大型固體電蓄熱爐在城鎮(zhèn)供熱中的應(yīng)用探究

魏 星，鞠 凱，王治國

(1．中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176；2．唐山唐鋼建設(shè)發(fā)展有限公司，河北 唐山 063011)

0 引言

目前我國北方地區(qū)冬季供暖方式仍以燃煤鍋爐為主，并且有很多小型燃煤鍋爐，因脫硫、脫硝、除塵工藝不完善或設(shè)備老舊等原因，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。為此，國家出臺了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》、《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》等一系列相關(guān)政策，促進(jìn)大中型燃煤鍋爐“超低排放”改造和能效提升，逐步嚴(yán)格控制燃煤熱源廠的建設(shè)，并且積極推進(jìn)“煤改氣，煤改電”等清潔能源供熱技術(shù)的應(yīng)用和相關(guān)項目實施[1]。

同時，北方地區(qū)又有豐富的風(fēng)電資源，但目前風(fēng)力發(fā)電中，電力需求與風(fēng)能資源在時間和地域的契合度上，通常無法達(dá)到最佳的銜接，導(dǎo)致我國“三北”地區(qū)風(fēng)力發(fā)電存在較高的棄風(fēng)率。國家十部委共同印發(fā)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017～2021年)》堅持清潔替代，減少大氣污染物。同時，為配合此規(guī)劃落實，相關(guān)部委也出臺了如《國家能源局關(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》等政策，不但使谷電價格優(yōu)勢顯著，也促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的完善和升級[2]。

因此，采用清潔電力能源供熱，并增加儲能、蓄能系統(tǒng)，實現(xiàn)供熱熱負(fù)荷向清潔電網(wǎng)電負(fù)荷的轉(zhuǎn)換。一方面“削峰填谷”使電網(wǎng)峰谷矛盾得到有效緩解；另一方面通過大量消納風(fēng)電，降低棄風(fēng)率，提高可再生能源利用率；同時也能解決北方地區(qū)采暖期熱負(fù)荷與大氣污染之間的矛盾，有效消除燃煤造成的空氣污染，從而根本上改善空氣的質(zhì)量，可謂是一舉多得。目前國內(nèi)外學(xué)者針對利用峰谷電價的風(fēng)電供暖可行性、發(fā)展方向以及經(jīng)濟(jì)效益分析等方面已開展諸多研究，取得的結(jié)果也頗為積極。然而，儲能成本較高，技術(shù)水平有待提升，是實際應(yīng)用中仍需值得關(guān)注的問題[3]。

1 電蓄熱利用技術(shù)

1.1 電蓄熱利用技術(shù)概述

目前，電蓄熱利用技術(shù)主要有三大類路線：第一類為電極鍋爐與蓄熱裝置相結(jié)合；第二類為固體蓄熱與電加熱裝置相結(jié)合；第三類為高溫相變蓄熱與電加熱裝置相結(jié)合。這些電蓄熱技術(shù)在一些地區(qū)集中供熱領(lǐng)域均已建成示范項目。許多研究者從技術(shù)原理、運營策略、典型案例分析、風(fēng)電系統(tǒng)優(yōu)化等方面也已開展了大量研究[2]。

1.2 電蓄熱利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

(1)電極鍋爐與蓄熱裝置相結(jié)合

電極鍋爐通常采用6～20 kV進(jìn)線電壓，以純水作為電阻，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而加熱采暖水。熱能也可通過儲熱介質(zhì)暫時存儲，需要時再釋放。按儲能密度劃分，儲熱介質(zhì)可以是利用顯熱儲能的熱水，也可以是利用相變潛熱儲能的無機(jī)相變復(fù)合材料。此技術(shù)相對成熟、應(yīng)用范圍廣，單機(jī)功率能做到50 MW[4]。

(2)固體蓄熱與電加熱裝置相結(jié)合

此技術(shù)通常將電加熱裝置和蓄熱裝置組合成一體化固體電蓄熱爐，以高鋁磚、鎂鐵磚、鎂碳磚、紅磚和石墨等耐材為原材料的蓄熱磚被電加熱裝置加熱到650℃左右，再通過變頻風(fēng)機(jī)使熱空氣在蓄熱體風(fēng)道內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，將蓄熱磚中的熱量傳導(dǎo)到煙氣-水熱交換器中，進(jìn)而傳導(dǎo)到采暖循環(huán)水系統(tǒng)中[5-6]。

