采用电极锅炉的风电供热系统设计及经济性

牛传凯， 李铮伟

(1.同济大学土木工程学院，上海200092；2.明阳智慧能源集团股份公司，广东中山528437；3.同济大学机械与能源工程学院，上海201804)

1 概述

近年来，我国风电行业发展速度加快，特别是风资源条件较好的三北地区，风电装机容量持续增长[1-2]。但这些地区由于经济发展相对缓慢，对电力的消纳能力有限，且外送东部发达地区的特高压输电容量不足[3-4]，造成风电场大面积弃风限电[5-6]。同时，在供暖期由于热电厂供热导致火电超发，更加挤压了风电上网的空间[7-8]。将无法上网的弃风电，通过电热转换系统转为热能为城镇居民供热，是缓解弃风限电的最有效途径之一[9-10]。

目前，我国风电供热的主要技术应用路线有：空气源(或地埋管地源热泵)附加电辅助加热装置，电锅炉(高压电极锅炉等)附加热水蓄热装置、电热膜或发热电缆等。其中，采用含热水蓄热装置的电锅炉供热系统是技术成熟、应用广泛的技术应用路线[11]。

本文以我国西北某地利用风电的高压电极锅炉(以下简称电极锅炉)附加热水蓄热装置联合供热系统(以下简称联合供热系统)为例，在负荷分析基础上进行设备选型，介绍工艺流程、运行模式及电价、热价的制定，对项目进行经济性评价和敏感性分析。

2 方案设计

2.1 项目概况

甘肃省瓜州县城南已有热源厂一座(第一热源厂)，安装5台热功率为29 MW的燃煤热水锅炉。随着城市扩建和城区内分散式燃煤锅炉的拆除，第一热源厂的供热能力已无法满足城区居民供热需求。因此，在城西规划新建1座以风电为主要能源的第二热源厂，采用联合供热系统。

第二热源厂分3期建设，建成后总供热面积为300×104m2，一期工程设计供热面积为100×104m2。本文对已建成的第二热源厂一期工程进行分析。当地供暖期为当年10月25日至次年3月25日，共151 d。供热系统的主要设计参数见表1。

表1 供热系统的主要设计参数

2.2 设备选型

① 负荷分析

一期工程供热建筑均为节能建筑，其中居住建筑供热面积占65%，公共建筑供热面积占35%。根据CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》,居住建筑供暖热指标取40 W/m2，公共建筑供暖热指标取60 W/m2。按居住、公共建筑供热面积权重，一期工程供热区域的综合供暖热指标取47 W/m2。由此可计算得到，一期工程设计热负荷为47 MW。

谷电时段联合供热系统采取边供热边蓄热的运行模式，平峰电时段由热水蓄热装置供热。若遇极端寒冷天气，热水蓄热装置无法满足供热需求时，电极锅炉启动参与供热。当地大工业用电分时电价见表2。

表2 当地大工业用电分时电价

综合分析该地区历史供热数据，结合供暖期室外温度变化及建筑功能等情况，归纳供暖期典型日逐时负荷率α，见表3。表3中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此类推。由表3数据，可计算得到典型日用户总需热量为867.15 MW·h。

表3 供暖期典型日逐时负荷率

② 设备选型

按照电极锅炉仅在谷电时段运行(即供暖期典型日用户总需热量，由电极锅炉集中在谷电时段生产)，平峰电时段用户需热量由热水蓄热装置承担的原则，对电极锅炉的设计热功率、热水蓄热装置的有效容积进行计算选型。

a.电极锅炉

电极锅炉的设计热功率P的计算式为：

式中P——电极锅炉的设计热功率，MW

Qsum——供暖期典型日用户总需热量，MW·h

tL——谷电时段时间，h

ηb——电极锅炉的热效率

谷电时段时间为8 h，电极锅炉热效率取98%。将其他已知参数代入式(1)，可计算得到电极锅炉的设计热功率为110.61 MW。可选择单机热功率为40 MW的电极锅炉3台，总热功率为120 MW，安全系数为1.085。

b.热水蓄热装置

热水蓄热装置采用蓄热水箱，由表2、表3可知，蓄热水箱的蓄热量为平峰电时段用户需热量(585.15 MW·h)。根据05R401-3《承压式蓄热罐》，蓄热水箱有效容积V的计算式为：

