蓄熱電鍋爐供熱技術及工程應用

劉圣冠，喬 磊，翟鵬程，賀 凱，尚海軍，耿如意

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

近年來，受經濟下行壓力的影響，全國用電需求增速放緩，發電企業發電利用小時數下降明顯，電力產業和消費結構轉方式壓力不斷增大，電力供大于求的矛盾愈漸突出[1]。電能清潔無污染，實施“電能替代”有助于推動能源消費革命、落實國家能源戰略和促進能源清潔化發展，是穩增長、調結構、促改革、惠民生、促就業的重要舉措。穩步推進電能替代，有利于構建層次更高、范圍更廣的新型電力消費市場，擴大電力消費，消納富裕電力，帶動相關設備制造行業發展，拓展新的經濟增長點[2]。此外，我國風電、光伏等新能源電力裝機容量持續快速增長，為我們提供了大量清潔電力，但新能源發電出力的不穩定性和隨機性也給電力系統的安全運行和電力供應保障帶來了巨大挑戰。我國電力系統調節能力難以完全適應新能源大規模發展和消納的要求，“三北”地區棄風、棄光等問題較為嚴重，尤其在冬季供熱期，現有熱電聯產機組受限于“以熱定電”的運行方式，電網調峰異常困難，為保證居民供暖，風電、光伏機組被迫停機，致使風、光電和相關產業發展受到嚴重制約[3]。

在此背景下，考慮利用清潔電力供熱，并在電、熱兩個系統之間加入儲能（蓄熱）環節，實現熱力系統中熱負荷向電力系統中可控可調電負荷的轉換，一定程度緩解電網調峰和供熱矛盾，既保障供熱需求，又能減少棄風棄光電量，提高風光電設備利用小時數，促進風光電及相關產業健康發展[4]。

1 蓄熱電鍋爐供熱概況

蓄熱電鍋爐按照蓄熱方式的不同，可以分為水蓄熱、固體蓄熱及相變蓄熱3 種類型。水蓄熱將熱能以熱水形式儲存在水罐（箱）中，蓄熱水罐的容積決定了儲能的容量大小，分為常壓和承壓兩種，因為水的密度較小，大容量儲能需要配備的水罐容積較大。固體蓄熱以固體蓄熱材料為儲熱介質，通過電發熱元件將固體蓄熱材料加熱，使熱能以顯熱的形式儲存在固體蓄熱材料中，再通過熱風或高溫水將熱量傳遞出來，此種方式儲熱溫度高，蓄熱裝置占地面積小。相變材料蓄熱以固液相變材料為儲熱介質，利用“固、液”變化吸收或釋放的相變熱進行儲熱，并通過板式換熱器把熱量交換到二次側，蓄熱材料密度高，儲熱量大[5]。各類型蓄熱電鍋爐供熱特點對比見表1。

表1 蓄熱電鍋爐供暖系統特點對比Tab.1 The characteristics of different energy storage electric boiler heating systems

2 水蓄熱電鍋爐供熱技術

2.1 系統構成

水蓄熱電鍋爐系統主要包括電鍋爐、蓄熱水罐和供熱管網3 部分：電鍋爐負責將電能轉化成熱能作為供熱熱源；蓄熱水罐負責將電鍋爐產生的部分熱能儲存起來，待電熱鍋爐停運時替代后者對外釋放熱能；供熱管網（含板式換熱器和循環泵等設備）負責按需將熱源處的熱量送給熱用戶。

電鍋爐按加熱方式分為電阻式鍋爐和電極式鍋爐，相較而言，電極鍋爐電熱轉換效率更高，壽命更長，使用范圍更廣。電極鍋爐工作時將電極插入水中，利用水的高熱阻特性，直接將電能轉換為熱能，能量損失極小。

圖1 為蓄熱水罐示意。蓄熱時，熱水從上端水管進入，冷水從下端水管排出，過渡層下移；放熱時，熱水從上端水管排出，冷水從下端水管進入，過渡層上移。蓄熱罐工作實質就是其蓄熱和放熱過程，保證其進出口水量平衡，維持液面穩定，使其處于最大工作能力。工程實踐中，為避免罐內的水溶解氧進熱網，降低熱網水質，通常往蓄熱罐內液面頂部充入蒸汽（或氮氣），保持微正壓，使蓄熱罐內的水和空氣隔離[6]。

2.2 供熱原理

水蓄熱電鍋爐供熱具有電鍋爐純蓄熱、電鍋爐邊蓄邊供、蓄熱水罐放熱和電鍋爐直供4 個典型工況，不同工況下的系統供熱原理如圖2 所示。

1）電鍋爐純蓄熱 此工況下，閥門1、3、4、5 開啟，閥門 2、6 關閉，電鍋爐處于運行狀態，且二次系統和三次系統隔離，沒有換熱。電鍋爐制取的熱量通過鍋爐側板式換熱器和二次系統進行換熱，從而將能量從一次系統傳遞到二次系統中。二次系統的能量以熱水的形式儲存于蓄熱水罐中，水罐蓄熱時，進、出水按圖中虛線箭頭線指示方向。

