電蓄熱鍋爐技術(shù)在針織行業(yè)應(yīng)用及經(jīng)濟效益分析

袁 黎，袁俊球，柴婷逸，談 誠，俞 鑫

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

0 引言

技術(shù)的更新和進步離不開能源的支撐，由于社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源的消耗速度在快速增長。人類當(dāng)前正面臨一系列的能源問題，其中能源的大量消耗和不合理利用的問題急需解決。資源浪費和過度開發(fā)引發(fā)了極大的環(huán)境問題，給社會生活帶來了影響，還導(dǎo)致了能源價格的上漲?；趯δ茉吹暮侠砝煤凸?jié)能技術(shù)的發(fā)展，從能源使用的全周期過程出發(fā)減少能源浪費，是經(jīng)濟發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針。利用蒸汽蓄熱的方法可以實現(xiàn)能源生產(chǎn)與消耗之間的平衡，保持電能的峰谷供需平衡，從而使系統(tǒng)負(fù)荷均衡運行，最終實現(xiàn)節(jié)能的目的。

雖然電力發(fā)供用同步，但社會用電峰谷差較大，谷電消納不充分，存在窩電情況。同時隨著環(huán)保整治需要，天然氣存在供應(yīng)嚴(yán)重不足的問題。尋求一種既能夠消納谷電，又能夠替代天然氣的技術(shù)正符合社會和市場的需要。谷電加熱蒸汽蓄熱技術(shù)相比于電化學(xué)儲能投資少，相比于天然氣鍋爐運營成本低，適用場景廣泛。開發(fā)應(yīng)用蒸汽蓄熱新技術(shù)可以實現(xiàn)以電代氣（煤）的目標(biāo)，充分發(fā)揮電網(wǎng)作為能源樞紐的雙向轉(zhuǎn)換作用，在白天使用夜間利用谷電儲存的熱能，是國家對電網(wǎng)公司提出的建設(shè)要求，同時也將促進2060碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

鑒于上述問題提出了谷電加熱蒸汽蓄熱技術(shù)。在美國，需求側(cè)管理理論的成果在多個地區(qū)得到大規(guī)模應(yīng)用。1988年，美國已取得節(jié)約100億美元的經(jīng)濟效益［1］。文獻［2］通過對比電鍋爐效率與電力市場價格的關(guān)聯(lián)，分析得出了電鍋爐具有潛在投資價值。文獻［3］說明電鍋爐在歐洲得到了廣泛使用，將風(fēng)電與電鍋爐結(jié)合運行可取得良好的經(jīng)濟效益。電力蓄能技術(shù)在1994年的全國節(jié)電工作會議中被提出，開展試點工作后受到了企業(yè)的廣泛關(guān)注［4］。近年來，谷電蓄熱技術(shù)發(fā)展迅速，在建筑供暖、新能源消納等方面有著諸多應(yīng)用。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的幾種蓄能技術(shù)主要有壓縮空氣、電熱蒸汽蓄能和電池蓄能等［5］。由于電熱蒸汽蓄熱器滿足對電網(wǎng)中無污染物排放的技術(shù)要求,綜合投資成本、檢測維護等各個方面,電熱蒸汽蓄熱器被認(rèn)為是一種在電力網(wǎng)中比較理想的儲能設(shè)備［6］。本文提供的案例不僅運用谷電蓄熱的方式消納谷電、提高效益，而且遵循分布式電源就地消納的原則，對光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的冗余電量進行消納，避免了光伏、風(fēng)力發(fā)電過剩帶來的問題。

本文對電蓄熱鍋爐系統(tǒng)進行了概述，提供了一種相關(guān)參數(shù)的計算方法，通過對比實際運行參數(shù)，驗證了其準(zhǔn)確性，最后總結(jié)了項目實施帶來的經(jīng)濟效益，對電蓄熱技術(shù)的未來發(fā)展提出了新的建議。

1 電蓄熱鍋爐系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

采用電蓄熱鍋爐供能是一項綠色環(huán)保的電力需求側(cè)項目，是國家大力提倡和積極引導(dǎo)的一種用電方式，對提高用戶側(cè)的用電效率、資源的合理配置起到了一定的作用。電蓄熱鍋爐系統(tǒng)有助于平衡電網(wǎng)峰谷差，降低電網(wǎng)投資建設(shè)成本。

本文應(yīng)用潛熱蓄熱的蓄熱方法。潛熱蓄熱利用相變過程吸收或釋放熱量，在谷電加熱蒸汽蓄熱技術(shù)中，利用水-水蒸汽的相變過程，通過使用電熱蒸汽蓄熱器實現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)化為熱能并進行儲存和釋放［7］。電熱蒸汽蓄熱器以水為基礎(chǔ)，通過電-蒸汽-水-蒸汽的能量轉(zhuǎn)換過程對電能進行存儲和轉(zhuǎn)換，可作為工廠的儲能裝置，使工廠鍋爐負(fù)荷保持穩(wěn)定［8］。

