光熱與電極鍋爐聯(lián)合供暖方式的研究

北京瑞特愛(ài)能源科技股份有限公司 ■ 韓圍棋

0 引言

目前，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)主要為煤炭、石油等化石能源。但由于化石能源燃燒會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫等有害物質(zhì)，加快了溫室效應(yīng)，破壞生態(tài)環(huán)境，因此，我國(guó)政府出臺(tái)了一系列支持清潔能源發(fā)展的政策。

太陽(yáng)能作為重要的清潔能源，目前其利用方式主要有光伏發(fā)電和光熱轉(zhuǎn)換兩大類。其中，太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換是指利用特定裝置及工質(zhì)，通過(guò)反射、吸收或其他方式將太陽(yáng)輻射能集中起來(lái)轉(zhuǎn)換為溫度足夠高的熱能，以滿足不同的需求[1]。

由于太陽(yáng)能受天氣因素的影響較大，因此可在日照充足時(shí)采用儲(chǔ)熱裝置，將富裕的太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)；但若出現(xiàn)連續(xù)陰雨天氣，所儲(chǔ)存的能量用盡時(shí)，就需要一種可靠穩(wěn)定的供熱類型來(lái)起輔助作用。

國(guó)外關(guān)于光熱與其他輔助能源聯(lián)合供暖的案例已有很多。如奧地利Graz體育中心的太陽(yáng)能供熱采暖工程就是在體育館屋面安裝1470 m2的太陽(yáng)能集熱器，將其產(chǎn)生的熱量輸入集中供熱網(wǎng)，該工程中，太陽(yáng)能供熱量占冬季總供熱量的10%。德國(guó)漢堡Bramfeld區(qū)域供熱工程共安裝了3000 m2的太陽(yáng)能集熱器，同時(shí)與燃?xì)忮仩t相結(jié)合供熱[2]。通過(guò)以上案例可以看出，國(guó)外的光熱供熱是與供熱管網(wǎng)連接，或與其他加熱方式相結(jié)合。而我國(guó)的光熱與其他能源相結(jié)合的供暖方式尚處于初步發(fā)展階段，仍需更多實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證。本文介紹了一種光熱與電極鍋爐相結(jié)合的供暖方式。

1 關(guān)于電極鍋爐的介紹

1.1 電極鍋爐的工作原理

電極加熱是指對(duì)電極之間的電解質(zhì)溶液施加電壓，可使電解質(zhì)溶液產(chǎn)生焦耳熱。電極鍋爐的電極將含有一定量電解質(zhì)的水當(dāng)作加熱電阻，進(jìn)行加熱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電極盤(pán)和內(nèi)筒之間施加10 kV的電源，電極盤(pán)上有一定數(shù)量并以一定形狀分布的曲棍電極，當(dāng)曲棍電極和內(nèi)筒之間加入含有一定量電解質(zhì)的水后，二者之間就產(chǎn)生了一定的均勻分布的電流，保證了三相平衡，此時(shí)水會(huì)作為電阻而被加熱。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水非但不會(huì)被電解，且穩(wěn)定性好，其比常規(guī)電阻絲的壽命更長(zhǎng)。

圖1 電極結(jié)構(gòu)圖

電極鍋爐是將10 kV的高壓電直接通到電極鍋爐的電極上，使加入電解質(zhì)的水產(chǎn)生電流發(fā)熱。由于電極鍋爐利用的是水的自身發(fā)熱，因此溫升速度非?？?。在相同電解質(zhì)濃度下，電極鍋爐的加熱功率不僅會(huì)隨著電極間的電壓升高而加大，還會(huì)隨著含有電解質(zhì)的水與電極和內(nèi)筒接觸面積的增加而加大。電極鍋爐結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?？赏ㄟ^(guò)控制電極與內(nèi)筒之間的含有電解質(zhì)的水的接觸面積(也可通過(guò)改變絕緣控盾的位置或控制水位高低的方式來(lái)改變此接觸面積)來(lái)改變鍋爐加熱功率的大小，這種調(diào)節(jié)接觸面積的方式屬于無(wú)極調(diào)節(jié)，并且啟動(dòng)迅速，比使用電阻絲階段式功率調(diào)節(jié)的電阻鍋爐更加穩(wěn)定。

圖2 電極鍋爐結(jié)構(gòu)圖

電極鍋爐的功率在4～50 MW之間，最高水溫可達(dá)190 ℃，電流一般在400～5000 A之間；電極鍋爐中的水是阻性負(fù)載，相同功率的電極鍋爐的電導(dǎo)率在水溫25℃下為固定值，功率越大，電導(dǎo)率越高，一般在40～60 μs/cm之間。

