电蓄热锅炉技术在针织行业应用及经济效益分析

2022-01-20袁俊球柴婷逸

电力需求侧管理 2022年1期

袁黎，袁俊球，柴婷逸，谈诚，俞鑫

（国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏常州 213000）

0 引言

技术的更新和进步离不开能源的支撑，由于社会经济的飞速发展，能源的消耗速度在快速增长。人类当前正面临一系列的能源问题，其中能源的大量消耗和不合理利用的问题急需解决。资源浪费和过度开发引发了极大的环境问题，给社会生活带来了影响，还导致了能源价格的上涨。基于对能源的合理利用和节能技术的发展，从能源使用的全周期过程出发减少能源浪费，是经济发展的一项长远战略方针。利用蒸汽蓄热的方法可以实现能源生产与消耗之间的平衡，保持电能的峰谷供需平衡，从而使系统负荷均衡运行，最终实现节能的目的。

虽然电力发供用同步，但社会用电峰谷差较大，谷电消纳不充分，存在窝电情况。同时随着环保整治需要，天然气存在供应严重不足的问题。寻求一种既能够消纳谷电，又能够替代天然气的技术正符合社会和市场的需要。谷电加热蒸汽蓄热技术相比于电化学储能投资少，相比于天然气锅炉运营成本低，适用场景广泛。开发应用蒸汽蓄热新技术可以实现以电代气（煤）的目标，充分发挥电网作为能源枢纽的双向转换作用，在白天使用夜间利用谷电储存的热能，是国家对电网公司提出的建设要求，同时也将促进2060碳中和目标的实现。

鉴于上述问题提出了谷电加热蒸汽蓄热技术。在美国，需求侧管理理论的成果在多个地区得到大规模应用。1988年，美国已取得节约100亿美元的经济效益［1］。文献［2］通过对比电锅炉效率与电力市场价格的关联，分析得出了电锅炉具有潜在投资价值。文献［3］说明电锅炉在欧洲得到了广泛使用，将风电与电锅炉结合运行可取得良好的经济效益。电力蓄能技术在1994年的全国节电工作会议中被提出，开展试点工作后受到了企业的广泛关注［4］。近年来，谷电蓄热技术发展迅速，在建筑供暖、新能源消纳等方面有着诸多应用。当前应用较为广泛的几种蓄能技术主要有压缩空气、电热蒸汽蓄能和电池蓄能等［5］。由于电热蒸汽蓄热器满足对电网中无污染物排放的技术要求,综合投资成本、检测维护等各个方面,电热蒸汽蓄热器被认为是一种在电力网中比较理想的储能设备［6］。本文提供的案例不仅运用谷电蓄热的方式消纳谷电、提高效益，而且遵循分布式电源就地消纳的原则，对光伏发电、风力发电的冗余电量进行消纳，避免了光伏、风力发电过剩带来的问题。

本文对电蓄热锅炉系统进行了概述，提供了一种相关参数的计算方法，通过对比实际运行参数，验证了其准确性，最后总结了项目实施带来的经济效益，对电蓄热技术的未来发展提出了新的建议。

1 电蓄热锅炉系统概述

1.1 工作原理

采用电蓄热锅炉供能是一项绿色环保的电力需求侧项目，是国家大力提倡和积极引导的一种用电方式，对提高用户侧的用电效率、资源的合理配置起到了一定的作用。电蓄热锅炉系统有助于平衡电网峰谷差，降低电网投资建设成本。

本文应用潜热蓄热的蓄热方法。潜热蓄热利用相变过程吸收或释放热量，在谷电加热蒸汽蓄热技术中，利用水-水蒸汽的相变过程，通过使用电热蒸汽蓄热器实现了将电能转化为热能并进行储存和释放［7］。电热蒸汽蓄热器以水为基础，通过电-蒸汽-水-蒸汽的能量转换过程对电能进行存储和转换，可作为工厂的储能装置，使工厂锅炉负荷保持稳定［8］。

典型蓄热式供热系统的结构如图1所示，蓄热式供热系统主要包括电热锅炉、蓄热器、控制系统3个部分［9］。

图1 蓄热式供热系统Fig.1 Regenerative heating system

电热锅炉与传统锅炉相似，是一种将电能转换为热能的能量转换装置；蓄热器的作用是储存电锅炉利用谷电转换的热能，度过谷电时段后向供热管提供热水；控制系统用于供热调节。

电蓄热锅炉系统实现了储能与释能的双向循环［10］。夜间用电低谷期蓄热器储存热能，储能过程是一个电-水转换的过程，电热蒸汽蓄热器中的储水经过电加热锅炉系统的蒸汽加热，蓄热器中的水压和温度升高，水在压力的作用下成为饱和水，电能因此得到了储存。