式中V——蓄热水箱有效容积，m3

Q——蓄热水箱的蓄热量，kW·h

Δθ——蓄热水箱的进出水温差，℃

η——蓄热水箱的保温效率，取0.98

ρ——蓄热水箱进出口算术平均温度对应的热水密度，kg/m3

cp——水的比定压热容，kJ/(kg·K)，本文取4.2 kJ/(kg·K)

蓄热水箱的进、出水温度为60、90 ℃，进出水温差为30 ℃。蓄热水箱进出口算术平均温度对应的热水密度取974.83 kg/m3。将已知数据代入式(2)，可计算得到蓄热水箱有效容积为17 500.25 m3。选取安全系数为1.1，并将蓄热水箱有效容积圆整至2×104m3。最终，选取单台有效容量为1×104m3的常压式蓄热水箱2台。

2.3 工艺流程与运行模式

联合供热系统的实际工艺流程比较复杂，为了方便研究，我们对实际工艺流程进行了等效简化处理(见图1)。

图1 等效简化处理后的联合供热系统工艺流程P1～P4.变频循环泵 V1～V4.阀门

基于图1的工艺流程，联合供热系统可实现以下5种运行模式。

① 运行模式1。在谷电时段，采取边供热边蓄热。阀门V1～V4开启，循环泵P1～P4开启。

② 运行模式2。在平峰电时段，采取蓄热水箱供热。阀门V1、V2关闭，阀门V3、V4开启。循环泵P1、P2关闭，P3、P4开启。

③ 运行模式3。在极端寒冷天气，建筑物耗热量超过设计热负荷，采取电极锅炉、蓄热水箱联合供热。阀门V1～V4开启，循环泵P1～P4开启。

④ 运行模式4。在极端寒冷天气，蓄热水箱放热结束后，仍无法满足用户热负荷时，采取电极锅炉直接供热。阀门V3关闭，阀门V1、V2、V4开启，循环泵P1、P2、P4开启，P3关闭(走旁通)。

⑤ 运行模式5。在供暖期未开始前，采取蓄热水箱单独蓄热，将热量储存在蓄热水箱内，待供暖期开始后使用。阀门V1～V3开启，V4关闭。循环泵P1、P2开启，P3、P4关闭。

3 电价与热价的制定

电价、热价的制定采用了多边交易方式。在多边交易过程中，当地政府负责协调项目各方，并督促执行。

热源厂用电电价遵循当地大工业用电分时电价(见表2)。月容量费为22 元/(kV·A·月)。按照上述用电价格及月容量费测算，项目将严重亏损。因此，需要项目各方通过多边交易(涉及热源投资公司、风电场、电网公司、供热公司等)降低热源厂用电电价。

在平峰电价不变的基础上，风电场对热源厂低谷用电电价在原0.254 1 元/(kW·h)基础上让渡0.24 元/(kW·h)后，降至0.014 1 元/(kW·h)，并由电网公司向热源厂进行结算。电网公司负责热源厂供配电系统的建设，以收取容量费形式回收建设成本。热源厂以27 元/(m2·a)的热价将热出售给供热公司，供热公司以23.2 元/(m2·a)的平均热价向居民收费，亏损部分由当地政府补贴。

4 经济性评价与敏感性分析

4.1 经济性评价

① 项目造价

一期工程总造价为9 500×104元。其中电极锅炉、蓄热水箱、循环泵、换热器等设备造价为4 800×104元，蓄热水箱基础等土建施工费用为1 800×104元，工程安装和各种材料(含保温材料)费用为1 000×104元，高压电缆、高低压配电柜和控制柜造价1 500×104元，室内消防通风防火等配套设备造价为200×104元，设计、勘察、监理及其他费用为200×104元。

