電加熱式蓄熱技術油田應用探討

李慶 肖林

大慶油田設計院有限公司

中國石油“十四五”新能源發展戰略目標之一是提高天然氣商品化率，大慶油田80%～90%自耗氣用于工藝生產過程加熱和冬季供暖，采用電氣化設備替代燃氣加熱爐是降低天然氣消耗的主要技術手段[1]，因此，將分散式風力發電和分布式光伏發電接入油田已建電力網絡，以油田自發綠電替代網購電量，開展再電氣化等現場實驗，為下一步規?；療崮芴娲?、減少天然氣消耗、探索有效建設模式奠定基礎具有重要意義。

1 電蓄熱定義

電蓄熱是指利用電網夜間低谷電力或新能源風、光發電，使用電加熱設備加熱蓄熱載體儲存熱量，按需要時間定量向外部供出熱量。電蓄熱技術近幾年得以快速推廣應用與當前能源政策、新能源發展規模和儲能設備技術水平密切相關。

2 電蓄熱技術發展助力

2.1 新時期能源轉型——政策支持

習近平總書記提出“二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和的目標”。2021年初，國家發改委、能源局共同發布《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》發改能源規[2021]280 號，為探索源網荷儲一體化實施路徑指明了方向，即將源網荷儲一體化和多能互補作為能源高質量發展的重要舉措，積極構建清潔低碳、安全高效的能源系統，促進能源行業轉型升級。國家政策層面要求利用存量燃煤機組實施調峰改造，火電廠開展靈活性改造，降低負荷率，優先保證風電等新能源并網發電，促進新能源消納。

2.2 新能源發展迅猛——消納需要

近年來，我國電力產能過剩問題凸顯，水、風、光、核、生物質能源發電量增加，電網總負荷變化幅度加大。冬季熱電聯供熱負荷不斷增加，既要多供熱又要少發電，和“以熱定電”運行特性形成矛盾。風電、光伏沒有自主調節能力，用電低谷時，在現有裝機規模下采用熱電解耦、電蓄熱技術可對機組進行深度調峰，將電能直接轉化為熱能儲存，需要供熱時供出，電廠減少上網電量，騰挪出來空間，變相地通過儲熱設施增加了風電、光伏的上網電量，給新能源機組創造電能消納的條件。

2.3 峰谷平電價推行——經濟達標

隨著社會經濟的發展，電網的峰谷電量差進一步拉大，更大的峰谷電價差也將成為必然。通過谷電蓄熱也可以為電網提供一種“增量調峰”的技術手段[2]，提高電網運行的安全可靠性。同時，國家對城市環保、碳排放提出了更高的指標要求，逐步縮小規模或取締煤、氣供暖，谷電蓄熱供熱、峰電停蓄供熱，電加熱式蓄熱技術已在中心城市逐步推廣應用[3]。

2.4 電儲能技術前沿——應用受限

電儲能技術主要分為物理儲能（機械儲能）、電化學儲能和電磁儲能。抽水蓄能是目前最為成熟的物理儲能技術，儲能成本較低，已經實現大規模應用，但區域環境必須具備一定地理條件。電化學儲能、電磁儲能是目前最前沿的儲能技術，但技術發展都處于探索試驗階段，到目前為止，國內尚未實現電儲能的大規模應用。

電廠發電設備和電儲能技術發展現狀、新能源發電大規模推廣應用以及電網安全穩定性需求等諸多因素決定了電加熱式蓄熱技術有著廣闊的應用前景。

3 電加熱式蓄熱方式

工程上應用的電加熱式蓄熱技術主要包括熱水蓄熱、高溫固體蓄熱和相變蓄熱。

3.1 熱水蓄熱技術

熱水蓄熱方式主要設備為電加熱爐（電極鍋爐）、蓄熱水箱及附屬設備。利用風光電、谷電將水加熱并儲存在水箱里，在峰、平電時段以熱水的形式進行輸出，熱水溫度可以在35～85 ℃之間任意設定。

