孫楓然, 王卓胤, 王玉虎, 王曉軍
(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第六設(shè)計研究院,天津300381;2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司西安分公司,陜西西安710018)
本文以呼和浩特市城發(fā)毫沁營集中供熱工程(5×116 MW燃?xì)忮仩t+2×25 MW電鍋爐)為例,對風(fēng)電供暖系統(tǒng)進(jìn)行研究。本研究的范圍為風(fēng)電供暖系統(tǒng),主要內(nèi)容包括風(fēng)電供暖系統(tǒng)設(shè)計熱負(fù)荷的確定;通過本區(qū)域日供暖熱負(fù)荷的特點,確定風(fēng)電供暖系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的模式以及電鍋爐的選型及供暖方案。風(fēng)電場及其配電系統(tǒng)、主熱源燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)以及二級熱網(wǎng)供暖系統(tǒng)不在本研究范圍之內(nèi)。
選取呼和浩特市毫沁營供暖區(qū)域(以下簡稱毫沁營區(qū)域)作為風(fēng)電供暖示范項目實施基地,利用內(nèi)蒙古現(xiàn)有風(fēng)電參與呼和浩特市毫沁營區(qū)域供暖。毫沁營區(qū)域總供暖面積為1 136×104m2,供暖熱指標(biāo)為49 W/m2,總熱負(fù)荷為556.6 MW。其中燃?xì)忮仩t承擔(dān)的熱負(fù)荷為507.6 MW,其余供暖熱負(fù)荷由電鍋爐承擔(dān)。年供暖量根據(jù)CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱CJJ 34—2010)第3.2.1條計算得出。風(fēng)電供暖示范項目設(shè)計熱負(fù)荷見表1。
表1 風(fēng)電供暖示范項目設(shè)計熱負(fù)荷
根據(jù)熱負(fù)荷情況,最終確定燃?xì)忮仩t作為主熱源,風(fēng)電供暖作為調(diào)峰熱源,調(diào)峰熱源主要設(shè)備包括電鍋爐、板式換熱器和循環(huán)水泵等供暖設(shè)備,設(shè)置在燃?xì)忮仩t房內(nèi)。
經(jīng)調(diào)研,項目所在地區(qū)呼和浩特市的冬季供暖日熱負(fù)荷受氣溫影響較大,供暖期夜間平均溫度比白天低6 ℃,每日0:00—9:00和21:00—24:00兩個時間段熱負(fù)荷較大,故選擇該時間段為該項目供暖調(diào)峰時段。
以冬季典型供暖日(最大熱負(fù)荷日)為例,本項目一日內(nèi)6:00熱負(fù)荷最大,為556.6 MW,14:00熱負(fù)荷最小,為409.9 MW,最大熱負(fù)荷與最小熱負(fù)荷相差146.9 MW。此特點適用于主熱源加調(diào)峰熱源運(yùn)行的系統(tǒng)。利用主熱源承擔(dān)基本熱負(fù)荷,調(diào)峰熱源承擔(dān)尖峰熱負(fù)荷,在調(diào)峰時間段內(nèi)調(diào)峰熱源滿負(fù)荷運(yùn)行。
參照文獻(xiàn)[1],示范項目實施后,結(jié)合供暖區(qū)域冬季典型供暖日熱負(fù)荷特點,每日凌晨0:00—9:00,熱負(fù)荷先逐步增大后減小,在6:00時達(dá)到最大值,主熱源燃?xì)忮仩t運(yùn)行的同時,風(fēng)電調(diào)峰熱源啟動參與調(diào)峰。9:00—21:00,熱負(fù)荷減小,由燃?xì)忮仩t供暖。21:00—24:00,熱負(fù)荷增大,啟動風(fēng)電調(diào)峰熱源與主熱源燃?xì)忮仩t共同供暖。冬季最大熱負(fù)荷日熱負(fù)荷分布見圖1。圖1中橫軸的時間0對應(yīng)0:00—1:00,以此類推。
圖1 冬季最大熱負(fù)荷日熱負(fù)荷分布
本項目供暖期風(fēng)電供暖所需電量計算公式如下:
(1)
式中E——供暖期風(fēng)電供暖所需電量,MW·h
k——富裕系數(shù),取1.096
Φ——風(fēng)電供暖負(fù)荷,MW,取49 MW
t1——風(fēng)電每日運(yùn)行時間,h/d,為12 h/d
t2——供暖期時間,d,為167 d
η——電鍋爐熱效率,取98%
由此計算出本項目供暖期風(fēng)電供暖所需電量為109 819 MW·h。
