蓄熱電鍋爐在寧夏某小學供暖改造中的應用

白楊，周睿，何波，朱茜，李衛(wèi)東

（1.國網(wǎng)寧夏電力科學研究院，寧夏銀川750011；2.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏銀川750011；3.國網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司，寧夏銀川750011）

蓄熱電鍋爐在寧夏某小學供暖改造中的應用

白楊1，周睿1，何波2，朱茜3，李衛(wèi)東1

（1.國網(wǎng)寧夏電力科學研究院，寧夏銀川750011；2.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏銀川750011；3.國網(wǎng)寧夏電力公司銀川供電公司，寧夏銀川750011）

針對寧夏某小學燃煤供暖污染嚴重、運行費用高的問題，通過對不同清潔供暖方式的對比分析，確定采用蓄熱電鍋爐供暖技術進行供暖改造并提出了改造方案。應用結(jié)果表明：蓄熱電鍋爐供暖技術污染物排放為零，實現(xiàn)了清潔供暖，同時充分利用了低谷電量，明顯降低了學校供暖費用。

蓄熱電鍋爐；清潔供暖；經(jīng)濟性

寧夏某小學位于銀川市金鳳區(qū)，地處西北內(nèi)陸，冬季寒冷，采暖期為5個月，共151天，目前供暖方式為小型燃煤機組獨立供暖。小型燃煤機組大氣污染物排放量大，是導致冬季大氣污染嚴重，霧霾頻發(fā)的主要原因之一［1］。銀川市大氣污染防治行動計劃（2014-2017年）明確指出，2017年年底前拆除20 t/h以下燃煤鍋爐。該校燃煤鍋爐在拆除范圍之內(nèi)，因此，需選擇一種清潔供暖方式對原有燃煤機組進行供暖改造。

1 供暖現(xiàn)狀及需要解決的問題

1.1 學校供暖現(xiàn)狀

該學校供暖面積11.5 km2，無法接入城市集中供熱管網(wǎng)，只能采用獨立熱源供暖，原供暖方式為小型燃煤鍋爐獨立供暖，供暖期為5個月，共計151天，其中包含節(jié)假日70天。

該校小型燃煤機組供暖污染嚴重，能源轉(zhuǎn)換率低，供熱效果差，運行費用約每年40萬元，每個采暖季折合34.8元/m2，遠高于城市集中供暖的19元/m2，運行經(jīng)濟性較差。由于該校無寄宿學生，供暖系統(tǒng)不提供生活熱水和蒸汽，主要供熱負荷集中在白天上課期間，夜間、周末和節(jié)假日供熱負荷需求低，間歇供暖特征明顯。因此供暖改造方案應通過智能控制手段實現(xiàn)按需供熱，降低供暖運行成本。

目前，學校供熱管網(wǎng)運行良好，供熱末端為散熱片，因此供暖改造只需進行鍋爐房內(nèi)熱源改造以降低改造成本。

1.2 需解決的問題

基于學校目前的供暖現(xiàn)狀，供暖改造方案需解決以下問題：

（1）實現(xiàn)清潔供暖，解決燃煤污染嚴重的問題；

（2）結(jié)合學校間歇供暖特性，實現(xiàn)按需供暖，降低供暖運行成本，提高供暖系統(tǒng)運行經(jīng)濟性；

（3）只對供暖熱源進行改造，利用學校原有供熱管網(wǎng)，降低改造成本。

2 供暖改造方案

目前，利用現(xiàn)有供熱管網(wǎng)只進行熱源改造的成熟清潔供暖技術包括電鍋爐供暖和燃氣鍋爐供暖。其中電鍋爐供暖技術包括直熱式電鍋爐供暖技術和蓄熱電鍋爐供暖技術。

2.1 直熱式電鍋爐供暖和蓄熱式電鍋爐供暖對比

直熱式電鍋爐供暖將燃煤鍋爐替換為電鍋爐，沒有蓄熱裝置，占地面積小，沒有污染物排放，但運行費用較高［2］。

蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)主要是利用電網(wǎng)低谷電時段運行電鍋爐，對存放在蓄熱裝置中的蓄熱介質(zhì)進行加熱，將電能轉(zhuǎn)化成熱能儲存起來，在用電高峰期停止電鍋爐運行，利用蓄熱裝置向外供熱，以滿足建筑物供暖需要［3］。

