蓄熱電鍋爐供熱技術(shù)及工程應(yīng)用

劉圣冠，喬 磊，翟鵬程，賀 凱，尚海軍，耿如意

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

近年來，受經(jīng)濟(jì)下行壓力的影響，全國用電需求增速放緩，發(fā)電企業(yè)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)下降明顯，電力產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式壓力不斷增大，電力供大于求的矛盾愈漸突出[1]。電能清潔無污染，實(shí)施“電能替代”有助于推動(dòng)能源消費(fèi)革命、落實(shí)國家能源戰(zhàn)略和促進(jìn)能源清潔化發(fā)展，是穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、促改革、惠民生、促就業(yè)的重要舉措。穩(wěn)步推進(jìn)電能替代，有利于構(gòu)建層次更高、范圍更廣的新型電力消費(fèi)市場，擴(kuò)大電力消費(fèi)，消納富裕電力，帶動(dòng)相關(guān)設(shè)備制造行業(yè)發(fā)展，拓展新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[2]。此外，我國風(fēng)電、光伏等新能源電力裝機(jī)容量持續(xù)快速增長，為我們提供了大量清潔電力，但新能源發(fā)電出力的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性也給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電力供應(yīng)保障帶來了巨大挑戰(zhàn)。我國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展和消納的要求，“三北”地區(qū)棄風(fēng)、棄光等問題較為嚴(yán)重，尤其在冬季供熱期，現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組受限于“以熱定電”的運(yùn)行方式，電網(wǎng)調(diào)峰異常困難，為保證居民供暖，風(fēng)電、光伏機(jī)組被迫停機(jī)，致使風(fēng)、光電和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到嚴(yán)重制約[3]。

在此背景下，考慮利用清潔電力供熱，并在電、熱兩個(gè)系統(tǒng)之間加入儲(chǔ)能（蓄熱）環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)中熱負(fù)荷向電力系統(tǒng)中可控可調(diào)電負(fù)荷的轉(zhuǎn)換，一定程度緩解電網(wǎng)調(diào)峰和供熱矛盾，既保障供熱需求，又能減少棄風(fēng)棄光電量，提高風(fēng)光電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)，促進(jìn)風(fēng)光電及相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[4]。

1 蓄熱電鍋爐供熱概況

蓄熱電鍋爐按照蓄熱方式的不同，可以分為水蓄熱、固體蓄熱及相變蓄熱3 種類型。水蓄熱將熱能以熱水形式儲(chǔ)存在水罐（箱）中，蓄熱水罐的容積決定了儲(chǔ)能的容量大小，分為常壓和承壓兩種，因?yàn)樗拿芏容^小，大容量儲(chǔ)能需要配備的水罐容積較大。固體蓄熱以固體蓄熱材料為儲(chǔ)熱介質(zhì)，通過電發(fā)熱元件將固體蓄熱材料加熱，使熱能以顯熱的形式儲(chǔ)存在固體蓄熱材料中，再通過熱風(fēng)或高溫水將熱量傳遞出來，此種方式儲(chǔ)熱溫度高，蓄熱裝置占地面積小。相變材料蓄熱以固液相變材料為儲(chǔ)熱介質(zhì)，利用“固、液”變化吸收或釋放的相變熱進(jìn)行儲(chǔ)熱，并通過板式換熱器把熱量交換到二次側(cè)，蓄熱材料密度高，儲(chǔ)熱量大[5]。各類型蓄熱電鍋爐供熱特點(diǎn)對比見表1。

表1 蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)特點(diǎn)對比Tab.1 The characteristics of different energy storage electric boiler heating systems

2 水蓄熱電鍋爐供熱技術(shù)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

水蓄熱電鍋爐系統(tǒng)主要包括電鍋爐、蓄熱水罐和供熱管網(wǎng)3 部分：電鍋爐負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)化成熱能作為供熱熱源；蓄熱水罐負(fù)責(zé)將電鍋爐產(chǎn)生的部分熱能儲(chǔ)存起來，待電熱鍋爐停運(yùn)時(shí)替代后者對外釋放熱能；供熱管網(wǎng)（含板式換熱器和循環(huán)泵等設(shè)備）負(fù)責(zé)按需將熱源處的熱量送給熱用戶。

電鍋爐按加熱方式分為電阻式鍋爐和電極式鍋爐，相較而言，電極鍋爐電熱轉(zhuǎn)換效率更高，壽命更長，使用范圍更廣。電極鍋爐工作時(shí)將電極插入水中，利用水的高熱阻特性，直接將電能轉(zhuǎn)換為熱能，能量損失極小。

