風(fēng)電供熱固體蓄熱電鍋爐容量選擇研究

韓 雪

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

當(dāng)前，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展面臨的突出矛盾仍然是棄風(fēng)限電問(wèn)題。拓展風(fēng)電消納新領(lǐng)域，提高風(fēng)電就地利用能力，是提高風(fēng)電消納的最直接手段，如推廣風(fēng)電清潔供暖、開(kāi)展風(fēng)電制氫、風(fēng)電淡化海水等新型就地消納示范。

1 風(fēng)電供熱負(fù)荷

由于電網(wǎng)建設(shè)與電源建設(shè)不配套，導(dǎo)致蒙東電網(wǎng)是典型的“小負(fù)荷、大電源”送端型電網(wǎng)。現(xiàn)以蒙東某地區(qū)供熱面積為10×104m2的節(jié)能住宅(供熱設(shè)計(jì)熱指標(biāo)按照40 W/m2[1]，以下簡(jiǎn)稱(chēng)本工程)小區(qū)為例，在相同采暖熱負(fù)荷的條件下，采用不同容量的固體蓄熱電鍋爐，對(duì)采暖期用電量、購(gòu)電費(fèi)用等方面進(jìn)行分析研究，最后確定合理的蓄熱電鍋爐容量。

項(xiàng)目所在地原始?xì)庀髤?shù)見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目所在地原始?xì)庀髤?shù)

熱負(fù)荷的計(jì)算公式為：

式中：Qn為最大采暖熱負(fù)荷，(MW)；qn為熱負(fù)荷指標(biāo)，(W/m2)；S為供熱面積，(m2)；tB為室內(nèi)取暖溫度(按+18℃取)。

根據(jù)采暖熱負(fù)荷公式計(jì)算分別得出采暖期最大熱負(fù)荷、平均熱負(fù)荷以及最小熱負(fù)荷。由于氣象資料的限制，僅繪制采暖熱負(fù)荷近似曲線(xiàn)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 采暖熱負(fù)荷近似曲線(xiàn)

2 固體蓄熱電鍋爐簡(jiǎn)介

蓄熱電鍋爐主要原理是利用午夜后低谷電將固體儲(chǔ)熱介質(zhì)加熱到數(shù)百度高溫儲(chǔ)存熱量，非低谷時(shí)將熱量按需要釋放，以可調(diào)溫的循環(huán)水供暖或供給生活用水，以達(dá)到24 h均衡供熱的效果。用戶(hù)在采暖同時(shí)，也達(dá)到了節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的目的。固體蓄熱式電鍋爐的重大創(chuàng)新在于采用固體儲(chǔ)熱材料和一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用固體儲(chǔ)能材料，大大提高了蓄熱能力，對(duì)傳統(tǒng)鍋爐供熱系統(tǒng)帶來(lái)了革命性的突破，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的固體蓄熱電鍋爐型式，分為鐵基固體合金材料蓄熱和固體氧化鎂磚材料蓄熱。鐵基固體合金材料只能使用380 V的低壓電源作為加熱電源，使用范圍受限。固體氧化鎂蓄熱材料是以氧化鎂為主要材料的磚體，其熔點(diǎn)為2540℃，沸點(diǎn)為3520℃，一般蓄熱溫度≤860℃，該材料的密度為3.2 g/cm3，比熱容為0.30 cal/(g·℃)。本工程實(shí)例采用固體氧化鎂磚高溫蓄熱電鍋爐，最高蓄熱溫度達(dá)到720℃。

3 用電階段的劃分和電價(jià)政策

由于電網(wǎng)公司針對(duì)風(fēng)電供熱項(xiàng)目的用電執(zhí)行大工業(yè)用戶(hù)用電，每日根據(jù)不同的時(shí)間段，將用電分為用電峰段(7∶30～11∶30、17∶00～21∶00)、 用 電 谷 段(22∶00～ 次 日5∶00)、用電平段(5∶00～7∶30、11∶30～17∶00，21∶00～22∶00)三個(gè)用電階段。根據(jù)大工業(yè)用戶(hù)的用電電價(jià)，分為電度電價(jià)和基本電價(jià)(也稱(chēng)“容量電價(jià)”)，按照不同的用電時(shí)段，電度電價(jià)分別為：用電峰段電價(jià)(Vf= 0.7605元/kWh)、用電谷段電價(jià)(Vg= 0.2535元/kWh)、用電平段電價(jià)(Vp= 0.507元/kWh)；基本電價(jià)為19元/kVA月(按照供電變壓器容量)，采暖期按照100%收取，非采暖期按照50%收取。

