殷仁豪 盧海勇 王 鵬
上海電力設(shè)計(jì)院有限公司
風(fēng)資源、光資源與電負(fù)荷需求由于在時間和地域方面無法形成良好的契合,導(dǎo)致我國三北地區(qū)新能源發(fā)展面臨高棄風(fēng)率的問題。然而,北方地區(qū)冬季有采暖需求,采用電蓄熱供暖技術(shù)一方面能夠消納風(fēng)電,降低棄風(fēng)率,另一方面也能夠滿足北方地區(qū)采暖期的熱負(fù)荷需求,響應(yīng)國家《關(guān)于完善風(fēng)電供暖相關(guān)電力交易機(jī)制擴(kuò)大風(fēng)電供暖應(yīng)用的通知》《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017-2021年)》《解決棄水棄風(fēng)棄光問題實(shí)施方案》等相關(guān)政策精神。此外,利用谷電蓄熱能夠?qū)﹄娋W(wǎng)起到削峰填谷的調(diào)節(jié)作用,符合《關(guān)于下達(dá)火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知》等相關(guān)政策要求。對于用戶而言,在《財政部住房城鄉(xiāng)建設(shè)部環(huán)境保護(hù)部國家能源局關(guān)于開展中央財政支持北方地區(qū)冬季清潔取暖試點(diǎn)工作的通知》《北京市電采暖低谷用電優(yōu)惠辦法》等相關(guān)政策的支持下,電蓄熱供暖在經(jīng)濟(jì)性方面也具有可觀的優(yōu)勢,可謂一舉多得。不少學(xué)者就風(fēng)電和谷電供暖的發(fā)展方向、可行性、模式策略以及經(jīng)濟(jì)性分析等方面開展了研究,得到了積極的結(jié)果[1-4]。
目前,主要的電蓄熱技術(shù)路線有電極鍋爐+水蓄熱裝置、固體蓄熱式電加熱裝置、電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置、高溫相變蓄熱式電加熱裝置等。上述這些技術(shù)路線在集中供暖和分布式供暖等方面已在全國各地建成了商業(yè)化運(yùn)行項(xiàng)目或示范項(xiàng)目,不少研究者從技術(shù)原理、典型設(shè)計(jì)案例分析、運(yùn)行策略、風(fēng)電消納整體系統(tǒng)優(yōu)化等方面開展了相關(guān)研究[5-12]。本文旨在通過對不同電蓄熱裝置生產(chǎn)廠家以及實(shí)際案例的調(diào)研,分析比較不同的電蓄熱技術(shù)特點(diǎn),針對不同的供熱需求推薦合適的電蓄熱技術(shù)路線。
電極鍋爐采用10 kV 進(jìn)電電壓,以除鹽水作為電阻,通電后釋放熱量產(chǎn)生熱水。熱水既可直供一次管網(wǎng),也可以儲存在蓄水罐內(nèi),待需要供熱時,將蓄水罐內(nèi)的熱水接入一次管網(wǎng)。采用熱水蓄熱時常壓水罐的蓄熱溫度可以達(dá)到90 ℃,采用承壓水罐時,蓄熱溫度可以達(dá)到130 ℃。
電極鍋爐+水蓄熱裝置技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛,尤其以集中供熱為主,如2014 年于德國紐倫堡市建成的集中供暖項(xiàng)目,供熱面積達(dá)到150 萬m2,系統(tǒng)裝機(jī)為5×20 MW 電極鍋爐+1 個常壓蓄水罐。單臺電極鍋爐直徑3 m,高度6 m,蓄水罐直徑26 m,高度76 m,蓄熱量1 500 MWh。目前我國已建成的電極鍋爐+水蓄熱裝置項(xiàng)目有烏魯木齊高鐵棄風(fēng)電供熱示范項(xiàng)目、瓜州新能源清潔供暖項(xiàng)目、達(dá)坂城華源風(fēng)電供熱示范項(xiàng)目、河北建筑工程學(xué)院風(fēng)電清潔供熱示范項(xiàng)目、吉林大安風(fēng)電消納示范項(xiàng)目、張家口宣化煤改電供熱示范項(xiàng)目、華電昌吉等。