电蓄热锅炉集中供暖技术研究

2020-08-07殷仁豪卢海勇

上海节能 2020年7期

殷仁豪卢海勇王鹏

上海电力设计院有限公司

0 引言

风资源、光资源与电负荷需求由于在时间和地域方面无法形成良好的契合，导致我国三北地区新能源发展面临高弃风率的问题。然而，北方地区冬季有采暖需求，采用电蓄热供暖技术一方面能够消纳风电，降低弃风率，另一方面也能够满足北方地区采暖期的热负荷需求，响应国家《关于完善风电供暖相关电力交易机制扩大风电供暖应用的通知》《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》《解决弃水弃风弃光问题实施方案》等相关政策精神。此外，利用谷电蓄热能够对电网起到削峰填谷的调节作用，符合《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》等相关政策要求。对于用户而言，在《财政部住房城乡建设部环境保护部国家能源局关于开展中央财政支持北方地区冬季清洁取暖试点工作的通知》《北京市电采暖低谷用电优惠办法》等相关政策的支持下，电蓄热供暖在经济性方面也具有可观的优势，可谓一举多得。不少学者就风电和谷电供暖的发展方向、可行性、模式策略以及经济性分析等方面开展了研究，得到了积极的结果[1-4]。

目前，主要的电蓄热技术路线有电极锅炉+水蓄热装置、固体蓄热式电加热装置、电极锅炉+低温相变蓄热装置、高温相变蓄热式电加热装置等。上述这些技术路线在集中供暖和分布式供暖等方面已在全国各地建成了商业化运行项目或示范项目，不少研究者从技术原理、典型设计案例分析、运行策略、风电消纳整体系统优化等方面开展了相关研究[5-12]。本文旨在通过对不同电蓄热装置生产厂家以及实际案例的调研，分析比较不同的电蓄热技术特点，针对不同的供热需求推荐合适的电蓄热技术路线。

1 电蓄热锅炉集中供暖技术路线

1.1 电极锅炉+水蓄热装置

电极锅炉采用10 kV 进电电压，以除盐水作为电阻，通电后释放热量产生热水。热水既可直供一次管网，也可以储存在蓄水罐内，待需要供热时，将蓄水罐内的热水接入一次管网。采用热水蓄热时常压水罐的蓄热温度可以达到90 ℃，采用承压水罐时，蓄热温度可以达到130 ℃。

电极锅炉+水蓄热装置技术成熟、应用广泛，尤其以集中供热为主，如2014 年于德国纽伦堡市建成的集中供暖项目，供热面积达到150 万m2，系统装机为5×20 MW 电极锅炉+1 个常压蓄水罐。单台电极锅炉直径3 m，高度6 m，蓄水罐直径26 m，高度76 m，蓄热量1 500 MWh。目前我国已建成的电极锅炉+水蓄热装置项目有乌鲁木齐高铁弃风电供热示范项目、瓜州新能源清洁供暖项目、达坂城华源风电供热示范项目、河北建筑工程学院风电清洁供热示范项目、吉林大安风电消纳示范项目、张家口宣化煤改电供热示范项目、华电昌吉等。以乌鲁木齐高铁弃风电供热示范项目为例，供热面积达到43万m2，位于乌鲁木齐市高铁站区域，利用弃风的电能为附近办公楼和宾馆供热。该项目所有的设备安装于地下，占地面积2 844 m2，于2016年建成投运。该项目装机为6 台8 MW 电极锅炉+ 9个常压蓄水罐，蓄水罐的直径11 m、高度11 m。瓜州新能源清洁供暖项目位于瓜州县第二热源厂，该项目利用风电和谷电通过电极锅炉给瓜州县城供热。项目装机方案为3 台40 MW 电极锅炉+ 2 个10 000 m3蓄水罐，目前一期2 台电极锅炉已于2018年投入使用，供暖面积达到76万m2，待未来第3 台电极锅炉投入使用后，供暖面积可以达到100万m2。