3.2 固體蓄熱技術

在預設的電網低谷時間段或棄電時間段，自動控制系統接通高壓開關，電加熱器為發熱體供電，將電能轉換為熱能同時被高溫蓄熱體（MgO磚）不斷吸收，當溫度達到設定的上限溫度或電網低谷時段結束時，電加熱器停止工作。蓄熱體與熱交換器之間有熱輸出控制器，熱交換器可將蓄熱體儲存的熱能轉換為熱水或者蒸汽輸出[4]。

固體蓄熱、放熱流程包含熱量產生、熱量儲存和熱量釋放。蓄熱裝置內的電阻絲通電后，通過電阻絲將10 kV高壓電能轉化為熱能；熱量一部分通過變頻調速風機控制輸出，另一部分被儲存在高密度蓄熱介質中，蓄熱介質周圍有多層復合保溫隔熱材料以防止熱量散失；當需要釋放熱量時，循環風經過蓄熱體加熱，流入風水換熱器，熱量傳遞給循環水，供水溫度上升、流出。循環風降溫后重新流經蓄熱體加熱。放熱過程中控制系統通過控制風機轉速來調整風量，以達到控制調整輸出功率的目的。

3.3 相變蓄熱技術

相變蓄熱技術是一種以相變儲能材料為基礎的高新儲能技術，主要有固-液、固-固相變兩種類型。固-液相變是通過相變材料的熔化過程來進行熱量儲存，凝固過程來放出熱量；固-固相變則是通過相變材料的晶體結構發生改變或固體結構進行有序-無序的轉變而可逆地進行儲、放熱。相變蓄熱材料有：氟化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及石蠟等有機蓄熱材料。

目前熱水蓄熱和固體蓄熱是兩種主流蓄熱技術，相變蓄熱技術只是在小規模應用。

4 電蓄熱技術國內應用

國內電蓄熱技術成規模應用于電力負荷低谷[5]，熱電廠與新能源風電場蓄熱調峰，提高能源利用率，其應用方式主要包括以下四種。

（1）熱電廠+電極鍋爐+熱水蓄熱調峰供暖。集中供熱火電廠設高壓電極鍋爐+熱水儲罐，冬季供暖期電力負荷低谷時段，既保證最大供熱負荷，又降低外送電量，為新能源風電騰出空間，實現電網深度調峰。

（2）熱電廠+電加熱固體蓄熱調峰供暖。集中供熱火電廠設電蓄熱裝置（固體），冬季供暖期電力負荷低谷時段，既保證最大供熱負荷，又降低外送電量，為新能源風電騰出空間，實現電網深度調峰。

（3）風電+電加熱固體蓄熱+光熱多能互補供暖。風電與谷電、高溫固體電蓄熱裝置、光熱多能互補復合能源技術應用，可實現清潔供暖[6]。

（4）風電+分布式電加熱固體蓄熱供暖。風電建設工程項目輔助設置電儲熱供暖能源站，實現城鎮供暖，以市政谷電作為供熱保障，在風力不足的夜間亦可利用谷電蓄熱供能。

5 電蓄熱技術油田應用

隨著油田分布式風、光發電大規模推廣應用，為充分利用綠電資源，減少棄風、棄光，也為了提高電網穩定性，可將電蓄熱裝置與新能源發電項目同步實施。風電、光伏采用超配方式滿足站場電轉化熱的需求，利用綠電替代天然氣。

5.1 技術路線

利用電蓄熱技術，將風、光超配發電量轉化為熱儲存，通過能源智能管控系統，調控余熱、地熱、光熱供熱熱源與電蓄熱裝置供熱負荷，替代燃氣加熱爐、鍋爐連續供熱（圖1）。

圖1 電蓄熱技術應用技術路線Fig.1 Application technical route of electric thermal storage technology