電阻式熱水鍋爐采用高阻抗管形電熱元件,接通電源后, 管形電熱元件產(chǎn)生高熱,將水加熱成為熱水。管形電熱元件由金屬外殼、電熱絲和氧化鎂絕緣材料組成。該種元件的優(yōu)點是水中不帶電,使用較為安全, 對水質(zhì)也不造成污染。電熱絲通過氧化鎂絕緣材料與爐水隔離,并且電氣上設(shè)有相應(yīng)保護(hù);電阻式熱水鍋爐的電壓等級為0.4 kV,由于本項目電力進(jìn)線僅能提供電壓等級為10 kV的電壓,因此,需要設(shè)置變壓器及低壓配電設(shè)備。這種鍋爐的熱功率受到電熱元件結(jié)構(gòu)布置的限制,不宜過大。
高壓電極式熱水鍋爐的工作原理參見文獻(xiàn)[2]。鍋爐內(nèi)筒里的三相電極板(材質(zhì)為銅)浸沒在水中,三相電極板通電后,直接加熱具有一定電導(dǎo)率的爐水,爐水被迅速加熱,成為高溫水。鍋爐的熱功率由控制內(nèi)筒內(nèi)水位(即改變電極的水覆蓋面積)來實現(xiàn)。高壓電極鍋爐可直接接到10 kV三相供電電路上,因此,僅需要設(shè)置高壓配電設(shè)備。
電阻式熱水鍋爐與高壓電極式熱水鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)對比見表2。
表2 電阻式熱水鍋爐與高壓電極式熱水鍋爐主要技術(shù)參數(shù)對比
從表2可以看出,高壓電極式熱水鍋爐在熱效率、使用壽命和熱功率等方面都比電阻式熱水鍋爐優(yōu)越。綜上所述,故本項目電鍋爐采用高壓電極式熱水鍋爐(以下簡稱電鍋爐)。
本方案風(fēng)電供暖系統(tǒng)電鍋爐供回水溫度設(shè)計為165/135 ℃。由于電鍋爐水質(zhì)要求為純水,須將電鍋爐供水、電鍋爐回水和一級供暖管網(wǎng)供水(以下簡稱為一級網(wǎng)供水)、一級供暖管網(wǎng)回水(以下簡稱為一級網(wǎng)回水)通過板式換熱器分隔開。一級網(wǎng)供回水溫度設(shè)計為 130/70 ℃,二級網(wǎng)供回水溫度設(shè)計為 75/50 ℃。
電鍋爐供暖考慮了兩個方案,方案1:電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng);方案2:電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)。
5.2.1 方案1:電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)
① 供暖模式分析
電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)是在電力低谷期間,利用電作為能源來加熱蓄熱介質(zhì),并將熱能儲藏在蓄熱罐中;電力高峰期間,將蓄熱罐中的熱能釋放出來滿足供暖需要。所需的主要設(shè)備包括電鍋爐、蓄熱罐、配套板式換熱器、配套循環(huán)水泵及1套全自動軟水器。電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)見圖2。
圖2 電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)
圖2中虛線范圍內(nèi)為本示范供暖項目研究范圍。從圖2可以看出,電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)主要有以下3種工作模式。
a. 電鍋爐邊蓄熱邊供暖模式
電鍋爐邊蓄熱邊供暖時,閥6和閥8關(guān)閉,閥1、閥2、閥3 、閥4、閥5、閥7、閥9和閥10開啟。
其流程主要分為兩路,其中一路進(jìn)入蓄熱罐,走向為:板式換熱器1→閥4→節(jié)點4→閥1→蓄熱罐→閥2→節(jié)點2→閥9→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥5→板式換熱器1;另一路進(jìn)入板式換熱器2進(jìn)行換熱,走向為:板式換熱器1→閥4→節(jié)點4→閥7→節(jié)點5→板式換熱器2→節(jié)點6→節(jié)點8→閥10→節(jié)點3→閥3→節(jié)點2→閥9→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥5→板式換熱器1。
本模式下,電鍋爐所供熱量經(jīng)板式換熱器1換熱后一部分進(jìn)入蓄熱罐,一部分進(jìn)入板式換熱器2。
b. 電鍋爐純蓄熱模式
電鍋爐純蓄熱時,閥 3、閥6、閥7、閥8和閥10關(guān)閉,閥1、閥2、閥4、閥5 和閥9開啟。
其流程為:板式換熱器1→閥4→節(jié)點4→閥1→蓄熱罐→閥2→節(jié)點2→閥9→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥5→板式換熱器1。
本模式下,電鍋爐所供熱量經(jīng)板式換熱器1換熱后全部進(jìn)入蓄熱罐。
c. 蓄熱罐供暖模式
