蓄热电锅炉供热技术及工程应用

刘圣冠，乔 磊，翟鹏程，贺 凯，尚海军，耿如意

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

近年来，受经济下行压力的影响，全国用电需求增速放缓，发电企业发电利用小时数下降明显，电力产业和消费结构转方式压力不断增大，电力供大于求的矛盾愈渐突出[1]。电能清洁无污染，实施“电能替代”有助于推动能源消费革命、落实国家能源战略和促进能源清洁化发展，是稳增长、调结构、促改革、惠民生、促就业的重要举措。稳步推进电能替代，有利于构建层次更高、范围更广的新型电力消费市场，扩大电力消费，消纳富裕电力，带动相关设备制造行业发展，拓展新的经济增长点[2]。此外，我国风电、光伏等新能源电力装机容量持续快速增长，为我们提供了大量清洁电力，但新能源发电出力的不稳定性和随机性也给电力系统的安全运行和电力供应保障带来了巨大挑战。我国电力系统调节能力难以完全适应新能源大规模发展和消纳的要求，“三北”地区弃风、弃光等问题较为严重，尤其在冬季供热期，现有热电联产机组受限于“以热定电”的运行方式，电网调峰异常困难，为保证居民供暖，风电、光伏机组被迫停机，致使风、光电和相关产业发展受到严重制约[3]。

在此背景下，考虑利用清洁电力供热，并在电、热两个系统之间加入储能（蓄热）环节，实现热力系统中热负荷向电力系统中可控可调电负荷的转换，一定程度缓解电网调峰和供热矛盾，既保障供热需求，又能减少弃风弃光电量，提高风光电设备利用小时数，促进风光电及相关产业健康发展[4]。

1 蓄热电锅炉供热概况

蓄热电锅炉按照蓄热方式的不同，可以分为水蓄热、固体蓄热及相变蓄热3 种类型。水蓄热将热能以热水形式储存在水罐（箱）中，蓄热水罐的容积决定了储能的容量大小，分为常压和承压两种，因为水的密度较小，大容量储能需要配备的水罐容积较大。固体蓄热以固体蓄热材料为储热介质，通过电发热元件将固体蓄热材料加热，使热能以显热的形式储存在固体蓄热材料中，再通过热风或高温水将热量传递出来，此种方式储热温度高，蓄热装置占地面积小。相变材料蓄热以固液相变材料为储热介质，利用“固、液”变化吸收或释放的相变热进行储热，并通过板式换热器把热量交换到二次侧，蓄热材料密度高，储热量大[5]。各类型蓄热电锅炉供热特点对比见表1。

表1 蓄热电锅炉供暖系统特点对比Tab.1 The characteristics of different energy storage electric boiler heating systems

2 水蓄热电锅炉供热技术

2.1 系统构成

水蓄热电锅炉系统主要包括电锅炉、蓄热水罐和供热管网3 部分：电锅炉负责将电能转化成热能作为供热热源；蓄热水罐负责将电锅炉产生的部分热能储存起来，待电热锅炉停运时替代后者对外释放热能；供热管网（含板式换热器和循环泵等设备）负责按需将热源处的热量送给热用户。

电锅炉按加热方式分为电阻式锅炉和电极式锅炉，相较而言，电极锅炉电热转换效率更高，寿命更长，使用范围更广。电极锅炉工作时将电极插入水中，利用水的高热阻特性，直接将电能转换为热能，能量损失极小。

图1 为蓄热水罐示意。蓄热时，热水从上端水管进入，冷水从下端水管排出，过渡层下移；放热时，热水从上端水管排出，冷水从下端水管进入，过渡层上移。蓄热罐工作实质就是其蓄热和放热过程，保证其进出口水量平衡，维持液面稳定，使其处于最大工作能力。工程实践中，为避免罐内的水溶解氧进热网，降低热网水质，通常往蓄热罐内液面顶部充入蒸汽（或氮气），保持微正压，使蓄热罐内的水和空气隔离[6]。

2.2 供热原理

水蓄热电锅炉供热具有电锅炉纯蓄热、电锅炉边蓄边供、蓄热水罐放热和电锅炉直供4 个典型工况，不同工况下的系统供热原理如图2 所示。

1）电锅炉纯蓄热 此工况下，阀门1、3、4、5 开启，阀门 2、6 关闭，电锅炉处于运行状态，且二次系统和三次系统隔离，没有换热。电锅炉制取的热量通过锅炉侧板式换热器和二次系统进行换热，从而将能量从一次系统传递到二次系统中。二次系统的能量以热水的形式储存于蓄热水罐中，水罐蓄热时，进、出水按图中虚线箭头线指示方向。

