電蓄熱鍋爐集中供暖技術研究

殷仁豪 盧海勇 王 鵬

上海電力設計院有限公司

0 引言

風資源、光資源與電負荷需求由于在時間和地域方面無法形成良好的契合，導致我國三北地區新能源發展面臨高棄風率的問題。然而，北方地區冬季有采暖需求，采用電蓄熱供暖技術一方面能夠消納風電，降低棄風率，另一方面也能夠滿足北方地區采暖期的熱負荷需求，響應國家《關于完善風電供暖相關電力交易機制擴大風電供暖應用的通知》《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021年）》《解決棄水棄風棄光問題實施方案》等相關政策精神。此外，利用谷電蓄熱能夠對電網起到削峰填谷的調節作用，符合《關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》等相關政策要求。對于用戶而言，在《財政部住房城鄉建設部環境保護部國家能源局關于開展中央財政支持北方地區冬季清潔取暖試點工作的通知》《北京市電采暖低谷用電優惠辦法》等相關政策的支持下，電蓄熱供暖在經濟性方面也具有可觀的優勢，可謂一舉多得。不少學者就風電和谷電供暖的發展方向、可行性、模式策略以及經濟性分析等方面開展了研究，得到了積極的結果[1-4]。

目前，主要的電蓄熱技術路線有電極鍋爐+水蓄熱裝置、固體蓄熱式電加熱裝置、電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置、高溫相變蓄熱式電加熱裝置等。上述這些技術路線在集中供暖和分布式供暖等方面已在全國各地建成了商業化運行項目或示范項目，不少研究者從技術原理、典型設計案例分析、運行策略、風電消納整體系統優化等方面開展了相關研究[5-12]。本文旨在通過對不同電蓄熱裝置生產廠家以及實際案例的調研，分析比較不同的電蓄熱技術特點，針對不同的供熱需求推薦合適的電蓄熱技術路線。

1 電蓄熱鍋爐集中供暖技術路線

1.1 電極鍋爐+水蓄熱裝置

電極鍋爐采用10 kV 進電電壓，以除鹽水作為電阻，通電后釋放熱量產生熱水。熱水既可直供一次管網，也可以儲存在蓄水罐內，待需要供熱時，將蓄水罐內的熱水接入一次管網。采用熱水蓄熱時常壓水罐的蓄熱溫度可以達到90 ℃，采用承壓水罐時，蓄熱溫度可以達到130 ℃。

電極鍋爐+水蓄熱裝置技術成熟、應用廣泛，尤其以集中供熱為主，如2014 年于德國紐倫堡市建成的集中供暖項目，供熱面積達到150 萬m2，系統裝機為5×20 MW 電極鍋爐+1 個常壓蓄水罐。單臺電極鍋爐直徑3 m，高度6 m，蓄水罐直徑26 m，高度76 m，蓄熱量1 500 MWh。目前我國已建成的電極鍋爐+水蓄熱裝置項目有烏魯木齊高鐵棄風電供熱示范項目、瓜州新能源清潔供暖項目、達坂城華源風電供熱示范項目、河北建筑工程學院風電清潔供熱示范項目、吉林大安風電消納示范項目、張家口宣化煤改電供熱示范項目、華電昌吉等。以烏魯木齊高鐵棄風電供熱示范項目為例，供熱面積達到43萬m2，位于烏魯木齊市高鐵站區域，利用棄風的電能為附近辦公樓和賓館供熱。該項目所有的設備安裝于地下，占地面積2 844 m2，于2016年建成投運。該項目裝機為6 臺8 MW 電極鍋爐+ 9個常壓蓄水罐，蓄水罐的直徑11 m、高度11 m。瓜州新能源清潔供暖項目位于瓜州縣第二熱源廠，該項目利用風電和谷電通過電極鍋爐給瓜州縣城供熱。項目裝機方案為3 臺40 MW 電極鍋爐+ 2 個10 000 m3蓄水罐，目前一期2 臺電極鍋爐已于2018年投入使用，供暖面積達到76萬m2，待未來第3 臺電極鍋爐投入使用后，供暖面積可以達到100萬m2。

