電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯合供暖的經濟性

陳洪哲， 朱 能， 楊 昆， 楊 珊， 馬勝明

(1.金策工業綜合大學 熱能工程系， 朝鮮 平壤； 2.天津大學 環境科學與工程學院， 天津 300350)

1 概述

供暖期燃煤散燒是造成京津冀地區環境污染的重要原因之一[1-3]，尋找清潔高效的供暖方式成為有效解決環境問題的必要舉措，煤改氣、煤改電就是國家針對大氣污染防治做出的重大決策[4-6]。電鍋爐與相變蓄熱換熱器[7]相結合的聯合供暖系統可在低谷電價時段實現供熱與蓄熱的聯合運行，在電價高峰時段將儲存的熱量釋放進行供熱，充分利用了低谷電，對于風電資源豐富地區，還可降低棄風的情況。

目前，電供暖裝置與相變蓄熱裝置聯合供暖的研究主要集中在可行性分析[8]、與相變蓄熱材料結合的電供暖裝置研究[9]、相變蓄熱裝置性能[10-13]等，對電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯合供暖的研究較少。

本文對電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯合供暖系統(以下簡稱聯合供暖系統)的工藝流程與經濟性進行分析，在設備選型與經濟性分析時不考慮用戶側設備。

2 工藝流程

聯合供暖系統流程見圖1。主要設備包括電鍋爐、一二級換熱器(板式換熱器)、相變蓄熱換熱器、用戶、閥門等。在盡量利用低谷電力的前提下，聯合供暖系統運行方式可分為4種。

① 邊供熱邊蓄熱模式，閥門1、3、5、6打開，其他閥門關閉。電鍋爐將低谷電能轉換為熱能，在供熱的同時，相變蓄熱換熱器進行蓄熱。

② 相變蓄熱換熱器單獨供熱，閥門2、3、6打開，其他閥門關閉。在電力高峰時段，利用相變蓄熱換熱器儲存的熱能供熱，電鍋爐不工作。

③ 電鍋爐、相變蓄熱換熱器聯合供熱，閥門1、3、5、6打開，其他閥門關閉。在極端寒冷時段，由電鍋爐和相變蓄熱換熱器聯合供熱。

④ 電鍋爐單獨供熱，閥門1、5打開，其他閥門關閉。在相變蓄熱換熱器的蓄熱量用盡及相變蓄熱換熱器維護保養的情況下，由電鍋爐單獨供熱。

圖1 聯合供暖系統流程

3 工程實例

① 負荷分析

本文以位于張家口地區供暖面積為5×104m2的居住小區為研究對象。供暖時間151 d，為當年11月1日至次年3月31日。電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一二級循環泵均設置在小區熱力站內。不同室外溫度范圍延續時間及供熱量見表1。聯合供暖系統運行方式見表2。在低谷電價時段，采用邊蓄熱邊供熱的運行方式。在高峰電價時段，由相變蓄熱換熱器單獨向用戶供熱，電鍋爐停止運行。因此，聯合供暖系統消耗的電量均按低谷電價計算。分時電價見表3。

表1 不同室外溫度范圍延續時間及供熱量

表2 聯合供暖系統運行方式

表3 分時電價

② 設備選型

根據表1中的最大供熱量42.28 W/m2，進行電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一級水泵、二級水泵的選型計算，不考慮熱力站內管道散熱損失。對于該居住小區，1 d所需供應的熱量(向上圓整值)為51 MW·h。當聯合供暖系統運行方式采取表2的運行方式時，22:00—次日8:00電鍋爐供應的熱量(向上圓整值)應達到22 MW·h，相變蓄熱換熱器蓄熱量(向上圓整值)應達到30 MW·h。為滿足上述要求，選取1臺額定熱功率為6 MW的電鍋爐，選取4臺額定蓄熱量(單臺)為8 000 kW·h的相變蓄熱換熱器。

