白楊，周睿，何波，朱茜，李衛(wèi)東

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011；2.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏銀川750011；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司，寧夏銀川750011）

蓄熱電鍋爐在寧夏某小學(xué)供暖改造中的應(yīng)用

白楊1，周睿1，何波2，朱茜3，李衛(wèi)東1

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011；2.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏銀川750011；3.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司，寧夏銀川750011）

針對(duì)寧夏某小學(xué)燃煤供暖污染嚴(yán)重、運(yùn)行費(fèi)用高的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同清潔供暖方式的對(duì)比分析，確定采用蓄熱電鍋爐供暖技術(shù)進(jìn)行供暖改造并提出了改造方案。應(yīng)用結(jié)果表明：蓄熱電鍋爐供暖技術(shù)污染物排放為零，實(shí)現(xiàn)了清潔供暖，同時(shí)充分利用了低谷電量，明顯降低了學(xué)校供暖費(fèi)用。

蓄熱電鍋爐；清潔供暖；經(jīng)濟(jì)性

寧夏某小學(xué)位于銀川市金鳳區(qū)，地處西北內(nèi)陸，冬季寒冷，采暖期為5個(gè)月，共151天，目前供暖方式為小型燃煤機(jī)組獨(dú)立供暖。小型燃煤機(jī)組大氣污染物排放量大，是導(dǎo)致冬季大氣污染嚴(yán)重，霧霾頻發(fā)的主要原因之一［1］。銀川市大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃（2014-2017年）明確指出，2017年年底前拆除20 t/h以下燃煤鍋爐。該校燃煤鍋爐在拆除范圍之內(nèi)，因此，需選擇一種清潔供暖方式對(duì)原有燃煤機(jī)組進(jìn)行供暖改造。

1 供暖現(xiàn)狀及需要解決的問(wèn)題

1.1 學(xué)校供暖現(xiàn)狀

該學(xué)校供暖面積11.5 km2，無(wú)法接入城市集中供熱管網(wǎng)，只能采用獨(dú)立熱源供暖，原供暖方式為小型燃煤鍋爐獨(dú)立供暖，供暖期為5個(gè)月，共計(jì)151天，其中包含節(jié)假日70天。

該校小型燃煤機(jī)組供暖污染嚴(yán)重，能源轉(zhuǎn)換率低，供熱效果差，運(yùn)行費(fèi)用約每年40萬(wàn)元，每個(gè)采暖季折合34.8元/m2，遠(yuǎn)高于城市集中供暖的19元/m2，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。由于該校無(wú)寄宿學(xué)生，供暖系統(tǒng)不提供生活熱水和蒸汽，主要供熱負(fù)荷集中在白天上課期間，夜間、周末和節(jié)假日供熱負(fù)荷需求低，間歇供暖特征明顯。因此供暖改造方案應(yīng)通過(guò)智能控制手段實(shí)現(xiàn)按需供熱，降低供暖運(yùn)行成本。

目前，學(xué)校供熱管網(wǎng)運(yùn)行良好，供熱末端為散熱片，因此供暖改造只需進(jìn)行鍋爐房?jī)?nèi)熱源改造以降低改造成本。

1.2 需解決的問(wèn)題

基于學(xué)校目前的供暖現(xiàn)狀，供暖改造方案需解決以下問(wèn)題：

（1）實(shí)現(xiàn)清潔供暖，解決燃煤污染嚴(yán)重的問(wèn)題；

（2）結(jié)合學(xué)校間歇供暖特性，實(shí)現(xiàn)按需供暖，降低供暖運(yùn)行成本，提高供暖系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；

（3）只對(duì)供暖熱源進(jìn)行改造，利用學(xué)校原有供熱管網(wǎng)，降低改造成本。

2 供暖改造方案

目前，利用現(xiàn)有供熱管網(wǎng)只進(jìn)行熱源改造的成熟清潔供暖技術(shù)包括電鍋爐供暖和燃?xì)忮仩t供暖。其中電鍋爐供暖技術(shù)包括直熱式電鍋爐供暖技術(shù)和蓄熱電鍋爐供暖技術(shù)。