2）電鍋爐邊蓄邊供 此工況下，圖中所有閥門全部開啟，電鍋爐處于運行狀態。電鍋爐制取的熱量通過鍋爐側板式換熱器和二次系統進行換熱，從而將能量從一次系統傳遞到二次系統中；二次系統獲取的能量分兩部分，一部分以熱水的形式儲存于蓄熱水罐中，水罐蓄熱時，進、出水按圖中虛線箭頭線指示方向，另一部分通過換熱站和三次系統（熱用戶）進行換熱，從而將能量從二次系統傳遞到三次系統中，實現對外供熱。

3）蓄熱水罐放熱 此工況下，閥門2、3、4、6 開啟，閥門1、5 關閉，電鍋爐處于停運狀態，一次系統和二次系統隔離，沒有換熱。蓄熱水罐通過換熱站和三次系統（熱用戶）進行換熱，從而將能量從二次系統傳遞到三次系統中，實現對外供熱[7]。水罐放熱時，進、出水按圖中實線箭頭線指示方向。

4）電鍋爐直供 此工況下，閥門1、2、5、6開啟，閥門3、4 關閉，電鍋爐處于運行狀態。電鍋爐制取的熱量通過鍋爐側板式換熱器和二次系統進行換熱，從而將能量從一次系統傳遞到二次系統中；二次系統的蓄熱水罐被隔離，獲取的能量通過換熱站和三次系統（熱用戶）進行換熱，從而將能量從二次系統傳遞到三次系統中，實現對外供熱。

2.3 運行方式

根據蓄熱的時長或階段，蓄熱電鍋爐系統運行方式可分為全谷電運行和谷電+平電運行，運行方式不同，蓄熱電鍋爐系統的容量配置也不同。

1）全谷電運行方式 即電鍋爐僅在低谷電時段開啟并蓄熱，此方式下要求低谷電時段蓄熱量能夠滿足平峰電時段的全部供熱量需求，電鍋爐容量和蓄熱罐容量需求大，設備占地面積和初投資較大，但運行費用較低。

2）谷電+平電運行方式 電鍋爐主要在低谷電時段開啟并蓄熱，僅當供熱需求旺盛時，利用部分平電運行，補充熱量。此方式下，低谷電時段蓄熱量小于平峰電時段需求的全部供熱量；相比全谷電運行方式，電鍋爐容量和蓄熱罐容量相對較小，設備占地面積和初投資較小，但運行費用較高[8]。

3 設計容量計算

水蓄熱電鍋爐系統設計容量與系統設計運行方式有關，本文針對全谷電運行方式，提出了一種新的計算方法。

3.1 計算流程

水蓄熱電鍋爐設計容量計算流程如圖3 所示。首先，依據一天內的熱負荷變化對日負荷進行分段，要求可與峰谷平電時段對應；其次，擬定逐時負荷率，在供熱面積和供熱指標確定的情況下，計算低谷電時段、峰平電時段及全天總的所需熱負荷；然后，根據峰平電時段熱負荷，確定蓄熱水罐的總設計容量，根據全天總熱負荷確定電鍋爐的總設計容量；最后，根據市場常用設備規格及項目現場實際情況配備選型，確定最終的單臺鍋爐和蓄熱罐容量及臺數。

3.2 電鍋爐設計容量計算

全谷電運行方式下，電鍋爐僅在低谷電時段開啟并蓄熱。針對典型設計日供暖負荷，先根據負荷變化劃分不同時間段，再依據負荷規律擬定逐時負荷率，具體見表2。表2 中平、峰、谷電時段劃分及負荷率可根據項目地點實際情況調整。

表2 各時間段負荷率Tab.2 The load rate for each time period

每日所需總蓄熱量和對外總供熱量的計算如下：

式中：Qzxr為每日所需總蓄熱量，kW·h；Qzgr為每日對外總供熱量，kW·h；PO為電鍋爐總設計容量，kW；S為供熱面積，m2；qo為供熱指標，W/m2；Qpf為每日平峰電時段總熱負荷，kW·h；Qg為每日低谷電時段總熱負荷，kW·h；為電鍋爐效率，%；為電鍋爐系統熱損失系數，無量綱。

3.3 蓄熱水罐設計容量計算

由上文可知，每日蓄熱水罐所需總蓄熱量等于每日平峰電時段總熱負荷。

式中：Vwater為蓄熱水體積，m3；T1為蓄熱溫度，℃；T2為蓄熱水罐回水溫度，℃；n為系統的熱損失系數，無量綱；Vyx為儲熱罐有效容積，m3；為有效容積系數，無量綱；Vz為蓄熱罐總容積，m3。

