刘 志 强

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

0 引言

我国目前大气污染形势严峻，大量散烧煤、燃油消费是造成严重雾霾的主因之一，环保节能是国家未来几十年发展的必要趋势。为贯彻落实《国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知》及《山西省人民政府办公厅关于印发山西省2013—2020年大气污染治理措施的通知》精神，加快替代燃煤小锅炉，有效治理雾霾天气，促进电采暖产业发展，消纳省内富余电力，提升全省城乡电气化水平，改善城乡用能结构和人居环境的要求，山西省高速公路各场区内出现了以电锅炉采暖代替燃煤锅炉的采暖形式。采用电锅炉供暖虽然解决了环保的问题，但是电锅炉采暖的年运行费用高居不下，大大的增加了高速公路场区的运营成本。有些场区为了降低运行费用降低供暖温度，缩短供暖时间，难以保证供暖效果，所以亟需解决电锅炉供暖运行费用高的问题，才能达到既降低运行费用，又保证供暖效果的目的。

1 供暖现状调查

作为产煤大省，山西省大气污染的主要来源便是燃煤所排放的烟尘，为了改善空气污染的现状，省内许多高速公路的场区都将原有的燃煤锅炉改造成为电锅炉，特别是大同、太原、平遥等大中城市及旅游景区的高速收费站、服务区等。经过对全省43处有代表性的收费管理服务场区采暖现状、锅炉房设施的使用情况为期近一个月时间的实地勘察，总体上看：

1)采暖原热源基本为燃煤锅炉，其中大部分为型煤锅炉，个别为原煤锅炉，因环保不达标，现改造成电锅炉采暖，但是经过采暖季的运营，环保问题已解决，但是电锅炉采暖的运行费用居高不下，甚至多个场区出现用不起电的情况；

2)锅炉房设施大部分使用多年，老化腐蚀严重，净化水设施多数处于废弃状态，补水水箱锈蚀、漏水；管道腐蚀严重，管道内流体阻力增大，输送能耗增加；

3)由于各站点近年多新增建筑，但水泵未及时更换，功率、扬程不能满足现状要求，造成场区各单体建筑的采暖效果不一，冷热极端化。

2 电锅炉运行方案

2.1 电锅炉特点

电锅炉是利用电力为能源，经过锅炉转换，向外界输出具有一定热能的蒸汽、热水或其他有机热载体的一种设备，也叫做电加热锅炉、电热锅炉。电锅炉在结构上可以叠加组合，控制灵活，故障率低，维修保养方便。在使用上，温度可自调节；无污染物排放；自动化程度高、安全可靠；但是耗电量大，运行费用高。

2.2 运行方案对比分析

为了降低电锅炉供暖的运行费用，我们提出了合理利用峰谷电价的运行策略。在电力低谷期间，利用电能加热储热介质，并将热量储藏在蓄热装置中；用电高峰期间将蓄热装置中的热量释放出来满足供热需要。其优点是：平衡电网峰谷负荷差；充分利用低谷电价，实现电力负荷的削峰填谷，降低采暖运行费用；系统可以实现自动化运行，无明火，无噪声，无污染。当前常用的蓄热介质主要有热水和热库，由此，我们对以下几种常见的供暖方案进行对比分析。

方案一:利用电锅炉直供。

方案二:利用蓄热水箱在电网用电低谷时段蓄热，供给高峰时采暖用户使用。

方案三:利用热库在电网用电低谷时段蓄热，供给高峰时采暖用户使用。

电锅炉+蓄热水箱蓄热方式：热媒为80 ℃/55 ℃热水，由电锅炉提供，谷电时段，通过电锅炉加热，将热能存储在蓄热水箱中，其他时段，利用蓄热水箱存储的热量对采暖系统进行供热；当蓄热水箱的充放热运行不正常时，可开启旁通管路阀门，使用电锅炉对场区直接供暖。

电锅炉+热库蓄热方式：利用蓄热材料相变转换(固液态转换)吸放热的原理，在谷电时段，利用电锅炉加热相变蓄热材料，将热能储存于热库中；在电力高峰时期或其他时段，利用热库中存储的热量对热用户进行供暖。此供暖方式具有舒适环保、投资成本高、运行费用适中的特点，便于利用计算机系统实现分时段、分房间自动控制，节省人工成本。