電極鍋爐可直接由高壓電加熱，無(wú)需變壓器，大幅增加了加熱效率，減少了能源損失，加熱效率可達(dá)99.5%以上；其采用密閉系統(tǒng)，所用電解質(zhì)為常用藥品，濃度低、污染??；由于其可以直接進(jìn)行電加熱，且可通過(guò)調(diào)節(jié)電極和水接觸面積來(lái)控制鍋爐功率，所以可做到隨時(shí)啟停，啟動(dòng)速度快，可以利用清潔電能進(jìn)行無(wú)污染的區(qū)域供暖。

1.2 電極鍋爐的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于其他供暖方式而言，在寒冷地區(qū)，空氣源熱泵的加熱溫度無(wú)法滿足供熱需求，因此，其不適用于寒冷地區(qū)大規(guī)模供暖；地源熱泵的初投資太高，而且在太陽(yáng)能資源較好的地區(qū)，水資源并不豐富，因此該方式也不太適合。燃?xì)忮仩t雖然使用了天然氣，但仍然會(huì)增加碳排放，并且在一些缺乏天然氣的地區(qū)會(huì)大幅增加成本，因此也不是最優(yōu)選擇 。

相對(duì)于電阻鍋爐，電極鍋爐可靠耐用、壽命長(zhǎng)、可長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)、啟動(dòng)速度快且可在2 min之內(nèi)達(dá)到滿功率運(yùn)行。更重要的是，電極鍋爐的快速啟?？山档推鋵?duì)電網(wǎng)造成的沖擊。在費(fèi)用方面，由于電阻鍋爐需要增加變壓器，使初投資增加，且其效率稍低，導(dǎo)致其運(yùn)行費(fèi)用略高于電極鍋爐。在技術(shù)方面，由于電阻鍋爐采用加熱管加熱，壽命沒(méi)有電極壽命長(zhǎng)，加熱速度比電極加熱慢，且不能無(wú)極調(diào)節(jié)。綜上所述，電阻鍋爐不適用于大型區(qū)域供暖。

相對(duì)于電極鍋爐，燃?xì)忮仩t的初投資較小，但是二者的運(yùn)行費(fèi)用需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)和氣價(jià)進(jìn)行對(duì)比。以20萬(wàn)m2的供暖面積、120天的供暖時(shí)間為例，根據(jù)供暖行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采暖熱指標(biāo)為40 W/m2，所需鍋爐功率為8 MW。對(duì)比電極鍋爐和燃?xì)忮仩t1年的運(yùn)行費(fèi)用。

電極鍋爐運(yùn)行費(fèi)用的公式為：

式中，供暖電價(jià)為恒定電價(jià)，取0.3元/kWh；電極鍋爐功率為8 MW；電極鍋爐效率取99.5%。

燃?xì)忮仩t運(yùn)行費(fèi)用的公式為：

式中，燃?xì)忮仩t容量為12 t/h，相當(dāng)于功率為8 MW；燃?xì)忮仩t熱效率取90%；天然氣熱值為37 MJ/Nm3；氣價(jià)為2.77元/m3。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可以得到，電極鍋爐1年的運(yùn)行費(fèi)用約為695萬(wàn)元，燃?xì)忮仩t1年的運(yùn)行費(fèi)用約為690萬(wàn)元?？梢钥闯?，當(dāng)供暖電價(jià)為0.3元/kWh、氣價(jià)為2.77元/m3時(shí)，電極鍋爐和燃?xì)忮仩t1年的運(yùn)行費(fèi)用相差不大。但是上述氣價(jià)是以較低價(jià)格進(jìn)行計(jì)算的，還會(huì)有波動(dòng)，而供暖電價(jià)在許多地區(qū)已低于0.3元/kWh。因此在一些電價(jià)政策較好的地區(qū)，采用電極鍋爐供暖的經(jīng)濟(jì)收益優(yōu)于燃?xì)忮仩t。同時(shí)，燃?xì)忮仩t還具有一定的危險(xiǎn)性，并會(huì)有一定的碳排放，且在天然氣缺乏地區(qū)會(huì)大幅增加安裝成本。

2 光熱與電極鍋爐聯(lián)合供暖方式

光熱與電極鍋爐聯(lián)合供暖方式的關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 光熱與電極鍋爐聯(lián)合供暖方式的關(guān)系圖