固體蓄熱材料因密度和蓄熱溫度比水高，單位儲熱密度是水的5倍以上，蓄熱系統(tǒng)的體積大大減小。無腐蝕、無污染，并且蓄熱裝置無需承受壓力，對外形也沒有特殊要求，兼具了環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等諸多優(yōu)勢。目前以380 V進(jìn)線電壓的小模塊固體電蓄熱爐以及采用10～66 kV進(jìn)線電壓的大模塊固體電蓄熱爐已經(jīng)在北京、張家口、長春、丹東等地區(qū)有應(yīng)用案例[7-8]。

(3)高溫相變蓄熱與電加熱裝置相結(jié)合

此技術(shù)與固體電蓄熱爐相似，電加熱裝置與蓄熱裝置采用一體化結(jié)構(gòu)，電加熱裝置加熱高溫?zé)o機(jī)復(fù)合相變磚，通過其內(nèi)部鈉鹽體系由固態(tài)到液態(tài)發(fā)生相變來蓄熱，蓄熱溫度最高可達(dá)750℃。再同過熱風(fēng)循環(huán)和熱交換器來加熱采暖水。目前僅蘇州建有示范項目，未見大型應(yīng)用案例的相關(guān)報道[9]。

1.3 電蓄熱利用技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

(1)電極鍋爐與蓄熱裝置相結(jié)合

采用水作為儲熱介質(zhì)時，由于斜溫層的影響，蓄水罐的高徑比會很大，使得水罐體積非常龐大。故并不太適合在人口密集的城市區(qū)域建設(shè)。

而通過無機(jī)相變復(fù)合材料的相變潛熱儲能是近年來新興的技術(shù)，應(yīng)用案例比較少。電極鍋爐與儲熱介質(zhì)之間仍需純水作為中間換熱媒介，輔機(jī)設(shè)備多且運行維護(hù)成本大。是否適合應(yīng)用于大型集中供熱項目仍有待進(jìn)一步驗證。

(2)固體蓄熱與電加熱裝置相結(jié)合

此方法蓄熱體相對笨重，并且一些質(zhì)量較差的蓄熱磚在長時間使用后存在風(fēng)化、碎裂的現(xiàn)象，易導(dǎo)致循環(huán)風(fēng)機(jī)堵塞。

(3)高溫相變蓄熱與電加熱裝置相結(jié)合

無機(jī)復(fù)合相變磚雖然儲熱密度是普通固體儲熱材料的1.8倍，但交替相變穩(wěn)定性和技術(shù)成熟性都有待進(jìn)一步驗證。

2 項目實際技術(shù)應(yīng)用

本文以下介紹的北方某市計劃承辦2022年北京冬奧會部分賽事，且賽事舉辦期正值城市采暖期。由于市內(nèi)某熱源廠當(dāng)前燃煤鍋爐排放及煤場堆放均對環(huán)境造成污染，同時鏟車上煤及出渣的運輸過程中產(chǎn)生噪音也對附近居民不友好，因此熱源模式急需升級改造。

另一方面，當(dāng)?shù)靥幵凇叭薄钡貐^(qū)，風(fēng)電資源豐富，是國家規(guī)劃的新能源基地和可再生能源示范區(qū)?？紤]到采暖期城市居民供熱穩(wěn)定性、技術(shù)成熟性以及熱源廠選址等因素。綜合各方條件，熱源改造方案最終確定采用固體電蓄熱爐形式。

同時根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)現(xiàn)狀及輸電線路情況，確定由110 kV高壓電網(wǎng)直接供電，將高壓電能轉(zhuǎn)換為熱能，這樣不僅減小了輸電線路的損耗，而且大幅降低電源配套成本、設(shè)備占地面積和維護(hù)檢修工作。這也成為世界首例采用此電壓等級的城鎮(zhèn)供熱用固體電蓄熱爐項目。