蓄熱罐供暖時,閥4、閥5、閥9和閥10關(guān)閉,閥 1、閥2、閥 3、閥6、閥7和閥8開啟。
其流程為:蓄熱罐→閥 1→節(jié)點4→閥7→節(jié)點5→板式換熱器2→節(jié)點6→節(jié)點8→閥8→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥6→節(jié)點3→閥3→節(jié)點2→閥2→蓄熱罐。
本模式下,電鍋爐停止運(yùn)行,蓄熱罐所蓄熱量全部進(jìn)入板式換熱器2中進(jìn)行換熱。
② 供暖模式和運(yùn)行時間
結(jié)合本項目的運(yùn)行方式及特點,可以采用電鍋爐邊蓄熱邊供暖和蓄熱罐放熱兩種工作模式,其運(yùn)行時段分別為:
電鍋爐邊蓄熱邊供暖運(yùn)行時段21:00—24:00和0:00—5:00,共計8 h。
蓄熱罐放熱運(yùn)行時段5:00—9:00,共計4 h。
③ 蓄熱裝置的選擇
蓄熱裝置按蓄熱介質(zhì)主要分為水蓄熱和相變材料蓄熱。與相變材料蓄熱相比,水蓄熱形式簡單,成本低廉,而相變材料蓄熱除價格昂貴外,還需考慮腐蝕和老化問題。因此,蓄熱裝置一般采用水蓄熱。
水蓄熱的蓄熱裝置采用蓄熱罐。其罐體材質(zhì)為碳素鋼,保溫材料為硬質(zhì)聚氨酯。蓄熱罐利用水作為儲存介質(zhì),依據(jù)不同溫度的水由于密度差異而分層的原理運(yùn)行,低溫水和高溫水之間的過渡區(qū)域為斜溫層。運(yùn)行模式分為蓄熱模式和放熱模式。在蓄熱模式下,一級網(wǎng)供水從上部高溫水分布管進(jìn)入蓄熱罐,密度較小的高溫水滯留在蓄熱罐頂部形成高溫水層。隨著一級網(wǎng)供水不斷地充入蓄熱罐,一級網(wǎng)回水不斷地被泵抽出蓄熱罐,斜溫層會不斷地下降,直至蓄熱罐蓄滿熱量。在放熱模式下,蓄熱罐中的熱水從上部高溫水分布管不斷被水泵送到供暖系統(tǒng)進(jìn)行換熱,換熱后的一級網(wǎng)回水從下部低溫水分布管回到蓄熱罐,形成低溫水層。隨著一級網(wǎng)回水不斷地回到蓄熱罐,斜溫層不斷上升,直至蓄熱罐所蓄熱量全部釋放。
5.2.2 方案2:電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)
① 供暖方式
電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)見圖3。
圖3 電鍋爐直接供暖系統(tǒng)
電鍋爐生產(chǎn)的熱水經(jīng)過板式換熱器1換熱,將一級網(wǎng)回水加熱后,接至燃?xì)忮仩t供應(yīng)的一級網(wǎng)供水母管,經(jīng)板式換熱器2換熱后向用戶供暖。供暖系統(tǒng)需要的主要設(shè)備為:電鍋爐、板式換熱器、循環(huán)水泵及1套全自動軟水器(圖3中未表示)。
② 鍋爐選型
根據(jù)風(fēng)電供暖示范項目設(shè)計熱負(fù)荷,可選取2×25 MW電鍋爐。
通過方案比較,本風(fēng)電供暖示范項目采用方案2,即電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)。其原因為:
① 電鍋爐加蓄熱供暖方式的運(yùn)行原則是“低谷蓄熱、峰時用熱”,即在夜間低谷電時段以“邊蓄邊供”的形式供暖,在白天用電高峰時段再采用蓄熱罐供暖。而對于本項目,電鍋爐供暖作為調(diào)峰熱源,僅在每日用熱高峰時段啟動,而每日用熱高峰時段多發(fā)生在夜間,與電鍋爐加蓄熱供暖方式的運(yùn)行原則不符。
② 本項目電鍋爐供暖系統(tǒng)設(shè)置在現(xiàn)有主熱源燃?xì)忮仩t房內(nèi),可用空間有限,若采用電鍋爐加蓄熱供暖方式,無空間布置蓄熱罐。
本風(fēng)電供暖示范項目需要的主要設(shè)備為2×25 MW電鍋爐、2×25 MW板式換熱器,配套2臺循環(huán)水泵及1套全自動軟水器等設(shè)備。經(jīng)測算,其設(shè)備加安裝工程造價分別為:2臺電鍋爐2 730×104元,2臺板式換熱器380×104元,2臺循環(huán)水泵80×104元,1套全自動軟水器60×104元,配套電氣設(shè)備390×104元,配套自控設(shè)備190×104元,其他設(shè)備95.61×104元,以上各項設(shè)備及安裝工程造價為3 925.61×104元;再加上建筑工程造價359.37×104元、基本預(yù)備費77.33×104元、建設(shè)期利息65.10×104元、其他費用607.30×104元,因此,本風(fēng)電供暖示范項目總造價為5 034.71×104元。
通過比較,確定本風(fēng)電示范項目運(yùn)行模式采用燃?xì)忮仩t為主熱源,電鍋爐為調(diào)峰熱源的模式,電鍋爐選用2×25 MW高壓電極式熱水鍋爐,電鍋爐供暖方案采用電鍋爐無蓄熱的供暖系統(tǒng)。