電儲熱供蒸汽前景探討

顧清之

上海電氣集團股份有限公司中央研究院

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中有大量的場合需使用工業(yè)蒸汽。之前，工業(yè)蒸汽主要來自電廠集中供熱及一些燃煤小鍋爐。但隨著我國環(huán)保政策的趨嚴，燃煤小鍋爐逐漸被禁止使用，取而代之的是天然氣鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、電鍋爐等產(chǎn)品[1]，其中，電鍋爐在用戶端是完全綠色無污染，但由于電價較高，對應(yīng)每t蒸汽的能源成本遠遠超過天然氣鍋爐及生物質(zhì)鍋爐，故限制了電鍋爐的推廣使用。現(xiàn)在，我國大多數(shù)省市都有峰谷電政策，谷電價格通常為峰電價格的1/2～1/3[2]，如果可以將谷電的能量儲存起來，在需要的時候釋放出來產(chǎn)生蒸汽，將大大降低產(chǎn)生工業(yè)蒸汽的能源成本。此外，我國正在推進電力現(xiàn)貨市場改革，目前已有部分省市在部分時段出現(xiàn)了零電價[3]，同樣，如果將零電價時段的電能儲存起來，在需要時釋放出來，也將大大降低工業(yè)蒸汽的能源成本，使電產(chǎn)生蒸汽的能源成本與天然氣鍋爐、生物質(zhì)鍋爐等有了競爭的可能，本文將探討使用電儲熱產(chǎn)生工業(yè)蒸汽的技術(shù)及前景。

1 電儲熱供蒸汽與其他供蒸汽方式的比較

工況考慮為將20 ℃的給水加熱成0.8 MPa的飽和蒸汽，其中20 ℃水的焓值為83.96 kJ/kg，0.8 MPa飽和蒸汽焓值為2 768.86 kJ/kg，計算將1 t 水加熱成1 t蒸汽的能量成本見下表1。

表1 各種供蒸汽能源成本比較

從上表可看出各種產(chǎn)蒸汽技術(shù)的每t蒸汽能源成本，其中煤鍋爐能源成本最低，但由于污染問題，中小型煤鍋爐已被逐漸禁止使用，用戶都在尋找合適的替代方案。成本第二低的是生物質(zhì)鍋爐，但生物質(zhì)鍋爐政策環(huán)境不明朗，有些地方還在禁止生物質(zhì)鍋爐的使用[4]。成本第三低的是電儲熱鍋爐，且使用電作為能源在用戶端是完全綠色無污染，但目前電儲熱鍋爐并沒有得到廣泛的應(yīng)用，分析認為有以下三個原因。

1）初始投資太大[5]。電儲熱鍋爐初始投資是天然氣鍋爐的5～10 倍，巨大的投資差異是許多用戶不能下決心的原因之一。

2）用戶端電力容量不足。電儲熱鍋爐所需電功率很大，如儲能8 h 放蒸汽24 h 的1 t 電鍋爐，所需電功率達2.5 MW 左右，而普通用戶沒有這么大的電力容量，如需采用電儲熱鍋爐，必須進行擴容改造，這也將是一筆高額投入。

3）電儲熱鍋爐技術(shù)還未完全成熟。目前，燃煤鍋爐主要被天然氣鍋爐替代，主要是天然氣鍋爐初始投資較低、熱效率高、能源成本可接受、排放相對清潔。缺點是使用天然氣鍋爐需要天然氣管道，此外，天然氣價格在供暖季波動較大。油鍋爐與直熱式電鍋爐由于其高昂的能源成本，通常用于未通天然氣、蒸汽需求量較小的場合。

2 電儲熱供蒸汽系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電儲熱供暖已在北方廣泛應(yīng)用，其技術(shù)分類主要包括相變儲熱、固體儲熱、水儲熱、熔鹽儲熱等[6-8]，但這些技術(shù)不能簡單的轉(zhuǎn)化為儲熱供蒸汽系統(tǒng)，主要原因一是供能的溫度不同。用于供暖的電儲熱系統(tǒng)其輸出為70～90 ℃的熱水，而供工業(yè)蒸汽需要的是150～200 ℃的蒸汽，兩者所需溫度不同。二是輸出的功率不同。產(chǎn)生1 t 蒸汽的換熱量大約是產(chǎn)生1 t 熱水的20 倍，兩者在實際應(yīng)用中對換熱面積的需求極大不同。

電儲熱供蒸汽系統(tǒng)技術(shù)分類與電儲熱供暖分類類似，目前主要處于技術(shù)研發(fā)和初步應(yīng)用階段，其基本原理是使用廉價電力作為加熱儲熱材料的能源，將能量儲存在儲熱材料中，在需要蒸汽的時候，通過各種傳熱手段將熱量從儲熱材料中取出，與水換熱產(chǎn)生蒸汽，下文就各技術(shù)類別分別展開簡述。

