采用電極鍋爐的風(fēng)電供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性

牛傳凱， 李錚偉

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東中山528437；3.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804)

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展速度加快，特別是風(fēng)資源條件較好的三北地區(qū)，風(fēng)電裝機(jī)容量持續(xù)增長(zhǎng)[1-2]。但這些地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)緩慢，對(duì)電力的消納能力有限，且外送東部發(fā)達(dá)地區(qū)的特高壓輸電容量不足[3-4]，造成風(fēng)電場(chǎng)大面積棄風(fēng)限電[5-6]。同時(shí)，在供暖期由于熱電廠供熱導(dǎo)致火電超發(fā)，更加擠壓了風(fēng)電上網(wǎng)的空間[7-8]。將無(wú)法上網(wǎng)的棄風(fēng)電，通過(guò)電熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)為熱能為城鎮(zhèn)居民供熱，是緩解棄風(fēng)限電的最有效途徑之一[9-10]。

目前，我國(guó)風(fēng)電供熱的主要技術(shù)應(yīng)用路線有：空氣源(或地埋管地源熱泵)附加電輔助加熱裝置，電鍋爐(高壓電極鍋爐等)附加熱水蓄熱裝置、電熱膜或發(fā)熱電纜等。其中，采用含熱水蓄熱裝置的電鍋爐供熱系統(tǒng)是技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的技術(shù)應(yīng)用路線[11]。

本文以我國(guó)西北某地利用風(fēng)電的高壓電極鍋爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電極鍋爐)附加熱水蓄熱裝置聯(lián)合供熱系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聯(lián)合供熱系統(tǒng))為例，在負(fù)荷分析基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備選型，介紹工藝流程、運(yùn)行模式及電價(jià)、熱價(jià)的制定，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和敏感性分析。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 項(xiàng)目概況

甘肅省瓜州縣城南已有熱源廠一座(第一熱源廠)，安裝5臺(tái)熱功率為29 MW的燃煤熱水鍋爐。隨著城市擴(kuò)建和城區(qū)內(nèi)分散式燃煤鍋爐的拆除，第一熱源廠的供熱能力已無(wú)法滿足城區(qū)居民供熱需求。因此，在城西規(guī)劃新建1座以風(fēng)電為主要能源的第二熱源廠，采用聯(lián)合供熱系統(tǒng)。

第二熱源廠分3期建設(shè)，建成后總供熱面積為300×104m2，一期工程設(shè)計(jì)供熱面積為100×104m2。本文對(duì)已建成的第二熱源廠一期工程進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)毓┡跒楫?dāng)年10月25日至次年3月25日，共151 d。供熱系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 供熱系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 設(shè)備選型

① 負(fù)荷分析

一期工程供熱建筑均為節(jié)能建筑，其中居住建筑供熱面積占65%，公共建筑供熱面積占35%。根據(jù)CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,居住建筑供暖熱指標(biāo)取40 W/m2，公共建筑供暖熱指標(biāo)取60 W/m2。按居住、公共建筑供熱面積權(quán)重，一期工程供熱區(qū)域的綜合供暖熱指標(biāo)取47 W/m2。由此可計(jì)算得到，一期工程設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為47 MW。

谷電時(shí)段聯(lián)合供熱系統(tǒng)采取邊供熱邊蓄熱的運(yùn)行模式，平峰電時(shí)段由熱水蓄熱裝置供熱。若遇極端寒冷天氣，熱水蓄熱裝置無(wú)法滿足供熱需求時(shí)，電極鍋爐啟動(dòng)參與供熱。當(dāng)?shù)卮蠊I(yè)用電分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表2。

表2 當(dāng)?shù)卮蠊I(yè)用電分時(shí)電價(jià)

綜合分析該地區(qū)歷史供熱數(shù)據(jù)，結(jié)合供暖期室外溫度變化及建筑功能等情況，歸納供暖期典型日逐時(shí)負(fù)荷率α，見(jiàn)表3。表3中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類(lèi)推。由表3數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到典型日用戶總需熱量為867.15 MW·h。

