利用光伏發電集中供熱的環保經濟性分析

周營營, 徐 文

(青島開源熱力設計研究院有限公司, 山東 青島 266071)

1 概述

我國能源消費結構向清潔低碳加快轉變。初步核算,2019年煤炭消費占能源消費總量比例為57.7%,比2012年降低10.8個百分點。天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量比例為23.4%,比2012年提高8.9個百分點。非化石能源占能源消費總量比例達15.3%,比2012年提高5.6個百分點。新疆地域遼闊,太陽能、風能資源豐富,開發潛力巨大,為光伏發電技術在集中供熱系統的應用提供了有利條件。電能具有清潔、安全、便捷等優勢,在供熱領域實施煤改電對推動能源消費革命、落實國家能源戰略、促進能源清潔化發展意義重大。

本文結合工程實例,對利用光伏發電的電極鍋爐+水蓄熱系統的環保經濟性進行分析。

2 工程概況

新疆某小區供熱面積為50×104m2,設計熱負荷24 MW。目前采用燃煤鍋爐房作為熱源。燃煤鍋爐房面臨設備陳舊、熱效率低、能源浪費、污染物排放嚴重等問題,亟待改造。改造采用電極鍋爐+水蓄熱系統作為熱源。供暖室外計算溫度為-22.2 ℃,供暖室內設計溫度為18 ℃。項目所在地分時電價見表1。

表1 項目所在地分時電價

利用供暖期最大熱負荷利用時間計算系統供暖期供熱成本,供暖期最大熱負荷利用時間th的計算式為[1]:

(1)

(2)

(3)

式中th——供暖期最大熱負荷利用時間,h

td——日供暖時間,h,取24 h

t——供暖期總供暖時間,d,本文為183 d

β、b——系數

θin——供暖室內設計溫度,℃,本文取18 ℃

θo,av——供暖期室外平均溫度,℃,本文為-7 ℃

θo,c——供暖期室外計算溫度,℃,本文為-22.2 ℃

據統計，目前半結構化和非結構化數據占當前社會數據總量的80%以上，已有的傳統的數據結構已經無法準確的描述它們。因此，將數據組織成易于處理的結構，進行數據集成是大數據處理面臨的一個重要難題。不完整性是指在大數據常常包含一些屬性值缺失的和錯誤的數據。在進行大數據分析處理之前，必須對數據的不完整性進行有效處理才能分析出有價值的信息。

將已知參數代入式(1)～(3),計算得到供暖期最大熱負荷利用時間為2 907 h。

3 電極鍋爐+水蓄熱系統

3.1 工藝流程

電極鍋爐是利用水的高熱阻特性,直接將電能轉換為熱能的一種設備[2]。目前,電極鍋爐使用電壓等級一般在10 kV左右,從配電柜將10 kV電源進線接入電極鍋爐,通過自控系統,完成負荷控制、出水溫度控制、其他輔助控制。

水蓄熱技術基于水的自然分層原理,利用水在不同溫度時密度不同的特性,通過布水系統使不同溫度的水利用密度差分層,從而避免冷水和熱水混合造成熱量損失、蓄熱效率降低[3]。布水裝置是蓄熱罐的核心部件,通過精確計算和布置設計,可控制水流平穩進入、引出蓄熱罐,減少水的擾動,降低斜溫層厚度,從而提高蓄熱罐有效蓄熱容積。

電極鍋爐+水蓄熱系統流程見圖1。由圖1可知,電極鍋爐出水溫度為120 ℃,經鍋爐換熱器將蓄熱罐出水、二級換熱器回水均由65 ℃加熱至90 ℃。鍋爐換熱器二級側出水一部分進入蓄熱罐,另一部分進入二級換熱器加熱熱網回水。熱網供、回水溫度為85、60 ℃。

圖1 電極鍋爐+水蓄熱系統流程

邊蓄邊供熱工況:鍋爐循環泵、蓄熱循環泵、放熱循環泵、二級循環泵工作,閥門V1、V2開啟。

蓄熱罐放熱工況:電極鍋爐停止運行,鍋爐循環泵、蓄熱循環泵關閉,閥門V1、V2關閉,放熱循環泵、二級循環泵工作。蓄熱罐進出水管道上,左邊箭頭表示邊蓄邊供熱工況,右邊箭頭表示蓄熱罐放熱工況。

3.2 運行模式

電極鍋爐+水蓄熱系統運行模式見圖2。由圖2可知,邊蓄邊供熱工況:9:00—16:00電極鍋爐及各循環泵均消耗光伏電。蓄熱罐放熱工況:16:00—次日9:00電極鍋爐停止運行,利用蓄熱罐放熱供熱,放熱循環泵、二級循環泵消耗市電。

圖2 電極鍋爐+水蓄熱系統運行模式

3.3 設備選型

蓄熱罐內熱水溫度90 ℃、冷水溫度65 ℃,蓄熱量408 MW·h。蓄熱罐總容積V的計算式為:

(4)

式中V——蓄熱罐總容積,m3

Q——蓄熱量,MW·h

ρ——水密度(按蓄熱罐冷熱水平均溫度選取),kg/m3,取974 kg/m3

cp——水比定壓熱容,J/(kg·K),本文取4 200 J/(kg·K)

Δt——冷熱水溫差,℃

由式(4)可計算得到蓄熱罐總容積為14 362 m3。因此,選取4臺容積為3 600 m3的常壓蓄熱罐。主要設備額定參數見表2。

表2 主要設備額定參數

4 環保經濟性

根據供暖期最大熱負荷利用時間、電極鍋爐+水蓄熱系統運行模式、分時電價,計算得到電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期耗電量及電費,見表3。由電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期電費,可計算得到項目單位供熱面積能源成本為35.3 元/m2。從經濟角度出發,項目供熱成本偏高。因此,相關部門應積極推進清潔能源供熱項目實施,并出臺電價優惠政策。

表3 電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期耗電量及電費

將電極鍋爐+水蓄熱系統與燃氣鍋爐房進行環保性比較。燃氣鍋爐熱效率取95%,天然氣低熱值取36.63 MJ/m3,可計算得到燃氣鍋爐房供暖期耗氣量為721.8×104m3。電網單位發電量的二氧化碳排放因子取0.541 t/(MW·h)。政府間氣候變化委員會公布的單位熱量缺省二氧化碳的排放因子為56.1 t/TJ,天然氣低熱值為36.63 MJ/m3,則單位體積天然氣的二氧化碳排放因子為2.055 kg/m3。光伏發電的二氧化碳排放因子為0。由以上數據及電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期耗市政電量與燃氣鍋爐房供暖期耗氣量,忽略燃氣鍋爐房耗電的碳排放量,可計算到電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期碳排放量為135.25 t,燃氣鍋爐房供暖期碳排放量為14 832.99 t。

與燃氣鍋爐房相比,電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期碳排放量減少99.1%。因此,電極鍋爐+水蓄熱系統的環保效益明顯。若考慮碳排放權交易收益,項目的供熱成本將進一步降低。

5 結論

電極鍋爐+水蓄熱系統單位供熱面積能源成本為35.3 元/m2,供熱成本偏高。與燃氣鍋爐房相比,電極鍋爐+水蓄熱系統供暖期碳排放量減少99.1%。電極鍋爐+水蓄熱系統的環保效益明顯,若考慮碳排放權交易收益,項目的供熱成本將進一步降低。