以烏魯木齊高鐵棄風(fēng)電供熱示范項(xiàng)目為例,供熱面積達(dá)到43萬m2,位于烏魯木齊市高鐵站區(qū)域,利用棄風(fēng)的電能為附近辦公樓和賓館供熱。該項(xiàng)目所有的設(shè)備安裝于地下,占地面積2 844 m2,于2016年建成投運(yùn)。該項(xiàng)目裝機(jī)為6 臺8 MW 電極鍋爐+ 9個常壓蓄水罐,蓄水罐的直徑11 m、高度11 m。瓜州新能源清潔供暖項(xiàng)目位于瓜州縣第二熱源廠,該項(xiàng)目利用風(fēng)電和谷電通過電極鍋爐給瓜州縣城供熱。項(xiàng)目裝機(jī)方案為3 臺40 MW 電極鍋爐+ 2 個10 000 m3蓄水罐,目前一期2 臺電極鍋爐已于2018年投入使用,供暖面積達(dá)到76萬m2,待未來第3 臺電極鍋爐投入使用后,供暖面積可以達(dá)到100萬m2。
從技術(shù)特點(diǎn)看,電極鍋爐應(yīng)用范圍廣,單機(jī)功率大,10~20 MW都有成熟機(jī)型的應(yīng)用案例。從目前運(yùn)行的項(xiàng)目看,電極鍋爐+水蓄熱裝置主要分布于新疆、甘肅、青海等較為偏遠(yuǎn)的北方地區(qū)。這是因?yàn)殡姌O鍋爐本體的體積不大,但是作為蓄熱裝置的蓄水罐體積較大,由于斜溫層的影響,一般而言蓄水罐的直徑不會太大,蓄水罐的體積主要體現(xiàn)在高度上,考慮到區(qū)域內(nèi)建筑風(fēng)格和建筑高度的規(guī)劃,電極鍋爐+水蓄熱裝置不太適合在人口和建筑密集的區(qū)域露天建設(shè)。但是,在烏魯木齊高鐵棄風(fēng)電供熱示范項(xiàng)目中利用地下空間安裝電極鍋爐和蓄水罐也不失為一種合理的解決方法。
與電極鍋爐+熱水蓄熱系統(tǒng)不同,固體蓄熱式電加熱裝置的電加熱裝置與蓄熱裝置一體化。電加熱元件將蓄熱磚(鎂磚)加熱到650 ℃以上,通過可變頻風(fēng)機(jī)驅(qū)動空氣在風(fēng)道內(nèi)循環(huán),經(jīng)過高溫蓄熱磚時產(chǎn)生高溫空氣,高溫空氣通過換熱器將熱量交換到水循環(huán)系統(tǒng)。
固體蓄熱式電加熱裝置目前已實(shí)現(xiàn)模塊化,有小模塊與大模塊之分。小模塊固體蓄熱式電加熱裝置單機(jī)幾百千瓦,多用于酒店、辦公樓的分布式電供暖,以380 V 電壓進(jìn)線。以大興區(qū)魏善莊煤改電項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目供暖面積為1.5萬m2,共裝機(jī)9個模塊(含供生活熱水),于2016年建成。此外,北京地區(qū)的房山五中、官道中心幼兒園、長溝中心小學(xué)及幼兒園等項(xiàng)目。小模塊固體蓄熱式電加熱裝置的特點(diǎn)是單機(jī)較小僅為120 kW,主要用于分布式,地上地下均可布置,維修簡便。但相比電極鍋爐+水蓄熱裝置價格較貴,此外,一些質(zhì)量較差的鎂磚在長時間使用后會產(chǎn)生風(fēng)化、碎裂等現(xiàn)象,易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)堵塞,采用進(jìn)口鎂磚可以較好地解決該問題,但會增加投資。
大模塊固體蓄熱式電加熱裝置從5 MW到90 MW有多種型號,主要用于電廠靈活性改造和集中電供暖,5~10 MW采用10 kV電壓進(jìn)線、10~50 MW采用 33 kV 電壓進(jìn)線、50 MW 以上采用 66 kV 電壓進(jìn)線。河北省張家口市懷來縣電蓄熱供暖項(xiàng)目中,供熱面積為 20 萬 m2,采用 4 臺 5 MW 設(shè)備,為居民供暖,占地700 m2,于2017年建成。在北京市韓村河集中電采暖示范項(xiàng)目,采用6臺6 MW設(shè)備,供熱面積達(dá)到30萬m2,于2014建成。大同靈丘居民小區(qū)供暖項(xiàng)目供熱面積為80 萬m2的應(yīng)用案例,采用12臺 7.83 MW 的設(shè)備,占地 3 250 m2,于 2018 年建成。