蓄热电锅炉在宁夏某小学供暖改造中的应用

蓄热电锅炉在宁夏某小学供暖改造中的应用
白杨;周睿;何波;朱茜;李卫东
【摘要】针对宁夏某小学燃煤供暖污染严重、运行费用高的问题,通过对不同清洁供暖方式的对比分析,确定采用蓄热电锅炉供暖技术进行供暖改造并提出了改造方案.应用结果表明:蓄热电锅炉供暖技术污染物排放为零,实现了清洁供暖,同时充分利用了低谷电量,明显降低了学校供暖费用.
【期刊名称】《宁夏电力》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】5页(P62-66)
【关键词】蓄热电锅炉;清洁供暖;经济性
【作者】白杨;周睿;何波;朱茜;李卫东
【作者单位】国网宁夏电力科学研究院,宁夏银川750011;国网宁夏电力科学研究院,宁夏银川750011;宁夏电投银川热电有限公司,宁夏银川750011;国网宁夏电力公司银川供电公司,宁夏银川750011;国网宁夏电力科学研究院,宁夏银川750011
【正文语种】中文
【中图分类】TK229.922+923
宁夏某小学位于银川市金凤区，地处西北内陆，冬季寒冷，采暖期为5个月，共151天，目前供暖方式为小型燃煤机组独立供暖。

小型燃煤机组大气污染物排放量大，是导致冬季大气污染严重，雾霾频发的主要原因之一［1］。

银川市大气污
染防治行动计划（2014-2017年）明确指出，2017年年底前拆除20 t/h以下燃
煤锅炉。

该校燃煤锅炉在拆除范围之内，因此，需选择一种清洁供暖方式对原有燃煤机组进行供暖改造。

该学校供暖面积11.5 km2，无法接入城市集中供热管网，只能采用独立热源供暖，原供暖方式为小型燃煤锅炉独立供暖，供暖期为5个月，共计151天，其中包含
节假日70天。

该校小型燃煤机组供暖污染严重，能源转换率低，供热效果差，运行费用约每年
40万元，每个采暖季折合34.8元/m2，远高于城市集中供暖的19元/m2，运行
经济性较差。

由于该校无寄宿学生，供暖系统不提供生活热水和蒸汽，主要供热负荷集中在白天上课期间，夜间、周末和节假日供热负荷需求低，间歇供暖特征明显。

因此供暖改造方案应通过智能控制手段实现按需供热，降低供暖运行成本。

目前，学校供热管网运行良好，供热末端为散热片，因此供暖改造只需进行锅炉房内热源改造以降低改造成本。

基于学校目前的供暖现状，供暖改造方案需解决以下问题：
（1）实现清洁供暖，解决燃煤污染严重的问题；
（2）结合学校间歇供暖特性，实现按需供暖，降低供暖运行成本，提高供暖系统运行经济性；
（3）只对供暖热源进行改造，利用学校原有供热管网，降低改造成本。

目前，利用现有供热管网只进行热源改造的成熟清洁供暖技术包括电锅炉供暖和燃气锅炉供暖。

其中电锅炉供暖技术包括直热式电锅炉供暖技术和蓄热电锅炉供暖技术。

直热式电锅炉供暖将燃煤锅炉替换为电锅炉，没有蓄热装置，占地面积小，没有污染物排放，但运行费用较高［2］。

蓄热电锅炉供暖系统主要是利用电网低谷电时段运行电锅炉，对存放在蓄热装置中
的蓄热介质进行加热，将电能转化成热能储存起来，在用电高峰期停止电锅炉运行，利用蓄热装置向外供热，以满足建筑物供暖需要［3］。

直热式电锅炉供暖在国内电采暖推广初期被大量使用，但由于供暖高峰往往是用电高峰，该供暖方式不能充分利用夜间的廉价电，若采用该供暖方式，采暖电价为0.493 6元/（kW·h）。

