風電供暖系統(tǒng)設(shè)計

孫楓然， 王卓胤， 王玉虎， 王曉軍

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第六設(shè)計研究院，天津300381；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司西安分公司，陜西西安710018)

1 概述

本文以呼和浩特市城發(fā)毫沁營集中供熱工程(5×116 MW燃氣鍋爐+2×25 MW電鍋爐)為例，對風電供暖系統(tǒng)進行研究。本研究的范圍為風電供暖系統(tǒng)，主要內(nèi)容包括風電供暖系統(tǒng)設(shè)計熱負荷的確定；通過本區(qū)域日供暖熱負荷的特點，確定風電供暖系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)的模式以及電鍋爐的選型及供暖方案。風電場及其配電系統(tǒng)、主熱源燃氣鍋爐供暖系統(tǒng)以及二級熱網(wǎng)供暖系統(tǒng)不在本研究范圍之內(nèi)。

2 風電供暖系統(tǒng)設(shè)計熱負荷

選取呼和浩特市毫沁營供暖區(qū)域(以下簡稱毫沁營區(qū)域)作為風電供暖示范項目實施基地，利用內(nèi)蒙古現(xiàn)有風電參與呼和浩特市毫沁營區(qū)域供暖。毫沁營區(qū)域總供暖面積為1 136×104m2，供暖熱指標為49 W/m2，總熱負荷為556.6 MW。其中燃氣鍋爐承擔的熱負荷為507.6 MW，其余供暖熱負荷由電鍋爐承擔。年供暖量根據(jù)CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱CJJ 34—2010)第3.2.1條計算得出。風電供暖示范項目設(shè)計熱負荷見表1。

表1 風電供暖示范項目設(shè)計熱負荷

根據(jù)熱負荷情況，最終確定燃氣鍋爐作為主熱源，風電供暖作為調(diào)峰熱源，調(diào)峰熱源主要設(shè)備包括電鍋爐、板式換熱器和循環(huán)水泵等供暖設(shè)備，設(shè)置在燃氣鍋爐房內(nèi)。

3 風電供暖系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)模式

3.1 項目所在地區(qū)供暖熱負荷特點

經(jīng)調(diào)研，項目所在地區(qū)呼和浩特市的冬季供暖日熱負荷受氣溫影響較大，供暖期夜間平均溫度比白天低6 ℃，每日0:00—9：00和21:00—24:00兩個時間段熱負荷較大，故選擇該時間段為該項目供暖調(diào)峰時段。

以冬季典型供暖日(最大熱負荷日)為例，本項目一日內(nèi)6:00熱負荷最大，為556.6 MW，14:00熱負荷最小，為409.9 MW，最大熱負荷與最小熱負荷相差146.9 MW。此特點適用于主熱源加調(diào)峰熱源運行的系統(tǒng)。利用主熱源承擔基本熱負荷，調(diào)峰熱源承擔尖峰熱負荷，在調(diào)峰時間段內(nèi)調(diào)峰熱源滿負荷運行。

3.2 風電供暖系統(tǒng)運行方式

參照文獻[1]，示范項目實施后，結(jié)合供暖區(qū)域冬季典型供暖日熱負荷特點，每日凌晨0:00—9:00，熱負荷先逐步增大后減小，在6:00時達到最大值，主熱源燃氣鍋爐運行的同時，風電調(diào)峰熱源啟動參與調(diào)峰。9:00—21:00，熱負荷減小，由燃氣鍋爐供暖。21:00—24:00，熱負荷增大，啟動風電調(diào)峰熱源與主熱源燃氣鍋爐共同供暖。冬季最大熱負荷日熱負荷分布見圖1。圖1中橫軸的時間0對應(yīng)0:00—1:00，以此類推。

圖1 冬季最大熱負荷日熱負荷分布

3.3 供暖期所需電量計算

本項目供暖期風電供暖所需電量計算公式如下：

(1)

式中E——供暖期風電供暖所需電量，MW·h

k——富裕系數(shù)，取1.096

Φ——風電供暖負荷，MW，取49 MW

t1——風電每日運行時間，h/d，為12 h/d

t2——供暖期時間，d，為167 d

η——電鍋爐熱效率，取98%

由此計算出本項目供暖期風電供暖所需電量為109 819 MW·h。

4 電鍋爐選型

4.1 電阻式熱水鍋爐

電阻式熱水鍋爐采用高阻抗管形電熱元件，接通電源后, 管形電熱元件產(chǎn)生高熱，將水加熱成為熱水。管形電熱元件由金屬外殼、電熱絲和氧化鎂絕緣材料組成。該種元件的優(yōu)點是水中不帶電,使用較為安全, 對水質(zhì)也不造成污染。電熱絲通過氧化鎂絕緣材料與爐水隔離，并且電氣上設(shè)有相應(yīng)保護；電阻式熱水鍋爐的電壓等級為0.4 kV，由于本項目電力進線僅能提供電壓等級為10 kV的電壓，因此，需要設(shè)置變壓器及低壓配電設(shè)備。這種鍋爐的熱功率受到電熱元件結(jié)構(gòu)布置的限制，不宜過大。