2.1 熱負(fù)荷計算

當(dāng)前熱源廠設(shè)有2臺58 MW燃煤鏈條鍋爐，總供熱面積約156萬m2。根據(jù)CJJ34-2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》中采暖熱指標(biāo)推薦值，參考采取節(jié)能措施的居住區(qū)綜合熱指標(biāo)上限值，按60 W/m2核算，即本熱源廠總供熱負(fù)荷為93.6 MW。

項目建設(shè)地冬季采暖室外平均溫度為：-8.1℃，室外計算溫度為：-22.5℃，室內(nèi)計算溫度為：18℃。以采暖期室外計算溫度-22.5℃的采暖耗熱量為基礎(chǔ)，計算出室外溫度由5℃至-22.5℃間隔溫度下的小時耗熱量，計算式如下[10]

(1)

式中t0——室外計算溫度/℃；

Q0——在t0=-22.5℃時的采暖熱負(fù)荷/GJ·h-1；

tw——采暖期任意室外溫度/℃；

Qw——對應(yīng)于tw溫度下的熱負(fù)荷/GJ·h-1。

按室外日平均溫度連續(xù)3 d低于5℃開始采暖，連續(xù)3 d高于5℃停止供暖的規(guī)定。項目建設(shè)地采暖期從第一年的10月15日至翌年4月15日，共181 d(4 344 h)。年熱負(fù)荷延續(xù)曲線圖詳見圖1，供熱區(qū)域全年采暖供熱量為94.33×104GJ/年。

圖1 年熱負(fù)荷延續(xù)曲線圖

2.2 電蓄熱爐本體系統(tǒng)

2.2.1 電蓄熱爐本體選型

對于固體電蓄熱爐供熱，需考慮利用峰谷電價，降低運行成本[11]。建設(shè)項目當(dāng)?shù)胤骞葧r段電價如表1所示。

基于峰谷電價分析，本項目采用全谷電運行方式，夜間低谷電時段“邊蓄熱邊供熱”，即滿足夜間供熱負(fù)荷的同時，將需要白天外送的熱量暫時儲存在蓄熱系統(tǒng)中，待白天用電高峰時段僅利用固體蓄熱系統(tǒng)放熱能量給城鎮(zhèn)區(qū)域供熱。因此，夜間鍋爐的輸入功率為供熱負(fù)荷的2倍，并考慮96.5%的電-熱轉(zhuǎn)換效率，固體電蓄熱爐總輸入功率為

(2)

式中N1——電蓄熱爐總輸入功率/MW。

根據(jù)年熱負(fù)荷延續(xù)曲線變化趨勢，設(shè)4臺并聯(lián)運行的110 kV固體電蓄熱爐，單臺爐輸入功率為48.5 MW。并依據(jù)典型設(shè)計日逐時供暖負(fù)荷變化，具體詳見表2。即白天的供熱負(fù)荷率在90%以上，且白天與夜間的負(fù)荷率比值在92.3%以上。綜合考慮，本工程單臺爐蓄熱功率為23.5 MW，輸出功率為25 MW。

表2 逐時段供暖負(fù)荷率表

2.2.2 固體電蓄熱爐工作原理

固體電蓄熱爐機(jī)組通電之后，蓄熱裝置內(nèi)的加熱元件產(chǎn)熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能并儲存在蓄熱體中。蓄熱裝置的外層采用高效隔熱保溫材料，使蓄熱體與外部環(huán)境隔離，有效防止熱量散失，從而提高熱源利用率。

在熱量釋放過程中，儲存在蓄熱體中的熱量通過變頻風(fēng)機(jī)形成循環(huán)高溫空氣，經(jīng)煙氣-水換熱器對采暖循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行加熱，加熱后的循環(huán)水由熱網(wǎng)循環(huán)泵經(jīng)供熱管網(wǎng)輸送到各二級換熱站，從而達(dá)到供熱循環(huán)的目的。固體電蓄熱爐供熱原理如下圖2所示。