河北省張家口市居民小區(qū)供暖項(xiàng)目采用2 臺8.9 MW+6 臺 11 MW 的設(shè)備,占地 3 500 m2,于2018年建成。此外,多個電廠也采用固體蓄熱式電加熱裝置用于電廠靈活性改造,如華能伊春熱電廠采用2臺70 MW和2臺90 MW裝置,長春、丹東、調(diào)兵山電廠也都有類似項(xiàng)目。大模塊固體蓄熱式電加熱裝置應(yīng)用較多、技術(shù)成熟,用于集中供熱時,模塊數(shù)量少,占地面積較小。但價格較高,維修不如小模塊簡便,需等蓄熱裝置降溫后才可進(jìn)行維修。此外,與小模塊一樣,會存在劣質(zhì)鎂磚風(fēng)化、碎裂的問題。
電極鍋爐+ 低溫相變蓄熱裝置與電極鍋爐+熱水蓄熱裝置類似,其原理是利用電極鍋爐產(chǎn)生的熱水加熱儲熱介質(zhì)使其產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變,在該過程中吸收并儲存大量的潛熱。
電極鍋爐+ 低溫相變蓄熱裝置中電極鍋爐技術(shù)成熟,在電極鍋爐+水蓄熱裝置中得到了廣泛的應(yīng)用,低溫相變蓄熱裝置目前也已實(shí)現(xiàn)模塊化,今日能源科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的蓄熱模塊蓄熱量為 2.5 MWh,尺寸為 4.6 m×2.4 m×2.8 m,地上地下均可安裝。中瑞鎮(zhèn)江生態(tài)產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目的供熱面積為22 萬m2,采用了50 個布置于地下的低溫相變蓄熱模塊,為辦公樓和居民供暖,占地面積800 m2,蓄熱溫度為55 ℃。供暖末端采用風(fēng)機(jī)盤管的形式,供/回溫度為50/45 ℃,于2015 年建成。此外,山東德州谷電相變蓄熱供暖項(xiàng)目中,供熱面積為 2.4 萬 m2,蓄熱溫度為 90 ℃,采用 2 臺900 kW 電鍋爐和 2 臺 6.4 MWh 的低溫相變蓄熱設(shè)備。
江蘇啟能新能源材料有限公司用于天津水游城商業(yè)中心13 萬m2的谷電蓄熱項(xiàng)目也采用了電鍋爐+低溫相變蓄熱技術(shù)。該項(xiàng)目于2014 年11月投運(yùn),裝機(jī) 2×1.6 MW 和 2×1.1 MW 電鍋爐和170 臺蓄熱裝置,單臺蓄熱量180 kWh,直徑1 m,高1.8 m,蓄熱介質(zhì)采用無機(jī)相變納米復(fù)合材料,相變溫度為78 ℃。該項(xiàng)目改造前采用市政熱水供暖,采暖季總費(fèi)用521 萬元,改造后采用電鍋爐+相變蓄熱供暖,采暖季總費(fèi)用190 萬元,節(jié)省近 331 萬元[3]。
電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置是近年來興起的電蓄熱方面的新技術(shù),利用蓄熱介質(zhì)的相變儲存能量,減少了蓄熱介質(zhì)的體積。但是,目前的應(yīng)用案例仍然較少,技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外,電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置在運(yùn)行過程中通過電極鍋爐加熱水后,再通過水和低溫相變介質(zhì)換熱,主輔設(shè)備較多,增加了占地面積和運(yùn)維成本。
高溫相變蓄熱式電加熱裝置與固體蓄熱式電加熱裝置相似,電加熱裝置與蓄熱裝置一體化。通過電加熱元件加熱高溫?zé)o機(jī)復(fù)合相變磚,使其中的鈉鹽體系發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)的相變,蓄熱溫度最高可達(dá)750 ℃。通過可變頻風(fēng)機(jī)驅(qū)動空氣在風(fēng)道內(nèi)循環(huán),經(jīng)過高溫?zé)o機(jī)復(fù)合相變磚時,產(chǎn)生高溫空氣,高溫空氣通過換熱器將熱量交換到水循環(huán)系統(tǒng)。
