1 efficiency and stabi1ity. By comparing with gas，the paper expoundsthecharacteristicsoftheenergystorageheatingunitproduct.

Key Words：heat storage；peak 1oad shifting through heat storage；therma1 supp1y faci1ities

作者簡(jiǎn)介：葛平（1968），男，江蘇揚(yáng)州人，高級(jí)工程師，從事電力需求側(cè)管理工作。

收稿日期：2015-11-24

中圖分類(lèi)號(hào)：F407.61；TK018

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B