圖1 為蓄熱水罐示意。蓄熱時(shí)，熱水從上端水管進(jìn)入，冷水從下端水管排出，過渡層下移；放熱時(shí)，熱水從上端水管排出，冷水從下端水管進(jìn)入，過渡層上移。蓄熱罐工作實(shí)質(zhì)就是其蓄熱和放熱過程，保證其進(jìn)出口水量平衡，維持液面穩(wěn)定，使其處于最大工作能力。工程實(shí)踐中，為避免罐內(nèi)的水溶解氧進(jìn)熱網(wǎng)，降低熱網(wǎng)水質(zhì)，通常往蓄熱罐內(nèi)液面頂部充入蒸汽（或氮?dú)猓３治⒄龎?，使蓄熱罐?nèi)的水和空氣隔離[6]。

2.2 供熱原理

水蓄熱電鍋爐供熱具有電鍋爐純蓄熱、電鍋爐邊蓄邊供、蓄熱水罐放熱和電鍋爐直供4 個(gè)典型工況，不同工況下的系統(tǒng)供熱原理如圖2 所示。

1）電鍋爐純蓄熱 此工況下，閥門1、3、4、5 開啟，閥門 2、6 關(guān)閉，電鍋爐處于運(yùn)行狀態(tài)，且二次系統(tǒng)和三次系統(tǒng)隔離，沒有換熱。電鍋爐制取的熱量通過鍋爐側(cè)板式換熱器和二次系統(tǒng)進(jìn)行換熱，從而將能量從一次系統(tǒng)傳遞到二次系統(tǒng)中。二次系統(tǒng)的能量以熱水的形式儲(chǔ)存于蓄熱水罐中，水罐蓄熱時(shí)，進(jìn)、出水按圖中虛線箭頭線指示方向。

2）電鍋爐邊蓄邊供 此工況下，圖中所有閥門全部開啟，電鍋爐處于運(yùn)行狀態(tài)。電鍋爐制取的熱量通過鍋爐側(cè)板式換熱器和二次系統(tǒng)進(jìn)行換熱，從而將能量從一次系統(tǒng)傳遞到二次系統(tǒng)中；二次系統(tǒng)獲取的能量分兩部分，一部分以熱水的形式儲(chǔ)存于蓄熱水罐中，水罐蓄熱時(shí)，進(jìn)、出水按圖中虛線箭頭線指示方向，另一部分通過換熱站和三次系統(tǒng)（熱用戶）進(jìn)行換熱，從而將能量從二次系統(tǒng)傳遞到三次系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對外供熱。

3）蓄熱水罐放熱 此工況下，閥門2、3、4、6 開啟，閥門1、5 關(guān)閉，電鍋爐處于停運(yùn)狀態(tài)，一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)隔離，沒有換熱。蓄熱水罐通過換熱站和三次系統(tǒng)（熱用戶）進(jìn)行換熱，從而將能量從二次系統(tǒng)傳遞到三次系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對外供熱[7]。水罐放熱時(shí)，進(jìn)、出水按圖中實(shí)線箭頭線指示方向。

4）電鍋爐直供 此工況下，閥門1、2、5、6開啟，閥門3、4 關(guān)閉，電鍋爐處于運(yùn)行狀態(tài)。電鍋爐制取的熱量通過鍋爐側(cè)板式換熱器和二次系統(tǒng)進(jìn)行換熱，從而將能量從一次系統(tǒng)傳遞到二次系統(tǒng)中；二次系統(tǒng)的蓄熱水罐被隔離，獲取的能量通過換熱站和三次系統(tǒng)（熱用戶）進(jìn)行換熱，從而將能量從二次系統(tǒng)傳遞到三次系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對外供熱。

2.3 運(yùn)行方式

根據(jù)蓄熱的時(shí)長或階段，蓄熱電鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行方式可分為全谷電運(yùn)行和谷電+平電運(yùn)行，運(yùn)行方式不同，蓄熱電鍋爐系統(tǒng)的容量配置也不同。

1）全谷電運(yùn)行方式 即電鍋爐僅在低谷電時(shí)段開啟并蓄熱，此方式下要求低谷電時(shí)段蓄熱量能夠滿足平峰電時(shí)段的全部供熱量需求，電鍋爐容量和蓄熱罐容量需求大，設(shè)備占地面積和初投資較大，但運(yùn)行費(fèi)用較低。

2）谷電+平電運(yùn)行方式 電鍋爐主要在低谷電時(shí)段開啟并蓄熱，僅當(dāng)供熱需求旺盛時(shí)，利用部分平電運(yùn)行，補(bǔ)充熱量。此方式下，低谷電時(shí)段蓄熱量小于平峰電時(shí)段需求的全部供熱量；相比全谷電運(yùn)行方式，電鍋爐容量和蓄熱罐容量相對較小，設(shè)備占地面積和初投資較小，但運(yùn)行費(fèi)用較高[8]。