表3 供暖期典型日逐時(shí)負(fù)荷率

② 設(shè)備選型

按照電極鍋爐僅在谷電時(shí)段運(yùn)行(即供暖期典型日用戶總需熱量，由電極鍋爐集中在谷電時(shí)段生產(chǎn))，平峰電時(shí)段用戶需熱量由熱水蓄熱裝置承擔(dān)的原則，對(duì)電極鍋爐的設(shè)計(jì)熱功率、熱水蓄熱裝置的有效容積進(jìn)行計(jì)算選型。

a.電極鍋爐

電極鍋爐的設(shè)計(jì)熱功率P的計(jì)算式為：

式中P——電極鍋爐的設(shè)計(jì)熱功率，MW

Qsum——供暖期典型日用戶總需熱量，MW·h

tL——谷電時(shí)段時(shí)間，h

ηb——電極鍋爐的熱效率

谷電時(shí)段時(shí)間為8 h，電極鍋爐熱效率取98%。將其他已知參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算得到電極鍋爐的設(shè)計(jì)熱功率為110.61 MW?？蛇x擇單機(jī)熱功率為40 MW的電極鍋爐3臺(tái)，總熱功率為120 MW，安全系數(shù)為1.085。

b.熱水蓄熱裝置

熱水蓄熱裝置采用蓄熱水箱，由表2、表3可知，蓄熱水箱的蓄熱量為平峰電時(shí)段用戶需熱量(585.15 MW·h)。根據(jù)05R401-3《承壓式蓄熱罐》，蓄熱水箱有效容積V的計(jì)算式為：

式中V——蓄熱水箱有效容積，m3

Q——蓄熱水箱的蓄熱量，kW·h

Δθ——蓄熱水箱的進(jìn)出水溫差，℃

η——蓄熱水箱的保溫效率，取0.98

ρ——蓄熱水箱進(jìn)出口算術(shù)平均溫度對(duì)應(yīng)的熱水密度，kg/m3

cp——水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取4.2 kJ/(kg·K)

蓄熱水箱的進(jìn)、出水溫度為60、90 ℃，進(jìn)出水溫差為30 ℃。蓄熱水箱進(jìn)出口算術(shù)平均溫度對(duì)應(yīng)的熱水密度取974.83 kg/m3。將已知數(shù)據(jù)代入式(2)，可計(jì)算得到蓄熱水箱有效容積為17 500.25 m3。選取安全系數(shù)為1.1，并將蓄熱水箱有效容積圓整至2×104m3。最終，選取單臺(tái)有效容量為1×104m3的常壓式蓄熱水箱2臺(tái)。

2.3 工藝流程與運(yùn)行模式

聯(lián)合供熱系統(tǒng)的實(shí)際工藝流程比較復(fù)雜，為了方便研究，我們對(duì)實(shí)際工藝流程進(jìn)行了等效簡(jiǎn)化處理(見(jiàn)圖1)。

圖1 等效簡(jiǎn)化處理后的聯(lián)合供熱系統(tǒng)工藝流程P1～P4.變頻循環(huán)泵 V1～V4.閥門(mén)

基于圖1的工藝流程，聯(lián)合供熱系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下5種運(yùn)行模式。

① 運(yùn)行模式1。在谷電時(shí)段，采取邊供熱邊蓄熱。閥門(mén)V1～V4開(kāi)啟，循環(huán)泵P1～P4開(kāi)啟。

② 運(yùn)行模式2。在平峰電時(shí)段，采取蓄熱水箱供熱。閥門(mén)V1、V2關(guān)閉，閥門(mén)V3、V4開(kāi)啟。循環(huán)泵P1、P2關(guān)閉，P3、P4開(kāi)啟。

③ 運(yùn)行模式3。在極端寒冷天氣，建筑物耗熱量超過(guò)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，采取電極鍋爐、蓄熱水箱聯(lián)合供熱。閥門(mén)V1～V4開(kāi)啟，循環(huán)泵P1～P4開(kāi)啟。

④ 運(yùn)行模式4。在極端寒冷天氣，蓄熱水箱放熱結(jié)束后，仍無(wú)法滿足用戶熱負(fù)荷時(shí)，采取電極鍋爐直接供熱。閥門(mén)V3關(guān)閉，閥門(mén)V1、V2、V4開(kāi)啟，循環(huán)泵P1、P2、P4開(kāi)啟，P3關(guān)閉(走旁通)。

