朱肖晶

（蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004）

1 概述

本文介紹了電氣混合產蒸汽技術在蘇州市佳禾食品有限公司的應用。電氣混合產蒸汽技術是一種新的電鍋爐應用方式，即通過電鍋爐蓄熱系統(tǒng)給燃氣蒸汽鍋爐的軟水進行預熱，由電和天然氣2種不同能源類型的鍋爐配合生產蒸汽。在制取蒸汽的過程中，利用谷電時段的電能替代原燃氣蒸汽鍋爐生產蒸汽時消耗的部分天然氣。實踐證明，電氣混合產蒸汽系統(tǒng)相比常規(guī)的天然氣蒸汽鍋爐而言，可顯著降低企業(yè)整體用能成本，經濟效益十分明顯。

2 項目概況

蘇州市佳禾食品工業(yè)有限公司成立于2001年，現(xiàn)有11條生產線，具有20萬t的生產能力，主要生產植脂末類原料、植脂末類配料、速溶咖啡、咖啡濃縮液等食品類產品。生產線在生產食品的部分階段需要使用高溫蒸汽對材料及半成品進行加熱，加熱熱源為燃氣鍋爐制取1.5 MPa高溫高壓蒸汽。

企業(yè)原有2臺2 t/h產汽能力的燃氣蒸汽鍋爐，動力能源為管道天然氣；鍋爐的排煙管道上設置有熱量回收裝置省煤器，補充給鍋爐的常溫軟水先經過省煤器被煙氣加熱升溫后送入鍋爐爐鏜內加熱汽化，軟水在經過省煤器預熱后提升的溫度在30℃左右，鍋爐系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 原有蒸汽鍋爐系統(tǒng)流程示意圖

鍋爐每生產1t蒸汽消耗的天然氣用量為90.67m3，除常規(guī)例行檢修外全年無休。2014年鍋爐系統(tǒng)全年的補水量及耗氣量匯總情況如表1。

按照蘇州地區(qū)當前天然氣價格4.04元/m3計算，該鍋爐系統(tǒng)2014年天然氣用量為842 978 m3，能源費用為3 405 630元。

3 鍋爐系統(tǒng)電氣混合產蒸汽改造方案

3.1 電氣混合產蒸汽技術優(yōu)勢

電氣混合產蒸汽技術是在天然氣鍋爐前級增加電鍋爐及蓄熱裝置，對補充給燃氣鍋爐的常溫軟水進行預熱，該技術主要優(yōu)勢有2個方面。

表1 2014年鍋爐系統(tǒng)月度用水量及耗氣量統(tǒng)計表

（1）加熱成本低。蘇州地區(qū)工業(yè)低谷電價為0.322元/kWh，工業(yè)用天然氣價格為4.04元/m3，電能與天然氣加熱理論成本之比為：（0.322/3 596）∶（4.04/35 544）=0.788∶1。其中：3 596為電的等效熱值，kJ/kWh；35 544為天然氣的等效熱值，kJ/m3。

可見，在不考慮不同鍋爐的轉化效率的情況下，電力加熱的單位成本會比天然氣的單位成本低21.2%。

（2）加熱效率高。液態(tài)水加熱升溫階段，電磁感應式鍋爐的蓄熱系統(tǒng)效率高于燃氣鍋爐直接加熱效率。燃氣鍋爐的實際整體熱轉換效率一般在50%～80%；而電磁感應式鍋爐的加熱效率能達到1.056，蓄熱系統(tǒng)的24 h熱損耗一般可以控制在5%以內，電磁感應式鍋爐的蓄熱系統(tǒng)效率約為1。

3.2 系統(tǒng)設置及流程

3.2.1 系統(tǒng)設置

該企業(yè)原有燃氣鍋爐上的省煤器大體上能將鍋爐補充的軟水提升30℃。對系統(tǒng)進行電氣混合產蒸汽技術改造，在原有鍋爐系統(tǒng)的軟水箱到省煤器之間的供水管路增加電加熱式的蓄熱系統(tǒng)，用來提升進入省煤器的軟水溫度。蓄熱系統(tǒng)由蓄熱水箱、電磁感應式鍋爐、供熱水箱以及循環(huán)水泵等設備組成，系統(tǒng)流程如下圖2所示。