將電極鍋爐與利用光熱轉(zhuǎn)化的熱能相結(jié)合進(jìn)行供暖的方式，是在日照充足時(shí)，利用太陽(yáng)能進(jìn)行蓄熱；當(dāng)太陽(yáng)能無(wú)法滿足供熱和蓄熱需求時(shí)，啟動(dòng)電極鍋爐給儲(chǔ)熱罐蓄熱。電極鍋爐可使用光伏發(fā)電、風(fēng)電等清潔能源電力作為工作力。

3 實(shí)際案例

本文以內(nèi)蒙古旭宸能源有限公司的某光熱與電極鍋爐聯(lián)合供暖的項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，并對(duì)供暖期光熱的供熱量進(jìn)行了計(jì)算。

內(nèi)蒙古旭宸能源有限公司在包頭市宏慶德村建成了10萬(wàn)m2的光熱鏡場(chǎng)，利用反射鏡收集太陽(yáng)能熱量，以滿足居民的用熱需要。自2016年10月開(kāi)始，包頭奧特萊斯、中城?國(guó)際城就使用上了光熱供暖。該光熱鏡場(chǎng)可滿足50萬(wàn)m2的供暖面積，其與設(shè)備間的9個(gè)5700 m3的儲(chǔ)熱罐組成了龐大的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在連續(xù)7天陰天的情況下，保證50萬(wàn)m2采暖區(qū)的供暖[3]。

圖4為2017～2018年供暖期包頭市的日均溫度和天氣情況。該市供暖期共162天，其中，晴天105天，多云天氣31天，雨雪等天氣共26天?？梢钥吹?，不利于光熱供暖的天數(shù)多達(dá)57天，占供暖期天數(shù)的35%。

圖4 2017～2018年供暖期包頭市的日均溫度與天氣情況

該項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱罐儲(chǔ)存的熱量G儲(chǔ)為：

式中，c為水的比熱容，J/(kg?℃)，此處取4187；m為9個(gè)儲(chǔ)熱罐中水的重量，t，此處取51300；η為儲(chǔ)熱效率，取0.85；Δt為儲(chǔ)熱罐的冷熱溫差，℃，此處取40。

代入相關(guān)數(shù)值可得，G儲(chǔ)約為7300 GJ。

若連續(xù)7天陰天，假設(shè)這段時(shí)間光熱產(chǎn)生的熱量為零，則50萬(wàn)m2供暖面積所需的熱量為：

其中，包頭地區(qū)節(jié)能50%建筑耗熱量指標(biāo)取21.3 W/m2，則可得到G需為6440 GJ。

此處包頭地區(qū)供暖期平均氣溫取-6.2 ℃，進(jìn)一步計(jì)算連續(xù)7天陰天出現(xiàn)嚴(yán)寒天氣時(shí)所需熱量G寒為：

式中，Δt寒為室溫與7天陰天出現(xiàn)嚴(yán)寒天氣的平均氣溫的溫差，℃，此處取38；Δt平均為室溫與包頭地區(qū)供暖期平均氣溫的溫差，℃，此處取24.2。

根據(jù)式(5)可知，G寒為10112 GJ。

因此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)連續(xù)7天陰天出現(xiàn)嚴(yán)寒天氣時(shí)，僅依靠光熱的儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱量無(wú)法滿足實(shí)際供暖需求，需要與其他能源結(jié)合。

圖5 包頭市2017～2018年供暖期日均氣溫與日需熱量的關(guān)系

由圖5可以看出，在2017年11月22日～2018年1月22日期間，日均溫度逐漸下降到最低，但日需熱量逐漸增加。若此段時(shí)間內(nèi)遇到連續(xù)日照不好的天氣，光熱供熱量無(wú)法滿足供熱和蓄熱需求時(shí)，需要使用可快速啟動(dòng)的設(shè)備作為能源補(bǔ)充。一般可選用熱泵或電極鍋爐作為輔助熱源，但由于熱泵在北方寒冷地區(qū)效率低下，甚至無(wú)法啟動(dòng)，因此，電極鍋爐成為了保障供暖需求的最優(yōu)選擇。