在确保项目取暖效果得到较大改善的基础上，结合各种方案对大气治理的改善力度、初期投资的大小及运行费用、后期维护所需人力物力财力等方面进行对比(热负荷为1 t(0.7 MW)，采暖天数150 d)，详见表1。

利用电锅炉加蓄热水箱蓄热的方式供暖可靠性高，蓄热水箱在电网用电低谷时段蓄热，供给高峰时采暖用户使用，充分利用了谷电电价，节约初投资和运行费用，经过调查、分析、比较，得出电锅炉加蓄热水箱蓄热的方式为最佳方案。

3 实施过程

根据国家及山西省有关文件，据调查我省现在已经实施电力“削峰填谷”政策，消纳省内富余电力，提升全省城乡电气化水平，改善城乡用能结构和人居环境。全省平均平电电价为0.8元/度，峰值电价为1.2元/度，谷电价格为0.4元/度。

表1 三种供暖方案性能对比分析

我们以晋中北收费站场区电锅炉+蓄热水箱的供暖方案为例进行分析研究。晋中北收费站位于山西省晋中市，气候分区为寒冷区，冬季室外计算温度为-11.1 ℃，采用电锅炉+蓄热水箱的供暖方式。根据我省的电力政策，谷电时段，通过电锅炉加热，将热能存储在蓄热水箱中，其他时段，利用蓄热水箱存储的热量对用户进行供热；当蓄热水箱的充放热运行不正常时，可开启旁通管路阀门，使用电锅炉对场区直接供暖。

现状分析：晋中北收费站场区总建筑面积：2 010 m2，24 h保证供暖，供暖热指标为100 W/m2，全天共分为3个时段，其中峰电(8:00～11:00,18:00～23:00,共8 h)、谷电(23:00～7:00,共8 h)、平电(7:00～8:00,11:00～18:00,共8 h)各8 h，蓄热式电锅炉房运行方式采用全谷电运行方式，具体运行方式如下：

23:00～7:00(谷电时段)开启电锅炉。将蓄热水箱中的水逐渐加热至90 ℃，同时向热用户供热。

7:00～23:00(平、峰电时段)关闭电锅炉，用蓄热水箱中的热水向热用户供热。

1)蓄热量计算。

Wx=∑Qi×ti=0.1×2 010×16=3 216 kW·h。

其中，Qi为用蓄热装置供热的各时间段的热负荷，kW；Ti为用蓄热装置供热的各时间段的时间，h。

2)锅炉计算功率。

a.蓄热用电锅炉功率：

其中，Tx为蓄热时间，h;η为锅炉效率，一般取98%。

b.谷电时段值班电锅炉功率：

其中，η为锅炉效率，一般取98%。

3)锅炉计算功率。

Nj=Nx+Ng=410.2+205.1=615.3 kW。

4)锅炉选用功率。

根据锅炉计算功率，本工程选用2台310 kW的电锅炉，总功率N=620 kW。

5)蓄热水箱体积。

其中，Δt为蓄热水箱的可利用温差，℃；η1为蓄热水箱的保温效率，一般取95%；η2为蓄热水箱的容积系数，一般取95%。

选择水箱90 m3。

4 运行效果

4.1 经济效益

采用电锅炉+蓄热水箱的供暖方式初投资较电锅炉直供的方式略有增加，但是运行费用约为电锅炉直接供暖的1/2，从20年的使用寿命来看，采用电锅炉+蓄热水箱的供暖方式更为经济。此外，采用蓄热水箱蓄热，还实现了电网的削峰填谷，消纳了富余电力，有利于电网系统的经济运行。

4.2 社会效益

采用电锅炉+蓄热水箱供暖，不产生任何废气、废水、废渣，清洁无污染，符合国家“节能减排”“绿色环保”政策的号召。而且人员热舒适度较佳，控制运行灵活方便，实施效果良好。

5 结语

目前，我省出现了以电锅炉采暖代替燃煤锅炉的采暖形式，虽然环保问题得到了解决，但是电锅炉采暖的年运行费用高居不下，极大的增加了高速公路服务场区的运营成本，经过调研、对比分析、具体项目实际运行情况的反馈，得出降低电锅炉运行费用的较佳方案——增设蓄热水箱。并且通过实际投入运行的供暖场区来看，电锅炉加蓄热水箱的供暖方式，热舒适度高，运行费用低，经济效益和社会效益显著，具有较高的推广应用价值。