采用電極鍋爐的風電供熱系統設計及經濟性

牛傳凱， 李錚偉

(1.同濟大學土木工程學院，上海200092；2.明陽智慧能源集團股份公司，廣東中山528437；3.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804)

1 概述

近年來，我國風電行業發展速度加快，特別是風資源條件較好的三北地區，風電裝機容量持續增長[1-2]。但這些地區由于經濟發展相對緩慢，對電力的消納能力有限，且外送東部發達地區的特高壓輸電容量不足[3-4]，造成風電場大面積棄風限電[5-6]。同時，在供暖期由于熱電廠供熱導致火電超發，更加擠壓了風電上網的空間[7-8]。將無法上網的棄風電，通過電熱轉換系統轉為熱能為城鎮居民供熱，是緩解棄風限電的最有效途徑之一[9-10]。

目前，我國風電供熱的主要技術應用路線有：空氣源(或地埋管地源熱泵)附加電輔助加熱裝置，電鍋爐(高壓電極鍋爐等)附加熱水蓄熱裝置、電熱膜或發熱電纜等。其中，采用含熱水蓄熱裝置的電鍋爐供熱系統是技術成熟、應用廣泛的技術應用路線[11]。

本文以我國西北某地利用風電的高壓電極鍋爐(以下簡稱電極鍋爐)附加熱水蓄熱裝置聯合供熱系統(以下簡稱聯合供熱系統)為例，在負荷分析基礎上進行設備選型，介紹工藝流程、運行模式及電價、熱價的制定，對項目進行經濟性評價和敏感性分析。

2 方案設計

2.1 項目概況

甘肅省瓜州縣城南已有熱源廠一座(第一熱源廠)，安裝5臺熱功率為29 MW的燃煤熱水鍋爐。隨著城市擴建和城區內分散式燃煤鍋爐的拆除，第一熱源廠的供熱能力已無法滿足城區居民供熱需求。因此，在城西規劃新建1座以風電為主要能源的第二熱源廠，采用聯合供熱系統。

第二熱源廠分3期建設，建成后總供熱面積為300×104m2，一期工程設計供熱面積為100×104m2。本文對已建成的第二熱源廠一期工程進行分析。當地供暖期為當年10月25日至次年3月25日，共151 d。供熱系統的主要設計參數見表1。

表1 供熱系統的主要設計參數

2.2 設備選型

① 負荷分析

一期工程供熱建筑均為節能建筑，其中居住建筑供熱面積占65%，公共建筑供熱面積占35%。根據CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》,居住建筑供暖熱指標取40 W/m2，公共建筑供暖熱指標取60 W/m2。按居住、公共建筑供熱面積權重，一期工程供熱區域的綜合供暖熱指標取47 W/m2。由此可計算得到，一期工程設計熱負荷為47 MW。

谷電時段聯合供熱系統采取邊供熱邊蓄熱的運行模式，平峰電時段由熱水蓄熱裝置供熱。若遇極端寒冷天氣，熱水蓄熱裝置無法滿足供熱需求時，電極鍋爐啟動參與供熱。當地大工業用電分時電價見表2。

表2 當地大工業用電分時電價

綜合分析該地區歷史供熱數據，結合供暖期室外溫度變化及建筑功能等情況，歸納供暖期典型日逐時負荷率α，見表3。表3中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此類推。由表3數據，可計算得到典型日用戶總需熱量為867.15 MW·h。

表3 供暖期典型日逐時負荷率

② 設備選型

按照電極鍋爐僅在谷電時段運行(即供暖期典型日用戶總需熱量，由電極鍋爐集中在谷電時段生產)，平峰電時段用戶需熱量由熱水蓄熱裝置承擔的原則，對電極鍋爐的設計熱功率、熱水蓄熱裝置的有效容積進行計算選型。

a.電極鍋爐

電極鍋爐的設計熱功率P的計算式為：

式中P——電極鍋爐的設計熱功率，MW

Qsum——供暖期典型日用戶總需熱量，MW·h

tL——谷電時段時間，h

ηb——電極鍋爐的熱效率

谷電時段時間為8 h，電極鍋爐熱效率取98%。將其他已知參數代入式(1)，可計算得到電極鍋爐的設計熱功率為110.61 MW。可選擇單機熱功率為40 MW的電極鍋爐3臺，總熱功率為120 MW，安全系數為1.085。

b.熱水蓄熱裝置

熱水蓄熱裝置采用蓄熱水箱，由表2、表3可知，蓄熱水箱的蓄熱量為平峰電時段用戶需熱量(585.15 MW·h)。根據05R401-3《承壓式蓄熱罐》，蓄熱水箱有效容積V的計算式為：