3.4 簡便計算

為了方便水蓄熱電鍋爐系統的配置選型，作者編制了一款專門計算軟件，該軟件采用C#進行軟件編制，可在windows/XP 系統下運行，只要輸入供熱基礎數據，蓄熱罐蓄、放水溫度和設備效率及系統熱損率，即可快速簡便地計算出電鍋爐及蓄熱罐的設計容量，為蓄熱電鍋爐系統的選型配置提供了極大便利。圖4 和圖5 為利用該軟件計算的實例。

4 應用實例與分析

4.1 工程簡介

甘肅省在新能源發展中存在突出的棄風棄光問題，新能源消納能力成為制約當地可再生能源發展的關鍵因素，故當地政府積極推廣“電能替代”，大力推進清潔能源供熱[9-10]。該省某縣城老城區集中供熱面積160 萬m2（近期沒有新增負荷），熱源為一座燃煤鍋爐房，配備2×29 MW+1×58 MW 共3 臺鏈條爐排燃煤鍋爐；2019 年經當地政府審批，進行清潔能源（煤改電）集中供熱改造，新建一座電極鍋爐（帶蓄熱）房，完全替代原燃煤鍋爐承擔該縣城老城區的集中供熱。圖6 為該工程項目示意。

4.2 主設備選型

當地設計綜合熱指標為48 W/m2，蓄熱水罐采用常壓式，蓄熱溫度為90 ℃，蓄熱罐冷水溫度為55 ℃。采用前文所述方法計算蓄熱電鍋爐系統設計容量，本工程的計算結果如圖4 和圖5 所示。由圖4 和圖5 可以看出，本工程電鍋爐設計總容量為158 836.36 kW，蓄熱罐總容積為27 299.84 m3。

根據市場調研，目前國內單臺熱水電極鍋爐最大容量可達80 MW 甚至更大，但實際應用過程中，單臺容量鮮有超過40 MW，故本工程電極鍋爐單臺容量擬定為40 MW；蓄熱罐必須具備明顯的過渡層，才能很好地蓄熱和放熱，故應盡量提高罐體的高徑比，但高徑比越大，投資越大，根據同類項目工程經驗，最佳高徑比接近于1，故擬定單臺蓄熱罐容積為10 000 m3，尺寸為Φ24.0 m×22.5 m。綜上，本工程需裝機4×40 MW 電極鍋爐+3×10 000 m3蓄熱水罐，考慮提高供熱安全性和可靠性，增設1 臺10 000 m3蓄熱水罐，作為備用。

4.3 高壓側接線

本工程電極鍋爐供電電壓為10 kV，引自附近110 kV 變電站，共配備14 臺10 kV 高壓開關柜，高壓側分四段母線接入，其中A、D 段母線各接4 臺開關柜，對稱分布，接線一致，如圖7 所示。B、C 段母線各接3 臺開關柜，對稱分布，接線一致，接線如圖8 所示。

4.4 能源價格

為鼓勵清潔能源供熱，當地采暖電價采用大工業直購電交易模式（電價分為基本電價和直購電價兩部分），并針對直購電價部分給予調減0.207 8 元/(kW·h)的優惠政策。用電價格明細見表3。

表3 用電價格明細 單位：元/(kW·h)Tab.3 The electricity price details

另外，采暖用水價格在當地工業用水價格基礎上，給予0.80 元/t 的優惠，為2.75 元/t；當地民用供熱價格為25 元/m2，商用供熱價格為29 元/m2。

4.5 工程評價

該工程項目靜態總投資約10 500 萬元，建設期4 個月，建設當年投用，年凈收益約1 200 萬元，稅后財務內部收益率為10.3%，投資回收期為9 年。本項目投用后，年消納風（光）電量總計17 964.06 萬kW·h，具體見表4。

表4 項目投運消納新能源電量 單位：萬kW·hTab.4 The consumption of new energy electricity after the project is put into operation

本項目投產后，原燃煤鍋爐停運，年供熱量為854 245 GJ，其節約燃料及減少污染物排放情況見表5。

表5 該工程項目節煤減排結果 單位：萬t/aTab.5 The results of coal saving and emission reduction ofthe project

5 結 論

1）蓄熱電鍋爐系統供熱技術成熟，合理設計和運營能夠實現盈利。

2）蓄熱電鍋爐系統政策環境良好，且節能環保，有利于改善大氣環境。

3）蓄熱電鍋爐系統既可以起到“移峰填谷”的作用，提高電網的負荷率，使電網的運行更為經濟合理，又能消納風光電量，促進風光電及相關產業健康發展，市場發展潛力巨大，值得推廣應用。