4.2 高壓電極式熱水鍋爐

高壓電極式熱水鍋爐的工作原理參見文獻[2]。鍋爐內(nèi)筒里的三相電極板(材質(zhì)為銅)浸沒在水中，三相電極板通電后，直接加熱具有一定電導率的爐水，爐水被迅速加熱，成為高溫水。鍋爐的熱功率由控制內(nèi)筒內(nèi)水位(即改變電極的水覆蓋面積)來實現(xiàn)。高壓電極鍋爐可直接接到10 kV三相供電電路上，因此，僅需要設(shè)置高壓配電設(shè)備。

4.3 主要技術(shù)參數(shù)對比

電阻式熱水鍋爐與高壓電極式熱水鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)對比見表2。

表2 電阻式熱水鍋爐與高壓電極式熱水鍋爐主要技術(shù)參數(shù)對比

從表2可以看出，高壓電極式熱水鍋爐在熱效率、使用壽命和熱功率等方面都比電阻式熱水鍋爐優(yōu)越。綜上所述，故本項目電鍋爐采用高壓電極式熱水鍋爐(以下簡稱電鍋爐)。

5 電鍋爐供暖方案

5.1 介質(zhì)參數(shù)

本方案風電供暖系統(tǒng)電鍋爐供回水溫度設(shè)計為165/135 ℃。由于電鍋爐水質(zhì)要求為純水，須將電鍋爐供水、電鍋爐回水和一級供暖管網(wǎng)供水(以下簡稱為一級網(wǎng)供水)、一級供暖管網(wǎng)回水(以下簡稱為一級網(wǎng)回水)通過板式換熱器分隔開。一級網(wǎng)供回水溫度設(shè)計為 130/70 ℃，二級網(wǎng)供回水溫度設(shè)計為 75/50 ℃。

5.2 電鍋爐供暖方案

電鍋爐供暖考慮了兩個方案，方案1：電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)；方案2：電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)。

5.2.1 方案1：電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)

① 供暖模式分析

電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)是在電力低谷期間，利用電作為能源來加熱蓄熱介質(zhì)，并將熱能儲藏在蓄熱罐中；電力高峰期間，將蓄熱罐中的熱能釋放出來滿足供暖需要。所需的主要設(shè)備包括電鍋爐、蓄熱罐、配套板式換熱器、配套循環(huán)水泵及1套全自動軟水器。電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)見圖2。

圖2 電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)

圖2中虛線范圍內(nèi)為本示范供暖項目研究范圍。從圖2可以看出，電鍋爐加蓄熱供暖系統(tǒng)主要有以下3種工作模式。

a. 電鍋爐邊蓄熱邊供暖模式

電鍋爐邊蓄熱邊供暖時，閥6和閥8關(guān)閉，閥1、閥2、閥3 、閥4、閥5、閥7、閥9和閥10開啟。

其流程主要分為兩路，其中一路進入蓄熱罐，走向為：板式換熱器1→閥4→節(jié)點4→閥1→蓄熱罐→閥2→節(jié)點2→閥9→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥5→板式換熱器1；另一路進入板式換熱器2進行換熱，走向為：板式換熱器1→閥4→節(jié)點4→閥7→節(jié)點5→板式換熱器2→節(jié)點6→節(jié)點8→閥10→節(jié)點3→閥3→節(jié)點2→閥9→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥5→板式換熱器1。

本模式下，電鍋爐所供熱量經(jīng)板式換熱器1換熱后一部分進入蓄熱罐，一部分進入板式換熱器2。

b. 電鍋爐純蓄熱模式

電鍋爐純蓄熱時，閥 3、閥6、閥7、閥8和閥10關(guān)閉，閥1、閥2、閥4、閥5 和閥9開啟。

其流程為：板式換熱器1→閥4→節(jié)點4→閥1→蓄熱罐→閥2→節(jié)點2→閥9→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥5→板式換熱器1。

本模式下，電鍋爐所供熱量經(jīng)板式換熱器1換熱后全部進入蓄熱罐。

c. 蓄熱罐供暖模式

蓄熱罐供暖時，閥4、閥5、閥9和閥10關(guān)閉，閥 1、閥2、閥 3、閥6、閥7和閥8開啟。

其流程為：蓄熱罐→閥 1→節(jié)點4→閥7→節(jié)點5→板式換熱器2→節(jié)點6→節(jié)點8→閥8→節(jié)點7→泵4→節(jié)點1→閥6→節(jié)點3→閥3→節(jié)點2→閥2→蓄熱罐。