高溫相變蓄熱式電加熱裝置也是近年來興起的電蓄熱方面的新技術(shù),但目前未見大型應(yīng)用案例的相關(guān)報道,僅有蘇州同里高溫相變儲熱冷熱聯(lián)供示范項(xiàng)目,成熟性有待進(jìn)一步考證。該項(xiàng)目采用4 MWh 高溫相變蓄熱式電加熱裝置、300 kW高效汽/水換熱器和179 kW 溴化鋰機(jī)組構(gòu)成,相變蓄熱溫度710 ℃、平均儲熱密度1 077 kJ/kg,約為普通固體儲熱材料的1.8倍,性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
表2-1、表2-2、表2-3和表2-4分別為電極鍋爐+水蓄熱裝置、固體蓄熱式電加熱裝置、電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置和高溫相變蓄熱式電加熱裝置4 種電蓄熱集中供暖技術(shù)路線的技術(shù)指標(biāo)比較、最大單機(jī)比較、應(yīng)用案例比較以及綜合比較。
從表2-1可以發(fā)現(xiàn),高溫相變蓄熱式電加熱技術(shù)單位體積的蓄熱量最大,固體蓄熱式電加熱技術(shù)次之,隨后是電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術(shù),最小的是電極鍋爐+水蓄熱裝置,這意味著在蓄熱量相同的情況下,電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)需要占用的場地空間最大。
從表2-2 中可以看出,在最大單機(jī)方面,固體蓄熱式電加熱技術(shù)和高溫相變蓄熱式電加熱技術(shù)為一體化裝置,固體蓄熱式電加熱技術(shù)單機(jī)最大蓄熱量可達(dá)800 MWh,而高溫相變蓄熱式電加熱技術(shù)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品最大可以做到80 MWh。對于電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)而言,可以通過建立一個或多個水罐滿足蓄熱要求,目前單個水罐最大蓄熱量為100 MWh。電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術(shù)同樣可以通過多個單體蓄熱設(shè)備的累加滿足蓄熱要求,目前單個低溫相變蓄熱設(shè)備的蓄熱量為2.5 MWh。從單位體積蓄熱量和最大單機(jī)規(guī)模來看,固體蓄熱式電加熱技術(shù)較優(yōu)。
表2-3中目前已經(jīng)實(shí)施的電蓄熱技術(shù),電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)供熱面積達(dá)到了43 萬m2,電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)盡管單位體積的蓄熱量最小,相同蓄熱量需要的蓄熱體體積最大,但是可以考慮上述案例中的方法合理使用地下空間?;痣姀S靈活性改造所采用的大模塊固體蓄熱式電加熱裝置裝機(jī)規(guī)模較大,而一般的大模塊固體蓄熱式電加熱技術(shù)供熱面積也能夠達(dá)到36 萬m2。相對于電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術(shù)和高溫相變蓄熱式電加熱技術(shù)而言,電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)和大模塊固體蓄熱式電加熱技術(shù)成熟度較高。
綜合表2-1、表2-2和表2-3的比較分析,將各