圖2 固體電蓄熱爐供熱原理示意圖

2.2.3 蓄熱系統(tǒng)選型

蓄熱體需具有耐高溫、傳熱性能平穩(wěn)、導(dǎo)熱系數(shù)好、機(jī)械強度高等特點。本項目采用可耐1 000 ℃以上高溫的氧化鎂質(zhì)和氧化鋁質(zhì)高溫固體儲能模塊，地坪基礎(chǔ)采用雙層保溫磚隔熱設(shè)計，防止蓄熱體向地面?zhèn)鲗?dǎo)熱量。

為確保供熱質(zhì)量和供熱穩(wěn)定性，系統(tǒng)最大儲熱能力考慮滿足電蓄熱爐連續(xù)12 h最大輸出功率。即單臺固體電蓄熱爐儲熱能力為25×12=300 MWh。固體電蓄熱爐系統(tǒng)單日的熱平衡圖如下圖3所示

Q有效=Q輸入-Q輸出-Q損失

(3)

式中Q有效-為蓄熱體內(nèi)有效蓄熱量/MWh；

Q輸入-為電蓄熱爐輸入熱負(fù)荷/MWh；

Q輸出-為電蓄熱爐向外輸出的熱負(fù)荷/MWh；

Q損失-為電蓄熱爐本體熱損失/MWh。

圖3 固體電蓄熱爐熱平衡圖

2.2.4 主要技術(shù)參數(shù)

固體電蓄熱爐主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 單臺固體電蓄熱爐主要技術(shù)參數(shù)表

2.3 主要工藝流程及熱網(wǎng)調(diào)節(jié)

2.3.1 熱源模式

從技術(shù)前沿性與供熱穩(wěn)定性角度綜合考慮，本項目熱源廠暫時保留原有燃煤鍋爐，作為備用熱源。因此改造部分的工藝系統(tǒng)及輔機(jī)均為新建，不利用現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備，但與現(xiàn)有熱源并聯(lián)運行，一次網(wǎng)運行參數(shù)也與現(xiàn)有管網(wǎng)保持一致。采暖一次網(wǎng)55℃的回水管道在廠區(qū)內(nèi)并聯(lián)引入新建熱網(wǎng)循環(huán)水泵房內(nèi)，經(jīng)過電蓄熱爐提溫后，加熱成95℃高溫?zé)崴髤R入廠區(qū)內(nèi)供水母管，再送至現(xiàn)有各用戶二級換熱站。熱源與熱網(wǎng)流程圖如圖4所示。

圖4 熱源與熱網(wǎng)流程圖

新建熱源主要輔機(jī)參數(shù)如表4所示。

表4 新建熱源主要輔機(jī)參數(shù)表

2.3.2 熱網(wǎng)調(diào)節(jié)

熱網(wǎng)運行調(diào)節(jié)方式主要有質(zhì)調(diào)節(jié)、量調(diào)節(jié)和質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)三種。采用何種方式應(yīng)根據(jù)熱網(wǎng)和熱源的監(jiān)控水平、供熱規(guī)模、循環(huán)水泵設(shè)置及運行管理經(jīng)驗綜合確定。主要特點如下：

(1)質(zhì)調(diào)節(jié)方式

整個采暖期保持最大流量不變，供水溫度隨熱負(fù)荷變化。

(2)量調(diào)節(jié)方式

整個采暖期保持供水溫度不變，流量隨熱負(fù)荷變化，最低流量不低于最大流量的60%。

(3)分階段變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式

在嚴(yán)寒期保持最大流量不變，分兩個階段改變流量，分別為最大流量的80%、60%，兩個階段持續(xù)時間相同，并保持流量不變，供水溫度隨熱負(fù)荷變化。

由于本項目新建熱源與現(xiàn)有熱源分別運行?？紤]到熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力以及充分利用谷電等方面因素，一次網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式采用質(zhì)調(diào)節(jié)，即整個采暖季二級換熱站兩側(cè)的流量均保持不變，根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)整一次側(cè)和二次側(cè)的供水溫度，來滿足熱負(fù)荷變化需求。

