風電供熱固體蓄熱電鍋爐容量選擇研究

韓 雪

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021)

當前，我國風電行業發展面臨的突出矛盾仍然是棄風限電問題。拓展風電消納新領域，提高風電就地利用能力，是提高風電消納的最直接手段，如推廣風電清潔供暖、開展風電制氫、風電淡化海水等新型就地消納示范。

1 風電供熱負荷

由于電網建設與電源建設不配套，導致蒙東電網是典型的“小負荷、大電源”送端型電網。現以蒙東某地區供熱面積為10×104m2的節能住宅(供熱設計熱指標按照40 W/m2[1]，以下簡稱本工程)小區為例，在相同采暖熱負荷的條件下，采用不同容量的固體蓄熱電鍋爐，對采暖期用電量、購電費用等方面進行分析研究，最后確定合理的蓄熱電鍋爐容量。

項目所在地原始氣象參數見表1。

表1 項目所在地原始氣象參數

熱負荷的計算公式為：

式中：Qn為最大采暖熱負荷，(MW)；qn為熱負荷指標，(W/m2)；S為供熱面積，(m2)；tB為室內取暖溫度(按+18℃取)。

根據采暖熱負荷公式計算分別得出采暖期最大熱負荷、平均熱負荷以及最小熱負荷。由于氣象資料的限制，僅繪制采暖熱負荷近似曲線圖，見圖1。

圖1 采暖熱負荷近似曲線

2 固體蓄熱電鍋爐簡介

蓄熱電鍋爐主要原理是利用午夜后低谷電將固體儲熱介質加熱到數百度高溫儲存熱量，非低谷時將熱量按需要釋放，以可調溫的循環水供暖或供給生活用水，以達到24 h均衡供熱的效果。用戶在采暖同時，也達到了節省運行費用的目的。固體蓄熱式電鍋爐的重大創新在于采用固體儲熱材料和一體化結構設計，使用固體儲能材料，大大提高了蓄熱能力，對傳統鍋爐供熱系統帶來了革命性的突破，具有明顯的優勢。

目前國內開發的固體蓄熱電鍋爐型式，分為鐵基固體合金材料蓄熱和固體氧化鎂磚材料蓄熱。鐵基固體合金材料只能使用380 V的低壓電源作為加熱電源，使用范圍受限。固體氧化鎂蓄熱材料是以氧化鎂為主要材料的磚體，其熔點為2540℃，沸點為3520℃，一般蓄熱溫度≤860℃，該材料的密度為3.2 g/cm3，比熱容為0.30 cal/(g·℃)。本工程實例采用固體氧化鎂磚高溫蓄熱電鍋爐，最高蓄熱溫度達到720℃。

3 用電階段的劃分和電價政策

由于電網公司針對風電供熱項目的用電執行大工業用戶用電，每日根據不同的時間段，將用電分為用電峰段(7∶30～11∶30、17∶00～21∶00)、 用 電 谷 段(22∶00～ 次 日5∶00)、用電平段(5∶00～7∶30、11∶30～17∶00，21∶00～22∶00)三個用電階段。根據大工業用戶的用電電價，分為電度電價和基本電價(也稱“容量電價”)，按照不同的用電時段，電度電價分別為：用電峰段電價(Vf= 0.7605元/kWh)、用電谷段電價(Vg= 0.2535元/kWh)、用電平段電價(Vp= 0.507元/kWh)；基本電價為19元/kVA月(按照供電變壓器容量)，采暖期按照100%收取，非采暖期按照50%收取。

從電網公司電價政策可以看出，電網谷段電價最低，如果電鍋爐利用谷段蓄熱，能達到節約用電成本的目的。因此，考慮利用電網谷段時的棄風電力，作為蓄熱電鍋爐的加熱用電。

供熱用電綜合電價的計算公式如下：

綜合電價

平均電度電價計算公式：

式中：Vdd為平均電度電價，(元/kWh)；V為綜合電價，(元/kWh)；ef為峰段用電比例，等于峰段用電負荷/熱力站總用電負荷，(%)；ep為平段用電比例，等于平段用電負荷/熱力站總用電負荷，(%)；eg為谷段用電比例，等于谷段用電負荷/熱力站總用電負荷，(%)。基本電價計算公式：

式中：Vjb為基本電價，(元/kWh)；n1為采暖期持續月，取6個月；p1為采暖期基本電價收費標準，取19(元/kVA/月)；n2為非采暖期持續月，取6個月；p2為非采暖期基本電價收費標準，取9.5(元/kVA/月)；P為變壓器容量，按12 250 kVA選取；E為采暖期年用電量，(kWh/a)。

4 蓄熱電鍋爐容量的選擇

4.1 蓄熱電鍋爐容量的計算

蓄熱電鍋爐加熱容量計算公式：

式中：Q′為蓄熱電鍋爐選型，(MW)；tGD為電網用電谷段時間，(h)；Q為采暖期熱負荷，(MW)；其中，固體蓄熱電鍋爐谷段7 h蓄熱，連續24 h放熱。

根據上述公式計算得出不同采暖熱負荷對應的蓄熱電鍋爐的容量，不同蓄熱電鍋爐的容量選型見表2。

表2 不同蓄熱電鍋爐容量選型

合理的蓄熱電鍋爐容量選擇是在充分考慮大量利用谷段電力的同時采用部分量蓄熱，按照部分量蓄熱模式經過合理優化后，確定電鍋爐的總容量。這樣，當實際采暖熱負荷在平均采暖熱負荷以上時為部分量蓄熱，當實際采暖熱負荷在平均采暖熱負荷以下時為全容量蓄熱。