從技術特點看，電極鍋爐應用范圍廣，單機功率大，10～20 MW都有成熟機型的應用案例。從目前運行的項目看，電極鍋爐+水蓄熱裝置主要分布于新疆、甘肅、青海等較為偏遠的北方地區。這是因為電極鍋爐本體的體積不大，但是作為蓄熱裝置的蓄水罐體積較大，由于斜溫層的影響，一般而言蓄水罐的直徑不會太大，蓄水罐的體積主要體現在高度上，考慮到區域內建筑風格和建筑高度的規劃，電極鍋爐+水蓄熱裝置不太適合在人口和建筑密集的區域露天建設。但是，在烏魯木齊高鐵棄風電供熱示范項目中利用地下空間安裝電極鍋爐和蓄水罐也不失為一種合理的解決方法。

1.2 固體蓄熱式電加熱裝置

與電極鍋爐+熱水蓄熱系統不同，固體蓄熱式電加熱裝置的電加熱裝置與蓄熱裝置一體化。電加熱元件將蓄熱磚（鎂磚）加熱到650 ℃以上，通過可變頻風機驅動空氣在風道內循環，經過高溫蓄熱磚時產生高溫空氣，高溫空氣通過換熱器將熱量交換到水循環系統。

固體蓄熱式電加熱裝置目前已實現模塊化，有小模塊與大模塊之分。小模塊固體蓄熱式電加熱裝置單機幾百千瓦，多用于酒店、辦公樓的分布式電供暖，以380 V 電壓進線。以大興區魏善莊煤改電項目為例，該項目供暖面積為1.5萬m2，共裝機9個模塊（含供生活熱水），于2016年建成。此外，北京地區的房山五中、官道中心幼兒園、長溝中心小學及幼兒園等項目。小模塊固體蓄熱式電加熱裝置的特點是單機較小僅為120 kW，主要用于分布式，地上地下均可布置，維修簡便。但相比電極鍋爐+水蓄熱裝置價格較貴，此外，一些質量較差的鎂磚在長時間使用后會產生風化、碎裂等現象，易導致風機堵塞，采用進口鎂磚可以較好地解決該問題，但會增加投資。

大模塊固體蓄熱式電加熱裝置從5 MW到90 MW有多種型號，主要用于電廠靈活性改造和集中電供暖，5～10 MW采用10 kV電壓進線、10～50 MW采用 33 kV 電壓進線、50 MW 以上采用 66 kV 電壓進線。河北省張家口市懷來縣電蓄熱供暖項目中，供熱面積為 20 萬 m2，采用 4 臺 5 MW 設備，為居民供暖，占地700 m2，于2017年建成。在北京市韓村河集中電采暖示范項目，采用6臺6 MW設備，供熱面積達到30萬m2，于2014建成。大同靈丘居民小區供暖項目供熱面積為80 萬m2的應用案例，采用12臺 7.83 MW 的設備，占地 3 250 m2，于 2018 年建成。河北省張家口市居民小區供暖項目采用2 臺8.9 MW+6 臺 11 MW 的設備，占地 3 500 m2，于2018年建成。此外，多個電廠也采用固體蓄熱式電加熱裝置用于電廠靈活性改造，如華能伊春熱電廠采用2臺70 MW和2臺90 MW裝置，長春、丹東、調兵山電廠也都有類似項目。大模塊固體蓄熱式電加熱裝置應用較多、技術成熟，用于集中供熱時，模塊數量少，占地面積較小。但價格較高，維修不如小模塊簡便，需等蓄熱裝置降溫后才可進行維修。此外，與小模塊一樣，會存在劣質鎂磚風化、碎裂的問題。

