某礦山企業蓄熱式電鍋爐蓄熱方式比選

（青海黃河礦業有限責任公司，青海 西寧 810008）

1 引言

根據某企業將其礦山打造成為“綠色礦山”的總體要求。擬在采選項目供暖方式中選擇清潔供暖技術。受礦山采選項目現場條件限制，考慮本項目程執行當地大工業電價，峰谷電價差明顯，可建設蓄熱式電鍋爐供暖方式，以達到最佳經濟效益。蓄熱式電鍋爐供暖的方式有多種，且相對結構簡單，可滿足大規模供熱需求的方式通常有兩種，即電鍋爐+蓄熱水、固體蓄熱式電鍋爐。

1.1 電鍋爐供暖

電鍋爐供暖主要由電鍋爐、蓄熱裝置、末端供暖系統組成。電鍋爐是將電能轉換為熱能的能量轉換裝置。目前，電鍋爐供暖多采用電阻式加熱技術，電阻式加熱技術又分為電阻式電鍋爐和電極式電鍋爐。

（1）電阻式電鍋爐。電阻式電鍋爐是采用高阻抗電熱元件，接通電源后，電熱元件產生高熱使水成為熱水或蒸汽。

（2）電極式電鍋爐。電極式電鍋爐的工作原理是把電極插入水中，利用水的高熱阻特性，直接將電能轉換為熱能。

（3）兩種鍋爐對比。電阻式和電極式兩種鍋爐相比較，電阻式電鍋爐技術成熟，投資低，運行成本低，但是鍋爐容量受到電熱元件結構布置的限制，容壓范圍小，單體鍋爐功率小。電極式電鍋爐技術先進，啟動迅速，短時間內既能提供符合要求的蒸汽或熱水；穩定可靠運行，且負荷調節范圍寬，大功率時，優勢明顯。但其需要在水中加入一定電解質提高水的導電率，以保證加熱(此鍋爐內必須加入一定的電解質，使爐水具有一定的電阻，才能使其導電，但爐水的導電率不是越高越好，否則容易造成擊穿等事故),同時鍋爐內水需要與供暖用水分離，利用二次換熱供暖；另外其屬于高壓設備，投資、操作、運行及維護成本均較高。

表1 采暖用熱負荷表

本項目供熱負荷為13.2MW，供熱負荷較大，可采用電極式電鍋爐配套蓄熱水箱，在低谷電時段采用鍋爐直供，在峰時電價時利用蓄熱水箱中的熱水供暖。

1.2 固體蓄熱式電鍋爐供暖

固體蓄熱式電鍋爐是在國家鼓勵低谷時段用電，并享受優惠電價的政策下，推出的一種新型高效、節能的電加熱產品，在電鍋爐供暖系統的基礎上填加相應的蓄熱裝置，從而構成蓄熱式電鍋爐系統。固體蓄熱式電鍋爐供暖系統的優點是運行成本較低，比熱容大，占地面積小，結構簡單等。其缺點是固體蓄熱材料價格較貴，初始投資大。

2 采暖熱負荷

根據項目初步設計，采選項目設計采暖周期為10月1日至次年的4月30日，總計197天。供暖總負荷為13.2MW，其中采場供暖負荷為2.4MW，選礦廠供暖負荷為8.3MW，生活區供暖負荷為2.5MW。洗浴熱水負荷為2.665MW。

表2 采暖用熱負荷表

表3 洗浴用熱負荷表

3 設備選型計算[1]

根據項目供暖用熱負荷及洗浴用熱負荷表，計算出電極式電鍋爐+蓄熱水箱的供暖和固體蓄熱式電鍋爐兩種方式設備選型。由于本項目屬當地大工業用電，電價執行梯級電價，具體價格如下：每天用電時間分為高峰、低谷、平段三個時段，每個時段各為8小時。即高峰：9:00-12:00、18:00-23:00；0.5590元/度；低谷：0:00-8:00；0.1376元/度；平段：其余時間段，0.3483元/度。

3.1 電鍋爐+水儲熱選型計算

本方案采用全量蓄熱模式。取白天峰段和部分平段的所有負荷量為總量40%計算鍋爐型號和蓄熱水箱（注：理論計算儲熱部分負荷為總量的33.33%，考慮到熱損及供暖安全，調整系數至40%）。