從電網(wǎng)公司電價(jià)政策可以看出，電網(wǎng)谷段電價(jià)最低，如果電鍋爐利用谷段蓄熱，能達(dá)到節(jié)約用電成本的目的。因此，考慮利用電網(wǎng)谷段時(shí)的棄風(fēng)電力，作為蓄熱電鍋爐的加熱用電。

供熱用電綜合電價(jià)的計(jì)算公式如下：

綜合電價(jià)

平均電度電價(jià)計(jì)算公式：

式中：Vdd為平均電度電價(jià)，(元/kWh)；V為綜合電價(jià)，(元/kWh)；ef為峰段用電比例，等于峰段用電負(fù)荷/熱力站總用電負(fù)荷，(%)；ep為平段用電比例，等于平段用電負(fù)荷/熱力站總用電負(fù)荷，(%)；eg為谷段用電比例，等于谷段用電負(fù)荷/熱力站總用電負(fù)荷，(%)?；倦妰r(jià)計(jì)算公式：

式中：Vjb為基本電價(jià)，(元/kWh)；n1為采暖期持續(xù)月，取6個(gè)月；p1為采暖期基本電價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，取19(元/kVA/月)；n2為非采暖期持續(xù)月，取6個(gè)月；p2為非采暖期基本電價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，取9.5(元/kVA/月)；P為變壓器容量，按12 250 kVA選??；E為采暖期年用電量，(kWh/a)。

4 蓄熱電鍋爐容量的選擇

4.1 蓄熱電鍋爐容量的計(jì)算

蓄熱電鍋爐加熱容量計(jì)算公式：

式中：Q′為蓄熱電鍋爐選型，(MW)；tGD為電網(wǎng)用電谷段時(shí)間，(h)；Q為采暖期熱負(fù)荷，(MW)；其中，固體蓄熱電鍋爐谷段7 h蓄熱，連續(xù)24 h放熱。

根據(jù)上述公式計(jì)算得出不同采暖熱負(fù)荷對(duì)應(yīng)的蓄熱電鍋爐的容量，不同蓄熱電鍋爐的容量選型見(jiàn)表2。

表2 不同蓄熱電鍋爐容量選型

合理的蓄熱電鍋爐容量選擇是在充分考慮大量利用谷段電力的同時(shí)采用部分量蓄熱，按照部分量蓄熱模式經(jīng)過(guò)合理優(yōu)化后，確定電鍋爐的總?cè)萘?。這樣，當(dāng)實(shí)際采暖熱負(fù)荷在平均采暖熱負(fù)荷以上時(shí)為部分量蓄熱，當(dāng)實(shí)際采暖熱負(fù)荷在平均采暖熱負(fù)荷以下時(shí)為全容量蓄熱。

不同容量的蓄熱電鍋爐對(duì)應(yīng)的運(yùn)行曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖2、圖3和圖4。對(duì)于蓄熱總?cè)萘?0 MW和12 MW的蓄熱電鍋爐，當(dāng)實(shí)際采暖熱負(fù)荷大于選取的蓄熱鍋爐對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷時(shí)，會(huì)采用部分平段電。2×6.86 MW固體蓄熱電鍋爐為全容量蓄熱，即實(shí)際采暖熱負(fù)荷在不考慮極寒天氣5 d(120 h)的情況下，全部采用谷段用電。

圖2 采用2×5.0 MW固體蓄熱電鍋爐運(yùn)行曲線(xiàn)

圖3 采用2×6.0 MW固體蓄熱電鍋爐運(yùn)行曲線(xiàn)

圖4 采用2×6.86 MW固體蓄熱電鍋爐運(yùn)行曲線(xiàn)

上述不同容量的固體蓄熱電鍋爐的基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同容量固體蓄熱電鍋爐基本數(shù)據(jù)

4.2 蓄熱電鍋爐用電計(jì)算

通常情況下，與固體蓄熱電鍋爐配套建設(shè)的建筑物及附屬設(shè)施包括：電鍋爐間、水泵間、配電間、控制室、以及配置的相關(guān)附屬建筑物。電鍋爐間內(nèi)布置蓄熱電鍋爐，包括蓄熱電鍋爐本體及電鍋爐取熱風(fēng)機(jī)、按照廠(chǎng)家要求可能布置電鍋爐控制柜；水泵間內(nèi)布置熱網(wǎng)循環(huán)水泵、排污過(guò)濾器、根據(jù)工程需要，若管網(wǎng)需要補(bǔ)水，還需設(shè)置熱網(wǎng)循環(huán)水處理裝置及熱網(wǎng)補(bǔ)水泵；必要的附屬建筑物包括控制室和配電間；附屬建筑物還需設(shè)置值班室、衛(wèi)生間及廚房等。由于每個(gè)工程的外圍條件都不同，因此本工程實(shí)例采暖期的用電量?jī)H根據(jù)固體蓄熱電鍋爐的取熱和放熱的用電量進(jìn)行對(duì)比。

