风电供暖系统设计

2019-04-30孙枫然王卓胤王玉虎王晓军

煤气与热力 2019年4期

孙枫然，王卓胤，王玉虎，王晓军

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司第六设计研究院，天津300381；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司西安分公司，陕西西安710018)

1 概述

本文以呼和浩特市城发毫沁营集中供热工程(5×116 MW燃气锅炉+2×25 MW电锅炉)为例，对风电供暖系统进行研究。本研究的范围为风电供暖系统，主要内容包括风电供暖系统设计热负荷的确定；通过本区域日供暖热负荷的特点，确定风电供暖系统运行调节的模式以及电锅炉的选型及供暖方案。风电场及其配电系统、主热源燃气锅炉供暖系统以及二级热网供暖系统不在本研究范围之内。

2 风电供暖系统设计热负荷

选取呼和浩特市毫沁营供暖区域(以下简称毫沁营区域)作为风电供暖示范项目实施基地，利用内蒙古现有风电参与呼和浩特市毫沁营区域供暖。毫沁营区域总供暖面积为1 136×104m2，供暖热指标为49 W/m2，总热负荷为556.6 MW。其中燃气锅炉承担的热负荷为507.6 MW，其余供暖热负荷由电锅炉承担。年供暖量根据CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》(以下简称CJJ 34—2010)第3.2.1条计算得出。风电供暖示范项目设计热负荷见表1。

表1 风电供暖示范项目设计热负荷

根据热负荷情况，最终确定燃气锅炉作为主热源，风电供暖作为调峰热源，调峰热源主要设备包括电锅炉、板式换热器和循环水泵等供暖设备，设置在燃气锅炉房内。

3 风电供暖系统运行调节模式

3.1 项目所在地区供暖热负荷特点

经调研，项目所在地区呼和浩特市的冬季供暖日热负荷受气温影响较大，供暖期夜间平均温度比白天低6 ℃，每日0:00—9：00和21:00—24:00两个时间段热负荷较大，故选择该时间段为该项目供暖调峰时段。

以冬季典型供暖日(最大热负荷日)为例，本项目一日内6:00热负荷最大，为556.6 MW，14:00热负荷最小，为409.9 MW，最大热负荷与最小热负荷相差146.9 MW。此特点适用于主热源加调峰热源运行的系统。利用主热源承担基本热负荷，调峰热源承担尖峰热负荷，在调峰时间段内调峰热源满负荷运行。

3.2 风电供暖系统运行方式

参照文献[1]，示范项目实施后，结合供暖区域冬季典型供暖日热负荷特点，每日凌晨0:00—9:00，热负荷先逐步增大后减小，在6:00时达到最大值，主热源燃气锅炉运行的同时，风电调峰热源启动参与调峰。9:00—21:00，热负荷减小，由燃气锅炉供暖。21:00—24:00，热负荷增大，启动风电调峰热源与主热源燃气锅炉共同供暖。冬季最大热负荷日热负荷分布见图1。图1中横轴的时间0对应0:00—1:00，以此类推。

图1 冬季最大热负荷日热负荷分布

3.3 供暖期所需电量计算

本项目供暖期风电供暖所需电量计算公式如下：

(1)

式中E——供暖期风电供暖所需电量，MW·h

k——富裕系数，取1.096

Φ——风电供暖负荷，MW，取49 MW

t1——风电每日运行时间，h/d，为12 h/d

t2——供暖期时间，d，为167 d

η——电锅炉热效率，取98%

由此计算出本项目供暖期风电供暖所需电量为109 819 MW·h。

4 电锅炉选型

4.1 电阻式热水锅炉

电阻式热水锅炉采用高阻抗管形电热元件，接通电源后, 管形电热元件产生高热，将水加热成为热水。管形电热元件由金属外壳、电热丝和氧化镁绝缘材料组成。该种元件的优点是水中不带电,使用较为安全, 对水质也不造成污染。电热丝通过氧化镁绝缘材料与炉水隔离，并且电气上设有相应保护；电阻式热水锅炉的电压等级为0.4 kV，由于本项目电力进线仅能提供电压等级为10 kV的电压，因此，需要设置变压器及低压配电设备。这种锅炉的热功率受到电热元件结构布置的限制，不宜过大。