2）电锅炉边蓄边供 此工况下，图中所有阀门全部开启，电锅炉处于运行状态。电锅炉制取的热量通过锅炉侧板式换热器和二次系统进行换热，从而将能量从一次系统传递到二次系统中；二次系统获取的能量分两部分，一部分以热水的形式储存于蓄热水罐中，水罐蓄热时，进、出水按图中虚线箭头线指示方向，另一部分通过换热站和三次系统（热用户）进行换热，从而将能量从二次系统传递到三次系统中，实现对外供热。

3）蓄热水罐放热 此工况下，阀门2、3、4、6 开启，阀门1、5 关闭，电锅炉处于停运状态，一次系统和二次系统隔离，没有换热。蓄热水罐通过换热站和三次系统（热用户）进行换热，从而将能量从二次系统传递到三次系统中，实现对外供热[7]。水罐放热时，进、出水按图中实线箭头线指示方向。

4）电锅炉直供 此工况下，阀门1、2、5、6开启，阀门3、4 关闭，电锅炉处于运行状态。电锅炉制取的热量通过锅炉侧板式换热器和二次系统进行换热，从而将能量从一次系统传递到二次系统中；二次系统的蓄热水罐被隔离，获取的能量通过换热站和三次系统（热用户）进行换热，从而将能量从二次系统传递到三次系统中，实现对外供热。

2.3 运行方式

根据蓄热的时长或阶段，蓄热电锅炉系统运行方式可分为全谷电运行和谷电+平电运行，运行方式不同，蓄热电锅炉系统的容量配置也不同。

1）全谷电运行方式 即电锅炉仅在低谷电时段开启并蓄热，此方式下要求低谷电时段蓄热量能够满足平峰电时段的全部供热量需求，电锅炉容量和蓄热罐容量需求大，设备占地面积和初投资较大，但运行费用较低。

2）谷电+平电运行方式 电锅炉主要在低谷电时段开启并蓄热，仅当供热需求旺盛时，利用部分平电运行，补充热量。此方式下，低谷电时段蓄热量小于平峰电时段需求的全部供热量；相比全谷电运行方式，电锅炉容量和蓄热罐容量相对较小，设备占地面积和初投资较小，但运行费用较高[8]。

3 设计容量计算

水蓄热电锅炉系统设计容量与系统设计运行方式有关，本文针对全谷电运行方式，提出了一种新的计算方法。

3.1 计算流程

水蓄热电锅炉设计容量计算流程如图3 所示。首先，依据一天内的热负荷变化对日负荷进行分段，要求可与峰谷平电时段对应；其次，拟定逐时负荷率，在供热面积和供热指标确定的情况下，计算低谷电时段、峰平电时段及全天总的所需热负荷；然后，根据峰平电时段热负荷，确定蓄热水罐的总设计容量，根据全天总热负荷确定电锅炉的总设计容量；最后，根据市场常用设备规格及项目现场实际情况配备选型，确定最终的单台锅炉和蓄热罐容量及台数。

3.2 电锅炉设计容量计算

全谷电运行方式下，电锅炉仅在低谷电时段开启并蓄热。针对典型设计日供暖负荷，先根据负荷变化划分不同时间段，再依据负荷规律拟定逐时负荷率，具体见表2。表2 中平、峰、谷电时段划分及负荷率可根据项目地点实际情况调整。

表2 各时间段负荷率Tab.2 The load rate for each time period

每日所需总蓄热量和对外总供热量的计算如下：

式中：Qzxr为每日所需总蓄热量，kW·h；Qzgr为每日对外总供热量，kW·h；PO为电锅炉总设计容量，kW；S为供热面积，m2；qo为供热指标，W/m2；Qpf为每日平峰电时段总热负荷，kW·h；Qg为每日低谷电时段总热负荷，kW·h；为电锅炉效率，%；为电锅炉系统热损失系数，无量纲。

3.3 蓄热水罐设计容量计算

由上文可知，每日蓄热水罐所需总蓄热量等于每日平峰电时段总热负荷。

式中：Vwater为蓄热水体积，m3；T1为蓄热温度，℃；T2为蓄热水罐回水温度，℃；n为系统的热损失系数，无量纲；Vyx为储热罐有效容积，m3；为有效容积系数，无量纲；Vz为蓄热罐总容积，m3。