一二級換熱器的換熱效率均按1.0考慮，水的比定壓熱容按4 186.8 J/(kg·K)計算，水的密度按977.8 kg/m3計算。一級換熱器一級側進、出水溫度取90.0、78.5 ℃，二級側進、出水溫度取45.0、78.5 ℃。由此可計算得到，一級換熱器一二級側的設計流量，進而確定一級循環泵的選型流量為450 m3/h，二級循環泵的選型流量為160 m3/h。

4 經濟性分析

4.1 設備造價及安裝費

根據設備選型結果，確定電鍋爐、相變蓄熱換熱器、一二級循環泵的設備造價，見表4。安裝費為100×104元。

表4 設備造價

4.2 年收益及年支出

① 年收益

聯合供暖系統的熱價按張家口居民集中供暖價格29.55 元/(m2·a)計算，可計算得到年收益為147.75×104元/a。

② 年支出

電鍋爐供暖期耗電量E的計算式為：

(1)

式中E——電鍋爐供暖期耗電量，kW·h

ti——供暖期第i個室外溫度范圍的延續時間(見表1)，d

qi——供暖期第i個室外溫度范圍的供熱量(見表1)，W/m2

A——居住小區供熱面積，m2

η——電鍋爐的熱效率，取0.998

由表1數據、低谷電價(按表3選取)及式(1)，可計算得到電鍋爐供暖期電費為89.06×104元/a。一二級循環泵供暖期單位供暖面積電費按文獻[14]提供的2.03 元/m2計算，可計算得到一二級循環泵供暖期電費為10.15×104元/a。

聯合供暖系統年耗水量按單位供暖面積耗水量0.2 t/m2計算，水價按3.64 元/t計算，可計算得到年水費為3.64×104元/a。用工量按每1×104m2供暖面積配置0.45 人，工資按3×104元/人計算，可計算得到年人工費為6.75×104元/a。維修費按設備造價的1.5%計算，可計算得到年維修費為3.03×104元/a。

由以上數據，可計算得到聯合供暖系統年支出為112.63×104元/a。

4.3 經濟性評價

本文采用凈現值、動態投資回收期對聯合供暖系統的經濟性進行評價[15]。

凈現值FNPV的計算式為：

(2)

式中FNPV——凈現值，元/a

n——聯合供暖系統使用壽命，a，取30 a

fin——年收益，元/a

fout——年支出，元/a

i——基準折現率，取0.08

動態投資回收期nP的表達式為：

(3)

式中np——動態投資回收期，a

將已知數據代入式(2)、(3)，利用EES軟件(Engineering Equation Solver)進行求解，可計算得到，凈現值為117.93×104元/a，動態投資回收期(向上圓整值)為13 a。

4.4 敏感性分析

本文主要分析低谷電價對經濟性的影響。低谷電價上漲時，供暖成本增加，若熱價仍保持29.55 元/(m2·a)，基準折現率保持不變，則每年的凈現金流不斷減少。經過計算，當其他條件不變，在使用壽命為30 a時凈現值恰好為0所對應的低谷電價為0.168 元/(kW·h)，即低谷電價0.168 元/(kW·h)作為方案經濟可行性的臨界電價。當低谷電價高于0.168 元/(kW·h)時，應適當提高熱價。

5 結論

介紹電鍋爐與相變蓄熱換熱器聯合供暖系統(以下簡稱聯合供暖系統)的工藝流程。以位于張家口地區供暖面積為5×104m2的居住小區為研究對象，在負荷分析基礎上，對聯合供暖系統(僅利用低谷電力)進行設備選型。選取凈現值、動態投資回收期作為評價指標，對聯合供暖系統的經濟性進行評價。當聯合供暖系統的熱價按張家口居民集中供暖價格29.55 元/(m2·a)計算，低谷電價為0.15 元/(kW·h)時，聯合供暖系統的凈現值為117.93×104元/a，動態投資回收期為13 a，項目經濟性比較理想。當其他條件不變，在使用壽命為30 a時凈現值恰好為0所對應的低谷電價為0.168 元/(kW·h)，即低谷電價0.168 元/(kW·h)作為方案經濟可行性的臨界電價。當低谷電價高于0.168 元/(kW·h)時，應適當提高熱價。