风电供热固体蓄热电锅炉容量选择研究

韩 雪

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021)

当前，我国风电行业发展面临的突出矛盾仍然是弃风限电问题。拓展风电消纳新领域，提高风电就地利用能力，是提高风电消纳的最直接手段，如推广风电清洁供暖、开展风电制氢、风电淡化海水等新型就地消纳示范。

1 风电供热负荷

由于电网建设与电源建设不配套，导致蒙东电网是典型的“小负荷、大电源”送端型电网。现以蒙东某地区供热面积为10×104m2的节能住宅(供热设计热指标按照40 W/m2[1]，以下简称本工程)小区为例，在相同采暖热负荷的条件下，采用不同容量的固体蓄热电锅炉，对采暖期用电量、购电费用等方面进行分析研究，最后确定合理的蓄热电锅炉容量。

项目所在地原始气象参数见表1。

表1 项目所在地原始气象参数

热负荷的计算公式为：

式中：Qn为最大采暖热负荷，(MW)；qn为热负荷指标，(W/m2)；S为供热面积，(m2)；tB为室内取暖温度(按+18℃取)。

根据采暖热负荷公式计算分别得出采暖期最大热负荷、平均热负荷以及最小热负荷。由于气象资料的限制，仅绘制采暖热负荷近似曲线图，见图1。

图1 采暖热负荷近似曲线

2 固体蓄热电锅炉简介

蓄热电锅炉主要原理是利用午夜后低谷电将固体储热介质加热到数百度高温储存热量，非低谷时将热量按需要释放，以可调温的循环水供暖或供给生活用水，以达到24 h均衡供热的效果。用户在采暖同时，也达到了节省运行费用的目的。固体蓄热式电锅炉的重大创新在于采用固体储热材料和一体化结构设计，使用固体储能材料，大大提高了蓄热能力，对传统锅炉供热系统带来了革命性的突破，具有明显的优势。

目前国内开发的固体蓄热电锅炉型式，分为铁基固体合金材料蓄热和固体氧化镁砖材料蓄热。铁基固体合金材料只能使用380 V的低压电源作为加热电源，使用范围受限。固体氧化镁蓄热材料是以氧化镁为主要材料的砖体，其熔点为2540℃，沸点为3520℃，一般蓄热温度≤860℃，该材料的密度为3.2 g/cm3，比热容为0.30 cal/(g·℃)。本工程实例采用固体氧化镁砖高温蓄热电锅炉，最高蓄热温度达到720℃。

3 用电阶段的划分和电价政策

由于电网公司针对风电供热项目的用电执行大工业用户用电，每日根据不同的时间段，将用电分为用电峰段(7∶30～11∶30、17∶00～21∶00)、 用 电 谷 段(22∶00～ 次 日5∶00)、用电平段(5∶00～7∶30、11∶30～17∶00，21∶00～22∶00)三个用电阶段。根据大工业用户的用电电价，分为电度电价和基本电价(也称“容量电价”)，按照不同的用电时段，电度电价分别为：用电峰段电价(Vf= 0.7605元/kWh)、用电谷段电价(Vg= 0.2535元/kWh)、用电平段电价(Vp= 0.507元/kWh)；基本电价为19元/kVA月(按照供电变压器容量)，采暖期按照100%收取，非采暖期按照50%收取。

从电网公司电价政策可以看出，电网谷段电价最低，如果电锅炉利用谷段蓄热，能达到节约用电成本的目的。因此，考虑利用电网谷段时的弃风电力，作为蓄热电锅炉的加热用电。

供热用电综合电价的计算公式如下：

综合电价

平均电度电价计算公式：

式中：Vdd为平均电度电价，(元/kWh)；V为综合电价，(元/kWh)；ef为峰段用电比例，等于峰段用电负荷/热力站总用电负荷，(%)；ep为平段用电比例，等于平段用电负荷/热力站总用电负荷，(%)；eg为谷段用电比例，等于谷段用电负荷/热力站总用电负荷，(%)。基本电价计算公式：

式中：Vjb为基本电价，(元/kWh)；n1为采暖期持续月，取6个月；p1为采暖期基本电价收费标准，取19(元/kVA/月)；n2为非采暖期持续月，取6个月；p2为非采暖期基本电价收费标准，取9.5(元/kVA/月)；P为变压器容量，按12 250 kVA选取；E为采暖期年用电量，(kWh/a)。

4 蓄热电锅炉容量的选择

4.1 蓄热电锅炉容量的计算

蓄热电锅炉加热容量计算公式：

式中：Q′为蓄热电锅炉选型，(MW)；tGD为电网用电谷段时间，(h)；Q为采暖期热负荷，(MW)；其中，固体蓄热电锅炉谷段7 h蓄热，连续24 h放热。

根据上述公式计算得出不同采暖热负荷对应的蓄热电锅炉的容量，不同蓄热电锅炉的容量选型见表2。

表2 不同蓄热电锅炉容量选型

合理的蓄热电锅炉容量选择是在充分考虑大量利用谷段电力的同时采用部分量蓄热，按照部分量蓄热模式经过合理优化后，确定电锅炉的总容量。这样，当实际采暖热负荷在平均采暖热负荷以上时为部分量蓄热，当实际采暖热负荷在平均采暖热负荷以下时为全容量蓄热。