4.2 高压电极式热水锅炉

高压电极式热水锅炉的工作原理参见文献[2]。锅炉内筒里的三相电极板(材质为铜)浸没在水中，三相电极板通电后，直接加热具有一定电导率的炉水，炉水被迅速加热，成为高温水。锅炉的热功率由控制内筒内水位(即改变电极的水覆盖面积)来实现。高压电极锅炉可直接接到10 kV三相供电电路上，因此，仅需要设置高压配电设备。

4.3 主要技术参数对比

电阻式热水锅炉与高压电极式热水锅炉的主要技术参数对比见表2。

表2 电阻式热水锅炉与高压电极式热水锅炉主要技术参数对比

从表2可以看出，高压电极式热水锅炉在热效率、使用寿命和热功率等方面都比电阻式热水锅炉优越。综上所述，故本项目电锅炉采用高压电极式热水锅炉(以下简称电锅炉)。

5 电锅炉供暖方案

5.1 介质参数

本方案风电供暖系统电锅炉供回水温度设计为165/135 ℃。由于电锅炉水质要求为纯水，须将电锅炉供水、电锅炉回水和一级供暖管网供水(以下简称为一级网供水)、一级供暖管网回水(以下简称为一级网回水)通过板式换热器分隔开。一级网供回水温度设计为 130/70 ℃，二级网供回水温度设计为 75/50 ℃。

5.2 电锅炉供暖方案

电锅炉供暖考虑了两个方案，方案1：电锅炉加蓄热供暖系统；方案2：电锅炉无蓄热供暖系统。

5.2.1 方案1：电锅炉加蓄热供暖系统

① 供暖模式分析

电锅炉加蓄热供暖系统是在电力低谷期间，利用电作为能源来加热蓄热介质，并将热能储藏在蓄热罐中；电力高峰期间，将蓄热罐中的热能释放出来满足供暖需要。所需的主要设备包括电锅炉、蓄热罐、配套板式换热器、配套循环水泵及1套全自动软水器。电锅炉加蓄热供暖系统见图2。

图2 电锅炉加蓄热供暖系统

图2中虚线范围内为本示范供暖项目研究范围。从图2可以看出，电锅炉加蓄热供暖系统主要有以下3种工作模式。

a. 电锅炉边蓄热边供暖模式

电锅炉边蓄热边供暖时，阀6和阀8关闭，阀1、阀2、阀3 、阀4、阀5、阀7、阀9和阀10开启。

其流程主要分为两路，其中一路进入蓄热罐，走向为：板式换热器1→阀4→节点4→阀1→蓄热罐→阀2→节点2→阀9→节点7→泵4→节点1→阀5→板式换热器1；另一路进入板式换热器2进行换热，走向为：板式换热器1→阀4→节点4→阀7→节点5→板式换热器2→节点6→节点8→阀10→节点3→阀3→节点2→阀9→节点7→泵4→节点1→阀5→板式换热器1。