典型蓄熱式供熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，蓄熱式供熱系統(tǒng)主要包括電熱鍋爐、蓄熱器、控制系統(tǒng)3個部分［9］。

圖1 蓄熱式供熱系統(tǒng)Fig.1 Regenerative heating system

電熱鍋爐與傳統(tǒng)鍋爐相似，是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置；蓄熱器的作用是儲存電鍋爐利用谷電轉(zhuǎn)換的熱能，度過谷電時段后向供熱管提供熱水；控制系統(tǒng)用于供熱調(diào)節(jié)。

電蓄熱鍋爐系統(tǒng)實現(xiàn)了儲能與釋能的雙向循環(huán)［10］。夜間用電低谷期蓄熱器儲存熱能，儲能過程是一個電-水轉(zhuǎn)換的過程，電熱蒸汽蓄熱器中的儲水經(jīng)過電加熱鍋爐系統(tǒng)的蒸汽加熱，蓄熱器中的水壓和溫度升高，水在壓力的作用下成為飽和水，電能因此得到了儲存。

1.2 針織廠電蓄熱鍋爐系統(tǒng)

某針織廠服裝生產(chǎn)車間需要蒸汽熨燙，每日使用壓力為0.4 MPa蒸汽約4 t。該廠用汽工作時段正常為7:00—19:00，有時因訂單增加會延時到21:00，蒸汽需求會增加1～2t。結(jié)合針織廠的實際情況和上述工作原理，設(shè)計了一種可遠程監(jiān)控的電蓄熱鍋爐系統(tǒng)，蒸汽蓄熱流程如圖2所示。該地區(qū)谷電時段為0：00—8:00，配置0.57 t/h的電鍋爐，7 h能夠產(chǎn)生4.0 t蒸汽，基本滿足企業(yè)用汽需求。當(dāng)延時工作造成蒸汽不足時，可以通過中午工人休息時段負(fù)荷下降，光伏余電上網(wǎng)部分制造蒸汽并儲存，供車間后續(xù)使用。

圖2 蒸汽蓄能流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of steam storage process

系統(tǒng)運行完全在電力監(jiān)控平臺的監(jiān)控下進行，監(jiān)控平臺對系統(tǒng)的電蒸汽鍋爐、汽液相變蒸汽蓄熱器、軟化水箱和閥門等設(shè)備進行遠程監(jiān)控。系統(tǒng)自動檢測客戶可蓄熱用的剩余用電容量，分組啟動電鍋爐電加熱棒，根據(jù)蓄熱罐中壓力停啟電鍋爐系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)需要通過閥門自動調(diào)節(jié)輸出蒸汽壓力，安全可靠地實現(xiàn)電-水-汽轉(zhuǎn)換過程。系統(tǒng)對水、電、汽等能耗進行實時在線監(jiān)測，并對其進行用能診斷及分析，經(jīng)分析后得出各種形式的報表和圖表，通過數(shù)據(jù)庫進行對比，可做出較為科學(xué)的能源使用報告，最終達到能源在線監(jiān)測及控制的目的。遠程電力監(jiān)控平臺如圖3所示。

圖3 針織廠遠程電力監(jiān)控平臺系統(tǒng)Fig.3 Remote power monitoring platform system of knitting factory

本次節(jié)能改造后，工廠原有已配置直熱式電蒸汽發(fā)生器暫時保留，作為蒸汽蓄熱器系統(tǒng)備用，發(fā)生短時間大批量加班生產(chǎn)時可投入。

2 電熱蒸汽蓄熱器系統(tǒng)設(shè)計

為了減小能源消耗，節(jié)約針織廠的經(jīng)濟成本,對針織廠的蒸汽系統(tǒng)進行改造，將其改造為一種具有谷電蓄熱能力的環(huán)保節(jié)約型蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)。本文將利用相變蓄熱轉(zhuǎn)化裝置、蓄熱鍋爐、熱泵3種裝置優(yōu)化組合的方式，建立能源梯級利用的多能互補相變蓄熱系統(tǒng)解決方案。下面給出了蓄熱器儲水量以及蓄熱量等關(guān)鍵參數(shù)的計算方法，并以針織廠為案例進行了對比分析。

2.1 蓄熱器儲水量計算

對于一個電能蓄熱系統(tǒng)，其壓力在沖熱壓力和放熱壓力之間波動。沖熱壓力工作上限是電熱蒸汽蓄熱器最大工作壓力值的上限，也就是電能加熱過程結(jié)束時的最高工作壓力［11—14］。放熱壓力是能保證電能蓄熱器正常運行的最低工作壓力。