不同容量的蓄热电锅炉对应的运行曲线分别见图2、图3和图4。对于蓄热总容量10 MW和12 MW的蓄热电锅炉，当实际采暖热负荷大于选取的蓄热锅炉对应的热负荷时，会采用部分平段电。2×6.86 MW固体蓄热电锅炉为全容量蓄热，即实际采暖热负荷在不考虑极寒天气5 d(120 h)的情况下，全部采用谷段用电。

图2 采用2×5.0 MW固体蓄热电锅炉运行曲线

图3 采用2×6.0 MW固体蓄热电锅炉运行曲线

图4 采用2×6.86 MW固体蓄热电锅炉运行曲线

上述不同容量的固体蓄热电锅炉的基本数据见表3。

表3 不同容量固体蓄热电锅炉基本数据

4.2 蓄热电锅炉用电计算

通常情况下，与固体蓄热电锅炉配套建设的建筑物及附属设施包括：电锅炉间、水泵间、配电间、控制室、以及配置的相关附属建筑物。电锅炉间内布置蓄热电锅炉，包括蓄热电锅炉本体及电锅炉取热风机、按照厂家要求可能布置电锅炉控制柜；水泵间内布置热网循环水泵、排污过滤器、根据工程需要，若管网需要补水，还需设置热网循环水处理装置及热网补水泵；必要的附属建筑物包括控制室和配电间；附属建筑物还需设置值班室、卫生间及厨房等。由于每个工程的外围条件都不同，因此本工程实例采暖期的用电量仅根据固体蓄热电锅炉的取热和放热的用电量进行对比。

热力站的总用电负荷的计算公式：

热力站的自用电负荷的计算公式：

热力站自用电率的计算公式：

热力站综合热效率计算公式：

式(7)～(12)中：P为总用电负荷，(kWh)；Pzy为热力站自用电负荷，(kWh)；H(1～3)为采暖期峰段、谷段、平段电分别持续的时间，(h)；ηzy为热力站自用电率，(%)；η为热力站综合热效率，(%)；ηgl为蓄热电锅炉本体热效率，(%)；ηsr为蓄热电锅炉散热损失(按1%选)，(%)；ηgd为热力站管道效率(按99%选)，(%)；Qa为采暖期对外供热量，(GJ/a)；T为采暖期小时数，(h)；E为采暖期年用电量，( 104kWh/a)。

选取不同容量的电锅炉，对应的采暖期的综合热效率、用电量、平均电价、综合电价也不同。根据公式计算得出，不同热负荷计算得出的蓄热电锅炉的容量对应的数据见表4。

热力站采暖期对外供热量计算公式：

采暖期年用电量：

表4 不同容量蓄热电锅炉对应相关数据

热力站通常位于建筑物附近，这样能有效地减少热能的损失。但风电场大都位于城镇的郊区部分，特殊的地理位置决定了无法通过风电场直供电给热力站。现有的运行方式大都是风电场发电并入电网，热力站直接从就近的电网终端杆取电。根据表4得出热力站的采暖期用电量约1278.51×104kWh，其中利用电网低谷时段的弃风电量约为1224.81×104kWh，按照装设50 MW风电机组计算，热力站整个采暖期的用电量约占风电场装机容量的1/4左右，风电场完全能够满足热力站的用电要求，且相应提高风电场的年等效利用小时数约244.9 h，形成的风电场经济效益是十分可观的。

4.3 蓄热电锅炉容量的确定

一般情况下，固体蓄热电锅炉使用年限为25 a，对于相同的供热负荷，相同的供热面积，蓄热体的重量越大，其设备的尺寸就越大，热力站厂房的体积就越大，相应的投资就越大。通过上述在相同供暖热负荷条件下的对比分析，结合相关用电电价政策，选择不同容量的蓄热电锅炉，在采暖期的热效率、用电量基本相同，只是在电价上有差异。

采用2×6.86 MW固体蓄热电锅炉虽然能充分利用谷段电全容量蓄热，但在厂房占地、设备成本、设备后期维护费用都会相应的增加。采用2×5.0 MW固体蓄热电锅炉虽然节省了厂房占地和设备成本，但谷段电的利用率不高，未能充分利用谷段的低电价电量，使得整个采暖期内的总电价过高。而采用2×6.0 MW固体蓄热电锅炉，厂房占地上比大容量的蓄热电锅炉小，设备的成本费用居中，而且充分利用谷段电。结合工程综合造价和设备维护费用等因素考虑，选取容量为2×6.0 MW的固体蓄热电锅炉最经济。

5 结语

合理选择蓄热电锅炉的容量至关重要，直接影响整个项目的造价和经济运营。本文结合供热工程实例，对同一供热地点，在相同采暖热负荷条件下，结合相关用电电价政策，选择不同容量的蓄热电锅炉，对比分析了采暖期用电量、购电费用等要素，从而合理选择了蓄热电锅炉容量，可以为类似工程提供借鉴。

参考文献:

[1] CJJ 34－010，城镇供热管网设计规范[S]．

[2] GB 50019－2015，工业建筑供暖通风与空气调节设计规范[S]．

[3] 国家发展计划委员会，国家经济贸易委员会，建设部．热电联产项目可行性研究技术规定[Z]．北京：2001．