从技术特点看，电极锅炉应用范围广，单机功率大，10～20 MW都有成熟机型的应用案例。从目前运行的项目看，电极锅炉+水蓄热装置主要分布于新疆、甘肃、青海等较为偏远的北方地区。这是因为电极锅炉本体的体积不大，但是作为蓄热装置的蓄水罐体积较大，由于斜温层的影响，一般而言蓄水罐的直径不会太大，蓄水罐的体积主要体现在高度上，考虑到区域内建筑风格和建筑高度的规划，电极锅炉+水蓄热装置不太适合在人口和建筑密集的区域露天建设。但是，在乌鲁木齐高铁弃风电供热示范项目中利用地下空间安装电极锅炉和蓄水罐也不失为一种合理的解决方法。

1.2 固体蓄热式电加热装置

与电极锅炉+热水蓄热系统不同，固体蓄热式电加热装置的电加热装置与蓄热装置一体化。电加热元件将蓄热砖（镁砖）加热到650 ℃以上，通过可变频风机驱动空气在风道内循环，经过高温蓄热砖时产生高温空气，高温空气通过换热器将热量交换到水循环系统。

固体蓄热式电加热装置目前已实现模块化，有小模块与大模块之分。小模块固体蓄热式电加热装置单机几百千瓦，多用于酒店、办公楼的分布式电供暖，以380 V 电压进线。以大兴区魏善庄煤改电项目为例，该项目供暖面积为1.5万m2，共装机9个模块（含供生活热水），于2016年建成。此外，北京地区的房山五中、官道中心幼儿园、长沟中心小学及幼儿园等项目。小模块固体蓄热式电加热装置的特点是单机较小仅为120 kW，主要用于分布式，地上地下均可布置，维修简便。但相比电极锅炉+水蓄热装置价格较贵，此外，一些质量较差的镁砖在长时间使用后会产生风化、碎裂等现象，易导致风机堵塞，采用进口镁砖可以较好地解决该问题，但会增加投资。

大模块固体蓄热式电加热装置从5 MW到90 MW有多种型号，主要用于电厂灵活性改造和集中电供暖，5～10 MW采用10 kV电压进线、10～50 MW采用 33 kV 电压进线、50 MW 以上采用 66 kV 电压进线。河北省张家口市怀来县电蓄热供暖项目中，供热面积为 20 万 m2，采用 4 台 5 MW 设备，为居民供暖，占地700 m2，于2017年建成。在北京市韩村河集中电采暖示范项目，采用6台6 MW设备，供热面积达到30万m2，于2014建成。大同灵丘居民小区供暖项目供热面积为80 万m2的应用案例，采用12台 7.83 MW 的设备，占地 3 250 m2，于 2018 年建成。河北省张家口市居民小区供暖项目采用2 台8.9 MW+6 台 11 MW 的设备，占地 3 500 m2，于2018年建成。此外，多个电厂也采用固体蓄热式电加热装置用于电厂灵活性改造，如华能伊春热电厂采用2台70 MW和2台90 MW装置，长春、丹东、调兵山电厂也都有类似项目。大模块固体蓄热式电加热装置应用较多、技术成熟，用于集中供热时，模块数量少，占地面积较小。但价格较高，维修不如小模块简便，需等蓄热装置降温后才可进行维修。此外，与小模块一样，会存在劣质镁砖风化、碎裂的问题。

1.3 电极锅炉+低温相变蓄热装置

电极锅炉+ 低温相变蓄热装置与电极锅炉+热水蓄热装置类似，其原理是利用电极锅炉产生的热水加热储热介质使其产生从固态到液态的相变，在该过程中吸收并储存大量的潜热。

电极锅炉+ 低温相变蓄热装置中电极锅炉技术成熟，在电极锅炉+水蓄热装置中得到了广泛的应用，低温相变蓄热装置目前也已实现模块化，今日能源科技发展有限公司生产的蓄热模块蓄热量为 2.5 MWh，尺寸为 4.6 m×2.4 m×2.8 m，地上地下均可安装。中瑞镇江生态产业园项目的供热面积为22 万m2，采用了50 个布置于地下的低温相变蓄热模块，为办公楼和居民供暖，占地面积800 m2，蓄热温度为55 ℃。供暖末端采用风机盘管的形式，供/回温度为50/45 ℃，于2015 年建成。此外，山东德州谷电相变蓄热供暖项目中，供热面积为 2.4 万 m2，蓄热温度为 90 ℃，采用 2 台900 kW 电锅炉和 2 台 6.4 MWh 的低温相变蓄热设备。