蓄熱器的儲水量V1為

2.2 蓄熱器產(chǎn)汽量計算

蓄熱器在放熱時產(chǎn)生1 kg蒸汽所需的熱量q1為

式中：r′1和r′2分別為壓力P1和P2下水的汽化潛熱。

電熱蒸汽蓄熱器每小時蓄熱量Q1為

式中：E為單位耗電量。

電熱蒸汽蓄熱器每小時可產(chǎn)生的蒸汽量Q2約為

蓄熱器工作8 h，可產(chǎn)生8Q2的蒸汽量。

2.3 智能控制設(shè)定

針織廠蒸汽蓄熱鍋爐電加熱系統(tǒng)設(shè)置智能控制系統(tǒng)。根據(jù)服裝熨燙生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定鍋爐和蓄熱罐的額定壓力為1.4 MPa，輸出壓力0.4 MPa。通過時段控制鍋爐停啟，在谷時段自動加熱，過后自動停止加熱。在關(guān)口電表側(cè)進行數(shù)據(jù)采樣，當(dāng)發(fā)現(xiàn)光伏電倒送電網(wǎng)，倒送功率值大于單組電熱管60 kW時，啟動一組加熱，大于120 kW時啟動兩組加熱，以此類推直到全部啟動。工作過程中鍋爐壓力和蓄熱罐壓力高于額定壓力值，或監(jiān)測到關(guān)口電表負(fù)荷超過變壓器容量值時立即停止加熱。

2.4 案例分析

針織廠蒸汽蓄熱鍋爐電加熱功率設(shè)計為420 kW，因此電熱蒸汽蓄熱器工作8h共消耗3360kWh的夜間谷電電量。用3 360 kWh的電能加熱蓄熱器內(nèi)儲存的水，當(dāng)達到一定的壓力后，儲存的熱量即為所加熱的儲水量。本項目在沖熱壓力P1=1.4 MPa，放熱壓力P2=0.4MPa的條件下實施。

根據(jù)本案例實施條件和預(yù)估的電熱器谷電期儲電量N=3 360 kWh，計算出儲水量應(yīng)不少于62 m3，在實際系統(tǒng)設(shè)計中，涉及到電鍋爐性能問題，用電量大于所需電能儲存量。

表1記錄了自2020年9月項目投入運行以來5個月的電鍋爐性能數(shù)據(jù)。由上述計算可知鍋爐的有效利用熱Q3與供給鍋爐的熱量Q4之比為鍋爐效率，它表示送入鍋爐的電量被有效利用的程度，鍋爐的有效利用熱為

表1 電鍋爐性能分析Table 1 Performance analysis of electric boiler

式中：D為蒸汽的產(chǎn)生量；i汽為蒸汽熱焓；i水為給水的熱焓。已知常州市9月到次年1月這5個月的平均氣溫分別為22℃、15℃、9℃、2℃、1℃，則i水分別為22 kcal/kg、15 kcal/kg、9 kcal/kg、2 kcal/kg、1 kcal/kg；電鍋爐工作壓力為0.45 MPa，查飽和蒸汽表得，在壓力為0.45 MPa條件下，i汽=668.48 kcal/kg。鍋爐效率η為

由表1可知，鍋爐效率在74%～83%之間，去除9月份設(shè)備調(diào)試因數(shù)，后面4個月平均效率均在82%以上，改造后的蓄熱系統(tǒng)對谷電具有良好的儲存能力。通過鍋爐有效利用熱計算理論日均產(chǎn)汽量，與實際值相比，差值小于0.5t，具有一定的參考作用。以上為鍋爐系統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)未投入使用的測試數(shù)據(jù)，因此今后產(chǎn)品通過將熱泵（熱回收）預(yù)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與蓄熱系統(tǒng)一體化設(shè)計后，其整體效率能夠得到有效提升，且目前主要是蒸汽鍋爐帶來的熱損耗，在電鍋爐停止產(chǎn)汽后將爐體內(nèi)的高溫水引入保溫軟水箱后，鍋爐效率有望提升到90%以上。

3 經(jīng)濟效益分析

針織廠原有燃煤蒸汽鍋爐一臺，白天生產(chǎn)，夜間休息。每天平均用蒸汽4 t，執(zhí)行大工業(yè)電價。2017年10月更換13臺直熱式電蒸汽發(fā)生器，蒸汽成本由原來的158元/t增加至600元/t，生產(chǎn)成本增加，利潤下降，市場競爭力降低，急需實施能夠降低生產(chǎn)成本的技術(shù)措施，以緩解生產(chǎn)、經(jīng)營壓力。