直熱式電鍋爐供暖在國內(nèi)電采暖推廣初期被大量使用，但由于供暖高峰往往是用電高峰，該供暖方式不能充分利用夜間的廉價電，若采用該供暖方式，采暖電價為0.493 6元/（kW·h）。而蓄熱式電鍋爐可以充分利用低谷電價，對電網(wǎng)起到“削峰填谷”的作用.目前，寧夏地區(qū)蓄熱電鍋爐峰谷電價為：低谷電價0.190 6元/（kW·h），時長8 h；平段電價0.260 6元/（kW·h），時長9 h；高峰電價0.400 6元/（kW·h），時長7 h。因此，蓄熱電鍋爐在運行經(jīng)濟性方面明顯優(yōu)于直熱式電鍋爐供暖系統(tǒng)。

2.2 燃氣鍋爐供暖和蓄熱式電鍋爐供暖對比

燃氣鍋爐供暖系統(tǒng)是通過燃氣鍋爐加熱的熱水直接由熱水循環(huán)泵送到供暖末端進行供熱。根據(jù)類似工程經(jīng)驗［4-6］，該學校進行燃氣鍋爐供暖和蓄熱電鍋爐供暖熱源改造的成本相當，均可實現(xiàn)清潔供暖，因此，需要對兩種供暖方式的能源成本進行分析。

天然氣理論熱值取35.1 MJ/m3，電的理論熱值取3.6 MJ/（kW·h），燃氣鍋爐熱效率取85%，電鍋爐取98%［6］。按照物價局相關文件，2016-2017年采暖季寧夏銀川地區(qū)集中供暖天然氣價格為2.09元/m3。

以加熱1 t水為例，將水從5℃加熱到55℃需209 MJ熱量，則用燃氣鍋爐加熱需花費14.64元，如式（1）所示。

在低谷電期間用電鍋爐加熱需花費11.31元，如式（2）所示。

燃氣價格還存在上漲的風險，因此，蓄熱電鍋爐供暖運行經(jīng)濟性優(yōu)于燃氣鍋爐供暖。另外，相比燃氣鍋爐供暖，蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)在施工方面占地面積小，不需要煙囪及通風系統(tǒng)，安裝簡單靈活；在運行方面無噪音，運行安全穩(wěn)定，不存在天然氣泄漏引起爆炸等危險；自動化程度高，可根據(jù)建筑供熱需求實現(xiàn)按需供暖及無人值守［6］。因此，燃氣鍋爐和蓄熱電鍋爐供暖方式對比應選擇蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)。

通過對比分析可知，以上3種方式均可利用學校原有供熱管網(wǎng)，只對熱源進行改造實現(xiàn)學校清潔供暖。蓄熱電鍋爐供暖方式在運行經(jīng)濟性方面優(yōu)于其他兩種供暖方式，且安裝簡單靈活，運行安全穩(wěn)定，自動化程度高，因此本次改造選擇蓄熱電鍋爐供暖改造方案。

3 蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)設計選型

3.1 采暖設計參數(shù)

該小學建筑已做過保溫改造，根據(jù)文獻［7］中學校采暖熱指標推薦值（見表1）確定設計最大熱負荷指標qk為55 W/m2。

采暖設計熱負荷［7］：

式中：F—采暖面積；

qk—設計最大熱負荷指標。

表1 采暖熱指標推薦值qk

3.2 供暖運行方式及供熱逐時負荷

該小學供暖期5個月，共151天，其中包含節(jié)假日70天。根據(jù)學校教學安排及學校間歇式供暖特性，為了最大限度實現(xiàn)節(jié)能減排，供暖運行方式為節(jié)假日期間全天保溫，上課期間6：00-18：00供暖，其余時間保溫運行。

根據(jù)供暖運行方式及1天內(nèi)室外氣溫變化情況，確定設計日逐時熱負荷分布如圖1所示。根據(jù)寧夏蓄熱電鍋爐峰谷電價時段劃分及圖1確定該小學各個時段熱負荷需求，如表2所示。根據(jù)表2可知，設計日總熱負荷為7 843 kW·h，其中高峰電價時段總熱負荷2 656.5 kW·h，平段電價總熱負荷2 656.5 kW·h，低谷電價時段總熱負荷2 530 kW·h。