1.3 電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置

電極鍋爐+ 低溫相變蓄熱裝置與電極鍋爐+熱水蓄熱裝置類似，其原理是利用電極鍋爐產生的熱水加熱儲熱介質使其產生從固態到液態的相變，在該過程中吸收并儲存大量的潛熱。

電極鍋爐+ 低溫相變蓄熱裝置中電極鍋爐技術成熟，在電極鍋爐+水蓄熱裝置中得到了廣泛的應用，低溫相變蓄熱裝置目前也已實現模塊化，今日能源科技發展有限公司生產的蓄熱模塊蓄熱量為 2.5 MWh，尺寸為 4.6 m×2.4 m×2.8 m，地上地下均可安裝。中瑞鎮江生態產業園項目的供熱面積為22 萬m2，采用了50 個布置于地下的低溫相變蓄熱模塊，為辦公樓和居民供暖，占地面積800 m2，蓄熱溫度為55 ℃。供暖末端采用風機盤管的形式，供/回溫度為50/45 ℃，于2015 年建成。此外，山東德州谷電相變蓄熱供暖項目中，供熱面積為 2.4 萬 m2，蓄熱溫度為 90 ℃，采用 2 臺900 kW 電鍋爐和 2 臺 6.4 MWh 的低溫相變蓄熱設備。

江蘇啟能新能源材料有限公司用于天津水游城商業中心13 萬m2的谷電蓄熱項目也采用了電鍋爐+低溫相變蓄熱技術。該項目于2014 年11月投運，裝機 2×1.6 MW 和 2×1.1 MW 電鍋爐和170 臺蓄熱裝置，單臺蓄熱量180 kWh，直徑1 m，高1.8 m，蓄熱介質采用無機相變納米復合材料，相變溫度為78 ℃。該項目改造前采用市政熱水供暖，采暖季總費用521 萬元，改造后采用電鍋爐+相變蓄熱供暖，采暖季總費用190 萬元，節省近 331 萬元[3]。

電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置是近年來興起的電蓄熱方面的新技術，利用蓄熱介質的相變儲存能量，減少了蓄熱介質的體積。但是，目前的應用案例仍然較少，技術成熟度有待進一步驗證。此外，電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置在運行過程中通過電極鍋爐加熱水后，再通過水和低溫相變介質換熱，主輔設備較多，增加了占地面積和運維成本。

1.4 高溫相變蓄熱式電加熱裝置

高溫相變蓄熱式電加熱裝置與固體蓄熱式電加熱裝置相似，電加熱裝置與蓄熱裝置一體化。通過電加熱元件加熱高溫無機復合相變磚，使其中的鈉鹽體系發生從固態到液態的相變，蓄熱溫度最高可達750 ℃。通過可變頻風機驅動空氣在風道內循環，經過高溫無機復合相變磚時，產生高溫空氣，高溫空氣通過換熱器將熱量交換到水循環系統。

高溫相變蓄熱式電加熱裝置也是近年來興起的電蓄熱方面的新技術，但目前未見大型應用案例的相關報道，僅有蘇州同里高溫相變儲熱冷熱聯供示范項目，成熟性有待進一步考證。該項目采用4 MWh 高溫相變蓄熱式電加熱裝置、300 kW高效汽/水換熱器和179 kW 溴化鋰機組構成，相變蓄熱溫度710 ℃、平均儲熱密度1 077 kJ/kg，約為普通固體儲熱材料的1.8倍，性能達到國際領先水平。

2 技術路線的比較及建議

表2-1、表2-2、表2-3和表2-4分別為電極鍋爐+水蓄熱裝置、固體蓄熱式電加熱裝置、電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置和高溫相變蓄熱式電加熱裝置4 種電蓄熱集中供暖技術路線的技術指標比較、最大單機比較、應用案例比較以及綜合比較。