式中V——蓄熱水箱有效容積，m3

Q——蓄熱水箱的蓄熱量，kW·h

Δθ——蓄熱水箱的進出水溫差，℃

η——蓄熱水箱的保溫效率，取0.98

ρ——蓄熱水箱進出口算術平均溫度對應的熱水密度，kg/m3

cp——水的比定壓熱容，kJ/(kg·K)，本文取4.2 kJ/(kg·K)

蓄熱水箱的進、出水溫度為60、90 ℃，進出水溫差為30 ℃。蓄熱水箱進出口算術平均溫度對應的熱水密度取974.83 kg/m3。將已知數據代入式(2)，可計算得到蓄熱水箱有效容積為17 500.25 m3。選取安全系數為1.1，并將蓄熱水箱有效容積圓整至2×104m3。最終，選取單臺有效容量為1×104m3的常壓式蓄熱水箱2臺。

2.3 工藝流程與運行模式

聯合供熱系統的實際工藝流程比較復雜，為了方便研究，我們對實際工藝流程進行了等效簡化處理(見圖1)。

圖1 等效簡化處理后的聯合供熱系統工藝流程P1～P4.變頻循環泵 V1～V4.閥門

基于圖1的工藝流程，聯合供熱系統可實現以下5種運行模式。

① 運行模式1。在谷電時段，采取邊供熱邊蓄熱。閥門V1～V4開啟，循環泵P1～P4開啟。

② 運行模式2。在平峰電時段，采取蓄熱水箱供熱。閥門V1、V2關閉，閥門V3、V4開啟。循環泵P1、P2關閉，P3、P4開啟。

③ 運行模式3。在極端寒冷天氣，建筑物耗熱量超過設計熱負荷，采取電極鍋爐、蓄熱水箱聯合供熱。閥門V1～V4開啟，循環泵P1～P4開啟。

④ 運行模式4。在極端寒冷天氣，蓄熱水箱放熱結束后，仍無法滿足用戶熱負荷時，采取電極鍋爐直接供熱。閥門V3關閉，閥門V1、V2、V4開啟，循環泵P1、P2、P4開啟，P3關閉(走旁通)。

⑤ 運行模式5。在供暖期未開始前，采取蓄熱水箱單獨蓄熱，將熱量儲存在蓄熱水箱內，待供暖期開始后使用。閥門V1～V3開啟，V4關閉。循環泵P1、P2開啟，P3、P4關閉。

3 電價與熱價的制定

電價、熱價的制定采用了多邊交易方式。在多邊交易過程中，當地政府負責協調項目各方，并督促執行。

熱源廠用電電價遵循當地大工業用電分時電價(見表2)。月容量費為22 元/(kV·A·月)。按照上述用電價格及月容量費測算，項目將嚴重虧損。因此，需要項目各方通過多邊交易(涉及熱源投資公司、風電場、電網公司、供熱公司等)降低熱源廠用電電價。

在平峰電價不變的基礎上，風電場對熱源廠低谷用電電價在原0.254 1 元/(kW·h)基礎上讓渡0.24 元/(kW·h)后，降至0.014 1 元/(kW·h)，并由電網公司向熱源廠進行結算。電網公司負責熱源廠供配電系統的建設，以收取容量費形式回收建設成本。熱源廠以27 元/(m2·a)的熱價將熱出售給供熱公司，供熱公司以23.2 元/(m2·a)的平均熱價向居民收費，虧損部分由當地政府補貼。

4 經濟性評價與敏感性分析

4.1 經濟性評價

① 項目造價

一期工程總造價為9 500×104元。其中電極鍋爐、蓄熱水箱、循環泵、換熱器等設備造價為4 800×104元，蓄熱水箱基礎等土建施工費用為1 800×104元，工程安裝和各種材料(含保溫材料)費用為1 000×104元，高壓電纜、高低壓配電柜和控制柜造價1 500×104元，室內消防通風防火等配套設備造價為200×104元，設計、勘察、監理及其他費用為200×104元。

