高新區(qū)電蓄熱供熱系統(tǒng)分析

王 瓊

(太原市市政工程設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

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高新區(qū)電蓄熱供熱系統(tǒng)分析

王 瓊

(太原市市政工程設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

介紹了電鍋爐蓄熱系統(tǒng)的工作原理及意義，根據(jù)蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計原則，從電鍋爐、高溫蓄熱裝置、智能化自控系統(tǒng)等方面，闡述了蓄熱系統(tǒng)的組成及作用，并通過實例計算說明了電蓄熱供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行。

蓄熱系統(tǒng)，電鍋爐，熱量，供熱需求

我國北方地區(qū)供熱發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)供熱普及率達(dá)到了70%，集中供熱規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，目前熱源不足的現(xiàn)狀突現(xiàn)出來，為解決熱源問題，同時解決因為供熱所帶來的污染和霧霾問題，國家提倡采用清潔能源，在這種環(huán)境下，太原市高新區(qū)積極響應(yīng)國家政策，提出了本區(qū)域采暖采用清潔能源供熱。高新區(qū)某區(qū)域供熱面積約18.8萬m2。項目供暖系統(tǒng)擬采用電熱水鍋爐作為熱源，夜間利用富余的低谷電進(jìn)行蓄熱、產(chǎn)生熱水，在蓄熱的同時對外供熱；白天，在用電高峰時段電熱水鍋爐不開啟，而利用低谷時段電鍋爐所蓄熱的熱量進(jìn)行供熱。

1 熱源

1.1 工作原理

蓄熱系統(tǒng)是指建筑物白天所需的熱量的全部或部分在夜間(電力低谷時段)制備好，并以熱水的形式儲存起來供白天使用，而電鍋爐蓄熱系統(tǒng)就是在夜間利用電力作為能源來加熱蓄熱載體(如水、油等)并儲存熱量，供白天使用[1]。

1.2 電鍋爐蓄熱系統(tǒng)的意義

冬季采暖是北方冬季霧霾的主要元兇,治理霧霾是個系統(tǒng)工程,主要靠節(jié)能減排來降低污染物的排放,電的來源越來越廣泛,很多都屬于清潔能源,目前電力過剩,冬季棄風(fēng)電現(xiàn)象嚴(yán)重。電蓄熱可以解決風(fēng)電的不連續(xù)性，平衡峰谷負(fù)荷的優(yōu)勢，以及利用峰谷電價差的優(yōu)勢，減小運行成本。近幾年在供熱行業(yè)得到了發(fā)展。

1.3 分體式蓄熱系統(tǒng)

分體式蓄熱系統(tǒng)是指電鍋爐和蓄熱罐分開設(shè)置，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計情況配置板式換熱器和變頻蓄熱水泵，是目前使用較多的型式，鍋爐和蓄熱罐都按標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品設(shè)計、制造，蓄熱罐可在工廠或現(xiàn)場完成。

分體式電熱系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1)鍋爐檢修方便，更換電熱管只需把鍋爐筒體放空，更換簡單快捷安全；

2)蓄熱罐可根據(jù)現(xiàn)場靈活設(shè)計，通過精心設(shè)計達(dá)到良好的溫度場和流場，大大降低由于傳熱溫差和混合造成的能量損失;

3)在任何時刻都能夠?qū)崿F(xiàn)電熱管和蓄熱罐的負(fù)荷分配，系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)荷的需要控制電鍋爐適時加載和卸載，達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)；

4)系統(tǒng)在任何時刻都能夠?qū)崿F(xiàn)電鍋爐單供熱、蓄熱罐單供熱、電鍋爐和蓄熱罐聯(lián)合供熱等供熱模式；

5)由位于蓄熱罐外的無壓膨脹水箱解決水的膨脹問題，蓄熱罐體積利用率高。

1.4 電蓄熱供熱設(shè)計原則

1)經(jīng)濟(jì)性分析。

蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要受初投資和運行費用的綜合影響，在運行年限內(nèi)，盡量使初投資和運行費用最低。蓄熱系統(tǒng)的蓄熱能力要求越高，其蓄熱罐越大，占地也越大，其初投資越高，故根據(jù)供熱熱負(fù)荷合理選擇蓄熱能力是決定初投資最主要的因素。充分利用谷期低電價供熱是影響供熱成本的主要因素。綜合考慮初投資和運行成本，才能達(dá)到最佳。要充分利用有關(guān)電力優(yōu)惠政策[2]。

