谷电固体蓄热供暖方案的应用与分析

2020-04-03刘大玮

有色冶金节能 2020年1期

陈贶刘鹏刘大玮

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

随着电力价格体制改革和生态环保压力的加大，清洁能源供暖越来越受到重视。当前蓄热技术根据热载体不同主要分为水蓄热和固体材料蓄热两种[1]。水蓄热是将水加热到一定的温度，使热能以显热的形式蓄存在水中，当需要使用时，再将其释放出来，提供采暖或直接作为热水使用[2]，具有占用建筑面积太大、保温效果差、热效率低、控制系统繁琐以及锅炉管理系统要求严格等缺点。固体材料蓄热是把热量储存在蓄热砖内，蓄热砖的主要材质有氧化镁、铝镁氧化物、铬镁氧化物等，蓄热温度达到600～800℃，并且温度可随意设定，具有占地面积小、热利用效率高、操作控制简单且安全系数高等特点。而且得益于峰谷电价、西部地区电能过剩和“煤改电”的政策鼓励，清洁无污染的谷电固体蓄热供暖得到了广泛的应用。

谷电固体蓄热供暖的电能功率调节灵活多变，既能提供供暖服务，也能平衡电网峰谷差值，增加用电负荷，发挥调峰特性，提高已有电力设施利用率，避免能源的浪费，能应用于企业的喷涂、烘干、蒸汽、导热油、热水和民用建筑供暖供热领域。本文通过对新疆乌鲁木齐市某谷电固体蓄热供暖系统进行分析研究，证明其在高寒冷、低谷电价、生态脆弱等特定地域具有较好的推广价值。

1 蓄热功率计算和蓄热材质的选择

新疆乌鲁木齐市某谷电固体蓄热供暖项目用于小学供暖，需供暖总建筑面积为85 800 m2，要求一次网回水温度为55 ℃，经过蓄热体加热后水温为80 ℃，采用夜间谷电蓄热、全天放热供暖模式。

1.1 蓄热功率

按照国家标准规范[3]，采暖热指标按60 W/m2计算。当地谷电时间段为23：00—09:00和14:00—16:00，电价为0.09元/kWh。当地室内供暖温度按20 ℃考虑，实际采暖期天数约为165天，全天平均负荷率按70%考虑，通风系统用热折算系数取值65%。

1)日均总采暖热负荷按式(1)计算：

TH=S×qf×BOD×T/kj

(1)

式中：TH——日总负荷，kWh；

S——供暖面积,m2;

qf——供暖热指标，W/m2；

BOD——全天平均负荷率，%；

T——全天供热时间，取12 h；

kj——通风系统用热折算系数，%。

经测算日均总采暖热负荷为66 528 kWh。

2)全量蓄热模式下谷电蓄热锅炉的功率按式(2)计算：

N=TH×k/IH/η

(2)

式中：N——全量蓄热电热锅炉的功率，kW；

TH——日总负荷，kWh；

IH——蓄热时间，低谷电时间为12 h；

k——热损失附加率，取1.05；

η——电锅炉热效率，一般取0.98。

通过计算得出锅炉蓄热功率为5 940 kW。

1.2 蓄热材质的选择

新疆乌鲁木齐市某谷电固体蓄热供暖项目的蓄热体材质选用弱碱性耐火材料(含92%～97%铝镁氧化物)，抗碱性熔渣能力和耐火度较高，荷重软化温度高，并且具有热导率高、热容量高、导热系数高等特点，能实现热能的快速存储和快速释放。制作工艺可采用500 t以上的压力机械直接压制成高密度、蓄热能力大的标准蓄热块，再按一定规则砌筑成相应容量的固体蓄热锅炉，能长时间经受800 ℃高低温循环后不开裂变形、不粉化，使用寿命达20年以上，且整体造价成本较低[4]。

2 谷电固体蓄热锅炉系统

新疆乌鲁木齐市某谷电固体蓄热供暖项目固体蓄热电锅炉系统由包括蓄热结构体、供暖系统、供电系统和控制系统等。

2.1 蓄热锅炉本体结构

固体蓄热电锅炉由蓄热体、外壳、底座、风道、换热装置、循环风机、保温材料和一次网水加热系统等组成，如图1所示。

图1 固体蓄热锅炉本体结构

1)蓄热体。由标准蓄热块按一定排列方式砌筑而成，每个蓄热块上设置若干个纵向贯穿孔洞和横向贯穿孔洞，横向贯穿孔用于加热丝安放，纵向贯穿孔作为循环热风风道。加热丝选用耐高温的镍铬合金材质，可长时间承受950 ℃高温不损坏，发热丝表面电流密度低且与空气隔绝，不氧化，反复加热工作寿命可达10 000 h。

2)底座结构。蓄热锅炉采用高承载力不锈钢底座结构，底座兼作风道，变频控制的离心风机和一次网水加热系统分别设置于底座两端，确保整个热风循环系统在蓄热锅炉内封闭循环，提高热利用效率。

3)接线方式。蓄热锅炉接线端子设置于蓄热锅炉顶部，接线端子直接与加热丝连接，整个蓄热体按一定规则分为多个模块，加热丝也按模块组成相互独立的并联回路。该电气接线方式还能方便电加热丝的更换，不需拆除设备主体，能实现在不停止供热系统运行的前提下短时间内完成电热丝更换，维护和维修简单方便，避免在严寒天气因停炉带来管路结冰的隐患。