② 項目年收益

熱源廠出售給供熱公司的熱價為27 元/(m2·a)，供熱面積按100×104m2計算，可計算得到項目年收益為2 700×104元/a。

③ 項目年支出

根據表1數據及供暖期時間，可計算得到不同室外溫度對應的延續時間及對應的熱負荷[12]。考慮熱網熱損失為3%，由此可計算得到，聯合供熱系統供暖期總供熱量為4.44×105GJ/a。電極鍋爐熱效率仍取98 %，可計算得到電極鍋爐年耗電量為12.6×104MW·h/a。

循環泵的耗電量計算比較復雜，參考傳統供熱系統的循環泵耗電量[13-14]，結合電供熱系統循環泵運行特點，循環泵耗電量按電極鍋爐耗電量的2%計算。可計算得到，循環泵的年耗電量為2 520 MW·h/a。由以上數據，可得到項目年耗電量為12.852×104MW·h/a。

考慮到在供暖期極端寒冷天氣時，電極鍋爐將在平電時段開機運行。電極鍋爐的耗電量中有98%為低谷電，其余2%為平電。循環泵耗電量中有40%為低谷電，其他耗電量中平峰電各占50%。根據平峰電價及讓渡低谷電價，可計算得到項目年電費為386.42×104元/a。

月容量費按照22 元/(kV·A·月)計算，實行每15 d申報1次(15 d的容量費取月容量費的50%)，則供暖期需申報10次容量費。供暖期申報容量及容量費見表4。由表4數據，可計算得到項目年容量費為1 051.6×104元/a。

表4 供暖期申報容量及容量費

供暖期的耗水量為3.5×104m3，水價按照2.2 元/m3計算，可計算得到項目年水費為7.7×104元/a。熱源廠配置6名工人，人均工資按6 000元/(人·月)計算，可計算得到項目年人員工資為43.2×104元/a。熱源廠年維護費用按30×104元計算。由以上數據，可計算得到項目年支出為1 518.92×104元/a。

④ 動態投資回收期

動態投資回收期np的表達式為[15]：

式中np——動態投資回收期，a

fin——項目年收益，元/a

fout——項目年支出，元/a

ic——基準收益率，取0.08

將已知參數代入式(3)，采用EES軟件，可計算得到該項目的動態投資回收期為9.85 a。項目使用壽命為25 a，由此可知，項目具有一定贏利空間。

4.2 敏感性分析

由經濟性評價結果可知，該項目目前具有一定贏利空間。但風電場對熱源廠低谷用電電價的讓渡幅度、熱價均為不穩定因素，因此筆者將這2個參數作為敏感性因素，對項目投資回收期的影響程度進行單因素敏感性分析。由敏感性分析結果可知，風電場對熱源廠低谷用電電價的讓渡幅度是最敏感因素，其次是熱價。

5 結論

以甘肅地區某供熱面積為100×104m2的熱源廠(以利用風電供熱為主，在供暖期絕大部分時間利用低谷電)為研究對象，在負荷分析基礎上進行設備選型，介紹工藝流程、運行模式及電價、熱價的制定，對項目進行經濟性評價和敏感性分析。熱源廠采用高壓電極鍋爐附加熱水蓄熱裝置(蓄熱水箱)的聯合供熱系統。按照電極鍋爐僅在谷電時段運行(即供暖期典型日全天用戶總需熱量，由電極鍋爐集中在谷電時段生產)，平峰電時段用戶需熱量由蓄熱水箱承擔的原則，對電極鍋爐的設計熱功率、蓄熱水箱有效容積進行計算選型。采用多邊交易方式，熱源廠低谷用電電價(在原低谷電價基礎上風電場進行讓渡)制定為0.014 1 元/(kW·h)，熱價(由熱源廠出售給供熱公司的熱價)制定為27 元/(m2·a)。此時，項目動態投資回收期為9.85 a，具有一定贏利空間。風電場對熱源廠低谷用電電價的讓渡幅度是影響動態投資回收期的最敏感因素，其次是熱價。