降低高速公路建筑場區電鍋爐供暖運行費用分析

劉 志 強

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012)

0 引言

我國目前大氣污染形勢嚴峻，大量散燒煤、燃油消費是造成嚴重霧霾的主因之一，環保節能是國家未來幾十年發展的必要趨勢。為貫徹落實《國務院關于印發大氣污染防治行動計劃的通知》及《山西省人民政府辦公廳關于印發山西省2013—2020年大氣污染治理措施的通知》精神，加快替代燃煤小鍋爐，有效治理霧霾天氣，促進電采暖產業發展，消納省內富余電力，提升全省城鄉電氣化水平，改善城鄉用能結構和人居環境的要求，山西省高速公路各場區內出現了以電鍋爐采暖代替燃煤鍋爐的采暖形式。采用電鍋爐供暖雖然解決了環保的問題，但是電鍋爐采暖的年運行費用高居不下，大大的增加了高速公路場區的運營成本。有些場區為了降低運行費用降低供暖溫度，縮短供暖時間，難以保證供暖效果，所以亟需解決電鍋爐供暖運行費用高的問題，才能達到既降低運行費用，又保證供暖效果的目的。

1 供暖現狀調查

作為產煤大省，山西省大氣污染的主要來源便是燃煤所排放的煙塵，為了改善空氣污染的現狀，省內許多高速公路的場區都將原有的燃煤鍋爐改造成為電鍋爐，特別是大同、太原、平遙等大中城市及旅游景區的高速收費站、服務區等。經過對全省43處有代表性的收費管理服務場區采暖現狀、鍋爐房設施的使用情況為期近一個月時間的實地勘察，總體上看：

1)采暖原熱源基本為燃煤鍋爐，其中大部分為型煤鍋爐，個別為原煤鍋爐，因環保不達標，現改造成電鍋爐采暖，但是經過采暖季的運營，環保問題已解決，但是電鍋爐采暖的運行費用居高不下，甚至多個場區出現用不起電的情況；

2)鍋爐房設施大部分使用多年，老化腐蝕嚴重，凈化水設施多數處于廢棄狀態，補水水箱銹蝕、漏水；管道腐蝕嚴重，管道內流體阻力增大，輸送能耗增加；

3)由于各站點近年多新增建筑，但水泵未及時更換，功率、揚程不能滿足現狀要求，造成場區各單體建筑的采暖效果不一，冷熱極端化。

2 電鍋爐運行方案

2.1 電鍋爐特點

電鍋爐是利用電力為能源，經過鍋爐轉換，向外界輸出具有一定熱能的蒸汽、熱水或其他有機熱載體的一種設備，也叫做電加熱鍋爐、電熱鍋爐。電鍋爐在結構上可以疊加組合，控制靈活，故障率低，維修保養方便。在使用上，溫度可自調節；無污染物排放；自動化程度高、安全可靠；但是耗電量大，運行費用高。

2.2 運行方案對比分析

為了降低電鍋爐供暖的運行費用，我們提出了合理利用峰谷電價的運行策略。在電力低谷期間，利用電能加熱儲熱介質，并將熱量儲藏在蓄熱裝置中；用電高峰期間將蓄熱裝置中的熱量釋放出來滿足供熱需要。其優點是：平衡電網峰谷負荷差；充分利用低谷電價，實現電力負荷的削峰填谷，降低采暖運行費用；系統可以實現自動化運行，無明火，無噪聲，無污染。當前常用的蓄熱介質主要有熱水和熱庫，由此，我們對以下幾種常見的供暖方案進行對比分析。

方案一:利用電鍋爐直供。

方案二:利用蓄熱水箱在電網用電低谷時段蓄熱，供給高峰時采暖用戶使用。

方案三:利用熱庫在電網用電低谷時段蓄熱，供給高峰時采暖用戶使用。

電鍋爐+蓄熱水箱蓄熱方式：熱媒為80 ℃/55 ℃熱水，由電鍋爐提供，谷電時段，通過電鍋爐加熱，將熱能存儲在蓄熱水箱中，其他時段，利用蓄熱水箱存儲的熱量對采暖系統進行供熱；當蓄熱水箱的充放熱運行不正常時，可開啟旁通管路閥門，使用電鍋爐對場區直接供暖。

電鍋爐+熱庫蓄熱方式：利用蓄熱材料相變轉換(固液態轉換)吸放熱的原理，在谷電時段，利用電鍋爐加熱相變蓄熱材料，將熱能儲存于熱庫中；在電力高峰時期或其他時段，利用熱庫中存儲的熱量對熱用戶進行供暖。此供暖方式具有舒適環保、投資成本高、運行費用適中的特點，便于利用計算機系統實現分時段、分房間自動控制，節省人工成本。