2)節(jié)能節(jié)投資。

蓄熱系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是弄清楚供熱的熱負(fù)荷，根據(jù)熱負(fù)荷隨天氣溫度變化的特點，選擇合適容量的設(shè)備，盡量減小設(shè)備的容量，充分利用谷期電價的優(yōu)勢，降低運行成本。

3)可靠性分析。

系統(tǒng)的可靠性主要是指系統(tǒng)整體的效率、運行的穩(wěn)定性、使用過程的維修量以及使用年限問題。電蓄熱系統(tǒng)效率高，運行穩(wěn)定，維修率低，使用壽命長。故其可靠性能高。

1.5 全量蓄熱模式

電鍋爐在電力谷期滿負(fù)荷運行，除保證運行熱負(fù)荷以外，還能把多余的熱量儲備起來，在其他時間段，電鍋爐不需運行，所需熱負(fù)荷全部由蓄熱設(shè)備滿足。

2 系統(tǒng)組成及介紹

2.1 電鍋爐

電鍋爐是一種清潔環(huán)保的熱源[3]，采用分量蓄熱，即次日采暖系統(tǒng)所需的熱量在前一天晚上利用低谷電力時段部分蓄好，儲存在蓄熱罐內(nèi)。山西地區(qū)電力分為峰谷平三個時間段，每段為8 h，每天在電力低谷的8 h內(nèi)，制備一天需要的熱量，蓄存于儲熱罐里。

項目根據(jù)不同區(qū)域功能及容量大小等實際情況選擇電極式鍋爐(10 kV級)。

電極式鍋爐采用射流式結(jié)構(gòu)。電極式鍋爐主要由鍋爐本體(含電極加熱和輔助加熱系統(tǒng))、配套供電系統(tǒng)柜、自控系統(tǒng)、各種管路閥門系統(tǒng)等子系統(tǒng)組合而成。鍋爐出口熱水的溫度可根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)。電極式鍋爐的特點是：啟動迅速，短時間內(nèi)既能提供符合要求的熱水，又能穩(wěn)定可靠運行，且負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬，維護(hù)保養(yǎng)便捷。大功率時，優(yōu)勢明顯。

2.2 高溫蓄熱裝置(蓄熱槽)

高溫蓄熱裝置須能保存次日采暖系統(tǒng)所需的部分熱量，高溫蓄熱罐蓄熱結(jié)束的設(shè)定溫度為90 ℃，可滿足不同形式的末端用戶的供熱需求，如風(fēng)機(jī)盤管、散熱器和地暖等。本蓄熱裝置采用優(yōu)質(zhì)碳鋼材質(zhì)，內(nèi)壁噴鋅防腐處理，徹底杜絕箱體腐蝕給采暖水質(zhì)帶來的不利影響。

蓄熱罐要采取保溫和防護(hù)措施，一般采用巖棉或者礦棉進(jìn)行保溫，保溫厚度應(yīng)經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定，保護(hù)層一般要考慮與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，一般采用鋁皮，根據(jù)周圍環(huán)境，進(jìn)行美化。均流器是蓄熱裝置的關(guān)鍵設(shè)備，能起到均勻流場和溫度場的作用，能保證溫度嚴(yán)格的分層，減小傳熱和混合所引起的損失。該蓄熱裝置可根據(jù)現(xiàn)場靈活調(diào)整安裝位置，比如室外或設(shè)備層，還可根據(jù)用戶實際要求設(shè)計相關(guān)造型及顏色，最大程度保證美觀性。

2.3 智能化自控系統(tǒng)

自控系統(tǒng)是組成蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的指揮系統(tǒng)，對可靠性和性能要求很高，故自控硬件一般購買進(jìn)口品牌。根據(jù)本工程的特點，自控設(shè)備采用工業(yè)級的PLC(可編程序控制器)。確保電蓄熱鍋爐運行的全自動控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。

自控系統(tǒng)的智能化為電蓄熱鍋爐供熱系統(tǒng)的監(jiān)測及控制子系統(tǒng)。自控系統(tǒng)對于蓄熱系統(tǒng)的意義正如同大腦對于人體的意義，沒有自控系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)將成為一盤散沙。監(jiān)控系統(tǒng)是蓄能型供熱系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)著將蓄熱系統(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備以及其他子系統(tǒng)組合成一個可運行的、有功能的“有機(jī)整體”的重要使命。