種電蓄熱集中供暖技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比分析,詳見表2-4。電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、工程投資較少,但是由于水的單位體積蓄熱量較小,導(dǎo)致該技術(shù)在裝機(jī)規(guī)模較大時,蓄熱水罐的體積和高度也隨之增加,可能會引起占地面積大、不滿足城市規(guī)劃等方面的問題。固體蓄熱式電加熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、單位體積蓄熱量大、占地面積小,但也面臨劣質(zhì)鎂磚風(fēng)化和投資較高等問題。電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術(shù)和高溫相變蓄熱式電加熱技術(shù)采用了相變蓄熱,增加了單位體積的蓄熱量,但其工程投資較高,且目前應(yīng)用案例較少,成熟度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
表2-1 各種電蓄熱集中供暖技術(shù)路線的技術(shù)指標(biāo)比較
表2-2 各種電蓄熱集中供暖技術(shù)路線最大單機(jī)比較
表2-3 各種電蓄熱集中供暖技術(shù)路線的應(yīng)用案例比較
對于電蓄熱鍋爐技術(shù)而言,綜合上述各種技術(shù)路線的比較,建議因地制宜采用不同技術(shù)路線規(guī)避風(fēng)險??紤]到電極鍋爐+水蓄熱裝置技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性較好,但水罐需采用壓力容器且體積較大,現(xiàn)階段建議在規(guī)劃要求不高且供熱面積在30萬m2以下的能源站采用電極鍋爐+水蓄熱裝置,并考慮利用地下空間或裝飾面。固體蓄熱式電加熱裝置技術(shù)成熟,應(yīng)用較多,現(xiàn)階段建議供熱面積在10萬m2以下的區(qū)域采用小模塊固體蓄熱式電加熱系統(tǒng),10萬m2以上的區(qū)域采用大模塊固體蓄熱式電加熱系統(tǒng),理論上大模塊固體蓄熱式電加熱系統(tǒng)可無限累加,但考慮到局部電網(wǎng)壓力,現(xiàn)階段建議新建大模塊固蓄能源站的供熱面積不宜超過50萬m2。電鍋爐+低溫相變蓄熱系統(tǒng)以及高溫相變蓄熱式電加熱系統(tǒng)由于尚無較大規(guī)模的應(yīng)用案例,可以在非城市中心區(qū)域且供熱面積較小的能源站作為試點(diǎn)應(yīng)用,現(xiàn)階段供熱面積不宜超過10萬m2。
表2-4 各種電蓄熱集中供暖技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)比較
針對實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)選型,本研究對電蓄熱技術(shù)提出了適用供暖面積、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度、運(yùn)維便利程度、單位體積蓄熱量和規(guī)劃及環(huán)境適應(yīng)性六項(xiàng)指標(biāo)。針對電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)、小模塊固體蓄熱式電加熱技術(shù)、大模塊固體蓄熱式電加熱技術(shù)、電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術(shù)和高溫相變蓄熱式電加熱技術(shù)的特點(diǎn),根據(jù)對應(yīng)的六項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分并分別繪制成戴布拉圖,如圖4-1所示。
針對實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用場景的特點(diǎn),將該項(xiàng)目對應(yīng)的供暖面積、經(jīng)濟(jì)性要求、運(yùn)維便利程度要求、技術(shù)成熟度要求、場地限制要求以及規(guī)劃和環(huán)境適應(yīng)性要求進(jìn)行打分并繪制成項(xiàng)目應(yīng)用場景的戴布拉圖。以某郊區(qū)地段小區(qū)供暖項(xiàng)目和某市區(qū)酒店供暖項(xiàng)目為例,如圖4-2所示。