⑤ 運(yùn)行模式5。在供暖期未開(kāi)始前，采取蓄熱水箱單獨(dú)蓄熱，將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱水箱內(nèi)，待供暖期開(kāi)始后使用。閥門(mén)V1～V3開(kāi)啟，V4關(guān)閉。循環(huán)泵P1、P2開(kāi)啟，P3、P4關(guān)閉。

3 電價(jià)與熱價(jià)的制定

電價(jià)、熱價(jià)的制定采用了多邊交易方式。在多邊交易過(guò)程中，當(dāng)?shù)卣?fù)責(zé)協(xié)調(diào)項(xiàng)目各方，并督促執(zhí)行。

熱源廠用電電價(jià)遵循當(dāng)?shù)卮蠊I(yè)用電分時(shí)電價(jià)(見(jiàn)表2)。月容量費(fèi)為22 元/(kV·A·月)。按照上述用電價(jià)格及月容量費(fèi)測(cè)算，項(xiàng)目將嚴(yán)重虧損。因此，需要項(xiàng)目各方通過(guò)多邊交易(涉及熱源投資公司、風(fēng)電場(chǎng)、電網(wǎng)公司、供熱公司等)降低熱源廠用電電價(jià)。

在平峰電價(jià)不變的基礎(chǔ)上，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)熱源廠低谷用電電價(jià)在原0.254 1 元/(kW·h)基礎(chǔ)上讓渡0.24 元/(kW·h)后，降至0.014 1 元/(kW·h)，并由電網(wǎng)公司向熱源廠進(jìn)行結(jié)算。電網(wǎng)公司負(fù)責(zé)熱源廠供配電系統(tǒng)的建設(shè)，以收取容量費(fèi)形式回收建設(shè)成本。熱源廠以27 元/(m2·a)的熱價(jià)將熱出售給供熱公司，供熱公司以23.2 元/(m2·a)的平均熱價(jià)向居民收費(fèi)，虧損部分由當(dāng)?shù)卣a(bǔ)貼。

4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)與敏感性分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

① 項(xiàng)目造價(jià)

一期工程總造價(jià)為9 500×104元。其中電極鍋爐、蓄熱水箱、循環(huán)泵、換熱器等設(shè)備造價(jià)為4 800×104元，蓄熱水箱基礎(chǔ)等土建施工費(fèi)用為1 800×104元，工程安裝和各種材料(含保溫材料)費(fèi)用為1 000×104元，高壓電纜、高低壓配電柜和控制柜造價(jià)1 500×104元，室內(nèi)消防通風(fēng)防火等配套設(shè)備造價(jià)為200×104元，設(shè)計(jì)、勘察、監(jiān)理及其他費(fèi)用為200×104元。

② 項(xiàng)目年收益

熱源廠出售給供熱公司的熱價(jià)為27 元/(m2·a)，供熱面積按100×104m2計(jì)算，可計(jì)算得到項(xiàng)目年收益為2 700×104元/a。

③ 項(xiàng)目年支出

根據(jù)表1數(shù)據(jù)及供暖期時(shí)間，可計(jì)算得到不同室外溫度對(duì)應(yīng)的延續(xù)時(shí)間及對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷[12]。考慮熱網(wǎng)熱損失為3%，由此可計(jì)算得到，聯(lián)合供熱系統(tǒng)供暖期總供熱量為4.44×105GJ/a。電極鍋爐熱效率仍取98 %，可計(jì)算得到電極鍋爐年耗電量為12.6×104MW·h/a。

循環(huán)泵的耗電量計(jì)算比較復(fù)雜，參考傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的循環(huán)泵耗電量[13-14]，結(jié)合電供熱系統(tǒng)循環(huán)泵運(yùn)行特點(diǎn)，循環(huán)泵耗電量按電極鍋爐耗電量的2%計(jì)算?？捎?jì)算得到，循環(huán)泵的年耗電量為2 520 MW·h/a。由以上數(shù)據(jù)，可得到項(xiàng)目年耗電量為12.852×104MW·h/a。