3.4 简便计算

为了方便水蓄热电锅炉系统的配置选型，作者编制了一款专门计算软件，该软件采用C#进行软件编制，可在windows/XP 系统下运行，只要输入供热基础数据，蓄热罐蓄、放水温度和设备效率及系统热损率，即可快速简便地计算出电锅炉及蓄热罐的设计容量，为蓄热电锅炉系统的选型配置提供了极大便利。图4 和图5 为利用该软件计算的实例。

4 应用实例与分析

4.1 工程简介

甘肃省在新能源发展中存在突出的弃风弃光问题，新能源消纳能力成为制约当地可再生能源发展的关键因素，故当地政府积极推广“电能替代”，大力推进清洁能源供热[9-10]。该省某县城老城区集中供热面积160 万m2（近期没有新增负荷），热源为一座燃煤锅炉房，配备2×29 MW+1×58 MW 共3 台链条炉排燃煤锅炉；2019 年经当地政府审批，进行清洁能源（煤改电）集中供热改造，新建一座电极锅炉（带蓄热）房，完全替代原燃煤锅炉承担该县城老城区的集中供热。图6 为该工程项目示意。

4.2 主设备选型

当地设计综合热指标为48 W/m2，蓄热水罐采用常压式，蓄热温度为90 ℃，蓄热罐冷水温度为55 ℃。采用前文所述方法计算蓄热电锅炉系统设计容量，本工程的计算结果如图4 和图5 所示。由图4 和图5 可以看出，本工程电锅炉设计总容量为158 836.36 kW，蓄热罐总容积为27 299.84 m3。

根据市场调研，目前国内单台热水电极锅炉最大容量可达80 MW 甚至更大，但实际应用过程中，单台容量鲜有超过40 MW，故本工程电极锅炉单台容量拟定为40 MW；蓄热罐必须具备明显的过渡层，才能很好地蓄热和放热，故应尽量提高罐体的高径比，但高径比越大，投资越大，根据同类项目工程经验，最佳高径比接近于1，故拟定单台蓄热罐容积为10 000 m3，尺寸为Φ24.0 m×22.5 m。综上，本工程需装机4×40 MW 电极锅炉+3×10 000 m3蓄热水罐，考虑提高供热安全性和可靠性，增设1 台10 000 m3蓄热水罐，作为备用。

4.3 高压侧接线

本工程电极锅炉供电电压为10 kV，引自附近110 kV 变电站，共配备14 台10 kV 高压开关柜，高压侧分四段母线接入，其中A、D 段母线各接4 台开关柜，对称分布，接线一致，如图7 所示。B、C 段母线各接3 台开关柜，对称分布，接线一致，接线如图8 所示。

4.4 能源价格

为鼓励清洁能源供热，当地采暖电价采用大工业直购电交易模式（电价分为基本电价和直购电价两部分），并针对直购电价部分给予调减0.207 8 元/(kW·h)的优惠政策。用电价格明细见表3。

表3 用电价格明细 单位：元/(kW·h)Tab.3 The electricity price details

另外，采暖用水价格在当地工业用水价格基础上，给予0.80 元/t 的优惠，为2.75 元/t；当地民用供热价格为25 元/m2，商用供热价格为29 元/m2。

4.5 工程评价

该工程项目静态总投资约10 500 万元，建设期4 个月，建设当年投用，年净收益约1 200 万元，税后财务内部收益率为10.3%，投资回收期为9 年。本项目投用后，年消纳风（光）电量总计17 964.06 万kW·h，具体见表4。

表4 项目投运消纳新能源电量 单位：万kW·hTab.4 The consumption of new energy electricity after the project is put into operation

本项目投产后，原燃煤锅炉停运，年供热量为854 245 GJ，其节约燃料及减少污染物排放情况见表5。

表5 该工程项目节煤减排结果 单位：万t/aTab.5 The results of coal saving and emission reduction ofthe project

5 结 论

1）蓄热电锅炉系统供热技术成熟，合理设计和运营能够实现盈利。

2）蓄热电锅炉系统政策环境良好，且节能环保，有利于改善大气环境。

3）蓄热电锅炉系统既可以起到“移峰填谷”的作用，提高电网的负荷率，使电网的运行更为经济合理，又能消纳风光电量，促进风光电及相关产业健康发展，市场发展潜力巨大，值得推广应用。