陳 貺 劉 鵬 劉大瑋

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

隨著電力價格體制改革和生態(tài)環(huán)保壓力的加大，清潔能源供暖越來越受到重視。當前蓄熱技術根據熱載體不同主要分為水蓄熱和固體材料蓄熱兩種[1]。水蓄熱是將水加熱到一定的溫度，使熱能以顯熱的形式蓄存在水中，當需要使用時，再將其釋放出來，提供采暖或直接作為熱水使用[2]，具有占用建筑面積太大、保溫效果差、熱效率低、控制系統(tǒng)繁瑣以及鍋爐管理系統(tǒng)要求嚴格等缺點。固體材料蓄熱是把熱量儲存在蓄熱磚內，蓄熱磚的主要材質有氧化鎂、鋁鎂氧化物、鉻鎂氧化物等，蓄熱溫度達到600～800℃，并且溫度可隨意設定，具有占地面積小、熱利用效率高、操作控制簡單且安全系數高等特點。而且得益于峰谷電價、西部地區(qū)電能過剩和“煤改電”的政策鼓勵，清潔無污染的谷電固體蓄熱供暖得到了廣泛的應用。

谷電固體蓄熱供暖的電能功率調節(jié)靈活多變，既能提供供暖服務，也能平衡電網峰谷差值，增加用電負荷，發(fā)揮調峰特性，提高已有電力設施利用率，避免能源的浪費，能應用于企業(yè)的噴涂、烘干、蒸汽、導熱油、熱水和民用建筑供暖供熱領域。本文通過對新疆烏魯木齊市某谷電固體蓄熱供暖系統(tǒng)進行分析研究，證明其在高寒冷、低谷電價、生態(tài)脆弱等特定地域具有較好的推廣價值。

1 蓄熱功率計算和蓄熱材質的選擇

新疆烏魯木齊市某谷電固體蓄熱供暖項目用于小學供暖，需供暖總建筑面積為85 800 m2，要求一次網回水溫度為55 ℃，經過蓄熱體加熱后水溫為80 ℃，采用夜間谷電蓄熱、全天放熱供暖模式。

1.1 蓄熱功率

按照國家標準規(guī)范[3]，采暖熱指標按60 W/m2計算。當地谷電時間段為23：00—09:00和14:00—16:00，電價為0.09元/kWh。當地室內供暖溫度按20 ℃考慮，實際采暖期天數約為165天，全天平均負荷率按70%考慮，通風系統(tǒng)用熱折算系數取值65%。

1)日均總采暖熱負荷按式(1)計算：

TH=S×qf×BOD×T/kj

(1)

式中：TH——日總負荷，kWh；

S——供暖面積,m2;

qf——供暖熱指標，W/m2；

BOD——全天平均負荷率，%；

T——全天供熱時間，取12 h；

kj——通風系統(tǒng)用熱折算系數，%。

經測算日均總采暖熱負荷為66 528 kWh。

2)全量蓄熱模式下谷電蓄熱鍋爐的功率按式(2)計算：

N=TH×k/IH/η

(2)

式中：N——全量蓄熱電熱鍋爐的功率，kW；

TH——日總負荷，kWh；

IH——蓄熱時間，低谷電時間為12 h；

k——熱損失附加率，取1.05；

η——電鍋爐熱效率，一般取0.98。

通過計算得出鍋爐蓄熱功率為5 940 kW。

1.2 蓄熱材質的選擇

新疆烏魯木齊市某谷電固體蓄熱供暖項目的蓄熱體材質選用弱堿性耐火材料(含92%～97%鋁鎂氧化物)，抗堿性熔渣能力和耐火度較高，荷重軟化溫度高，并且具有熱導率高、熱容量高、導熱系數高等特點，能實現熱能的快速存儲和快速釋放。制作工藝可采用500 t以上的壓力機械直接壓制成高密度、蓄熱能力大的標準蓄熱塊，再按一定規(guī)則砌筑成相應容量的固體蓄熱鍋爐，能長時間經受800 ℃高低溫循環(huán)后不開裂變形、不粉化，使用壽命達20年以上，且整體造價成本較低[4]。

2 谷電固體蓄熱鍋爐系統(tǒng)

新疆烏魯木齊市某谷電固體蓄熱供暖項目固體蓄熱電鍋爐系統(tǒng)由包括蓄熱結構體、供暖系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。