圖1 設計日逐時熱負荷

表2 某小學各時段熱負荷需求

3.3 設備選型

蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)按照蓄熱模式分為全量蓄熱模式和分量蓄熱模式［8］。全量蓄熱模式是在低谷電時段利用電鍋爐直接供暖的同時為蓄熱裝置蓄熱，其他時段電鍋爐停止運行，用儲存的熱量滿足全天供暖需求［8］。分量蓄熱模式是在低谷電蓄熱的同時，其他時段由蓄熱系統(tǒng)和電鍋爐共同分擔熱負荷需求［8］。相比于全量蓄熱模式，分量蓄熱模式可以相應降低設備容量和建設投資，但會增加運行費用。

本文對全量蓄熱模式和分量蓄熱模式分別進行經(jīng)濟性分析，本次改造分量蓄熱模式為低谷電時段電鍋爐直接供暖的同時為熱庫儲能，高峰電時段熱庫放熱滿足供暖需求，平電時段電鍋爐直供滿足供暖需求。

3.3.1 電鍋爐功率計算

電鍋爐功率按以下方法計算［9］：

式中：QG—電鍋爐功率，kW；

QX—蓄熱裝置熱容量，kW·h；

Q—采暖設計熱負荷，kW；

T—蓄熱時間，取8 h。

全量蓄熱模式下QX為5 186.5 kW·h，電鍋爐功率為1 350 kW。

分量蓄熱模式下QX為2 656.5 kW·h，電鍋爐功率為1 000 kW。

3.3.2 蓄熱容量計算

蓄熱裝置選用一種新型無機相變納米復合材料蓄熱裝置（熱庫），其相變溫度在78℃左右，單臺額定蓄熱量為650 MJ［10］，占地面積僅為傳統(tǒng)水蓄熱方式的1/6～1/8。熱庫數(shù)量按以下方法計算［10］：

式中：Qr—熱庫熱容量，kW；

η—熱庫熱損，取2%。

全量蓄熱模式下Qr為3 668.5 kW·h，熱庫數(shù)量為21臺。

分量蓄熱模式下Qr為2 087.25 kW·h，熱庫數(shù)量為12臺。

3.3.3 運行費用

按式（6）計算全量蓄熱模式下設計日1天運行費用為1 556.51元/天［11］。

式中：Q總—設計日全天熱負荷，取7 843 kW·h；

η—熱庫熱損，取2%；

σ—電鍋爐效率，取0.98；

x—谷時電價0.1906元/（kW·h）。

按式（7）計算分量蓄熱模式下設計日1天運行費用為1 750.14元/天［12］。

式中：Q1—設計日低谷時段加高峰時段總熱負荷，取5 186.5 kW·h；

Q2—設計日平電價時段總熱負荷，取5 186.5 kW·h；

η—熱庫熱損，取2%；

σ—電鍋爐效率，取0.98；

x—谷時電價0.1906元/(kW·h)；

y—平時電價0.2606元/(kW·h)。

按照類似工程經(jīng)驗年采暖期中平均熱負荷系數(shù)取0.7［13］，則全量蓄熱模式下整個采暖季運行費用為

1 556.51元/天×151天×0.7=16.5（萬元）

分量蓄熱模式下整個采暖季運行費用為

1 750.14元/天×151天×0.7=18.5（萬元）

3.3.4 2種蓄熱模式對比分析

根據(jù)以上計算結(jié)果，2種蓄熱模式設計選型結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，相比分量蓄熱模式，全量蓄熱模式年運行電費僅減少了2萬元，但熱庫系統(tǒng)造價增加了49.5萬元，熱庫系統(tǒng)投資回收期為24.2年，同時還要相應配電系統(tǒng)增容費用和建設成本，因此，分量蓄熱模式的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于全量蓄熱模式。

表3 不同蓄熱模式設計選型結(jié)果

造成以上結(jié)果的原因如下：

（1）2種蓄熱模式下高峰時段均為熱庫供熱，因此運行費用的差別主要產(chǎn)生在平電價時段，而寧夏地區(qū)蓄熱電鍋爐峰谷電價中低谷和平段電價相差較小，僅為0.07元/(kW·h)，因此，2種蓄熱模式運行費用沒有拉開明顯差距；

（2）該校主要供熱負荷集中在白天上課期間，夜間、周末和節(jié)假日供熱負荷需求低，在部分平電價時段為保溫運行方式，運行費用很低，因此，進一步縮小了2種蓄熱模式的運行費用差距。