5.2 工藝流程

電蓄熱裝置與熱泵機組供能互補，運行參數與熱泵機組相同，熱泵機組回收余熱，電熱轉換比例可達到1∶4，做基礎熱源。電蓄熱裝置使用綠電或谷電，電熱轉換比例1∶1，與地熱、光熱、余熱結合，做輔助或二次加熱熱源（圖2）。

圖2 電蓄熱裝置工藝流程Fig.2 Process flow of electric thermal storage device

5.3 適應性研究

常規電蓄熱利用低谷電價，蓄熱裝置的加熱時長、輸入功率與蓄熱時長基本固定[7]。油田站場采用電蓄熱裝置替代燃氣加熱爐，與風電、光伏規模合理配置，多用綠電，減少棄電和外購電量，電蓄熱輸入功率分多檔調控與風電、光伏發電功率變化相適應，供熱輸出穩定（圖3）。

圖3 電蓄熱裝置電加熱器配置示意圖Fig.3 Schematic diagram of electric heater configuration for electric heat storage device

公建設施和民用電蓄熱裝置與供熱系統直連，供熱參數與用戶需求一致。油田站場工藝介質性質復雜，多含油氣，從安全可靠性考慮，電蓄熱裝置采用高溫介質供熱，更加適應工藝介質間接換熱要求（圖4）。

圖4 電蓄熱裝置供熱介質參數示意圖Fig.4 Schematic diagram of heating medium parameters for electric heat storage device

油田站場由傳統單一的化石燃料供熱熱源，向余熱、地熱、光熱又融合了電蓄熱的新能源供熱系統轉變，電蓄熱需要與風電、光伏同步調節，納入區域綜合能源管控平臺，提高電-熱轉換綜合調控能力。

固體電蓄熱技術與熱水蓄熱技術均可在油田站場上應用，從用熱需求和站場實際布置情況出發，因地制宜選用適應站場條件的蓄熱技術，占地面積是必須要考慮的因素。站場蓄熱系統布置選擇依據見表1。

表1 站場蓄熱系統布置選擇Tab.1 Layout selection of heat storage system in stations

電蓄熱與風電、光伏超配相結合是一種綠電應用模式，但是風電、光伏、電蓄熱設備投資高，清潔電力供熱成本大于燃氣供熱成本，需要在降低設備投資等方面進行深入研究[8]。以大慶油田采油八廠某工程設計方案為例，測算不同能源形式的供熱成本價格。

采油八廠永樂油田區塊5座轉油站總供熱負荷17.1 MW，采用電蓄熱裝置替代燃氣加熱爐，風電、光伏超發替代生產用熱的年發電量與年供熱量基本平衡，但風電、光伏實時波動發電量與連續穩定供熱量不平衡，受電蓄熱體容量限制，會發生約10%～20%的棄電率。充電量統計情況見表2。

表2 電蓄熱裝置不同蓄熱時長棄電量統計Tab.2 Abandoned energy statistics of electric thermal storage device with different heat storage duration

某轉油站1座3 MW電蓄熱熱源站，供熱負荷1 MW，電蓄熱裝置蓄熱時長14 h；加熱時長10 h。經核算，電蓄熱熱源站供熱成本價約112元/GJ；已建燃氣加熱爐供熱成本價66元/GJ（表3）。

表3 電蓄熱熱源站經濟核算基礎數據Tab.3 Basic data of economic accounting of electric thermal storage heat source station

6 結論

電蓄熱裝置作為終端電氣化主要設備之一，推廣應用徹底替代了站場生產用熱燃氣加熱爐，實現能源消耗轉型，天然氣商品化率達到95%的目標，站場綠電占比增加，提高了清潔替代率。

油田大規模實施風電、光伏項目，采用電蓄熱技術，可增加調峰能力，提高整個電網安全穩定性。

電蓄熱裝置與新能源發電項目配套實施，綠電轉化為熱，在相對平穩供熱的前提下，綠電使用率可達到80%，減少了棄風、棄光比例，提高了新能源發電項目經濟收益。