該供暖系統(tǒng)采用了北京瑞特愛(ài)能源科技股份有限公司生產(chǎn)的1臺(tái)10 MW和1臺(tái)6 MW的電極鍋爐作為輔助熱源進(jìn)行補(bǔ)充供熱。電極鍋爐的電壓為10 kV，一次側(cè)設(shè)計(jì)溫度為95/65 ℃，二次側(cè)溫度為90/50 ℃。電極鍋爐作為光熱供暖的輔助熱源，在陰雨天氣時(shí)將儲(chǔ)熱罐的溫度加熱至90 ℃，在日照充足時(shí)不開(kāi)啟。電極鍋爐可以使用棄風(fēng)電量或低谷電，既利用了清潔能源，又平衡了電網(wǎng)壓力，并且降低了成本。

圖6 包頭旭宸項(xiàng)目中的電極鍋爐

1 MW電極鍋爐運(yùn)行1 h產(chǎn)生的熱量G小時(shí)為3.6 GJ。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)7天嚴(yán)寒天氣時(shí)，16 MW電極鍋爐產(chǎn)生的熱量G鍋爐為9676.8 GJ。通過(guò)上述計(jì)算發(fā)現(xiàn)，G鍋爐+G儲(chǔ)＞G寒。由此可知，電極鍋爐配合蓄熱罐的熱量可以滿足連續(xù)出現(xiàn)7天嚴(yán)寒天氣所需的熱量。

圖7為電極鍋爐系統(tǒng)圖?？梢钥闯?，電極鍋爐可以直接供暖，也可以給儲(chǔ)熱罐蓄熱，可以很好的與光熱供暖互補(bǔ)。

圖8、圖9分別為該項(xiàng)目中電極鍋爐在2018年1月15-18日之間的運(yùn)行狀態(tài)圖和出水、回水溫度曲線圖。

圖7 電極鍋爐系統(tǒng)圖

圖8 2018年1月15-18日電極鍋爐運(yùn)行狀態(tài)圖

由圖8可以看出，電極鍋爐具有啟動(dòng)迅速，可以快速達(dá)到設(shè)定功率的特點(diǎn)。該特點(diǎn)非常適合滿足光熱供暖不足，需要快速補(bǔ)充熱量的需求，同時(shí)其也可以利用便宜的低谷電和清潔電力。

由圖8還可以看出，電壓是決定電極鍋爐功率上限的因素，在電壓固定時(shí)，電極鍋爐功率變化非常迅速。

圖9 2018年1月15-18日電極鍋爐出水、回水溫度曲線圖

由圖9可以看出，電極鍋爐的出水溫度隨著鍋爐的運(yùn)行和停止而變化，且變化非常迅速，可在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度值。這是因?yàn)殡姌O鍋爐是以加入電解質(zhì)的水作為發(fā)熱電阻，電壓達(dá)到10 kV時(shí)，通過(guò)電極鍋爐中加入電解質(zhì)的水的電流巨大，可超過(guò)1000 A，使含有電解質(zhì)的水迅速發(fā)熱。電極鍋爐回水溫度變化則沒(méi)有那么迅速，因?yàn)槎蝹?cè)和儲(chǔ)熱罐的熱量遠(yuǎn)大于電極鍋爐一次側(cè)系統(tǒng)內(nèi)溫度，導(dǎo)致一次側(cè)系統(tǒng)回水溫度不會(huì)變化太快。

在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，盡管該項(xiàng)目中的光熱鏡場(chǎng)足夠大，但在惡劣天氣時(shí)，仍需要電極鍋爐作為該地區(qū)供暖的主要熱源。在2017～2018年供暖期，共開(kāi)啟10 MW電極鍋爐87天，6 MW電極鍋爐58天。實(shí)際開(kāi)啟天數(shù)比上文中計(jì)算天數(shù)多出很多，這可能也與儲(chǔ)熱罐使用的不銹鋼強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致高徑較小、散熱面積過(guò)大、儲(chǔ)熱效率降低有關(guān)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)包頭市某光熱與電極鍋爐聯(lián)合供暖的項(xiàng)目進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，目前電極鍋爐可以在電價(jià)合適的寒冷地區(qū)作為輔助與光熱供暖結(jié)合的輔助熱源，其優(yōu)勢(shì)是其他類型熱源無(wú)法代替的。尤其是其具有耐用、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)快、發(fā)熱量大、發(fā)熱效率高、安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，可作為北方地區(qū)與光熱供暖互補(bǔ)的主力技術(shù)。并且在此項(xiàng)目實(shí)際案例中，電極鍋爐確實(shí)起到了保障供暖需求的重要作用，同時(shí)也驗(yàn)證了光熱與電極鍋爐結(jié)合的可行性。