电储热供蒸汽前景探讨

顾清之

上海电气集团股份有限公司中央研究院

0 引言

在工业生产中有大量的场合需使用工业蒸汽。之前，工业蒸汽主要来自电厂集中供热及一些燃煤小锅炉。但随着我国环保政策的趋严，燃煤小锅炉逐渐被禁止使用，取而代之的是天然气锅炉、生物质锅炉、电锅炉等产品[1]，其中，电锅炉在用户端是完全绿色无污染，但由于电价较高，对应每t蒸汽的能源成本远远超过天然气锅炉及生物质锅炉，故限制了电锅炉的推广使用。现在，我国大多数省市都有峰谷电政策，谷电价格通常为峰电价格的1/2～1/3[2]，如果可以将谷电的能量储存起来，在需要的时候释放出来产生蒸汽，将大大降低产生工业蒸汽的能源成本。此外，我国正在推进电力现货市场改革，目前已有部分省市在部分时段出现了零电价[3]，同样，如果将零电价时段的电能储存起来，在需要时释放出来，也将大大降低工业蒸汽的能源成本，使电产生蒸汽的能源成本与天然气锅炉、生物质锅炉等有了竞争的可能，本文将探讨使用电储热产生工业蒸汽的技术及前景。

1 电储热供蒸汽与其他供蒸汽方式的比较

工况考虑为将20 ℃的给水加热成0.8 MPa的饱和蒸汽，其中20 ℃水的焓值为83.96 kJ/kg，0.8 MPa饱和蒸汽焓值为2 768.86 kJ/kg，计算将1 t 水加热成1 t蒸汽的能量成本见下表1。

表1 各种供蒸汽能源成本比较

从上表可看出各种产蒸汽技术的每t蒸汽能源成本，其中煤锅炉能源成本最低，但由于污染问题，中小型煤锅炉已被逐渐禁止使用，用户都在寻找合适的替代方案。成本第二低的是生物质锅炉，但生物质锅炉政策环境不明朗，有些地方还在禁止生物质锅炉的使用[4]。成本第三低的是电储热锅炉，且使用电作为能源在用户端是完全绿色无污染，但目前电储热锅炉并没有得到广泛的应用，分析认为有以下三个原因。

1）初始投资太大[5]。电储热锅炉初始投资是天然气锅炉的5～10 倍，巨大的投资差异是许多用户不能下决心的原因之一。

2）用户端电力容量不足。电储热锅炉所需电功率很大，如储能8 h 放蒸汽24 h 的1 t 电锅炉，所需电功率达2.5 MW 左右，而普通用户没有这么大的电力容量，如需采用电储热锅炉，必须进行扩容改造，这也将是一笔高额投入。

3）电储热锅炉技术还未完全成熟。目前，燃煤锅炉主要被天然气锅炉替代，主要是天然气锅炉初始投资较低、热效率高、能源成本可接受、排放相对清洁。缺点是使用天然气锅炉需要天然气管道，此外，天然气价格在供暖季波动较大。油锅炉与直热式电锅炉由于其高昂的能源成本，通常用于未通天然气、蒸汽需求量较小的场合。

2 电储热供蒸汽系统技术发展现状

电储热供暖已在北方广泛应用，其技术分类主要包括相变储热、固体储热、水储热、熔盐储热等[6-8]，但这些技术不能简单的转化为储热供蒸汽系统，主要原因一是供能的温度不同。用于供暖的电储热系统其输出为70～90 ℃的热水，而供工业蒸汽需要的是150～200 ℃的蒸汽，两者所需温度不同。二是输出的功率不同。产生1 t 蒸汽的换热量大约是产生1 t 热水的20 倍，两者在实际应用中对换热面积的需求极大不同。

电储热供蒸汽系统技术分类与电储热供暖分类类似，目前主要处于技术研发和初步应用阶段，其基本原理是使用廉价电力作为加热储热材料的能源，将能量储存在储热材料中，在需要蒸汽的时候，通过各种传热手段将热量从储热材料中取出，与水换热产生蒸汽，下文就各技术类别分别展开简述。

1）相变储热供蒸汽

相变材料在相态变化时会吸收或放出大量的热量，称为相变潜热。在电价较低时，使用从电力中获得的能量加热相变材料，相变材料吸收热量后变成液态，在外界需要蒸汽时，相变材料从液态变成固态，放出热量。相变材料的相变点是一个较小的温度区间，使系统在较小温度范围内储存更多的能量。但是，相变材料通常在固态阶段导热系数很低，而产蒸汽对功率要求又较大，为满足产蒸汽要求，就需要很大的换热面积，换热面积的增大影响了系统的储能密度及经济性。加强相变材料在固态阶段的换热是相变储热供蒸汽下一步研发重点。

2）固体储热供蒸汽

固体（通常是氧化镁砖）在温度升高时热量以显热形式储存在材料中。常用的氧化镁砖温度最高可升到700～800 ℃，储热能量密度较高，其在放热过程中一般使用空气作为传热介质，由于空气比热较小，导致空气流量较大，空气水换热装置也较大。此外，由于固体在放热过程中温度不断降低，使用空气作为中间传热介质使最终出口蒸汽参数的稳定难以控制。

3）熔盐储热系统

熔盐储热系统在光热电站中已获得了商业应用，其可以较方便地转化为电储热供蒸汽系统[9-10]。熔盐储热系统使用熔盐作为传热储热介质，在低电价时使用电加热加热熔盐，熔盐温度升高，热量以显热形式储存在熔盐里，在需要蒸汽的时候，熔盐直接与水换热产生蒸汽。该系统优点是成熟稳定，缺点是熔盐在熔点之下会凝固，系统中所有熔盐经过的地方都需电伴热，故系统运维较复杂，初始投资也较高。目前在研发的熔盐不流动单罐熔盐储热系统可极大地降低初始投资和运维成本。

3 电储热供蒸汽系统应用方向

通过对市场政策和环境分析，电储热供蒸汽系统有可能在以下三个方向得到应用。

1）电站环境[11]

由于新能源发电上网不断增加，而新能源发电具有不稳定的特征，因此传统火电站面临越来越大的调峰压力，为此，可在传统火电站安装电储热供蒸汽系统。当机组调峰时将发出的电能直接供给储热系统（最高可将火电站上网电量降为零），之后，在合适的时候使用储热系统产出蒸汽供给电站周围热用户，电站可获得调峰收益和供热费用。

2）工业区能源站

随着我国电力现货市场改革的推进，部分省、市部分时段已出现零电价甚至是负电价，为此，可在工业区建立能源站，通过电力现货市场购买一天中最廉价时段的电力，储存起来以供给整个工业区用热需求。

3）直接用户处

直接用户处用电规模相对较小，主要利用谷电为储热系统供能。当用户处谷电价格低于0.3元/kWh，同时配电系统容量足够时，电储热产蒸汽系统就有可能与天然气锅炉进行竞争。

4 结语

本文介绍了电储热供蒸汽系统技术原理，分析了几种技术路线优缺点，同时将电储热供蒸汽系统能源成本与目前几种常见的供蒸汽方式进行了比较。单以能源成本计算，电储热系统处于较低水平，但目前的电储热供蒸汽系统技术未完全成熟、初始投资较大、需改造配电容量，这些因素导致了电储热供蒸汽系统还未大规模应用。本文对电储热供蒸汽系统的应用方向进行了展望，指明了有可能使用电储热供蒸汽系统的领域，包括电站、工业区能源站、用户处等。