不同容量的蓄熱電鍋爐對應的運行曲線分別見圖2、圖3和圖4。對于蓄熱總容量10 MW和12 MW的蓄熱電鍋爐，當實際采暖熱負荷大于選取的蓄熱鍋爐對應的熱負荷時，會采用部分平段電。2×6.86 MW固體蓄熱電鍋爐為全容量蓄熱，即實際采暖熱負荷在不考慮極寒天氣5 d(120 h)的情況下，全部采用谷段用電。

圖2 采用2×5.0 MW固體蓄熱電鍋爐運行曲線

圖3 采用2×6.0 MW固體蓄熱電鍋爐運行曲線

圖4 采用2×6.86 MW固體蓄熱電鍋爐運行曲線

上述不同容量的固體蓄熱電鍋爐的基本數據見表3。

表3 不同容量固體蓄熱電鍋爐基本數據

4.2 蓄熱電鍋爐用電計算

通常情況下，與固體蓄熱電鍋爐配套建設的建筑物及附屬設施包括：電鍋爐間、水泵間、配電間、控制室、以及配置的相關附屬建筑物。電鍋爐間內布置蓄熱電鍋爐，包括蓄熱電鍋爐本體及電鍋爐取熱風機、按照廠家要求可能布置電鍋爐控制柜；水泵間內布置熱網循環水泵、排污過濾器、根據工程需要，若管網需要補水，還需設置熱網循環水處理裝置及熱網補水泵；必要的附屬建筑物包括控制室和配電間；附屬建筑物還需設置值班室、衛生間及廚房等。由于每個工程的外圍條件都不同，因此本工程實例采暖期的用電量僅根據固體蓄熱電鍋爐的取熱和放熱的用電量進行對比。

熱力站的總用電負荷的計算公式：

熱力站的自用電負荷的計算公式：

熱力站自用電率的計算公式：

熱力站綜合熱效率計算公式：

式(7)～(12)中：P為總用電負荷，(kWh)；Pzy為熱力站自用電負荷，(kWh)；H(1～3)為采暖期峰段、谷段、平段電分別持續的時間，(h)；ηzy為熱力站自用電率，(%)；η為熱力站綜合熱效率，(%)；ηgl為蓄熱電鍋爐本體熱效率，(%)；ηsr為蓄熱電鍋爐散熱損失(按1%選)，(%)；ηgd為熱力站管道效率(按99%選)，(%)；Qa為采暖期對外供熱量，(GJ/a)；T為采暖期小時數，(h)；E為采暖期年用電量，( 104kWh/a)。

選取不同容量的電鍋爐，對應的采暖期的綜合熱效率、用電量、平均電價、綜合電價也不同。根據公式計算得出，不同熱負荷計算得出的蓄熱電鍋爐的容量對應的數據見表4。

熱力站采暖期對外供熱量計算公式：

采暖期年用電量：

表4 不同容量蓄熱電鍋爐對應相關數據

熱力站通常位于建筑物附近，這樣能有效地減少熱能的損失。但風電場大都位于城鎮的郊區部分，特殊的地理位置決定了無法通過風電場直供電給熱力站。現有的運行方式大都是風電場發電并入電網，熱力站直接從就近的電網終端桿取電。根據表4得出熱力站的采暖期用電量約1278.51×104kWh，其中利用電網低谷時段的棄風電量約為1224.81×104kWh，按照裝設50 MW風電機組計算，熱力站整個采暖期的用電量約占風電場裝機容量的1/4左右，風電場完全能夠滿足熱力站的用電要求，且相應提高風電場的年等效利用小時數約244.9 h，形成的風電場經濟效益是十分可觀的。

4.3 蓄熱電鍋爐容量的確定

一般情況下，固體蓄熱電鍋爐使用年限為25 a，對于相同的供熱負荷，相同的供熱面積，蓄熱體的重量越大，其設備的尺寸就越大，熱力站廠房的體積就越大，相應的投資就越大。通過上述在相同供暖熱負荷條件下的對比分析，結合相關用電電價政策，選擇不同容量的蓄熱電鍋爐，在采暖期的熱效率、用電量基本相同，只是在電價上有差異。

采用2×6.86 MW固體蓄熱電鍋爐雖然能充分利用谷段電全容量蓄熱，但在廠房占地、設備成本、設備后期維護費用都會相應的增加。采用2×5.0 MW固體蓄熱電鍋爐雖然節省了廠房占地和設備成本，但谷段電的利用率不高，未能充分利用谷段的低電價電量，使得整個采暖期內的總電價過高。而采用2×6.0 MW固體蓄熱電鍋爐，廠房占地上比大容量的蓄熱電鍋爐小，設備的成本費用居中，而且充分利用谷段電。結合工程綜合造價和設備維護費用等因素考慮，選取容量為2×6.0 MW的固體蓄熱電鍋爐最經濟。

5 結語

合理選擇蓄熱電鍋爐的容量至關重要，直接影響整個項目的造價和經濟運營。本文結合供熱工程實例，對同一供熱地點，在相同采暖熱負荷條件下，結合相關用電電價政策，選擇不同容量的蓄熱電鍋爐，對比分析了采暖期用電量、購電費用等要素，從而合理選擇了蓄熱電鍋爐容量，可以為類似工程提供借鑒。

參考文獻:

[1] CJJ 34－010，城鎮供熱管網設計規范[S]．

[2] GB 50019－2015，工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S]．

[3] 國家發展計劃委員會，國家經濟貿易委員會，建設部．熱電聯產項目可行性研究技術規定[Z]．北京：2001．