圖2 電氣混合產蒸汽系統(tǒng)流程圖

3.2.2 系統(tǒng)運行流程

電氣混合產蒸汽系統(tǒng)運行可分為3個階段。

（1）第一階段：電磁感應式鍋爐加熱常溫軟水

谷電開始及谷電階段，將第二天所需要足量的10～25 ℃自來水經軟化后送至蓄熱水箱，0：00～8：00時間段內將常溫軟水加熱到58～65℃左右。

（2）第二階段：省煤器再升溫

供熱水箱持續(xù)向省煤器供應58～65℃左右的中高溫熱水，軟水經過省煤器后再升溫30℃到90～95℃左右的高溫水。

（3）第三階段：高溫水加熱汽化生成高溫高壓的蒸汽

經省煤器再加熱后達到90～95℃左右的高溫水送至燃氣蒸汽鍋爐繼續(xù)加熱，高溫水受熱后汽化成1.5 MPa蒸汽。

上述3個過程相結合且由與電磁感應式鍋爐配套的控制柜自動調節(jié)，共同完成蒸汽制取過程，其中第一、二階段為本項目的改造內容。

4 改造設備選型

鍋爐系統(tǒng)進行電氣混合產蒸汽技術改造增加的主要設備為電磁感應式鍋爐、蓄熱水箱和供熱水箱。

（1）電磁感應式鍋爐

本方案選用GTG30電磁感應式鍋爐主機。該主機是一種特殊結構的水冷干式短路變壓器，直接設置在循環(huán)水中。變壓器副邊外殼作為第一主發(fā)熱體，副邊短路電流產生強大的交變磁場，其漏磁又使循環(huán)水箱感應產生很大的渦流與磁滯，使循環(huán)水箱成為第二發(fā)熱體。變壓器副邊感應產生的大電流、原邊銅損、鐵損、雜散損耗及短路漏磁等有功及無功幾乎全部通過介質水轉換成熱能，整體熱效率大幅提高。表2為電磁感應式鍋爐與電加熱管式鍋爐優(yōu)缺點對比

·用水量及溫升

從該企業(yè)2014年鍋爐運行情況來看，鍋爐全年最高日用水量44 m3，且日用水量超過40 m3的僅有8天，考慮到實際使用情況及系統(tǒng)配置的經濟性，電磁感應式鍋爐設計的日最高加熱用水量取值為40 m3。蘇州的全年自來水溫度在10～25℃，冬天溫度約為10℃，最終供應給蒸汽鍋爐爐鏜的為90～95℃高溫熱水，原省煤器可以將軟水加熱升溫30℃左右，因此，電磁感應式鍋爐構成的蓄熱系統(tǒng)設計加熱軟水升溫的溫度定為50℃。

表2 電磁感應式鍋爐與電加熱管式鍋爐優(yōu)缺點對比

·選擇鍋爐功率

式中：V為單位小時需要加熱水的體積；谷電時長8 h，總的水容積為40 m3；Δt為水在谷電階段的溫升；η為系統(tǒng)效率，其中電鍋爐的加熱系統(tǒng)為1.056；水箱及管路的全天溫降損耗為5%，即系統(tǒng)保溫效率為0.95。

根據(jù)現(xiàn)場的變壓器容量及負荷余量，選用GTG30-280/265工頻感應電磁鍋爐一臺，單臺熱功率280 kW，輸入電功率265 kW。

（2）蓄熱水箱及供熱水箱設備

·蓄熱水箱

蓄熱水箱的體積根據(jù)電磁感應式設計為每天加熱水的容積40 m3，結合系統(tǒng)日最大用水量為44 m3，考慮一定的水箱空間余量，水箱體積設計為48 m3。