2.1 直熱式電鍋爐供暖和蓄熱式電鍋爐供暖對(duì)比

直熱式電鍋爐供暖將燃煤鍋爐替換為電鍋爐，沒(méi)有蓄熱裝置，占地面積小，沒(méi)有污染物排放，但運(yùn)行費(fèi)用較高［2］。

蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)主要是利用電網(wǎng)低谷電時(shí)段運(yùn)行電鍋爐，對(duì)存放在蓄熱裝置中的蓄熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，將電能轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在用電高峰期停止電鍋爐運(yùn)行，利用蓄熱裝置向外供熱，以滿足建筑物供暖需要［3］。

直熱式電鍋爐供暖在國(guó)內(nèi)電采暖推廣初期被大量使用，但由于供暖高峰往往是用電高峰，該供暖方式不能充分利用夜間的廉價(jià)電，若采用該供暖方式，采暖電價(jià)為0.493 6元/（kW·h）。而蓄熱式電鍋爐可以充分利用低谷電價(jià)，對(duì)電網(wǎng)起到“削峰填谷”的作用.目前，寧夏地區(qū)蓄熱電鍋爐峰谷電價(jià)為：低谷電價(jià)0.190 6元/（kW·h），時(shí)長(zhǎng)8 h；平段電價(jià)0.260 6元/（kW·h），時(shí)長(zhǎng)9 h；高峰電價(jià)0.400 6元/（kW·h），時(shí)長(zhǎng)7 h。因此，蓄熱電鍋爐在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面明顯優(yōu)于直熱式電鍋爐供暖系統(tǒng)。

2.2 燃?xì)忮仩t供暖和蓄熱式電鍋爐供暖對(duì)比

燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)是通過(guò)燃?xì)忮仩t加熱的熱水直接由熱水循環(huán)泵送到供暖末端進(jìn)行供熱。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)［4-6］，該學(xué)校進(jìn)行燃?xì)忮仩t供暖和蓄熱電鍋爐供暖熱源改造的成本相當(dāng)，均可實(shí)現(xiàn)清潔供暖，因此，需要對(duì)兩種供暖方式的能源成本進(jìn)行分析。

天然氣理論熱值取35.1 MJ/m3，電的理論熱值取3.6 MJ/（kW·h），燃?xì)忮仩t熱效率取85%，電鍋爐取98%［6］。按照物價(jià)局相關(guān)文件，2016-2017年采暖季寧夏銀川地區(qū)集中供暖天然氣價(jià)格為2.09元/m3。

以加熱1 t水為例，將水從5℃加熱到55℃需209 MJ熱量，則用燃?xì)忮仩t加熱需花費(fèi)14.64元，如式（1）所示。

在低谷電期間用電鍋爐加熱需花費(fèi)11.31元，如式（2）所示。

燃?xì)鈨r(jià)格還存在上漲的風(fēng)險(xiǎn)，因此，蓄熱電鍋爐供暖運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于燃?xì)忮仩t供暖。另外，相比燃?xì)忮仩t供暖，蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)在施工方面占地面積小，不需要煙囪及通風(fēng)系統(tǒng)，安裝簡(jiǎn)單靈活；在運(yùn)行方面無(wú)噪音，運(yùn)行安全穩(wěn)定，不存在天然氣泄漏引起爆炸等危險(xiǎn)；自動(dòng)化程度高，可根據(jù)建筑供熱需求實(shí)現(xiàn)按需供暖及無(wú)人值守［6］。因此，燃?xì)忮仩t和蓄熱電鍋爐供暖方式對(duì)比應(yīng)選擇蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)比分析可知，以上3種方式均可利用學(xué)校原有供熱管網(wǎng)，只對(duì)熱源進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)學(xué)校清潔供暖。蓄熱電鍋爐供暖方式在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于其他兩種供暖方式，且安裝簡(jiǎn)單靈活，運(yùn)行安全穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，因此本次改造選擇蓄熱電鍋爐供暖改造方案。