1.2 针织厂电蓄热锅炉系统

某针织厂服装生产车间需要蒸汽熨烫，每日使用压力为0.4 MPa蒸汽约4 t。该厂用汽工作时段正常为7:00—19:00，有时因订单增加会延时到21:00，蒸汽需求会增加1～2t。结合针织厂的实际情况和上述工作原理，设计了一种可远程监控的电蓄热锅炉系统，蒸汽蓄热流程如图2所示。该地区谷电时段为0：00—8:00，配置0.57 t/h的电锅炉，7 h能够产生4.0 t蒸汽，基本满足企业用汽需求。当延时工作造成蒸汽不足时，可以通过中午工人休息时段负荷下降，光伏余电上网部分制造蒸汽并储存，供车间后续使用。

图2 蒸汽蓄能流程示意图Fig.2 Schematic diagram of steam storage process

系统运行完全在电力监控平台的监控下进行，监控平台对系统的电蒸汽锅炉、汽液相变蒸汽蓄热器、软化水箱和阀门等设备进行远程监控。系统自动检测客户可蓄热用的剩余用电容量，分组启动电锅炉电加热棒，根据蓄热罐中压力停启电锅炉系统。根据生产需要通过阀门自动调节输出蒸汽压力，安全可靠地实现电-水-汽转换过程。系统对水、电、汽等能耗进行实时在线监测，并对其进行用能诊断及分析，经分析后得出各种形式的报表和图表，通过数据库进行对比，可做出较为科学的能源使用报告，最终达到能源在线监测及控制的目的。远程电力监控平台如图3所示。

图3 针织厂远程电力监控平台系统Fig.3 Remote power monitoring platform system of knitting factory

本次节能改造后，工厂原有已配置直热式电蒸汽发生器暂时保留，作为蒸汽蓄热器系统备用，发生短时间大批量加班生产时可投入。

2 电热蒸汽蓄热器系统设计

为了减小能源消耗，节约针织厂的经济成本,对针织厂的蒸汽系统进行改造，将其改造为一种具有谷电蓄热能力的环保节约型蒸汽生产系统。本文将利用相变蓄热转化装置、蓄热锅炉、热泵3种装置优化组合的方式，建立能源梯级利用的多能互补相变蓄热系统解决方案。下面给出了蓄热器储水量以及蓄热量等关键参数的计算方法，并以针织厂为案例进行了对比分析。

2.1 蓄热器储水量计算

对于一个电能蓄热系统，其压力在冲热压力和放热压力之间波动。冲热压力工作上限是电热蒸汽蓄热器最大工作压力值的上限，也就是电能加热过程结束时的最高工作压力［11—14］。放热压力是能保证电能蓄热器正常运行的最低工作压力。

蓄热器的储水量V1为

2.2 蓄热器产汽量计算

蓄热器在放热时产生1 kg蒸汽所需的热量q1为

式中：r′1和r′2分别为压力P1和P2下水的汽化潜热。

电热蒸汽蓄热器每小时蓄热量Q1为

式中：E为单位耗电量。

电热蒸汽蓄热器每小时可产生的蒸汽量Q2约为

蓄热器工作8 h，可产生8Q2的蒸汽量。

2.3 智能控制设定

针织厂蒸汽蓄热锅炉电加热系统设置智能控制系统。根据服装熨烫生产工艺要求，设定锅炉和蓄热罐的额定压力为1.4 MPa，输出压力0.4 MPa。通过时段控制锅炉停启，在谷时段自动加热，过后自动停止加热。在关口电表侧进行数据采样，当发现光伏电倒送电网，倒送功率值大于单组电热管60 kW时，启动一组加热，大于120 kW时启动两组加热，以此类推直到全部启动。工作过程中锅炉压力和蓄热罐压力高于额定压力值，或监测到关口电表负荷超过变压器容量值时立即停止加热。

2.4 案例分析

针织厂蒸汽蓄热锅炉电加热功率设计为420 kW，因此电热蒸汽蓄热器工作8h共消耗3360kWh的夜间谷电电量。用3 360 kWh的电能加热蓄热器内储存的水，当达到一定的压力后，储存的热量即为所加热的储水量。本项目在冲热压力P1=1.4 MPa，放热压力P2=0.4MPa的条件下实施。

根据本案例实施条件和预估的电热器谷电期储电量N=3 360 kWh，计算出储水量应不少于62 m3，在实际系统设计中，涉及到电锅炉性能问题，用电量大于所需电能储存量。

表1记录了自2020年9月项目投入运行以来5个月的电锅炉性能数据。由上述计算可知锅炉的有效利用热Q3与供给锅炉的热量Q4之比为锅炉效率，它表示送入锅炉的电量被有效利用的程度，锅炉的有效利用热为

表1 电锅炉性能分析Table 1 Performance analysis of electric boiler

式中：D为蒸汽的产生量；i汽为蒸汽热焓；i水为给水的热焓。已知常州市9月到次年1月这5个月的平均气温分别为22℃、15℃、9℃、2℃、1℃，则i水分别为22 kcal/kg、15 kcal/kg、9 kcal/kg、2 kcal/kg、1 kcal/kg；电锅炉工作压力为0.45 MPa，查饱和蒸汽表得，在压力为0.45 MPa条件下，i汽=668.48 kcal/kg。锅炉效率η为