1）相變儲熱供蒸汽

相變材料在相態(tài)變化時會吸收或放出大量的熱量，稱為相變潛熱。在電價較低時，使用從電力中獲得的能量加熱相變材料，相變材料吸收熱量后變成液態(tài)，在外界需要蒸汽時，相變材料從液態(tài)變成固態(tài)，放出熱量。相變材料的相變點是一個較小的溫度區(qū)間，使系統(tǒng)在較小溫度范圍內(nèi)儲存更多的能量。但是，相變材料通常在固態(tài)階段導(dǎo)熱系數(shù)很低，而產(chǎn)蒸汽對功率要求又較大，為滿足產(chǎn)蒸汽要求，就需要很大的換熱面積，換熱面積的增大影響了系統(tǒng)的儲能密度及經(jīng)濟性。加強相變材料在固態(tài)階段的換熱是相變儲熱供蒸汽下一步研發(fā)重點。

2）固體儲熱供蒸汽

固體（通常是氧化鎂磚）在溫度升高時熱量以顯熱形式儲存在材料中。常用的氧化鎂磚溫度最高可升到700～800 ℃，儲熱能量密度較高，其在放熱過程中一般使用空氣作為傳熱介質(zhì)，由于空氣比熱較小，導(dǎo)致空氣流量較大，空氣水換熱裝置也較大。此外，由于固體在放熱過程中溫度不斷降低，使用空氣作為中間傳熱介質(zhì)使最終出口蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定難以控制。

3）熔鹽儲熱系統(tǒng)

熔鹽儲熱系統(tǒng)在光熱電站中已獲得了商業(yè)應(yīng)用，其可以較方便地轉(zhuǎn)化為電儲熱供蒸汽系統(tǒng)[9-10]。熔鹽儲熱系統(tǒng)使用熔鹽作為傳熱儲熱介質(zhì)，在低電價時使用電加熱加熱熔鹽，熔鹽溫度升高，熱量以顯熱形式儲存在熔鹽里，在需要蒸汽的時候，熔鹽直接與水換熱產(chǎn)生蒸汽。該系統(tǒng)優(yōu)點是成熟穩(wěn)定，缺點是熔鹽在熔點之下會凝固，系統(tǒng)中所有熔鹽經(jīng)過的地方都需電伴熱，故系統(tǒng)運維較復(fù)雜，初始投資也較高。目前在研發(fā)的熔鹽不流動單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)可極大地降低初始投資和運維成本。

3 電儲熱供蒸汽系統(tǒng)應(yīng)用方向

通過對市場政策和環(huán)境分析，電儲熱供蒸汽系統(tǒng)有可能在以下三個方向得到應(yīng)用。

1）電站環(huán)境[11]

由于新能源發(fā)電上網(wǎng)不斷增加，而新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定的特征，因此傳統(tǒng)火電站面臨越來越大的調(diào)峰壓力，為此，可在傳統(tǒng)火電站安裝電儲熱供蒸汽系統(tǒng)。當機組調(diào)峰時將發(fā)出的電能直接供給儲熱系統(tǒng)（最高可將火電站上網(wǎng)電量降為零），之后，在合適的時候使用儲熱系統(tǒng)產(chǎn)出蒸汽供給電站周圍熱用戶，電站可獲得調(diào)峰收益和供熱費用。

2）工業(yè)區(qū)能源站

隨著我國電力現(xiàn)貨市場改革的推進，部分省、市部分時段已出現(xiàn)零電價甚至是負電價，為此，可在工業(yè)區(qū)建立能源站，通過電力現(xiàn)貨市場購買一天中最廉價時段的電力，儲存起來以供給整個工業(yè)區(qū)用熱需求。

3）直接用戶處

直接用戶處用電規(guī)模相對較小，主要利用谷電為儲熱系統(tǒng)供能。當用戶處谷電價格低于0.3元/kWh，同時配電系統(tǒng)容量足夠時，電儲熱產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)就有可能與天然氣鍋爐進行競爭。

4 結(jié)語

本文介紹了電儲熱供蒸汽系統(tǒng)技術(shù)原理，分析了幾種技術(shù)路線優(yōu)缺點，同時將電儲熱供蒸汽系統(tǒng)能源成本與目前幾種常見的供蒸汽方式進行了比較。單以能源成本計算，電儲熱系統(tǒng)處于較低水平，但目前的電儲熱供蒸汽系統(tǒng)技術(shù)未完全成熟、初始投資較大、需改造配電容量，這些因素導(dǎo)致了電儲熱供蒸汽系統(tǒng)還未大規(guī)模應(yīng)用。本文對電儲熱供蒸汽系統(tǒng)的應(yīng)用方向進行了展望，指明了有可能使用電儲熱供蒸汽系統(tǒng)的領(lǐng)域，包括電站、工業(yè)區(qū)能源站、用戶處等。