項目日均需采暖電量為13200×24=316800kWh。

洗浴用水電量為2665×3=7995kWh

則蓄熱電量為316800×40%+7995=134715kWh。

3.1.1 鍋爐選型原則

主要計算公式：

鍋爐功率（kW）=夜間直供功率（kW）+蓄熱功率（kW）

夜間直供功率（kW）≥夜間熱負荷（kW）

蓄熱功率（kW）=總蓄熱量（kWh）/夜間谷段蓄熱時長（h，一般為8小時）

鍋爐總功率（kw）=鍋爐功率（kw）/鍋爐效率＊系統熱損失系數

3.1.2 蓄熱水箱選型

計算公式：蓄熱水箱有效容積為：V有效=η損×Q×0.86÷ΔT2

其中V—蓄熱水箱有效容積m3；Q—白天峰段和平段總熱負荷量kWh；η損——系統熱損失系數，一般取1.05-1.1；蓄熱水箱總容積為：V總=V有效總÷η2，η2為有效容積系數，一般取0.9。

表4 蓄熱水箱容積計算表

根據計算，滿足采選項目8小時供暖及供洗浴熱水需要蓄熱水箱總容積4046m3。

3.1.3 設備選型計算[1]

電鍋爐：蓄熱功率=126720÷16=8420kW;

夜間直供所需熱負荷，8420+13200=21620kW。電鍋爐功率為21620÷0.98=22061kW。故選取1臺22MW的電鍋爐可滿足本項目的需要，但由于本項目供熱負荷較大，為保障供暖安全，建議選擇兩臺22MW電鍋爐，一用一備保障正常供暖。

3.2 電蓄熱鍋爐選型計算

根據本項目現有的輸入條件，日取暖熱負荷為：

Qr=q×S×T2×η2/η1/1000

其中：Qr-日取暖熱負荷（kWh）；q—采暖熱指標（W/m2）；S—采暖面積（m2）T2—取暖時長（h）；η1—設備熱效率；η2—管路損失系數。

本項目日取暖負荷為：

Qr=13200×24×1.05/0.95=350148kWh

洗浴負荷為：Qr=2665×3×1.05/0.95=8837kWh

設備總電功率計算如下：P總=Qr/T

其中：P總—設備總電功率（kW）；Qr—日取暖熱負荷（kWh）；T—谷電時長（h）。

本項目設備總電功率為：

P總=（350148+8837）/16=22437kW

根據以上計算結果，本采暖項目所需固體蓄熱式電鍋爐用電負荷為22.5MW即可滿足項目需求，結合目前固體蓄熱式電鍋爐型號，建議選用1臺11.5MW,3臺3.5MW的蓄熱式電鍋爐，便于根據天氣變化靈活控制，同時兼顧供應洗浴熱水。

4 項目實際供暖負荷計算

根據當地1981-2015年室外溫度選擇平均溫度最低的元月份平均溫度為例，全月日平均溫度最低-12.3℃，最高溫度-2.7℃，對應項目供暖熱負荷分別為11.17MW、7.53MW，月均供暖負荷為9.49MW。

根據當地1981-2015年室外溫度選擇元月份日最低溫度為例計算，全月日最低溫度-18.6℃，最高溫度-8.6℃，對應項目供暖熱負荷分別為13.55MW、9.76MW。

而計算元月份分時平均溫度熱負荷，得知平均最低溫度時刻為上午9點，溫度-13.2℃，相應供熱負荷為11.77MW；最高溫度時刻為下午16時、17時，平均溫度為-1.2℃，相應供熱負荷為6.96MW。

綜上可知，根據設備選型計算結果，選擇22MW和23MW的電鍋爐水蓄熱和固體蓄熱式電鍋爐兩種供暖方式均可滿足項目供熱需求，特別是極低溫度下仍可以通過調節蓄熱時段來滿足供熱，但大多數時間內實際供熱負荷保持在10MW左右，因此在實際運行中可以考慮通過調節蓄熱時段，來降低用電量及供暖成本。

5 結論

根據計算結果可以看出，水蓄熱式電鍋爐供暖與固體蓄熱式電鍋爐供暖兩種供暖方式供電負荷分別為22MW和22.5MW，兩者相差較小且均能滿足項目供熱需求，但電鍋爐需要建設兩臺設備保障供暖安全，而且電極式熱鍋爐對加熱水質要求較高，需要根據水質特性添加電解質且電解質濃度不易控制，操作運行難度大，檢修維護均需要專業人員；固體蓄熱式電鍋爐結構簡單，運行操作便捷，維護方便無需專業人員，因此建議選擇固體蓄熱式電鍋爐作為采選項目供暖方式。