低谷電相變儲熱技術在凈水廠中的應用

周楠楠，楊 旭

(1.天津泰達水業有限公司 天津300457；2.天津開發區三友新科技開發有限公司 天津300457)

0 引 言

天津開發區某凈水廠總建筑面積為28231m2，其中廠房一面積為19930m2；廠房二面積為4401m2；新建營房面積為3900m2。凈水廠廠房內設有自來水水池及輔助設備，為保證冬季水池內不結凍，廠房內裝有采暖系統，采用市政供熱系統作為熱源，末端采用散熱器(采暖收費單價為40元/m2)。

由于生產需求，廠房內溫度需使水池不結冰，一般保持在7℃以上，供暖所需熱量極少。然而市政供熱是按照采暖面積進行供暖期的統一收費，在采暖期室外溫度大于7℃、廠房不需要供暖時，仍需采暖交費，使得工廠付出高額的采暖費用，同時造成了大量熱能的浪費。

1 低谷電相變儲熱技術

1.1 技術原理

谷電時間段電鍋爐將一次系統水加熱成高溫熱水(90℃)，在維持車間防凍保溫采暖的同時將高溫熱水的熱量儲存到熱庫中，熱庫中的納米無機鹽由固態相變為液態儲存潛熱熱量[1]；在峰電時間段熱庫中的無機鹽由液態相變為固態釋放儲存的潛熱熱量給車間供暖；在平價電時間依據室外溫度及鍋爐出水溫度判斷鍋爐開啟臺數給熱庫充熱及車間采暖。個別極端天氣采用平電補充。

1.2 技術優點

低谷電相變儲熱技術建設費用及運行費用顯著低于市政供暖，而且具備以下優點：

①零排放，谷電應用，清潔環保；

②零風險，系統常壓運行，控制相對容易，安全可靠[2]。

③自動運行，智能化設計，實時自動調整運行狀態，以達到最優動態節能。

④實時監控，可通過節能系統監控平臺，實時監控項目運營數據。

⑤模塊化建設，可分期分批投入建設。

2 項目實施

凈水廠采用的是峰、谷、平電價付費，時間分布如表1所示。

表1 峰谷平用電時間及電價明細Tab.1 Electricity time and electricity price details of peak valley electricity

考慮凈水廠用電策略及運行管理等因素，本項目采用電采暖蓄熱系統對兩個廠房進行供暖改造，水廠辦公樓和老武警宿舍依舊采用市政供暖。蓄熱器采用鹽蓄熱設備，蓄熱體積為19m3。

圖1 改造后低谷電相變儲熱技術工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-valley electric phase change heat storage technology after transformation

采暖改造工程于2017年10月8日正式啟動，工程分為3部分，即鋪設采暖管道、建彩鋼房和安裝鹽蓄熱設備。由于氣溫逐漸轉涼，日間時長逐漸縮短，施工難度不斷加大，在保證工程安全、質量、進度的前提下，于11月4日完成辦公區域的采暖改造，12月7日實現鹽蓄熱設備手動運行，12月25日實現鹽蓄熱設備自動運行。改造后，將辦公區采暖與生產區供暖進行有效分離，生產區無人值守，采暖溫度要求不高，采用低谷電相變儲熱技術供暖，滿足室內溫度7℃以上標準，實現了整個水廠分區域、分時段供暖。改造后低谷電相變儲熱技術工藝如圖1所示。

3 采用低谷電相變儲熱技術的經濟效果

3.1 改造前市政采暖費用

由表2可知，2017年采暖收費標準改變后，凈水廠冬季采暖費用大幅度增加，相比原采暖費用，每月增加17.56萬元，每年增加87.8萬元。

3.2 采用低谷電相變儲熱技術供暖后費用核算

鹽蓄熱設備從2017年12月7日開始上電運行，截止2018年3月21日，合計耗電1159800kW·h。其中，2017年12月7日～2017年12月25日為手動運行階段，全天24h運行；2017年12月26日～2019年3月21日為自動運行階段，每天按照程序設定時段自動加熱。用電及費用情況如表3所示。

表2 市政新舊采暖收費標準Tab.2 Municipal old and new heating charge standard

表3 低谷電相變儲熱技術運行各階段耗電及費用情況Tab.3 Electricity consumption and cost at various stages of operation of low-valley electric phase change heat storage technology

由表3可知，2017年12月7日～2018年3月21日，供暖共105d，折合3個半月，運行總費用為705658元，平均每月費用201617元。

此外，辦公樓和老武警宿舍本采暖季每月市政供暖費用為31519.22元；水廠(含辦公區和生產區)每月采暖費用為：201617+31519.22＝233136.22元。

3.3 低谷電相變儲熱技術改造前后費用對比分析

通過3.1和3.2兩部分的計算，得到低谷電相變儲熱技術改造后運行費用與按2017年采暖收費標準運行費用對比情況如表4所示。

表4 低谷電相變儲熱技術投運后費用比對Tab.4 Cost comparison after commissioning of low-valley electric phase change heat storage technology

由表4可以看出，改造后每月可節省費用為43.22-3.15-20.16＝19.91萬元，本采暖季節省費用為216.1-86.32＝129.78萬元。而且，由于本采暖季有18d進行設備上電調試，24h加熱，電耗較高，待明年平穩運行，低谷電相變儲熱技術每月運行費用預估還會降低。

此外，鹽蓄熱設備后期每年維修維護成本約5萬元。

4 優化運行探索

通過近一個采暖季的運行摸索，鹽蓄熱設備可以通過以下方式減少耗電量，節約運行成本：

①每年11月(供暖季伊始)，根據實際氣溫情況和車間7℃以上供暖需求，可延遲低谷電相變儲熱技術開機時間。

②每年3月，隨著氣溫的不斷回升，根據實際情況可提前關閉鹽蓄熱設備。

③低谷電相變儲熱分兩個時段加熱，平價電時段13：00～18：00和谷電時段23：00～次日7：00。平價電時段加熱按溫度控制(可調整)，谷電時段加熱按時間控制。可通過調整一次側供水溫度設定值，進而調整下午平價時段的加熱時長儲熱，達到采暖和節電的目的。

5 問題總結

①鹽蓄熱設備晚上加熱8h，不能滿足全天24h供暖需要；在下午平價電時段補熱5h，增加了大量運行成本。

②在設備安裝調試過程中，由于設備到貨時間未按預期落實，耽誤了10d時間，增加了采暖管線被凍壞的風險，耗費了大量的電能。

③鹽蓄熱設備加熱時，當溫度在28～33℃會出現超壓問題，通過整改基本解決，但是超壓問題還是會偶爾出現，表明還沒有從根本上得到控制。

④電鍋爐線纜加熱時，線纜轉角匯聚處溫度達40～50℃，通過使用雙層橋架散熱、三相電源線捆扎等方式進行整改，但是局部幾個位置溫度仍處在40～50℃范圍，沒有完全解決。在運行過程中存在安全隱患。