3 設(shè)計(jì)容量計(jì)算

水蓄熱電鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量與系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行方式有關(guān)，本文針對全谷電運(yùn)行方式，提出了一種新的計(jì)算方法。

3.1 計(jì)算流程

水蓄熱電鍋爐設(shè)計(jì)容量計(jì)算流程如圖3 所示。首先，依據(jù)一天內(nèi)的熱負(fù)荷變化對日負(fù)荷進(jìn)行分段，要求可與峰谷平電時(shí)段對應(yīng)；其次，擬定逐時(shí)負(fù)荷率，在供熱面積和供熱指標(biāo)確定的情況下，計(jì)算低谷電時(shí)段、峰平電時(shí)段及全天總的所需熱負(fù)荷；然后，根據(jù)峰平電時(shí)段熱負(fù)荷，確定蓄熱水罐的總設(shè)計(jì)容量，根據(jù)全天總熱負(fù)荷確定電鍋爐的總設(shè)計(jì)容量；最后，根據(jù)市場常用設(shè)備規(guī)格及項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際情況配備選型，確定最終的單臺(tái)鍋爐和蓄熱罐容量及臺(tái)數(shù)。

3.2 電鍋爐設(shè)計(jì)容量計(jì)算

全谷電運(yùn)行方式下，電鍋爐僅在低谷電時(shí)段開啟并蓄熱。針對典型設(shè)計(jì)日供暖負(fù)荷，先根據(jù)負(fù)荷變化劃分不同時(shí)間段，再依據(jù)負(fù)荷規(guī)律擬定逐時(shí)負(fù)荷率，具體見表2。表2 中平、峰、谷電時(shí)段劃分及負(fù)荷率可根據(jù)項(xiàng)目地點(diǎn)實(shí)際情況調(diào)整。

表2 各時(shí)間段負(fù)荷率Tab.2 The load rate for each time period

每日所需總蓄熱量和對外總供熱量的計(jì)算如下：

式中：Qzxr為每日所需總蓄熱量，kW·h；Qzgr為每日對外總供熱量，kW·h；PO為電鍋爐總設(shè)計(jì)容量，kW；S為供熱面積，m2；qo為供熱指標(biāo)，W/m2；Qpf為每日平峰電時(shí)段總熱負(fù)荷，kW·h；Qg為每日低谷電時(shí)段總熱負(fù)荷，kW·h；為電鍋爐效率，%；為電鍋爐系統(tǒng)熱損失系數(shù)，無量綱。

3.3 蓄熱水罐設(shè)計(jì)容量計(jì)算

由上文可知，每日蓄熱水罐所需總蓄熱量等于每日平峰電時(shí)段總熱負(fù)荷。

式中：Vwater為蓄熱水體積，m3；T1為蓄熱溫度，℃；T2為蓄熱水罐回水溫度，℃；n為系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，無量綱；Vyx為儲(chǔ)熱罐有效容積，m3；為有效容積系數(shù)，無量綱；Vz為蓄熱罐總?cè)莘e，m3。

3.4 簡便計(jì)算

為了方便水蓄熱電鍋爐系統(tǒng)的配置選型，作者編制了一款專門計(jì)算軟件，該軟件采用C#進(jìn)行軟件編制，可在windows/XP 系統(tǒng)下運(yùn)行，只要輸入供熱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，蓄熱罐蓄、放水溫度和設(shè)備效率及系統(tǒng)熱損率，即可快速簡便地計(jì)算出電鍋爐及蓄熱罐的設(shè)計(jì)容量，為蓄熱電鍋爐系統(tǒng)的選型配置提供了極大便利。圖4 和圖5 為利用該軟件計(jì)算的實(shí)例。

4 應(yīng)用實(shí)例與分析

4.1 工程簡介

甘肅省在新能源發(fā)展中存在突出的棄風(fēng)棄光問題，新能源消納能力成為制約當(dāng)?shù)乜稍偕茉窗l(fā)展的關(guān)鍵因素，故當(dāng)?shù)卣e極推廣“電能替代”，大力推進(jìn)清潔能源供熱[9-10]。該省某縣城老城區(qū)集中供熱面積160 萬m2（近期沒有新增負(fù)荷），熱源為一座燃煤鍋爐房，配備2×29 MW+1×58 MW 共3 臺(tái)鏈條爐排燃煤鍋爐；2019 年經(jīng)當(dāng)?shù)卣畬徟?，進(jìn)行清潔能源（煤改電）集中供熱改造，新建一座電極鍋爐（帶蓄熱）房，完全替代原燃煤鍋爐承擔(dān)該縣城老城區(qū)的集中供熱。圖6 為該工程項(xiàng)目示意。