江苏启能新能源材料有限公司用于天津水游城商业中心13 万m2的谷电蓄热项目也采用了电锅炉+低温相变蓄热技术。该项目于2014 年11月投运，装机 2×1.6 MW 和 2×1.1 MW 电锅炉和170 台蓄热装置，单台蓄热量180 kWh，直径1 m，高1.8 m，蓄热介质采用无机相变纳米复合材料，相变温度为78 ℃。该项目改造前采用市政热水供暖，采暖季总费用521 万元，改造后采用电锅炉+相变蓄热供暖，采暖季总费用190 万元，节省近 331 万元[3]。

电极锅炉+低温相变蓄热装置是近年来兴起的电蓄热方面的新技术，利用蓄热介质的相变储存能量，减少了蓄热介质的体积。但是，目前的应用案例仍然较少，技术成熟度有待进一步验证。此外，电极锅炉+低温相变蓄热装置在运行过程中通过电极锅炉加热水后，再通过水和低温相变介质换热，主辅设备较多，增加了占地面积和运维成本。

1.4 高温相变蓄热式电加热装置

高温相变蓄热式电加热装置与固体蓄热式电加热装置相似，电加热装置与蓄热装置一体化。通过电加热元件加热高温无机复合相变砖，使其中的钠盐体系发生从固态到液态的相变，蓄热温度最高可达750 ℃。通过可变频风机驱动空气在风道内循环，经过高温无机复合相变砖时，产生高温空气，高温空气通过换热器将热量交换到水循环系统。

高温相变蓄热式电加热装置也是近年来兴起的电蓄热方面的新技术，但目前未见大型应用案例的相关报道，仅有苏州同里高温相变储热冷热联供示范项目，成熟性有待进一步考证。该项目采用4 MWh 高温相变蓄热式电加热装置、300 kW高效汽/水换热器和179 kW 溴化锂机组构成，相变蓄热温度710 ℃、平均储热密度1 077 kJ/kg，约为普通固体储热材料的1.8倍，性能达到国际领先水平。

2 技术路线的比较及建议

表2-1、表2-2、表2-3和表2-4分别为电极锅炉+水蓄热装置、固体蓄热式电加热装置、电极锅炉+低温相变蓄热装置和高温相变蓄热式电加热装置4 种电蓄热集中供暖技术路线的技术指标比较、最大单机比较、应用案例比较以及综合比较。

从表2-1可以发现，高温相变蓄热式电加热技术单位体积的蓄热量最大，固体蓄热式电加热技术次之，随后是电极锅炉+低温相变蓄热技术，最小的是电极锅炉+水蓄热装置，这意味着在蓄热量相同的情况下，电极锅炉+水蓄热技术需要占用的场地空间最大。

从表2-2 中可以看出，在最大单机方面，固体蓄热式电加热技术和高温相变蓄热式电加热技术为一体化装置，固体蓄热式电加热技术单机最大蓄热量可达800 MWh，而高温相变蓄热式电加热技术生产厂家的产品最大可以做到80 MWh。对于电极锅炉+水蓄热技术而言，可以通过建立一个或多个水罐满足蓄热要求，目前单个水罐最大蓄热量为100 MWh。电极锅炉+低温相变蓄热技术同样可以通过多个单体蓄热设备的累加满足蓄热要求，目前单个低温相变蓄热设备的蓄热量为2.5 MWh。从单位体积蓄热量和最大单机规模来看，固体蓄热式电加热技术较优。