3 蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

3.1 采暖設(shè)計(jì)參數(shù)

該小學(xué)建筑已做過(guò)保溫改造，根據(jù)文獻(xiàn)［7］中學(xué)校采暖熱指標(biāo)推薦值（見(jiàn)表1）確定設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷指標(biāo)qk為55 W/m2。

采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷［7］：

式中：F—采暖面積；

qk—設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷指標(biāo)。

表1 采暖熱指標(biāo)推薦值qk

3.2 供暖運(yùn)行方式及供熱逐時(shí)負(fù)荷

該小學(xué)供暖期5個(gè)月，共151天，其中包含節(jié)假日70天。根據(jù)學(xué)校教學(xué)安排及學(xué)校間歇式供暖特性，為了最大限度實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，供暖運(yùn)行方式為節(jié)假日期間全天保溫，上課期間6：00-18：00供暖，其余時(shí)間保溫運(yùn)行。

根據(jù)供暖運(yùn)行方式及1天內(nèi)室外氣溫變化情況，確定設(shè)計(jì)日逐時(shí)熱負(fù)荷分布如圖1所示。根據(jù)寧夏蓄熱電鍋爐峰谷電價(jià)時(shí)段劃分及圖1確定該小學(xué)各個(gè)時(shí)段熱負(fù)荷需求，如表2所示。根據(jù)表2可知，設(shè)計(jì)日總熱負(fù)荷為7 843 kW·h，其中高峰電價(jià)時(shí)段總熱負(fù)荷2 656.5 kW·h，平段電價(jià)總熱負(fù)荷2 656.5 kW·h，低谷電價(jià)時(shí)段總熱負(fù)荷2 530 kW·h。

圖1 設(shè)計(jì)日逐時(shí)熱負(fù)荷

表2 某小學(xué)各時(shí)段熱負(fù)荷需求

3.3 設(shè)備選型

蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)按照蓄熱模式分為全量蓄熱模式和分量蓄熱模式［8］。全量蓄熱模式是在低谷電時(shí)段利用電鍋爐直接供暖的同時(shí)為蓄熱裝置蓄熱，其他時(shí)段電鍋爐停止運(yùn)行，用儲(chǔ)存的熱量滿足全天供暖需求［8］。分量蓄熱模式是在低谷電蓄熱的同時(shí)，其他時(shí)段由蓄熱系統(tǒng)和電鍋爐共同分擔(dān)熱負(fù)荷需求［8］。相比于全量蓄熱模式，分量蓄熱模式可以相應(yīng)降低設(shè)備容量和建設(shè)投資，但會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用。

本文對(duì)全量蓄熱模式和分量蓄熱模式分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，本次改造分量蓄熱模式為低谷電時(shí)段電鍋爐直接供暖的同時(shí)為熱庫(kù)儲(chǔ)能，高峰電時(shí)段熱庫(kù)放熱滿足供暖需求，平電時(shí)段電鍋爐直供滿足供暖需求。

3.3.1 電鍋爐功率計(jì)算

電鍋爐功率按以下方法計(jì)算［9］：

式中：QG—電鍋爐功率，kW；

QX—蓄熱裝置熱容量，kW·h；

Q—采暖設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；

T—蓄熱時(shí)間，取8 h。

全量蓄熱模式下QX為5 186.5 kW·h，電鍋爐功率為1 350 kW。

分量蓄熱模式下QX為2 656.5 kW·h，電鍋爐功率為1 000 kW。

3.3.2 蓄熱容量計(jì)算

蓄熱裝置選用一種新型無(wú)機(jī)相變納米復(fù)合材料蓄熱裝置（熱庫(kù)），其相變溫度在78℃左右，單臺(tái)額定蓄熱量為650 MJ［10］，占地面積僅為傳統(tǒng)水蓄熱方式的1/6～1/8。熱庫(kù)數(shù)量按以下方法計(jì)算［10］：