2.4 其他

其他主要設(shè)備包括循環(huán)水泵、板式換熱器、軟水器、補(bǔ)水裝置以及配電裝置均采用優(yōu)質(zhì)品牌產(chǎn)品，最大程度的保證整個蓄能型供熱系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行。

3 運行流程

一次網(wǎng)主要包括：電極式電熱水鍋爐、儲熱水循環(huán)泵、蓄熱水槽、一次網(wǎng)水管、配套閥門及各類儀表等。

二次網(wǎng)主要包括：循環(huán)泵、二次網(wǎng)水管、配套閥門及各類儀表等。

一次網(wǎng)通過儲熱水循環(huán)泵形成熱水循環(huán)，電極式鍋爐對一次網(wǎng)循環(huán)水進(jìn)行電加熱配套閥門開閉調(diào)節(jié)來實現(xiàn)電鍋爐蓄熱同時供熱、電鍋爐單獨供熱、蓄熱裝置單獨供熱、電鍋爐與蓄熱裝置聯(lián)合供熱4種運行模式。通過板式換熱器實現(xiàn)一次網(wǎng)與二次網(wǎng)的熱交換。二次網(wǎng)連接各單體分水器(出水)與集水器(回水)，通過二次網(wǎng)循環(huán)泵實現(xiàn)各單體供熱。

4 供熱需求計算

總建筑面積為18.8萬m2，末端形式為地暖，通過土建設(shè)計院暖通專業(yè)提供的數(shù)據(jù)，設(shè)計供暖總熱負(fù)荷7 518 kW(各單體熱負(fù)荷之和)。

由表1可知：典型設(shè)計日累計滿負(fù)荷供暖時間為12.6 h，典型設(shè)計日供暖熱負(fù)荷為94 727 kW·h。

表1 典型日各時間段負(fù)荷計算表

夜間直供功率為1 503.6 kW，按照最大供熱量的60%，其余利用平谷時間直供，蓄熱計算得：總蓄熱量為94 727×60%=56 836.2 kW·h，蓄熱時間8 h，每小時應(yīng)蓄熱7 104.5 kW，鍋爐設(shè)計熱功率：7 104.5+1 503.6=8 608.1 kW，故選擇2臺4 500 kW的電極式鍋爐。

常壓蓄熱罐最高儲熱溫度計算為90 ℃，蓄熱溫度為90 ℃～40 ℃；蓄熱罐體積計算得：1.2×56 836.2×860/50/1 000=1 173 m3(其中，1.2為根據(jù)該蓄熱罐實際結(jié)構(gòu)需附加的修正系數(shù);50為蓄熱供回水溫差;860為kW·h和kcal的換算值;1 000為公式統(tǒng)一單位換算值)，該圓柱形蓄熱罐體積最終取值為2個600 m3，其中高度為4 m，占地面積各150 m2。

由上述計算結(jié)果可知，選擇2臺4 500 kW的電極式鍋爐及2個600 m3圓柱形蓄熱罐可滿足整個地塊全部供熱需求。

[1] 李 勇.蓄熱電鍋爐技術(shù)中應(yīng)用分析[J].河北電力技術(shù),2009(2)：28-33.

[2] 黃永紅.臨界峰谷電價比在電鍋爐蓄熱技術(shù)中的應(yīng)用[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報,2014(2)：91-97.

[3] 王 凡.蓄熱電鍋爐供熱系統(tǒng)及其設(shè)計探討[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2014(7)：37-39.

Analysis of heat storage and heating system in high tech zone

Wang Qiong

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030002,China)

The paper introduces the working principle and significance of the heat storage system of the electric boiler, illustrates the components of the heat storage system and their roles from the electric boilers, high-temperature heat storage devices, and intelligent automatic control system according to the design principle for the heat storage system, and indicates the electric heat storage system is reasonable, economical and feasible by the calculation in cases.

heat storage system, electric boiler, thermal volume, demands for heat supply

1009-6825(2017)18-0109-02

2017-04-18

王 瓊(1982- )，女，工程師

TU833.1

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