從表2-1可以發現，高溫相變蓄熱式電加熱技術單位體積的蓄熱量最大，固體蓄熱式電加熱技術次之，隨后是電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術，最小的是電極鍋爐+水蓄熱裝置，這意味著在蓄熱量相同的情況下，電極鍋爐+水蓄熱技術需要占用的場地空間最大。

從表2-2 中可以看出，在最大單機方面，固體蓄熱式電加熱技術和高溫相變蓄熱式電加熱技術為一體化裝置，固體蓄熱式電加熱技術單機最大蓄熱量可達800 MWh，而高溫相變蓄熱式電加熱技術生產廠家的產品最大可以做到80 MWh。對于電極鍋爐+水蓄熱技術而言，可以通過建立一個或多個水罐滿足蓄熱要求，目前單個水罐最大蓄熱量為100 MWh。電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術同樣可以通過多個單體蓄熱設備的累加滿足蓄熱要求，目前單個低溫相變蓄熱設備的蓄熱量為2.5 MWh。從單位體積蓄熱量和最大單機規模來看，固體蓄熱式電加熱技術較優。

表2-3中目前已經實施的電蓄熱技術，電極鍋爐+水蓄熱技術供熱面積達到了43 萬m2，電極鍋爐+水蓄熱技術盡管單位體積的蓄熱量最小，相同蓄熱量需要的蓄熱體體積最大，但是可以考慮上述案例中的方法合理使用地下空間。火電廠靈活性改造所采用的大模塊固體蓄熱式電加熱裝置裝機規模較大，而一般的大模塊固體蓄熱式電加熱技術供熱面積也能夠達到36 萬m2。相對于電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術和高溫相變蓄熱式電加熱技術而言，電極鍋爐+水蓄熱技術和大模塊固體蓄熱式電加熱技術成熟度較高。

綜合表2-1、表2-2和表2-3的比較分析，將各

種電蓄熱集中供暖技術路線的優缺點進行對比分析，詳見表2-4。電極鍋爐+水蓄熱技術的優點是技術成熟、應用廣泛、工程投資較少，但是由于水的單位體積蓄熱量較小，導致該技術在裝機規模較大時，蓄熱水罐的體積和高度也隨之增加，可能會引起占地面積大、不滿足城市規劃等方面的問題。固體蓄熱式電加熱技術的優點是技術成熟、單位體積蓄熱量大、占地面積小，但也面臨劣質鎂磚風化和投資較高等問題。電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術和高溫相變蓄熱式電加熱技術采用了相變蓄熱，增加了單位體積的蓄熱量，但其工程投資較高，且目前應用案例較少，成熟度有待進一步驗證。

表2-1 各種電蓄熱集中供暖技術路線的技術指標比較

表2-2 各種電蓄熱集中供暖技術路線最大單機比較

表2-3 各種電蓄熱集中供暖技術路線的應用案例比較

3 電蓄熱鍋爐規劃設計選型建議

對于電蓄熱鍋爐技術而言，綜合上述各種技術路線的比較，建議因地制宜采用不同技術路線規避風險。考慮到電極鍋爐+水蓄熱裝置技術成熟、經濟性較好，但水罐需采用壓力容器且體積較大，現階段建議在規劃要求不高且供熱面積在30萬m2以下的能源站采用電極鍋爐+水蓄熱裝置，并考慮利用地下空間或裝飾面。固體蓄熱式電加熱裝置技術成熟，應用較多，現階段建議供熱面積在10萬m2以下的區域采用小模塊固體蓄熱式電加熱系統，10萬m2以上的區域采用大模塊固體蓄熱式電加熱系統，理論上大模塊固體蓄熱式電加熱系統可無限累加，但考慮到局部電網壓力，現階段建議新建大模塊固蓄能源站的供熱面積不宜超過50萬m2。電鍋爐+低溫相變蓄熱系統以及高溫相變蓄熱式電加熱系統由于尚無較大規模的應用案例，可以在非城市中心區域且供熱面積較小的能源站作為試點應用，現階段供熱面積不宜超過10萬m2。