2.1 蓄熱鍋爐本體結構

固體蓄熱電鍋爐由蓄熱體、外殼、底座、風道、換熱裝置、循環(huán)風機、保溫材料和一次網水加熱系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 固體蓄熱鍋爐本體結構

1)蓄熱體。由標準蓄熱塊按一定排列方式砌筑而成，每個蓄熱塊上設置若干個縱向貫穿孔洞和橫向貫穿孔洞，橫向貫穿孔用于加熱絲安放，縱向貫穿孔作為循環(huán)熱風風道。加熱絲選用耐高溫的鎳鉻合金材質，可長時間承受950 ℃高溫不損壞，發(fā)熱絲表面電流密度低且與空氣隔絕，不氧化，反復加熱工作壽命可達10 000 h。

2)底座結構。蓄熱鍋爐采用高承載力不銹鋼底座結構，底座兼作風道，變頻控制的離心風機和一次網水加熱系統(tǒng)分別設置于底座兩端，確保整個熱風循環(huán)系統(tǒng)在蓄熱鍋爐內封閉循環(huán)，提高熱利用效率。

3)接線方式。蓄熱鍋爐接線端子設置于蓄熱鍋爐頂部，接線端子直接與加熱絲連接，整個蓄熱體按一定規(guī)則分為多個模塊，加熱絲也按模塊組成相互獨立的并聯回路。該電氣接線方式還能方便電加熱絲的更換，不需拆除設備主體，能實現在不停止供熱系統(tǒng)運行的前提下短時間內完成電熱絲更換，維護和維修簡單方便，避免在嚴寒天氣因停爐帶來管路結冰的隱患。

4)外殼。外殼選用多層保溫板，內層保溫選用納米微孔顆粒保溫板，導熱系數極低；外層選用優(yōu)質石棉保溫板，具有高度耐火性、電絕緣性和絕熱性；最外層為耐腐蝕、抗老化且采用靜電噴涂工藝的金屬材質[5]。

2.2 蓄熱供暖系統(tǒng)工作原理

谷電蓄熱供暖系統(tǒng)采取間接連接供熱方式，整個系統(tǒng)的管道均采用預制保溫管，保溫材料選用聚氨酯，外保護選用高密度聚乙烯外套。谷電蓄熱供暖系統(tǒng)包括蓄熱體封閉熱風循環(huán)系統(tǒng)、一次網循環(huán)系統(tǒng)和二次網循環(huán)系統(tǒng)，工作原理如圖2所示。

1)蓄熱體封閉熱風循環(huán)系統(tǒng)。當電源接通后，穿插在蓄熱塊砌體橫向貫穿孔洞里的電熱絲開始發(fā)熱，熱量傳導至整個蓄熱塊砌體；當蓄熱體溫度逐漸升高，離心風機運行，保持封閉風道內空氣流通，空氣流經蓄熱塊砌體中貫穿的縱向孔洞和縫隙，空氣溫度逐漸升高，加熱后的空氣流經一次網循環(huán)系統(tǒng)的換熱器，空氣中的熱量傳給循環(huán)水，在離心風機的驅動下，冷卻后的空氣又進入底座風道，進入下一個循環(huán)，整個風道系統(tǒng)完全封閉，實現熱量的封閉循環(huán)，利用效率高[6]。

2)一次網循環(huán)系統(tǒng)。一次網循環(huán)系統(tǒng)的回水(55 ℃)經過蓄熱鍋爐底座的化熱器后加熱到80 ℃，流入常壓蓄熱水箱(存在于熱交換系統(tǒng)內)，由常壓蓄熱水箱經一次網循環(huán)泵加壓流入板式換熱器(存在于熱交換系統(tǒng)內)，換熱后一次網回水重新流入蓄熱體。系統(tǒng)補水需采用自來水經軟水器軟化處理后的軟水，然后注入常壓蓄熱水箱。

3)二次網循環(huán)系統(tǒng)。蓄熱體將電能轉化為熱能，通過一次網的循環(huán)介質，利用板式換熱器換熱，將熱能傳遞給二次網循環(huán)介質；并通過調節(jié)一次網的循環(huán)流量，達到蓄熱、供熱、邊蓄邊供的目的。

1—蓄熱體；2—常壓蓄熱水箱；3—一次網循環(huán)泵；4—板式換熱器；5—二次網循環(huán)泵；6—補水箱；7—補水泵圖2 谷電蓄熱供暖系統(tǒng)工作原理