3.3.5 設備選型

根據(jù)以上計算分析結(jié)果，按分量蓄熱模式確定最終設備選型，主要設備包括360 kW常壓熱水電鍋爐3臺，額定蓄熱量為650 MJ熱庫12臺，額定換熱量為1 088 kW板式換熱器1臺，自動控制系統(tǒng)1套，軟化水系統(tǒng)1套，一次循環(huán)泵、二次循環(huán)泵、補水泵各2臺，各類水泵均為一用一備，總造價94萬元，該造價不包括配電系統(tǒng)的投資。

本套系統(tǒng)在低谷電時段電鍋爐直接供暖的同時為熱庫儲能，高峰電時段熱庫放熱滿足供暖需求，平電時段電鍋爐直供滿足供暖需求。自動控制系統(tǒng)根據(jù)學校教學安排及峰谷電價設置控制時間段，同時設置不同時間段的二次管網(wǎng)目標回水溫度，根據(jù)不同時間段設定的不同目標回水溫度實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)控所有主設備運行參數(shù)及能耗情況，具備遠程監(jiān)控、手機APP監(jiān)控、報警推送等功能，全自動運行，可實現(xiàn)電鍋爐房無人值守。在保證安全運行的同時最大限度地實現(xiàn)節(jié)能減排。

4 效果評價

該學校于2016年10月31日按照以上供暖改造方案完成供暖系統(tǒng)改造并投入運行。經(jīng)過一個采暖季的運行，學校供暖效果良好。

（1）改造后，每個采暖季減排CO2675.9 t，SO220.33 t，NOx10.17 t，供暖系統(tǒng)污染物排放為零，實現(xiàn)了學校清潔供暖。

（2）改造后通過自動控制系統(tǒng)根據(jù)學校供熱負荷按需供暖，實現(xiàn)了電鍋爐房無人值守。該校在供暖改造前供暖成本約40萬元/年，2016—2017年采暖季年運行費用為19.18萬元，折合16.68元/m2，低于城市集中供暖價格，大大降低了供暖運行費用。

（3）本次改造只對供熱熱源進行改造，沿用學校原有供熱管網(wǎng)，降低了學校改造成本。對比需進行管網(wǎng)拆除改造碳晶電暖器清潔供暖方式可節(jié)約改造成本約40萬元。

5 結(jié)論

（1）蓄熱電鍋爐供暖系統(tǒng)污染物排放為零，同時具有無污染、噪聲小、占地少、無人值守、移峰填谷等優(yōu)點，是實現(xiàn)北方地區(qū)冬季清潔供暖的有力手段。

（2）對原有供熱管網(wǎng)運行良好的供暖系統(tǒng)改造，蓄熱電鍋爐供暖改造可沿用原有供熱管網(wǎng)，只進行熱源改造，降低改造成本。

（3）蓄熱電鍋爐供暖可利用夜間廉價的“低谷電”，大幅降低運行成本，同時可起到“移峰填谷”，平衡優(yōu)化電網(wǎng)等積極作用。

（4）蓄熱電鍋爐供暖技術自動化程度高，可實現(xiàn)“按需供暖”，在實現(xiàn)節(jié)能減排的同時可有效降低供暖費用，適于在具有間歇供暖特性的場所，如商場、辦公樓、學校等場所推廣應用。

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Application of electric thermal storage boiler in the heating system reform for a primary school of Ningxia

BAI Yang1,ZHOU Rui1,HE Bo2,ZHU Qian3,LI Weidong1
(1.Power Research Institute of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China；2.Yinchuan Thermal Power Co.,of Ningxia Power Investment Group Ltd.,Yinchuan Ningxia 750011,China；3.Yinchuan Power Supply Filiale of State Grid Ningxia Power Co.,Yinchuan Ningxia 750011,China）

Aiming at the problems of serious pollution and high running cost existing in the coal heating system of a primary school in Ningxia,through the comparison and analysis of different clean heating methods,determines using the electric thermal storage boiler to reform the heating system,and puts forward the improvement scheme.The application result shows that∶the electric thermal storage boiler pollutants emissions is zero,it realize the clean heating,and use full the trough power,reduce obviously the heating cost of the school.

electric thermal storage boiler;clean heating;economy

TK229.922+923

B

1672-3643（2017）04-0062-05

有效訪問地址：http∶//dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.012

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.04.012

2017-05-20

白楊（1986），男，工程師，工學碩士，從事熱力試驗及熱能動力設備技術監(jiān)督工作。