本模式下，電鍋爐停止運行，蓄熱罐所蓄熱量全部進入板式換熱器2中進行換熱。

② 供暖模式和運行時間

結(jié)合本項目的運行方式及特點，可以采用電鍋爐邊蓄熱邊供暖和蓄熱罐放熱兩種工作模式，其運行時段分別為：

電鍋爐邊蓄熱邊供暖運行時段21：00—24：00和0：00—5：00，共計8 h。

蓄熱罐放熱運行時段5：00—9：00，共計4 h。

③ 蓄熱裝置的選擇

蓄熱裝置按蓄熱介質(zhì)主要分為水蓄熱和相變材料蓄熱。與相變材料蓄熱相比，水蓄熱形式簡單，成本低廉，而相變材料蓄熱除價格昂貴外，還需考慮腐蝕和老化問題。因此，蓄熱裝置一般采用水蓄熱。

水蓄熱的蓄熱裝置采用蓄熱罐。其罐體材質(zhì)為碳素鋼，保溫材料為硬質(zhì)聚氨酯。蓄熱罐利用水作為儲存介質(zhì)，依據(jù)不同溫度的水由于密度差異而分層的原理運行，低溫水和高溫水之間的過渡區(qū)域為斜溫層。運行模式分為蓄熱模式和放熱模式。在蓄熱模式下，一級網(wǎng)供水從上部高溫水分布管進入蓄熱罐，密度較小的高溫水滯留在蓄熱罐頂部形成高溫水層。隨著一級網(wǎng)供水不斷地充入蓄熱罐，一級網(wǎng)回水不斷地被泵抽出蓄熱罐，斜溫層會不斷地下降，直至蓄熱罐蓄滿熱量。在放熱模式下，蓄熱罐中的熱水從上部高溫水分布管不斷被水泵送到供暖系統(tǒng)進行換熱，換熱后的一級網(wǎng)回水從下部低溫水分布管回到蓄熱罐，形成低溫水層。隨著一級網(wǎng)回水不斷地回到蓄熱罐，斜溫層不斷上升，直至蓄熱罐所蓄熱量全部釋放。

5.2.2 方案2：電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)

① 供暖方式

電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)見圖3。

圖3 電鍋爐直接供暖系統(tǒng)

電鍋爐生產(chǎn)的熱水經(jīng)過板式換熱器1換熱，將一級網(wǎng)回水加熱后，接至燃氣鍋爐供應(yīng)的一級網(wǎng)供水母管，經(jīng)板式換熱器2換熱后向用戶供暖。供暖系統(tǒng)需要的主要設(shè)備為：電鍋爐、板式換熱器、循環(huán)水泵及1套全自動軟水器(圖3中未表示)。

② 鍋爐選型

根據(jù)風電供暖示范項目設(shè)計熱負荷，可選取2×25 MW電鍋爐。

5.3 推薦方案

通過方案比較，本風電供暖示范項目采用方案2，即電鍋爐無蓄熱供暖系統(tǒng)。其原因為：

① 電鍋爐加蓄熱供暖方式的運行原則是“低谷蓄熱、峰時用熱”，即在夜間低谷電時段以“邊蓄邊供”的形式供暖，在白天用電高峰時段再采用蓄熱罐供暖。而對于本項目，電鍋爐供暖作為調(diào)峰熱源，僅在每日用熱高峰時段啟動，而每日用熱高峰時段多發(fā)生在夜間，與電鍋爐加蓄熱供暖方式的運行原則不符。

② 本項目電鍋爐供暖系統(tǒng)設(shè)置在現(xiàn)有主熱源燃氣鍋爐房內(nèi)，可用空間有限，若采用電鍋爐加蓄熱供暖方式，無空間布置蓄熱罐。

6 項目造價

本風電供暖示范項目需要的主要設(shè)備為2×25 MW電鍋爐、2×25 MW板式換熱器，配套2臺循環(huán)水泵及1套全自動軟水器等設(shè)備。經(jīng)測算，其設(shè)備加安裝工程造價分別為：2臺電鍋爐2 730×104元，2臺板式換熱器380×104元，2臺循環(huán)水泵80×104元，1套全自動軟水器60×104元，配套電氣設(shè)備390×104元，配套自控設(shè)備190×104元，其他設(shè)備95.61×104元，以上各項設(shè)備及安裝工程造價為3 925.61×104元；再加上建筑工程造價359.37×104元、基本預(yù)備費77.33×104元、建設(shè)期利息65.10×104元、其他費用607.30×104元，因此，本風電供暖示范項目總造價為5 034.71×104元。

7 結(jié)語

通過比較，確定本風電示范項目運行模式采用燃氣鍋爐為主熱源，電鍋爐為調(diào)峰熱源的模式，電鍋爐選用2×25 MW高壓電極式熱水鍋爐，電鍋爐供暖方案采用電鍋爐無蓄熱的供暖系統(tǒng)。