蒸汽蓄熱電能替代新技術(shù)利用電加熱的高效性及谷電運行的經(jīng)濟性，解決燃?xì)庹羝仩t效率低、經(jīng)濟性差等問題，無論采用“當(dāng)量值”還是“等價值”計算方法，節(jié)能效果都較好。

對針織廠項目2020年9月至2021年1月共5個月的電鍋爐運行狀況進行記錄，按照江蘇電價，1 kV～10 kV大工業(yè)用電高峰時段電價為1.0347元/kWh，平時段電價為0.6068元/kWh，低谷時段電價為0.2589元/kWh，電力運行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 針織廠電鍋爐運行狀況Table 2 Operation status of electric boiler in knitting factory

由表2可知，針織廠5個月消耗總電量為482 722 kWh，峰電量9 684 kWh，占2.01%；平電量47 556 kWh，占 9.85%；谷電量 425 482 kWh，占88.14%。低谷用電量接近90%，電力蓄能技術(shù)的效益比較明顯，通過采用夜間儲存電費成本低的谷電，白天釋放儲存熱能的方法，與按非峰谷計算的理論電費相比節(jié)約了51.2%的成本。通過采用谷電蓄能的方式，不僅提高了工廠效益，也減少了電力資源的浪費。綜合電加熱蒸汽存儲系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及計量及管控系統(tǒng)的設(shè)備購置費70萬元、安裝工程費18萬元，以及其他費用7萬元，總計投資95萬元，大約3年可以收回投資。如果考慮移峰填谷，變壓器的需量將減少約250 kvar,每月基本電費將減少1萬元，效益更好，回收周期更短。

4 結(jié)束語

基于電價政策與電蓄熱鍋爐的特點，從電蓄熱鍋爐在工廠中的應(yīng)用案例可以得出電蓄熱鍋爐的應(yīng)用有如下特點：

（1）經(jīng)濟效益明顯

采用電熱蒸汽蓄熱器存儲電能，充分利用了峰、平、谷時期電價不同，電力負(fù)荷相差較大的特點，與傳統(tǒng)直熱式電鍋爐生產(chǎn)蒸汽方式相比谷電蒸汽蓄熱鍋爐平均蒸汽耗電量790 kWh/t，平均蒸汽成本205元/t。與天然氣鍋爐相比，平均蒸汽耗氣量90 m3/t，天然氣單價按照3.5元/m3計算，平均蒸汽成本315元/t，因此谷電蒸汽蓄熱鍋爐相比天然氣鍋爐節(jié)省運營成本34%以上；與熱力管網(wǎng)供氣相比，其蒸汽成本銷售價一般為230元/t左右，但考慮有管損費、管道開通費、管道空置費等，一般蒸汽成本會達到250元/t以上。因此在運營成本上谷電蒸汽蓄熱鍋爐遠遠低于天然氣鍋爐，比熱力管網(wǎng)也要低10%以上。蒸汽蓄熱電能替代新技術(shù)改造簡單易行，將原天然氣鍋爐替換成電蓄熱鍋爐，能達到節(jié)能、降低成本的效果。同時由于電鍋爐自動化程度高，可以節(jié)約2人以上的人工成本。

（2）環(huán)境效益顯著

我國煤碳年消費量的一半以上用于火力發(fā)電，火力發(fā)電占我國總發(fā)電量的60%以上。因此，電蓄熱鍋爐既可以高效利用谷電，也可以充分就地消納光伏、風(fēng)電等清潔能源，既可提高現(xiàn)電煤使用效率，還可減少工業(yè)上石化燃料的使用，將大大減少碳排放，改善城市環(huán)境，是高效、低碳、綠色高新技術(shù)。

（3）社會效益顯著

電蒸汽蓄熱系統(tǒng)除高效利用谷電外，還可以應(yīng)用于風(fēng)電、光伏電站蒸汽存儲能源站項目的建設(shè)，可以是電-蒸汽項目，也可以是電-蒸汽-電項目，用于消納光伏、風(fēng)電等綠色能源；同時它未來也可以在熱力管網(wǎng)的末端作為熱力中繼站使用，通過少量谷電提升蒸汽壓力和溫度，可以延伸供熱半徑，也可以對熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的蒸汽進行移峰填谷。多源蓄熱系統(tǒng)如圖4所示。電蓄熱技術(shù)不僅應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)中，也可以廣泛應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、賓館、集中居住區(qū)，為其提供蒸汽、生活熱水及進行區(qū)域供暖。

圖4 多源蓄熱系統(tǒng)Fig.4 Multi?source heat storage system

電蓄熱技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將成為未來智能電網(wǎng)的建設(shè)方向，對提升終端電氣化率具有重要作用，可為用戶和供電側(cè)帶來更高的經(jīng)濟效益，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了新途徑。