式中：Qr—熱庫(kù)熱容量，kW；

η—熱庫(kù)熱損，取2%。

全量蓄熱模式下Qr為3 668.5 kW·h，熱庫(kù)數(shù)量為21臺(tái)。

分量蓄熱模式下Qr為2 087.25 kW·h，熱庫(kù)數(shù)量為12臺(tái)。

3.3.3 運(yùn)行費(fèi)用

按式（6）計(jì)算全量蓄熱模式下設(shè)計(jì)日1天運(yùn)行費(fèi)用為1 556.51元/天［11］。

式中：Q總—設(shè)計(jì)日全天熱負(fù)荷，取7 843 kW·h；

η—熱庫(kù)熱損，取2%；

σ—電鍋爐效率，取0.98；

x—谷時(shí)電價(jià)0.1906元/（kW·h）。

按式（7）計(jì)算分量蓄熱模式下設(shè)計(jì)日1天運(yùn)行費(fèi)用為1 750.14元/天［12］。

式中：Q1—設(shè)計(jì)日低谷時(shí)段加高峰時(shí)段總熱負(fù)荷，取5 186.5 kW·h；

Q2—設(shè)計(jì)日平電價(jià)時(shí)段總熱負(fù)荷，取5 186.5 kW·h；

η—熱庫(kù)熱損，取2%；

σ—電鍋爐效率，取0.98；

x—谷時(shí)電價(jià)0.1906元/(kW·h)；

y—平時(shí)電價(jià)0.2606元/(kW·h)。

按照類似工程經(jīng)驗(yàn)?zāi)瓴膳谥衅骄鶡嶝?fù)荷系數(shù)取0.7［13］，則全量蓄熱模式下整個(gè)采暖季運(yùn)行費(fèi)用為

1 556.51元/天×151天×0.7=16.5（萬(wàn)元）

分量蓄熱模式下整個(gè)采暖季運(yùn)行費(fèi)用為

1 750.14元/天×151天×0.7=18.5（萬(wàn)元）

3.3.4 2種蓄熱模式對(duì)比分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，2種蓄熱模式設(shè)計(jì)選型結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，相比分量蓄熱模式，全量蓄熱模式年運(yùn)行電費(fèi)僅減少了2萬(wàn)元，但熱庫(kù)系統(tǒng)造價(jià)增加了49.5萬(wàn)元，熱庫(kù)系統(tǒng)投資回收期為24.2年，同時(shí)還要相應(yīng)配電系統(tǒng)增容費(fèi)用和建設(shè)成本，因此，分量蓄熱模式的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于全量蓄熱模式。

表3 不同蓄熱模式設(shè)計(jì)選型結(jié)果

造成以上結(jié)果的原因如下：

（1）2種蓄熱模式下高峰時(shí)段均為熱庫(kù)供熱，因此運(yùn)行費(fèi)用的差別主要產(chǎn)生在平電價(jià)時(shí)段，而寧夏地區(qū)蓄熱電鍋爐峰谷電價(jià)中低谷和平段電價(jià)相差較小，僅為0.07元/(kW·h)，因此，2種蓄熱模式運(yùn)行費(fèi)用沒(méi)有拉開(kāi)明顯差距；

（2）該校主要供熱負(fù)荷集中在白天上課期間，夜間、周末和節(jié)假日供熱負(fù)荷需求低，在部分平電價(jià)時(shí)段為保溫運(yùn)行方式，運(yùn)行費(fèi)用很低，因此，進(jìn)一步縮小了2種蓄熱模式的運(yùn)行費(fèi)用差距。

3.3.5 設(shè)備選型

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，按分量蓄熱模式確定最終設(shè)備選型，主要設(shè)備包括360 kW常壓熱水電鍋爐3臺(tái)，額定蓄熱量為650 MJ熱庫(kù)12臺(tái)，額定換熱量為1 088 kW板式換熱器1臺(tái)，自動(dòng)控制系統(tǒng)1套，軟化水系統(tǒng)1套，一次循環(huán)泵、二次循環(huán)泵、補(bǔ)水泵各2臺(tái)，各類水泵均為一用一備，總造價(jià)94萬(wàn)元，該造價(jià)不包括配電系統(tǒng)的投資。