4)外壳。外壳选用多层保温板，内层保温选用纳米微孔颗粒保温板，导热系数极低；外层选用优质石棉保温板，具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性；最外层为耐腐蚀、抗老化且采用静电喷涂工艺的金属材质[5]。

2.2 蓄热供暖系统工作原理

谷电蓄热供暖系统采取间接连接供热方式，整个系统的管道均采用预制保温管，保温材料选用聚氨酯，外保护选用高密度聚乙烯外套。谷电蓄热供暖系统包括蓄热体封闭热风循环系统、一次网循环系统和二次网循环系统，工作原理如图2所示。

1)蓄热体封闭热风循环系统。当电源接通后，穿插在蓄热块砌体横向贯穿孔洞里的电热丝开始发热，热量传导至整个蓄热块砌体；当蓄热体温度逐渐升高，离心风机运行，保持封闭风道内空气流通，空气流经蓄热块砌体中贯穿的纵向孔洞和缝隙，空气温度逐渐升高，加热后的空气流经一次网循环系统的换热器，空气中的热量传给循环水，在离心风机的驱动下，冷却后的空气又进入底座风道，进入下一个循环，整个风道系统完全封闭，实现热量的封闭循环，利用效率高[6]。

2)一次网循环系统。一次网循环系统的回水(55 ℃)经过蓄热锅炉底座的化热器后加热到80 ℃，流入常压蓄热水箱(存在于热交换系统内)，由常压蓄热水箱经一次网循环泵加压流入板式换热器(存在于热交换系统内)，换热后一次网回水重新流入蓄热体。系统补水需采用自来水经软水器软化处理后的软水，然后注入常压蓄热水箱。

3)二次网循环系统。蓄热体将电能转化为热能，通过一次网的循环介质，利用板式换热器换热，将热能传递给二次网循环介质；并通过调节一次网的循环流量，达到蓄热、供热、边蓄边供的目的。

1—蓄热体；2—常压蓄热水箱；3—一次网循环泵；4—板式换热器；5—二次网循环泵；6—补水箱；7—补水泵图2 谷电蓄热供暖系统工作原理

2.3 供电系统

蓄热装置采用10 kV高压直接供电方式，直接接入固体蓄热本体，电能引自国网110 kVA变电站，采用10 kV电压等级空线路引入，固体蓄热锅炉附近建设1座10 kV开闭站，开闭站与蓄热锅炉的接线端子之间采用顶部铜母排连接方式，解决温度过高的问题。该供电方案无需变压，免去变压器增容成本，还减少了设备和工程投资，减少了电能损耗。

由于蓄热体内是由特定数量蓄热模块组成，每个蓄热模块均由相同数量的标准蓄热块按相同的排列规则砌筑而成。蓄热体内蓄热模块上下排布和左右排布数量均须为3的整数倍，10 kV每相接线端均连接相同数量的电阻丝，并且三相按固定规则和顺序间隔排布，确保正常工作是电力负荷的三相平衡。

2.4 控制系统

控制系统以PLC为主，由传感器、检测组件、电动执行器、控制柜、控制器和人机交互界面等组成，并预留上级系统通讯接口。根据季节和机组运行情况，通过蓄热体的温度控制、热风循环控制、一次网水控制、远程控制等实现供暖(热)温度的精确控制，使系统在满足舒适度的前提下以最经济的状况运行。蓄热系统按供回水温度80～90 ℃/55～60 ℃设计，可以通过不同阀门的开、关或调节来实现五种不同的运行模式：主机蓄热模式、主机供热模式、水箱供热模式、主机边蓄边供模式、主机水箱联合供热模式。

锅炉蓄热体内各模块均设置独立的传感器和控制回路，既可独立智能工作，也可组网协同工作，任何一个模块损坏或停机，都能第一时间实现自动切除，不会影响其他模块的正常使用，从而保重供暖的连续性和稳定性。

控制系统根据各种工况的运行模式，实施检测各运行信号，并对蓄热锅炉、供电电源、离心风机、板式换热器、水泵、系统管路调节阀等实现连锁控制。一方面确保热利用效率最高和提供稳定连续的供暖服务；另一方面也能确保在停电、停机或任何损坏的故障情况下，不会出现蓄热体过热或热量下传，以免造成蓄热块损坏、液体过热开锅、爆炸等事故。

3 经济效益和适用领域分析

系统主要设备固体蓄热锅炉投资260万元，其他辅助设备及安装费用约60万元，总投资为320万元。根据运行情况、峰谷电价和分布时段，谷电供暖电价为0.09元/kWh，按12 h谷电蓄热，全天12 h供暖测算，项目的年耗电量约1 176万kWh，总能源费用约106万元，计入其他费用，年均总成本约120万元。项目实际收取供暖费标准为28元/m2，则年均供暖费收入约240万元，3年后可回收成本。

从初投资和每年收入支出分析，谷电固体蓄热供暖项目经济效益较好，而且谷电固体蓄热供暖还具有自身优势并适用于某些特定场所：

1) 天然气管网或城市供热管网在近期无法到达，又亟需供暖(热)的区域；

2) 因生态环保要求不允许新增燃煤供暖的区域；

3) 电能过剩，亟需增加用电负荷，实行峰谷电价而谷电较低的区域；

4) 电网接入条件较好，且有较大谷电容量的区域；

5) 政策支持和鼓励力度较大，或提供补助区域[7]。