考慮到在供暖期極端寒冷天氣時(shí)，電極鍋爐將在平電時(shí)段開(kāi)機(jī)運(yùn)行。電極鍋爐的耗電量中有98%為低谷電，其余2%為平電。循環(huán)泵耗電量中有40%為低谷電，其他耗電量中平峰電各占50%。根據(jù)平峰電價(jià)及讓渡低谷電價(jià)，可計(jì)算得到項(xiàng)目年電費(fèi)為386.42×104元/a。

月容量費(fèi)按照22 元/(kV·A·月)計(jì)算，實(shí)行每15 d申報(bào)1次(15 d的容量費(fèi)取月容量費(fèi)的50%)，則供暖期需申報(bào)10次容量費(fèi)。供暖期申報(bào)容量及容量費(fèi)見(jiàn)表4。由表4數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到項(xiàng)目年容量費(fèi)為1 051.6×104元/a。

表4 供暖期申報(bào)容量及容量費(fèi)

供暖期的耗水量為3.5×104m3，水價(jià)按照2.2 元/m3計(jì)算，可計(jì)算得到項(xiàng)目年水費(fèi)為7.7×104元/a。熱源廠配置6名工人，人均工資按6 000元/(人·月)計(jì)算，可計(jì)算得到項(xiàng)目年人員工資為43.2×104元/a。熱源廠年維護(hù)費(fèi)用按30×104元計(jì)算。由以上數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到項(xiàng)目年支出為1 518.92×104元/a。

④ 動(dòng)態(tài)投資回收期

動(dòng)態(tài)投資回收期np的表達(dá)式為[15]：

式中np——?jiǎng)討B(tài)投資回收期，a

fin——項(xiàng)目年收益，元/a

fout——項(xiàng)目年支出，元/a

ic——基準(zhǔn)收益率，取0.08

將已知參數(shù)代入式(3)，采用EES軟件，可計(jì)算得到該項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)投資回收期為9.85 a。項(xiàng)目使用壽命為25 a，由此可知，項(xiàng)目具有一定贏利空間。

4.2 敏感性分析

由經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該項(xiàng)目目前具有一定贏利空間。但風(fēng)電場(chǎng)對(duì)熱源廠低谷用電電價(jià)的讓渡幅度、熱價(jià)均為不穩(wěn)定因素，因此筆者將這2個(gè)參數(shù)作為敏感性因素，對(duì)項(xiàng)目投資回收期的影響程度進(jìn)行單因素敏感性分析。由敏感性分析結(jié)果可知，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)熱源廠低谷用電電價(jià)的讓渡幅度是最敏感因素，其次是熱價(jià)。

5 結(jié)論

以甘肅地區(qū)某供熱面積為100×104m2的熱源廠(以利用風(fēng)電供熱為主，在供暖期絕大部分時(shí)間利用低谷電)為研究對(duì)象，在負(fù)荷分析基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備選型，介紹工藝流程、運(yùn)行模式及電價(jià)、熱價(jià)的制定，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和敏感性分析。熱源廠采用高壓電極鍋爐附加熱水蓄熱裝置(蓄熱水箱)的聯(lián)合供熱系統(tǒng)。按照電極鍋爐僅在谷電時(shí)段運(yùn)行(即供暖期典型日全天用戶總需熱量，由電極鍋爐集中在谷電時(shí)段生產(chǎn))，平峰電時(shí)段用戶需熱量由蓄熱水箱承擔(dān)的原則，對(duì)電極鍋爐的設(shè)計(jì)熱功率、蓄熱水箱有效容積進(jìn)行計(jì)算選型。采用多邊交易方式，熱源廠低谷用電電價(jià)(在原低谷電價(jià)基礎(chǔ)上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行讓渡)制定為0.014 1 元/(kW·h)，熱價(jià)(由熱源廠出售給供熱公司的熱價(jià))制定為27 元/(m2·a)。此時(shí)，項(xiàng)目動(dòng)態(tài)投資回收期為9.85 a，具有一定贏利空間。風(fēng)電場(chǎng)對(duì)熱源廠低谷用電電價(jià)的讓渡幅度是影響動(dòng)態(tài)投資回收期的最敏感因素，其次是熱價(jià)。