同時熱源廠采用分布變頻控制系統(tǒng)，即熱源廠的循環(huán)水泵僅負(fù)責(zé)廠區(qū)內(nèi)熱網(wǎng)循環(huán)系統(tǒng)的阻力，在二級換熱站內(nèi)一次側(cè)設(shè)置分布循環(huán)水泵，各用戶二級換熱站根據(jù)自己的需求各取所需。這種控制系統(tǒng)，熱網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)方便，節(jié)省運行費用。對于熱源循環(huán)泵的選擇，只要滿足總流量以及克服熱源到壓差控制點的阻力即可，大大降低熱源循環(huán)泵的揚程，使電機(jī)功率大幅下降。各二級換熱站根據(jù)供熱負(fù)荷調(diào)節(jié)分布循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，控制一次網(wǎng)的流量，調(diào)整供熱負(fù)荷。通過上述工藝流程，構(gòu)成本項目多熱源并聯(lián)及熱網(wǎng)分布式循環(huán)系統(tǒng)。

2.4 小結(jié)

通過項目投產(chǎn)運行，帶來了諸多有益之處：

(1)固體電蓄熱爐熱源在使用過程中沒有二氧化碳排放，沒有廢棄物及粉塵等污染物產(chǎn)生，運行過程清潔環(huán)保。

(2)固體電蓄熱爐熱源不需要燃煤及廢渣的儲存場所，提高土地利用率40%。

(3)固體電蓄熱爐熱源利用電網(wǎng)低谷時段電能進(jìn)行儲熱、供熱，運行成本與燃煤鍋爐基本一致，同時每年可利用棄風(fēng)電量2.715億kWh，有效消納風(fēng)電，降低當(dāng)?shù)貤夛L(fēng)率23%以上。根據(jù)《綜合能耗計算通則》中標(biāo)準(zhǔn)煤的折算系數(shù)，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約33 400 t，即每年可減排二氧化碳82 500 t、二氧化硫670 t、氮氧化物1 250 t、粉塵335 t，減排效果十分顯著。

(4)通過110 kV高壓直接供電，使用電容量及供電效率得到最大利用，増強區(qū)域變電所的電網(wǎng)調(diào)峰能力，有效減少電能無功損耗。

(5)僅需對現(xiàn)有供熱管網(wǎng)局部改造，無需大范圍重建，節(jié)約了管網(wǎng)建設(shè)及維修費用近3 000萬元。

(6)固體電蓄熱爐設(shè)計壽命為20年，是一般燃煤鍋爐兩倍，故障率及維修成本相對低50%。

同時也存在部分不足，待后續(xù)技術(shù)來完善解決：

(1)固體電蓄熱爐初期投資相對較高，約燃煤鍋爐建設(shè)費用的2倍以上，待后期規(guī)模化推廣后降低投資。

(2)集中供熱的熱負(fù)荷需求大，故單一熱源廠集中用電負(fù)荷相對較高，啟動瞬時對電網(wǎng)有沖擊影響。若條件允許，可考慮分布式供熱。

(3)通過工程經(jīng)驗，運用自控手段，減小蓄熱體內(nèi)取熱不均和蓄熱堆積現(xiàn)象，降低加熱元件的損耗。

3 結(jié)語

本文通過新建大型固體電蓄熱爐熱源廠的工程實踐，提出了合理的設(shè)備選型及工藝流程并分析了減排效果，研究結(jié)果表明：

(1)固體電蓄熱爐熱源清潔環(huán)保，總占地小，維護(hù)成本低，建設(shè)在三北地區(qū)可有效消納風(fēng)電，提高可再生能源利用率，減排效果十分顯著。

(2)采用110 kV高壓電網(wǎng)直接供電，不僅可減少輸電線路無功損耗，而且大幅降低電源配套成本和維護(hù)工作。

(3)一次網(wǎng)運行參數(shù)與現(xiàn)有管網(wǎng)保持一致，既可減少改造施工量，也可節(jié)約建設(shè)費用。

(4)初期投資高，啟動瞬時對電網(wǎng)有沖擊影響等不足之處，將隨著后續(xù)規(guī)?；ㄔO(shè)推廣而逐步完善。

(5)本項目也標(biāo)志著全球首套110kV電壓等級大型固體電蓄熱爐熱源廠在城鎮(zhèn)供熱中成功應(yīng)用，是能源使用側(cè)和供給側(cè)的雙贏模式，為新能源替代燃煤鍋爐改造工程樹立了樣板，值得廣泛應(yīng)用。