由表1可知，锅炉效率在74%～83%之间，去除9月份设备调试因数，后面4个月平均效率均在82%以上，改造后的蓄热系统对谷电具有良好的储存能力。通过锅炉有效利用热计算理论日均产汽量，与实际值相比，差值小于0.5t，具有一定的参考作用。以上为锅炉系统的热泵系统未投入使用的测试数据，因此今后产品通过将热泵（热回收）预热系统、蒸汽发生系统与蓄热系统一体化设计后，其整体效率能够得到有效提升，且目前主要是蒸汽锅炉带来的热损耗，在电锅炉停止产汽后将炉体内的高温水引入保温软水箱后，锅炉效率有望提升到90%以上。

3 经济效益分析

针织厂原有燃煤蒸汽锅炉一台，白天生产，夜间休息。每天平均用蒸汽4 t，执行大工业电价。2017年10月更换13台直热式电蒸汽发生器，蒸汽成本由原来的158元/t增加至600元/t，生产成本增加，利润下降，市场竞争力降低，急需实施能够降低生产成本的技术措施，以缓解生产、经营压力。

蒸汽蓄热电能替代新技术利用电加热的高效性及谷电运行的经济性，解决燃气蒸汽锅炉效率低、经济性差等问题，无论采用“当量值”还是“等价值”计算方法，节能效果都较好。

对针织厂项目2020年9月至2021年1月共5个月的电锅炉运行状况进行记录，按照江苏电价，1 kV～10 kV大工业用电高峰时段电价为1.0347元/kWh，平时段电价为0.6068元/kWh，低谷时段电价为0.2589元/kWh，电力运行数据如表2所示。

表2 针织厂电锅炉运行状况Table 2 Operation status of electric boiler in knitting factory

由表2可知，针织厂5个月消耗总电量为482 722 kWh，峰电量9 684 kWh，占2.01%；平电量47 556 kWh，占 9.85%；谷电量 425 482 kWh，占88.14%。低谷用电量接近90%，电力蓄能技术的效益比较明显，通过采用夜间储存电费成本低的谷电，白天释放储存热能的方法，与按非峰谷计算的理论电费相比节约了51.2%的成本。通过采用谷电蓄能的方式，不仅提高了工厂效益，也减少了电力资源的浪费。综合电加热蒸汽存储系统、配电系统以及计量及管控系统的设备购置费70万元、安装工程费18万元，以及其他费用7万元，总计投资95万元，大约3年可以收回投资。如果考虑移峰填谷，变压器的需量将减少约250 kvar,每月基本电费将减少1万元，效益更好，回收周期更短。

4 结束语

基于电价政策与电蓄热锅炉的特点，从电蓄热锅炉在工厂中的应用案例可以得出电蓄热锅炉的应用有如下特点：

（1）经济效益明显

采用电热蒸汽蓄热器存储电能，充分利用了峰、平、谷时期电价不同，电力负荷相差较大的特点，与传统直热式电锅炉生产蒸汽方式相比谷电蒸汽蓄热锅炉平均蒸汽耗电量790 kWh/t，平均蒸汽成本205元/t。与天然气锅炉相比，平均蒸汽耗气量90 m3/t，天然气单价按照3.5元/m3计算，平均蒸汽成本315元/t，因此谷电蒸汽蓄热锅炉相比天然气锅炉节省运营成本34%以上；与热力管网供气相比，其蒸汽成本销售价一般为230元/t左右，但考虑有管损费、管道开通费、管道空置费等，一般蒸汽成本会达到250元/t以上。因此在运营成本上谷电蒸汽蓄热锅炉远远低于天然气锅炉，比热力管网也要低10%以上。蒸汽蓄热电能替代新技术改造简单易行，将原天然气锅炉替换成电蓄热锅炉，能达到节能、降低成本的效果。同时由于电锅炉自动化程度高，可以节约2人以上的人工成本。

（2）环境效益显著

我国煤碳年消费量的一半以上用于火力发电，火力发电占我国总发电量的60%以上。因此，电蓄热锅炉既可以高效利用谷电，也可以充分就地消纳光伏、风电等清洁能源，既可提高现电煤使用效率，还可减少工业上石化燃料的使用，将大大减少碳排放，改善城市环境，是高效、低碳、绿色高新技术。

（3）社会效益显著

电蒸汽蓄热系统除高效利用谷电外，还可以应用于风电、光伏电站蒸汽存储能源站项目的建设，可以是电-蒸汽项目，也可以是电-蒸汽-电项目，用于消纳光伏、风电等绿色能源；同时它未来也可以在热力管网的末端作为热力中继站使用，通过少量谷电提升蒸汽压力和温度，可以延伸供热半径，也可以对热力管网系统的蒸汽进行移峰填谷。多源蓄热系统如图4所示。电蓄热技术不仅应用于工业企业中，也可以广泛应用于学校、医院、宾馆、集中居住区，为其提供蒸汽、生活热水及进行区域供暖。