在實(shí)際項(xiàng)目需要選擇合適的電蓄熱技術(shù)時,可以將各種電蓄熱技術(shù)的戴布拉圖與該項(xiàng)目的戴布拉圖進(jìn)行疊加,找到最為匹配的電蓄熱技術(shù)方案。以某郊區(qū)地段小區(qū)供暖項(xiàng)目為例,利用戴布拉圖的模型比較可以發(fā)現(xiàn)相對于小模塊固體蓄熱式電加熱技術(shù),電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)更適合該項(xiàng)目,如圖4-3所示。
同樣,對于某市區(qū)酒店供暖項(xiàng)目而言,通過戴布拉圖的模型比較可以發(fā)現(xiàn)相對于電極鍋爐+水蓄熱技術(shù)而言,小模塊固體蓄熱式電加熱技術(shù)更適合該項(xiàng)目,如圖4-4所示。
圖4 -1 各種電蓄熱技術(shù)的戴布拉圖
圖4 -2 某郊區(qū)地段小區(qū)供暖項(xiàng)目和某市區(qū)酒店供暖項(xiàng)目的戴布拉圖
圖4 -3 某郊區(qū)地段小區(qū)供暖項(xiàng)目電蓄熱技術(shù)戴布拉圖比選
圖4 -4 某市區(qū)酒店供暖項(xiàng)目電蓄熱技術(shù)戴布拉圖比選
1)利用棄風(fēng)、棄光和谷電的電蓄熱供暖技術(shù)既能消納光伏風(fēng)電、響應(yīng)火電靈活性改造政策,同時也能滿足北方地區(qū)的供暖需求,在相關(guān)財政政策的支持下具有可觀的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢,市場前景良好。
2) 電極鍋爐+水蓄熱裝置應(yīng)用范圍廣,技術(shù)成熟,投資建設(shè)費(fèi)用較低,但是蓄水罐的體積大、高度高,考慮到區(qū)域內(nèi)建筑風(fēng)格和建筑高度的規(guī)劃,不擬在人口和建筑密集的區(qū)域露天建設(shè),可以在規(guī)劃要求不高的區(qū)域進(jìn)行建設(shè)或考慮利用地下空間進(jìn)行建設(shè)。
3)固體蓄熱式電加熱裝置應(yīng)用范圍廣,技術(shù)成熟,已實(shí)現(xiàn)模塊化,在酒店、辦公樓、學(xué)校等分布式項(xiàng)目以及火電廠靈活性改造等集中式項(xiàng)目均有應(yīng)用案例。但相比電極鍋爐+水蓄熱裝置,固體蓄熱式電加熱裝置投資建設(shè)費(fèi)用較高。此外,劣質(zhì)蓄熱磚在長期使用后存在風(fēng)化問題需引起重視。
4) 建議優(yōu)先采用技術(shù)成熟度較高的電極鍋爐+水蓄熱裝置以及固體蓄熱式電加熱裝置。電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置和高溫相變蓄熱式電加熱裝置都是近年來興起的電蓄熱新技術(shù),但是目前實(shí)際應(yīng)用較少,可先從小容量機(jī)組示范項(xiàng)目開展建設(shè),待技術(shù)成熟性得到驗(yàn)證后,進(jìn)一步推廣并擴(kuò)大規(guī)模。
5) 針對實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)選型,本研究對電蓄熱技術(shù)提出了適用供暖面積、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)成熟度、運(yùn)維便利程度、單位體積蓄熱量和規(guī)劃及環(huán)境適應(yīng)性六項(xiàng)指標(biāo)并分別繪制成戴布拉圖模型。針對具體項(xiàng)目特點(diǎn),可繪制項(xiàng)目本身的戴布拉圖模型與各種電蓄熱技術(shù)進(jìn)行對比,選擇最為合適的電蓄熱技術(shù)。