② 项目年收益

热源厂出售给供热公司的热价为27 元/(m2·a)，供热面积按100×104m2计算，可计算得到项目年收益为2 700×104元/a。

③ 项目年支出

根据表1数据及供暖期时间，可计算得到不同室外温度对应的延续时间及对应的热负荷[12]。考虑热网热损失为3%，由此可计算得到，联合供热系统供暖期总供热量为4.44×105GJ/a。电极锅炉热效率仍取98 %，可计算得到电极锅炉年耗电量为12.6×104MW·h/a。

循环泵的耗电量计算比较复杂，参考传统供热系统的循环泵耗电量[13-14]，结合电供热系统循环泵运行特点，循环泵耗电量按电极锅炉耗电量的2%计算。可计算得到，循环泵的年耗电量为2 520 MW·h/a。由以上数据，可得到项目年耗电量为12.852×104MW·h/a。

考虑到在供暖期极端寒冷天气时，电极锅炉将在平电时段开机运行。电极锅炉的耗电量中有98%为低谷电，其余2%为平电。循环泵耗电量中有40%为低谷电，其他耗电量中平峰电各占50%。根据平峰电价及让渡低谷电价，可计算得到项目年电费为386.42×104元/a。

月容量费按照22 元/(kV·A·月)计算，实行每15 d申报1次(15 d的容量费取月容量费的50%)，则供暖期需申报10次容量费。供暖期申报容量及容量费见表4。由表4数据，可计算得到项目年容量费为1 051.6×104元/a。

表4 供暖期申报容量及容量费

供暖期的耗水量为3.5×104m3，水价按照2.2 元/m3计算，可计算得到项目年水费为7.7×104元/a。热源厂配置6名工人，人均工资按6 000元/(人·月)计算，可计算得到项目年人员工资为43.2×104元/a。热源厂年维护费用按30×104元计算。由以上数据，可计算得到项目年支出为1 518.92×104元/a。

④ 动态投资回收期

动态投资回收期np的表达式为[15]：

式中np——动态投资回收期，a

fin——项目年收益，元/a

fout——项目年支出，元/a

ic——基准收益率，取0.08

将已知参数代入式(3)，采用EES软件，可计算得到该项目的动态投资回收期为9.85 a。项目使用寿命为25 a，由此可知，项目具有一定赢利空间。

4.2 敏感性分析

由经济性评价结果可知，该项目目前具有一定赢利空间。但风电场对热源厂低谷用电电价的让渡幅度、热价均为不稳定因素，因此笔者将这2个参数作为敏感性因素，对项目投资回收期的影响程度进行单因素敏感性分析。由敏感性分析结果可知，风电场对热源厂低谷用电电价的让渡幅度是最敏感因素，其次是热价。

5 结论

以甘肃地区某供热面积为100×104m2的热源厂(以利用风电供热为主，在供暖期绝大部分时间利用低谷电)为研究对象，在负荷分析基础上进行设备选型，介绍工艺流程、运行模式及电价、热价的制定，对项目进行经济性评价和敏感性分析。热源厂采用高压电极锅炉附加热水蓄热装置(蓄热水箱)的联合供热系统。按照电极锅炉仅在谷电时段运行(即供暖期典型日全天用户总需热量，由电极锅炉集中在谷电时段生产)，平峰电时段用户需热量由蓄热水箱承担的原则，对电极锅炉的设计热功率、蓄热水箱有效容积进行计算选型。采用多边交易方式，热源厂低谷用电电价(在原低谷电价基础上风电场进行让渡)制定为0.014 1 元/(kW·h)，热价(由热源厂出售给供热公司的热价)制定为27 元/(m2·a)。此时，项目动态投资回收期为9.85 a，具有一定赢利空间。风电场对热源厂低谷用电电价的让渡幅度是影响动态投资回收期的最敏感因素，其次是热价。