表2-4 各種電蓄熱集中供暖技術路線的優缺點比較

4 電蓄熱鍋爐戴布拉圖模型

針對實際應用中的技術選型，本研究對電蓄熱技術提出了適用供暖面積、經濟性、技術成熟度、運維便利程度、單位體積蓄熱量和規劃及環境適應性六項指標。針對電極鍋爐+水蓄熱技術、小模塊固體蓄熱式電加熱技術、大模塊固體蓄熱式電加熱技術、電極鍋爐+低溫相變蓄熱技術和高溫相變蓄熱式電加熱技術的特點，根據對應的六項指標進行打分并分別繪制成戴布拉圖，如圖4-1所示。

針對實際項目應用場景的特點，將該項目對應的供暖面積、經濟性要求、運維便利程度要求、技術成熟度要求、場地限制要求以及規劃和環境適應性要求進行打分并繪制成項目應用場景的戴布拉圖。以某郊區地段小區供暖項目和某市區酒店供暖項目為例，如圖4-2所示。

在實際項目需要選擇合適的電蓄熱技術時，可以將各種電蓄熱技術的戴布拉圖與該項目的戴布拉圖進行疊加，找到最為匹配的電蓄熱技術方案。以某郊區地段小區供暖項目為例，利用戴布拉圖的模型比較可以發現相對于小模塊固體蓄熱式電加熱技術，電極鍋爐+水蓄熱技術更適合該項目，如圖4-3所示。

同樣，對于某市區酒店供暖項目而言，通過戴布拉圖的模型比較可以發現相對于電極鍋爐+水蓄熱技術而言，小模塊固體蓄熱式電加熱技術更適合該項目，如圖4-4所示。

圖4 -1 各種電蓄熱技術的戴布拉圖

圖4 -2 某郊區地段小區供暖項目和某市區酒店供暖項目的戴布拉圖

圖4 -3 某郊區地段小區供暖項目電蓄熱技術戴布拉圖比選

圖4 -4 某市區酒店供暖項目電蓄熱技術戴布拉圖比選

5 結論

1)利用棄風、棄光和谷電的電蓄熱供暖技術既能消納光伏風電、響應火電靈活性改造政策，同時也能滿足北方地區的供暖需求，在相關財政政策的支持下具有可觀的經濟性優勢，市場前景良好。

2) 電極鍋爐+水蓄熱裝置應用范圍廣，技術成熟，投資建設費用較低，但是蓄水罐的體積大、高度高，考慮到區域內建筑風格和建筑高度的規劃，不擬在人口和建筑密集的區域露天建設，可以在規劃要求不高的區域進行建設或考慮利用地下空間進行建設。

3)固體蓄熱式電加熱裝置應用范圍廣，技術成熟，已實現模塊化，在酒店、辦公樓、學校等分布式項目以及火電廠靈活性改造等集中式項目均有應用案例。但相比電極鍋爐+水蓄熱裝置，固體蓄熱式電加熱裝置投資建設費用較高。此外，劣質蓄熱磚在長期使用后存在風化問題需引起重視。

4) 建議優先采用技術成熟度較高的電極鍋爐+水蓄熱裝置以及固體蓄熱式電加熱裝置。電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置和高溫相變蓄熱式電加熱裝置都是近年來興起的電蓄熱新技術，但是目前實際應用較少，可先從小容量機組示范項目開展建設，待技術成熟性得到驗證后，進一步推廣并擴大規模。

5) 針對實際應用中的技術選型，本研究對電蓄熱技術提出了適用供暖面積、經濟性、技術成熟度、運維便利程度、單位體積蓄熱量和規劃及環境適應性六項指標并分別繪制成戴布拉圖模型。針對具體項目特點，可繪制項目本身的戴布拉圖模型與各種電蓄熱技術進行對比，選擇最為合適的電蓄熱技術。