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电蓄热锅炉集中供暖技术研究

发表时间：2020/10/14 来源：《基层建设》2020年第19期作者：袁甲

[导读] 摘要：随着人民生活水平，供电峰谷差逐年加大，给电网运行带来了较高的经济损失，另外，国家对不可再生资源和环境保护的要求一再提高，那么，大力推广在低谷时段运行的蓄热装置，不仅为“移峰填谷”的有效办法，也对不可再生资源和环境保护做出了突出贡献。

        淮矿煤业公司军民融合项目部筹备组保运队安徽淮南 232000
        摘要：随着人民生活水平，供电峰谷差逐年加大，给电网运行带来了较高的经济损失，另外，国家对不可再生资源和环境保护的要求一再提高，那么，大力推广在低谷时段运行的蓄热装置，不仅为“移峰填谷”的有效办法，也对不可再生资源和环境保护做出了突出贡献。目前阶段煤改电工程，电蓄热锅炉逐渐得到了推广和应用，鉴于此，文章对电蓄热锅炉集中供暖技术进行了研究，应该参考。
        关键词：电蓄热锅炉；集中供暖；技术类型
        1电蓄热锅炉介绍及其传热分析
        电固体蓄热实验装置主要由蓄热体、电阻式加热管（M型）、保温棉、底座、电线、变频风机、控制箱、热交换热器及其相应的管道和板式换热器等材料构成。该装置的工作由蓄热过程和放热过程来完成。
        加热过程是由电能转换成热能和将热能传递给蓄能介质两个环节组成。通常电能转换成热能有三种形式：电阻式、电磁感应式、电极式。电固体蓄热时间是晚上10：00到第二天早上6：00，共蓄热8h，此时，电流通过加热管中的电阻丝产生热量，并通过热辐射和导热的方式传递给蓄热体，使蓄热体内表面温度升高，并通过导热的方式，由蓄热体的内表面向外表面传递，使蓄热体的温度逐渐升高。
        蓄热8h后，蓄热体温度达到800℃~1000℃，打开风机，进行风系统的循环，对用户开始提供热量。风机抽取热交换器下集箱的冷风，从锅炉底部进入蓄热锅炉内的风道，对冷风进行加热，加热后变成高温热风，送入热交换器，在热交换器中，高温热风与热交换器蛇形管中的软化水进行热交换，对从用户回来的冷水进行加热成热水，通过水管道系统流回板式换热器，从而达到对用户供热的目的。
        2电蓄热锅炉集中供暖技术路线
        2.1电极锅炉+水蓄热装置
        电极锅炉采用10kV进电电压，以除盐水作为电阻，通电后释放热量产生热水。热水既可直供一次管网，也可以储存在蓄水罐内，待需要供热时，将蓄水罐内的热水接入一次管网。采用热水蓄热时常压水罐的蓄热温度可以达到90°C，采用承压水罐时，蓄热温度可以达到130°C。从技术特点看，电极锅炉应用范围广，单机功率大。从目前运行的项目看，电极锅炉+水蓄热装置主要分布于新疆、甘肃、青海等较为偏远的北方地区。这是因为电极锅炉本体的体积不大，但是作为蓄热装置的蓄水罐体积较大，由于斜温层的影响，一般而言蓄水罐的直径不会太大，蓄水罐的体积主要体现在高度上，考虑到区域内建筑风格和建筑高度的规划，电极锅炉+水蓄热装置不太适合在人口和建筑密集的区域露天建设。
        1.2固体蓄热式电加热装置
        与电极锅炉+热水蓄热系统不同，固体蓄热式电加热装置的电加热装置与蓄热装置一体化。电加热元件将蓄热砖（镁砖）加热到650°C以上，通过可变频风机驱动空气在风道内循环，经过高温蓄热砖时产生高温空气，高温空气通过换热器将热量交换到水循环系统。固体蓄热式电加热装置目前已实现模块化，有小模块与大模块之分。小模块固体蓄热式电加热装置单机几百千瓦，多用于酒店、办公楼的分布式电供暖，以380V电压进线。小模块固体蓄热式电加热装置的特点是单机较小仅为120kW，主要用于分布式，地上地下均可布置，维修简便。但相比电极锅炉+水蓄热装置价格较贵，此外，一些质量较差的镁砖在长时间使用后会产生风化、碎裂等现象，易导致风机堵塞，采用进口镁砖可以较好地解决该问题题，但会增加投资。大模块固体蓄热式电加热装置从5MW到90MW有多种型号，主要用于电厂灵活性改造和集中电供暖，5~10MW采用10kV电压进线、10~50MW采用33kV电压进线、50MW以上采用66kV电压进线。大模块固体蓄热式电加热装置应用较多、技术成熟，用于集中供热时，模块数量少，占地面积较小。但价格较高，维修不如小模块简便，需等蓄热装置降温后才可进行维修。此外，与小模块一样，会存在劣质镁砖风化、碎裂的问题。