熱力站的總用電負(fù)荷的計(jì)算公式：

熱力站的自用電負(fù)荷的計(jì)算公式：

熱力站自用電率的計(jì)算公式：

熱力站綜合熱效率計(jì)算公式：

式(7)～(12)中：P為總用電負(fù)荷，(kWh)；Pzy為熱力站自用電負(fù)荷，(kWh)；H(1～3)為采暖期峰段、谷段、平段電分別持續(xù)的時(shí)間，(h)；ηzy為熱力站自用電率，(%)；η為熱力站綜合熱效率，(%)；ηgl為蓄熱電鍋爐本體熱效率，(%)；ηsr為蓄熱電鍋爐散熱損失(按1%選)，(%)；ηgd為熱力站管道效率(按99%選)，(%)；Qa為采暖期對(duì)外供熱量，(GJ/a)；T為采暖期小時(shí)數(shù)，(h)；E為采暖期年用電量，( 104kWh/a)。

選取不同容量的電鍋爐，對(duì)應(yīng)的采暖期的綜合熱效率、用電量、平均電價(jià)、綜合電價(jià)也不同。根據(jù)公式計(jì)算得出，不同熱負(fù)荷計(jì)算得出的蓄熱電鍋爐的容量對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

熱力站采暖期對(duì)外供熱量計(jì)算公式：

采暖期年用電量：

表4 不同容量蓄熱電鍋爐對(duì)應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)

熱力站通常位于建筑物附近，這樣能有效地減少熱能的損失。但風(fēng)電場(chǎng)大都位于城鎮(zhèn)的郊區(qū)部分，特殊的地理位置決定了無(wú)法通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)直供電給熱力站。現(xiàn)有的運(yùn)行方式大都是風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電并入電網(wǎng)，熱力站直接從就近的電網(wǎng)終端桿取電。根據(jù)表4得出熱力站的采暖期用電量約1278.51×104kWh，其中利用電網(wǎng)低谷時(shí)段的棄風(fēng)電量約為1224.81×104kWh，按照裝設(shè)50 MW風(fēng)電機(jī)組計(jì)算，熱力站整個(gè)采暖期的用電量約占風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的1/4左右，風(fēng)電場(chǎng)完全能夠滿(mǎn)足熱力站的用電要求，且相應(yīng)提高風(fēng)電場(chǎng)的年等效利用小時(shí)數(shù)約244.9 h，形成的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀(guān)的。

4.3 蓄熱電鍋爐容量的確定

一般情況下，固體蓄熱電鍋爐使用年限為25 a，對(duì)于相同的供熱負(fù)荷，相同的供熱面積，蓄熱體的重量越大，其設(shè)備的尺寸就越大，熱力站廠(chǎng)房的體積就越大，相應(yīng)的投資就越大。通過(guò)上述在相同供暖熱負(fù)荷條件下的對(duì)比分析，結(jié)合相關(guān)用電電價(jià)政策，選擇不同容量的蓄熱電鍋爐，在采暖期的熱效率、用電量基本相同，只是在電價(jià)上有差異。

采用2×6.86 MW固體蓄熱電鍋爐雖然能充分利用谷段電全容量蓄熱，但在廠(chǎng)房占地、設(shè)備成本、設(shè)備后期維護(hù)費(fèi)用都會(huì)相應(yīng)的增加。采用2×5.0 MW固體蓄熱電鍋爐雖然節(jié)省了廠(chǎng)房占地和設(shè)備成本，但谷段電的利用率不高，未能充分利用谷段的低電價(jià)電量，使得整個(gè)采暖期內(nèi)的總電價(jià)過(guò)高。而采用2×6.0 MW固體蓄熱電鍋爐，廠(chǎng)房占地上比大容量的蓄熱電鍋爐小，設(shè)備的成本費(fèi)用居中，而且充分利用谷段電。結(jié)合工程綜合造價(jià)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等因素考慮，選取容量為2×6.0 MW的固體蓄熱電鍋爐最經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

合理選擇蓄熱電鍋爐的容量至關(guān)重要，直接影響整個(gè)項(xiàng)目的造價(jià)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)。本文結(jié)合供熱工程實(shí)例，對(duì)同一供熱地點(diǎn)，在相同采暖熱負(fù)荷條件下，結(jié)合相關(guān)用電電價(jià)政策，選擇不同容量的蓄熱電鍋爐，對(duì)比分析了采暖期用電量、購(gòu)電費(fèi)用等要素，從而合理選擇了蓄熱電鍋爐容量，可以為類(lèi)似工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn):

[1] CJJ 34－010，城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] GB 50019－2015，工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3] 國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，建設(shè)部．熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目可行性研究技術(shù)規(guī)定[Z]．北京：2001．