在確保項目取暖效果得到較大改善的基礎上，結合各種方案對大氣治理的改善力度、初期投資的大小及運行費用、后期維護所需人力物力財力等方面進行對比(熱負荷為1 t(0.7 MW)，采暖天數150 d)，詳見表1。

利用電鍋爐加蓄熱水箱蓄熱的方式供暖可靠性高，蓄熱水箱在電網用電低谷時段蓄熱，供給高峰時采暖用戶使用，充分利用了谷電電價，節約初投資和運行費用，經過調查、分析、比較，得出電鍋爐加蓄熱水箱蓄熱的方式為最佳方案。

3 實施過程

根據國家及山西省有關文件，據調查我省現在已經實施電力“削峰填谷”政策，消納省內富余電力，提升全省城鄉電氣化水平，改善城鄉用能結構和人居環境。全省平均平電電價為0.8元/度，峰值電價為1.2元/度，谷電價格為0.4元/度。

表1 三種供暖方案性能對比分析

我們以晉中北收費站場區電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方案為例進行分析研究。晉中北收費站位于山西省晉中市，氣候分區為寒冷區，冬季室外計算溫度為-11.1 ℃，采用電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方式。根據我省的電力政策，谷電時段，通過電鍋爐加熱，將熱能存儲在蓄熱水箱中，其他時段，利用蓄熱水箱存儲的熱量對用戶進行供熱；當蓄熱水箱的充放熱運行不正常時，可開啟旁通管路閥門，使用電鍋爐對場區直接供暖。

現狀分析：晉中北收費站場區總建筑面積：2 010 m2，24 h保證供暖，供暖熱指標為100 W/m2，全天共分為3個時段，其中峰電(8:00～11:00,18:00～23:00,共8 h)、谷電(23:00～7:00,共8 h)、平電(7:00～8:00,11:00～18:00,共8 h)各8 h，蓄熱式電鍋爐房運行方式采用全谷電運行方式，具體運行方式如下：

23:00～7:00(谷電時段)開啟電鍋爐。將蓄熱水箱中的水逐漸加熱至90 ℃，同時向熱用戶供熱。

7:00～23:00(平、峰電時段)關閉電鍋爐，用蓄熱水箱中的熱水向熱用戶供熱。

1)蓄熱量計算。

Wx=∑Qi×ti=0.1×2 010×16=3 216 kW·h。

其中，Qi為用蓄熱裝置供熱的各時間段的熱負荷，kW；Ti為用蓄熱裝置供熱的各時間段的時間，h。

2)鍋爐計算功率。

a.蓄熱用電鍋爐功率：

其中，Tx為蓄熱時間，h;η為鍋爐效率，一般取98%。

b.谷電時段值班電鍋爐功率：

其中，η為鍋爐效率，一般取98%。

3)鍋爐計算功率。

Nj=Nx+Ng=410.2+205.1=615.3 kW。

4)鍋爐選用功率。

根據鍋爐計算功率，本工程選用2臺310 kW的電鍋爐，總功率N=620 kW。

5)蓄熱水箱體積。

其中，Δt為蓄熱水箱的可利用溫差，℃；η1為蓄熱水箱的保溫效率，一般取95%；η2為蓄熱水箱的容積系數，一般取95%。

選擇水箱90 m3。

4 運行效果

4.1 經濟效益

采用電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方式初投資較電鍋爐直供的方式略有增加，但是運行費用約為電鍋爐直接供暖的1/2，從20年的使用壽命來看，采用電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方式更為經濟。此外，采用蓄熱水箱蓄熱，還實現了電網的削峰填谷，消納了富余電力，有利于電網系統的經濟運行。

4.2 社會效益

采用電鍋爐+蓄熱水箱供暖，不產生任何廢氣、廢水、廢渣，清潔無污染，符合國家“節能減排”“綠色環保”政策的號召。而且人員熱舒適度較佳，控制運行靈活方便，實施效果良好。

5 結語

目前，我省出現了以電鍋爐采暖代替燃煤鍋爐的采暖形式，雖然環保問題得到了解決，但是電鍋爐采暖的年運行費用高居不下，極大的增加了高速公路服務場區的運營成本，經過調研、對比分析、具體項目實際運行情況的反饋，得出降低電鍋爐運行費用的較佳方案——增設蓄熱水箱。并且通過實際投入運行的供暖場區來看，電鍋爐加蓄熱水箱的供暖方式，熱舒適度高，運行費用低，經濟效益和社會效益顯著，具有較高的推廣應用價值。