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        2.3电极锅炉+低温相变蓄热装置
        电极锅炉+低温相变蓄热装置与电极锅炉+热水蓄热装置类似，其原理是利用电极锅炉产生的热水加热储热介质使其产生从固态到液态的相变，在该过程中吸收并储存大量的潜热。电极锅炉+低温相变蓄热装置中电极锅炉技术成熟，在电极锅炉+水蓄热装置中得到了广泛的应用，低温相变蓄热装置目前也已实现模块化。电极锅炉+低温相变蓄热装置是近年来兴起的电蓄热方面的新技术，利用蓄热介质的相变储存能量，减少了蓄热介质的体积。但是，目前的应用案例仍然较少，技术成熟度有待进一步验证。此外，电极锅炉+低温相变蓄热装置在运行过程中通过电极锅炉加热水后，再通过水和低温相变介质换热，主辅设备较多，增加了占地面积和运维成本。
        2.4高温相变蓄热式电加热装置
        高温相变蓄热式电加热装置与固体蓄热式电加热装置相似，电加热装置与蓄热装置一体化。通过电加热元件加热高温无机复合相变砖，使其中的钠盐体系发生从固态到液态的相变，蓄热温度最高可达750°C。通过可变频风机驱动空气在风道内循环，经过高温无机复合相变砖时，产生高温空气，高温空气通过换热器将热量交换到水循环系统。
        3电蓄热锅炉规划设计选型建议
        对于电蓄热锅炉技术而言，综合上述各种技术路线的比较，建议因地制宜采用不同技术路线规避风险。考虑到电极锅炉+水蓄热装置技术成熟、经济性较好，但水罐需采用压力容器且体积较大，现阶段建议在规划要求不高且供热面积在30万m2以下的能源站采用电极锅炉+水蓄热装置，并考虑利用地下空间或装饰面。固体蓄热式电加热装置技术成熟，应用较多，现阶段建议供热面积在10万m2以下的区域采用小模块固体蓄热式电加热系统，10万m2以上的区域采用大模块固体蓄热式电加热系统，理论上大模块固体蓄热式电加热系统可无限累加，但考虑到局部电网压力，现阶段建议新建大模块固蓄能源站的供热面积不宜超过50万m2。电锅炉+低温相变蓄热系统以及高温相变蓄热式电加热系统由于尚无较大规模的应用案例，可以在非城市中心区域且供热面积较小的能源站作为试点应用，现阶段供热面积不宜超过10万m2。
        4结论
        1）利用弃风、弃光和谷电的电蓄热供暖技术既能消纳光伏风电、响应火电灵活性改造政策，同时也能满足北方地区的供暖需求，在相关财政政策的支持下具有可观的经济性优势，市场前景良好。2）电极锅炉+水蓄热装置应用范围广，技术成熟，投资建设费用较低，但是蓄水罐的体积大、高度高，考虑到区域内建筑风格和建筑高度的规划，不拟在人口和建筑密集的区域露天建设，可以在规划要求不高的区域进行建设或考虑利用地下空间进行建设。3）固体蓄热式电加热装置应用范围广，技术成熟，已实现模块化，在酒店、办公楼、学校等分布式项目以及火电厂灵活性改造等集中式项目均有应用案例。但相比电极锅炉+水蓄热装置，固体蓄热式电加热装置投资建设费用较高。此外，劣质蓄热砖在长期使用后存在风化问题需引起重视。4）建议优先采用技术成熟度较高的电极锅炉+水蓄热装置以及固体蓄热式电加热装置。电极锅炉+低温相变蓄热装置和高温相变蓄热式电加热装置都是近年来兴起的电蓄热新技术，但是目前实际应用较少，可先从小容量机组示范项目开展建设，待技术成熟性得到验证后，进一步推广并扩大规模。
        参考文献：
        [1]李建林，谢志佳，李德鑫等.蓄热式电锅炉提升风电消纳能力关键技术研究[J].电器与能效管理技术，2018，NO.1：1-7.
        [2]张培亭，黄怡珉.电热固体蓄热装置蓄热过程的实验研究[J].应用能源技术，2004，6：31-34.
        [3]白胜喜，赵广播，董芃.固体电蓄热装置及经济性分析[J].中国电力，2002，35（6）：79-80.
        [4]李晗，白胜喜，黄怡珉.电热固体蓄热装置的蓄热原理及传热分析[J].电站系统工程，2003（3）：29-30.
        [5]白胜喜.电热固体蓄热装置蓄热和放热过程的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文，2002.