本模式下，电锅炉所供热量经板式换热器1换热后一部分进入蓄热罐，一部分进入板式换热器2。

b. 电锅炉纯蓄热模式

电锅炉纯蓄热时，阀 3、阀6、阀7、阀8和阀10关闭，阀1、阀2、阀4、阀5 和阀9开启。

其流程为：板式换热器1→阀4→节点4→阀1→蓄热罐→阀2→节点2→阀9→节点7→泵4→节点1→阀5→板式换热器1。

本模式下，电锅炉所供热量经板式换热器1换热后全部进入蓄热罐。

c. 蓄热罐供暖模式

蓄热罐供暖时，阀4、阀5、阀9和阀10关闭，阀 1、阀2、阀 3、阀6、阀7和阀8开启。

其流程为：蓄热罐→阀 1→节点4→阀7→节点5→板式换热器2→节点6→节点8→阀8→节点7→泵4→节点1→阀6→节点3→阀3→节点2→阀2→蓄热罐。

本模式下，电锅炉停止运行，蓄热罐所蓄热量全部进入板式换热器2中进行换热。

② 供暖模式和运行时间

结合本项目的运行方式及特点，可以采用电锅炉边蓄热边供暖和蓄热罐放热两种工作模式，其运行时段分别为：

电锅炉边蓄热边供暖运行时段21：00—24：00和0：00—5：00，共计8 h。

蓄热罐放热运行时段5：00—9：00，共计4 h。

③ 蓄热装置的选择

蓄热装置按蓄热介质主要分为水蓄热和相变材料蓄热。与相变材料蓄热相比，水蓄热形式简单，成本低廉，而相变材料蓄热除价格昂贵外，还需考虑腐蚀和老化问题。因此，蓄热装置一般采用水蓄热。

水蓄热的蓄热装置采用蓄热罐。其罐体材质为碳素钢，保温材料为硬质聚氨酯。蓄热罐利用水作为储存介质，依据不同温度的水由于密度差异而分层的原理运行，低温水和高温水之间的过渡区域为斜温层。运行模式分为蓄热模式和放热模式。在蓄热模式下，一级网供水从上部高温水分布管进入蓄热罐，密度较小的高温水滞留在蓄热罐顶部形成高温水层。随着一级网供水不断地充入蓄热罐，一级网回水不断地被泵抽出蓄热罐，斜温层会不断地下降，直至蓄热罐蓄满热量。在放热模式下，蓄热罐中的热水从上部高温水分布管不断被水泵送到供暖系统进行换热，换热后的一级网回水从下部低温水分布管回到蓄热罐，形成低温水层。随着一级网回水不断地回到蓄热罐，斜温层不断上升，直至蓄热罐所蓄热量全部释放。

5.2.2 方案2：电锅炉无蓄热供暖系统

① 供暖方式

电锅炉无蓄热供暖系统见图3。

图3 电锅炉直接供暖系统

电锅炉生产的热水经过板式换热器1换热，将一级网回水加热后，接至燃气锅炉供应的一级网供水母管，经板式换热器2换热后向用户供暖。供暖系统需要的主要设备为：电锅炉、板式换热器、循环水泵及1套全自动软水器(图3中未表示)。

② 锅炉选型

根据风电供暖示范项目设计热负荷，可选取2×25 MW电锅炉。

5.3 推荐方案

通过方案比较，本风电供暖示范项目采用方案2，即电锅炉无蓄热供暖系统。其原因为：

① 电锅炉加蓄热供暖方式的运行原则是“低谷蓄热、峰时用热”，即在夜间低谷电时段以“边蓄边供”的形式供暖，在白天用电高峰时段再采用蓄热罐供暖。而对于本项目，电锅炉供暖作为调峰热源，仅在每日用热高峰时段启动，而每日用热高峰时段多发生在夜间，与电锅炉加蓄热供暖方式的运行原则不符。

② 本项目电锅炉供暖系统设置在现有主热源燃气锅炉房内，可用空间有限，若采用电锅炉加蓄热供暖方式，无空间布置蓄热罐。

6 项目造价

本风电供暖示范项目需要的主要设备为2×25 MW电锅炉、2×25 MW板式换热器，配套2台循环水泵及1套全自动软水器等设备。经测算，其设备加安装工程造价分别为：2台电锅炉2 730×104元，2台板式换热器380×104元，2台循环水泵80×104元，1套全自动软水器60×104元，配套电气设备390×104元，配套自控设备190×104元，其他设备95.61×104元，以上各项设备及安装工程造价为3 925.61×104元；再加上建筑工程造价359.37×104元、基本预备费77.33×104元、建设期利息65.10×104元、其他费用607.30×104元，因此，本风电供暖示范项目总造价为5 034.71×104元。