本套系統(tǒng)在低谷電時(shí)段電鍋爐直接供暖的同時(shí)為熱庫(kù)儲(chǔ)能，高峰電時(shí)段熱庫(kù)放熱滿足供暖需求，平電時(shí)段電鍋爐直供滿足供暖需求。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校教學(xué)安排及峰谷電價(jià)設(shè)置控制時(shí)間段，同時(shí)設(shè)置不同時(shí)間段的二次管網(wǎng)目標(biāo)回水溫度，根據(jù)不同時(shí)間段設(shè)定的不同目標(biāo)回水溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所有主設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及能耗情況，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、手機(jī)APP監(jiān)控、報(bào)警推送等功能，全自動(dòng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)電鍋爐房無(wú)人值守。在保證安全運(yùn)行的同時(shí)最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

4 效果評(píng)價(jià)

該學(xué)校于2016年10月31日按照以上供暖改造方案完成供暖系統(tǒng)改造并投入運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一個(gè)采暖季的運(yùn)行，學(xué)校供暖效果良好。

（1）改造后，每個(gè)采暖季減排CO2675.9 t，SO220.33 t，NOx10.17 t，供暖系統(tǒng)污染物排放為零，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校清潔供暖。

（2）改造后通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校供熱負(fù)荷按需供暖，實(shí)現(xiàn)了電鍋爐房無(wú)人值守。該校在供暖改造前供暖成本約40萬(wàn)元/年，2016—2017年采暖季年運(yùn)行費(fèi)用為19.18萬(wàn)元，折合16.68元/m2，低于城市集中供暖價(jià)格，大大降低了供暖運(yùn)行費(fèi)用。

（3）本次改造只對(duì)供熱熱源進(jìn)行改造，沿用學(xué)校原有供熱管網(wǎng)，降低了學(xué)校改造成本。對(duì)比需進(jìn)行管網(wǎng)拆除改造碳晶電暖器清潔供暖方式可節(jié)約改造成本約40萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)污染物排放為零，同時(shí)具有無(wú)污染、噪聲小、占地少、無(wú)人值守、移峰填谷等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)北方地區(qū)冬季清潔供暖的有力手段。

（2）對(duì)原有供熱管網(wǎng)運(yùn)行良好的供暖系統(tǒng)改造，蓄熱電鍋爐供暖改造可沿用原有供熱管網(wǎng)，只進(jìn)行熱源改造，降低改造成本。

（3）蓄熱電鍋爐供暖可利用夜間廉價(jià)的“低谷電”，大幅降低運(yùn)行成本，同時(shí)可起到“移峰填谷”，平衡優(yōu)化電網(wǎng)等積極作用。

（4）蓄熱電鍋爐供暖技術(shù)自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)“按需供暖”，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)可有效降低供暖費(fèi)用，適于在具有間歇供暖特性的場(chǎng)所，如商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等場(chǎng)所推廣應(yīng)用。

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Application of electric thermal storage boiler in the heating system reform for a primary school of Ningxia

BAI Yang1,ZHOU Rui1,HE Bo2,ZHU Qian3,LI Weidong1
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China；2.Yinchuan Thermal Power Co.,of Ningxia Power Investment Group Ltd.,Yinchuan Ningxia 750011,China；3.Yinchuan Power Supply Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China）

Aiming at the problems of serious pollution and high running cost existing in the coal heating system of a primary school in Ningxia,through the comparison and analysis of different clean heating methods,determines using the electric thermal storage boiler to reform the heating system,and puts forward the improvement scheme.The application result shows that∶the electric thermal storage boiler pollutants emissions is zero,it realize the clean heating,and use full the trough power,reduce obviously the heating cost of the school.

electric thermal storage boiler;clean heating;economy

TK229.922+923

B

1672-3643（2017）04-0062-05

有效訪問(wèn)地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.012

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.012

2017-05-20

白楊（1986），男，工程師，工學(xué)碩士，從事熱力試驗(yàn)及熱能動(dòng)力設(shè)備技術(shù)監(jiān)督工作。