4.2 主設(shè)備選型

當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)綜合熱指標(biāo)為48 W/m2，蓄熱水罐采用常壓式，蓄熱溫度為90 ℃，蓄熱罐冷水溫度為55 ℃。采用前文所述方法計(jì)算蓄熱電鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量，本工程的計(jì)算結(jié)果如圖4 和圖5 所示。由圖4 和圖5 可以看出，本工程電鍋爐設(shè)計(jì)總?cè)萘繛?58 836.36 kW，蓄熱罐總?cè)莘e為27 299.84 m3。

根據(jù)市場調(diào)研，目前國內(nèi)單臺(tái)熱水電極鍋爐最大容量可達(dá)80 MW 甚至更大，但實(shí)際應(yīng)用過程中，單臺(tái)容量鮮有超過40 MW，故本工程電極鍋爐單臺(tái)容量擬定為40 MW；蓄熱罐必須具備明顯的過渡層，才能很好地蓄熱和放熱，故應(yīng)盡量提高罐體的高徑比，但高徑比越大，投資越大，根據(jù)同類項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，最佳高徑比接近于1，故擬定單臺(tái)蓄熱罐容積為10 000 m3，尺寸為Φ24.0 m×22.5 m。綜上，本工程需裝機(jī)4×40 MW 電極鍋爐+3×10 000 m3蓄熱水罐，考慮提高供熱安全性和可靠性，增設(shè)1 臺(tái)10 000 m3蓄熱水罐，作為備用。

4.3 高壓側(cè)接線

本工程電極鍋爐供電電壓為10 kV，引自附近110 kV 變電站，共配備14 臺(tái)10 kV 高壓開關(guān)柜，高壓側(cè)分四段母線接入，其中A、D 段母線各接4 臺(tái)開關(guān)柜，對稱分布，接線一致，如圖7 所示。B、C 段母線各接3 臺(tái)開關(guān)柜，對稱分布，接線一致，接線如圖8 所示。

4.4 能源價(jià)格

為鼓勵(lì)清潔能源供熱，當(dāng)?shù)夭膳妰r(jià)采用大工業(yè)直購電交易模式（電價(jià)分為基本電價(jià)和直購電價(jià)兩部分），并針對直購電價(jià)部分給予調(diào)減0.207 8 元/(kW·h)的優(yōu)惠政策。用電價(jià)格明細(xì)見表3。

表3 用電價(jià)格明細(xì) 單位：元/(kW·h)Tab.3 The electricity price details

另外，采暖用水價(jià)格在當(dāng)?shù)毓I(yè)用水價(jià)格基礎(chǔ)上，給予0.80 元/t 的優(yōu)惠，為2.75 元/t；當(dāng)?shù)孛裼霉醿r(jià)格為25 元/m2，商用供熱價(jià)格為29 元/m2。

4.5 工程評價(jià)

該工程項(xiàng)目靜態(tài)總投資約10 500 萬元，建設(shè)期4 個(gè)月，建設(shè)當(dāng)年投用，年凈收益約1 200 萬元，稅后財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為10.3%，投資回收期為9 年。本項(xiàng)目投用后，年消納風(fēng)（光）電量總計(jì)17 964.06 萬kW·h，具體見表4。

表4 項(xiàng)目投運(yùn)消納新能源電量 單位：萬kW·hTab.4 The consumption of new energy electricity after the project is put into operation

本項(xiàng)目投產(chǎn)后，原燃煤鍋爐停運(yùn)，年供熱量為854 245 GJ，其節(jié)約燃料及減少污染物排放情況見表5。

表5 該工程項(xiàng)目節(jié)煤減排結(jié)果 單位：萬t/aTab.5 The results of coal saving and emission reduction ofthe project

5 結(jié) 論

1）蓄熱電鍋爐系統(tǒng)供熱技術(shù)成熟，合理設(shè)計(jì)和運(yùn)營能夠?qū)崿F(xiàn)盈利。

2）蓄熱電鍋爐系統(tǒng)政策環(huán)境良好，且節(jié)能環(huán)保，有利于改善大氣環(huán)境。

3）蓄熱電鍋爐系統(tǒng)既可以起到“移峰填谷”的作用，提高電網(wǎng)的負(fù)荷率，使電網(wǎng)的運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)合理，又能消納風(fēng)光電量，促進(jìn)風(fēng)光電及相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，市場發(fā)展?jié)摿薮?，值得推廣應(yīng)用。