表2-3中目前已经实施的电蓄热技术，电极锅炉+水蓄热技术供热面积达到了43 万m2，电极锅炉+水蓄热技术尽管单位体积的蓄热量最小，相同蓄热量需要的蓄热体体积最大，但是可以考虑上述案例中的方法合理使用地下空间。火电厂灵活性改造所采用的大模块固体蓄热式电加热装置装机规模较大，而一般的大模块固体蓄热式电加热技术供热面积也能够达到36 万m2。相对于电极锅炉+低温相变蓄热技术和高温相变蓄热式电加热技术而言，电极锅炉+水蓄热技术和大模块固体蓄热式电加热技术成熟度较高。

综合表2-1、表2-2和表2-3的比较分析，将各

种电蓄热集中供暖技术路线的优缺点进行对比分析，详见表2-4。电极锅炉+水蓄热技术的优点是技术成熟、应用广泛、工程投资较少，但是由于水的单位体积蓄热量较小，导致该技术在装机规模较大时，蓄热水罐的体积和高度也随之增加，可能会引起占地面积大、不满足城市规划等方面的问题。固体蓄热式电加热技术的优点是技术成熟、单位体积蓄热量大、占地面积小，但也面临劣质镁砖风化和投资较高等问题。电极锅炉+低温相变蓄热技术和高温相变蓄热式电加热技术采用了相变蓄热，增加了单位体积的蓄热量，但其工程投资较高，且目前应用案例较少，成熟度有待进一步验证。

表2-1 各种电蓄热集中供暖技术路线的技术指标比较

表2-2 各种电蓄热集中供暖技术路线最大单机比较

表2-3 各种电蓄热集中供暖技术路线的应用案例比较

3 电蓄热锅炉规划设计选型建议

对于电蓄热锅炉技术而言，综合上述各种技术路线的比较，建议因地制宜采用不同技术路线规避风险。考虑到电极锅炉+水蓄热装置技术成熟、经济性较好，但水罐需采用压力容器且体积较大，现阶段建议在规划要求不高且供热面积在30万m2以下的能源站采用电极锅炉+水蓄热装置，并考虑利用地下空间或装饰面。固体蓄热式电加热装置技术成熟，应用较多，现阶段建议供热面积在10万m2以下的区域采用小模块固体蓄热式电加热系统，10万m2以上的区域采用大模块固体蓄热式电加热系统，理论上大模块固体蓄热式电加热系统可无限累加，但考虑到局部电网压力，现阶段建议新建大模块固蓄能源站的供热面积不宜超过50万m2。电锅炉+低温相变蓄热系统以及高温相变蓄热式电加热系统由于尚无较大规模的应用案例，可以在非城市中心区域且供热面积较小的能源站作为试点应用，现阶段供热面积不宜超过10万m2。

表2-4 各种电蓄热集中供暖技术路线的优缺点比较

4 电蓄热锅炉戴布拉图模型

针对实际应用中的技术选型，本研究对电蓄热技术提出了适用供暖面积、经济性、技术成熟度、运维便利程度、单位体积蓄热量和规划及环境适应性六项指标。针对电极锅炉+水蓄热技术、小模块固体蓄热式电加热技术、大模块固体蓄热式电加热技术、电极锅炉+低温相变蓄热技术和高温相变蓄热式电加热技术的特点，根据对应的六项指标进行打分并分别绘制成戴布拉图，如图4-1所示。

针对实际项目应用场景的特点，将该项目对应的供暖面积、经济性要求、运维便利程度要求、技术成熟度要求、场地限制要求以及规划和环境适应性要求进行打分并绘制成项目应用场景的戴布拉图。以某郊区地段小区供暖项目和某市区酒店供暖项目为例，如图4-2所示。

在实际项目需要选择合适的电蓄热技术时，可以将各种电蓄热技术的戴布拉图与该项目的戴布拉图进行叠加，找到最为匹配的电蓄热技术方案。以某郊区地段小区供暖项目为例，利用戴布拉图的模型比较可以发现相对于小模块固体蓄热式电加热技术，电极锅炉+水蓄热技术更适合该项目，如图4-3所示。

同样，对于某市区酒店供暖项目而言，通过戴布拉图的模型比较可以发现相对于电极锅炉+水蓄热技术而言，小模块固体蓄热式电加热技术更适合该项目，如图4-4所示。