2.3 供電系統(tǒng)

蓄熱裝置采用10 kV高壓直接供電方式，直接接入固體蓄熱本體，電能引自國網110 kVA變電站，采用10 kV電壓等級空線路引入，固體蓄熱鍋爐附近建設1座10 kV開閉站，開閉站與蓄熱鍋爐的接線端子之間采用頂部銅母排連接方式，解決溫度過高的問題。該供電方案無需變壓，免去變壓器增容成本，還減少了設備和工程投資，減少了電能損耗。

由于蓄熱體內是由特定數量蓄熱模塊組成，每個蓄熱模塊均由相同數量的標準蓄熱塊按相同的排列規(guī)則砌筑而成。蓄熱體內蓄熱模塊上下排布和左右排布數量均須為3的整數倍，10 kV每相接線端均連接相同數量的電阻絲，并且三相按固定規(guī)則和順序間隔排布，確保正常工作是電力負荷的三相平衡。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以PLC為主，由傳感器、檢測組件、電動執(zhí)行器、控制柜、控制器和人機交互界面等組成，并預留上級系統(tǒng)通訊接口。根據季節(jié)和機組運行情況，通過蓄熱體的溫度控制、熱風循環(huán)控制、一次網水控制、遠程控制等實現供暖(熱)溫度的精確控制，使系統(tǒng)在滿足舒適度的前提下以最經濟的狀況運行。蓄熱系統(tǒng)按供回水溫度80～90 ℃/55～60 ℃設計，可以通過不同閥門的開、關或調節(jié)來實現五種不同的運行模式：主機蓄熱模式、主機供熱模式、水箱供熱模式、主機邊蓄邊供模式、主機水箱聯合供熱模式。

鍋爐蓄熱體內各模塊均設置獨立的傳感器和控制回路，既可獨立智能工作，也可組網協同工作，任何一個模塊損壞或停機，都能第一時間實現自動切除，不會影響其他模塊的正常使用，從而保重供暖的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

控制系統(tǒng)根據各種工況的運行模式，實施檢測各運行信號，并對蓄熱鍋爐、供電電源、離心風機、板式換熱器、水泵、系統(tǒng)管路調節(jié)閥等實現連鎖控制。一方面確保熱利用效率最高和提供穩(wěn)定連續(xù)的供暖服務；另一方面也能確保在停電、停機或任何損壞的故障情況下，不會出現蓄熱體過熱或熱量下傳，以免造成蓄熱塊損壞、液體過熱開鍋、爆炸等事故。

3 經濟效益和適用領域分析

系統(tǒng)主要設備固體蓄熱鍋爐投資260萬元，其他輔助設備及安裝費用約60萬元，總投資為320萬元。根據運行情況、峰谷電價和分布時段，谷電供暖電價為0.09元/kWh，按12 h谷電蓄熱，全天12 h供暖測算，項目的年耗電量約1 176萬kWh，總能源費用約106萬元，計入其他費用，年均總成本約120萬元。項目實際收取供暖費標準為28元/m2，則年均供暖費收入約240萬元，3年后可回收成本。

從初投資和每年收入支出分析，谷電固體蓄熱供暖項目經濟效益較好，而且谷電固體蓄熱供暖還具有自身優(yōu)勢并適用于某些特定場所：

1) 天然氣管網或城市供熱管網在近期無法到達，又亟需供暖(熱)的區(qū)域；

2) 因生態(tài)環(huán)保要求不允許新增燃煤供暖的區(qū)域；

3) 電能過剩，亟需增加用電負荷，實行峰谷電價而谷電較低的區(qū)域；

4) 電網接入條件較好，且有較大谷電容量的區(qū)域；

5) 政策支持和鼓勵力度較大，或提供補助區(qū)域[7]。

4 結束語

谷電固體蓄熱供暖系統(tǒng)具有能力強、供熱穩(wěn)定、熱效率高、設備結構緊湊、占地面積小、噪聲低、無污染、建設周期短和安裝方便等優(yōu)點，并能增加用電負荷，降低電力負荷的峰谷差，實現移峰填谷，實現了經濟、環(huán)境和社會綜合效益最優(yōu)，具有一定的推廣和使用空間，為節(jié)能減排和電力平衡提供一個新的思路。