·供熱水箱

供熱水箱的體積要保證谷電時段8 h的用水量，供熱水箱體積取蓄熱水箱的1/3，設計體積為16 m3。

5 經濟性分析

5.1 系統(tǒng)改造的初始投資

本項目中鍋爐進行電氣混合產蒸汽改造的整體費用約為580 285元。

5.2 電氣混合產蒸汽的節(jié)能收益

（1）天然氣費用

燃氣蒸汽鍋爐在實際應用中，液態(tài)水升溫階段和高溫水（90～100℃）汽化階段的能耗比例并非按照水和蒸汽的焓值變動分配。參照以往類似項目的實際運行記錄，同時考慮到本項目中燃氣鍋爐省煤器的熱回收效率及鍋爐的整體效率，實施電氣混合技術改造后的鍋爐系統(tǒng)最終較原有燃氣鍋爐可降低18%左右的燃氣用量?；?014年大體相當?shù)哪戤a能，預計改造后2015年鍋爐系統(tǒng)全年天然氣用量如表3所示。

預計最終天然氣年運行費用=688 603元×4.04=2 781 955元

（2）電力費用

鍋爐系統(tǒng)2014年全年各個月份的日均加熱水量如表4所示。

分析表4中數(shù)據(jù)可以得出：鍋爐系統(tǒng)冬季平均日用水量約為32 m3，春秋季平均日用水量約為27 m3，夏季平均日用水量約為20 m3。各個季節(jié)的軟水經過蓄熱系統(tǒng)加熱后的升溫情況不同，其中，冬季自來水水溫10℃，電鍋爐加熱升溫空間50℃；春秋季自來水水溫18℃，電鍋爐加熱升溫空間47℃；夏季自來水水溫25℃，電鍋爐加熱升溫空間40℃。

表3 電氣混合的鍋爐系統(tǒng)2015年天然氣用量預測表

表4 鍋爐系統(tǒng)2014年各月份日均加熱水量匯總表

2015年季節(jié)氣候及鍋爐日用水量預計與2014年基本相同。實施電氣混合產蒸汽系統(tǒng)改造后，預計2015年全年運行耗電量情況如表5所示。

表5 電氣混合產蒸汽系統(tǒng)2015年運行耗電量預測表

預計最終年運行費用=497 059元×0.322=160 053元。

（3）年度能耗總費用

預計電氣混合產蒸汽系統(tǒng)的年度能耗總費用=天然氣費用+電費=（2 781 955+160 053）元=2 942 008元。

（4）電氣混合產蒸汽系統(tǒng)年度節(jié)能收益

電氣混合產蒸汽系統(tǒng)相對于常規(guī)天然氣制蒸汽系統(tǒng)，年度節(jié)能費用=（3 405 630-2 942 008）元=463 622元。

（5）投資回收期

電氣混合產蒸汽改造項目投資回收期約為1.25年。

綜上可知，鍋爐系統(tǒng)通過電氣混合產蒸汽的技術改造后，預計年節(jié)省能耗費用463 622元，改造投資580 280元，1.25年即可回收前期投資。

6 結束語

電熱鍋爐具有節(jié)能、清潔、安全等優(yōu)點，廣泛適用于學校、醫(yī)院、工廠、超市、商場等人口密集型單位，主要用于生產生活熱水及供暖。長期以來，電熱鍋爐在推廣過程中存在許多困難：一是整體初始投資高。除電鍋爐投資外，企業(yè)往往需要增加配電容量，產生電力增容費用；二是直熱式電鍋爐運行成本高。直熱式電鍋爐無法使用低谷電蓄熱，在平和峰時段電價成本高于燃煤、天然氣等其他能源價格；三是蓄熱式電鍋爐應用存在局限性。蓄熱系統(tǒng)初始投資較高，且主要用于產生熱水，難以滿足蒸汽需求量大的企業(yè)的生產要求。

本文所述蓄熱式電鍋爐與燃氣鍋爐混合生產蒸汽技術可彌補電鍋爐上述不足之處。該技術廣泛適用于已有天然氣鍋爐的工業(yè)生產企業(yè)，利用谷電替代部分工業(yè)用天然氣，能夠大幅降低企業(yè)能源成本，提升谷電時段電能利用效率，緩解天然氣供應緊張的局勢。

[1]國家電網公司電力需求側管理指導中心.電力需求側管理實用技術[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]王丹.淺析燃氣鍋爐作為采暖熱源的優(yōu)劣[J].煤炭工程，2007（10）：89-91.