而蓄热式电锅炉可以充分利用低谷电价，对电网起到“削峰填谷”的作用.目前，宁夏地区蓄热电锅炉峰谷电价为：低谷电价0.190 6元/（kW·h），时长8 h；平段电价0.260 6元/（kW·h），时长9 h；高峰电价
0.400 6元/（kW·h），时长7 h。

因此，蓄热电锅炉在运行经济性方面明显优于
直热式电锅炉供暖系统。

燃气锅炉供暖系统是通过燃气锅炉加热的热水直接由热水循环泵送到供暖末端进行供热。

根据类似工程经验［4-6］，该学校进行燃气锅炉供暖和蓄热电锅炉供暖热源改造的成本相当，均可实现清洁供暖，因此，需要对两种供暖方式的能源成本进行分析。

天然气理论热值取35.1 MJ/m3，电的理论热值取3.6 MJ/（kW·h），燃气锅炉
热效率取85%，电锅炉取98%［6］。

按照物价局相关文件，2016-2017年采暖季宁夏银川地区集中供暖天然气价格为2.09元/m3。

以加热1 t水为例，将水从5℃加热到55℃需209 MJ热量，则用燃气锅炉加热需花费14.64元，如式（1）所示。

在低谷电期间用电锅炉加热需花费11.31元，如式（2）所示。

燃气价格还存在上涨的风险，因此，蓄热电锅炉供暖运行经济性优于燃气锅炉供暖。

另外，相比燃气锅炉供暖，蓄热电锅炉供暖系统在施工方面占地面积小，不需要烟囱及通风系统，安装简单灵活；在运行方面无噪音，运行安全稳定，不存在天然气泄漏引起爆炸等危险；自动化程度高，可根据建筑供热需求实现按需供暖及无人值守［6］。

因此，燃气锅炉和蓄热电锅炉供暖方式对比应选择蓄热电锅炉供暖系统。

通过对比分析可知，以上3种方式均可利用学校原有供热管网，只对热源进行改
造实现学校清洁供暖。

蓄热电锅炉供暖方式在运行经济性方面优于其他两种供暖方式，且安装简单灵活，运行安全稳定，自动化程度高，因此本次改造选择蓄热电锅炉供暖改造方案。

该小学建筑已做过保温改造，根据文献［7］中学校采暖热指标推荐值（见表1）
确定设计最大热负荷指标qk为55 W/m2。

采暖设计热负荷［7］：
式中：F—采暖面积；
qk—设计最大热负荷指标。

该小学供暖期5个月，共151天，其中包含节假日70天。

根据学校教学安排及
学校间歇式供暖特性，为了最大限度实现节能减排，供暖运行方式为节假日期间全天保温，上课期间6：00-18：00供暖，其余时间保温运行。

根据供暖运行方式及1天内室外气温变化情况，确定设计日逐时热负荷分布如图1所示。

根据宁夏蓄热电锅炉峰谷电价时段划分及图1确定该小学各个时段热负荷
需求，如表2所示。

根据表2可知，设计日总热负荷为7 843 kW·h，其中高峰电价时段总热负荷2 656.5 kW·h，平段电价总热负荷2 656.5 kW·h，低谷电价时段总热负荷2 530 kW·h。

蓄热电锅炉供暖系统按照蓄热模式分为全量蓄热模式和分量蓄热模式［8］。

全量蓄热模式是在低谷电时段利用电锅炉直接供暖的同时为蓄热装置蓄热，其他时段电锅炉停止运行，用储存的热量满足全天供暖需求［8］。

分量蓄热模式是在低谷电蓄热的同时，其他时段由蓄热系统和电锅炉共同分担热负荷需求［8］。

相比于全量蓄热模式，分量蓄热模式可以相应降低设备容量和建设投资，但会增加运行费用。

本文对全量蓄热模式和分量蓄热模式分别进行经济性分析，本次改造分量蓄热模式为低谷电时段电锅炉直接供暖的同时为热库储能，高峰电时段热库放热满足供暖需
求，平电时段电锅炉直供满足供暖需求。

3.3.1 电锅炉功率计算
电锅炉功率按以下方法计算［9］：
式中：QG—电锅炉功率，kW；
QX—蓄热装置热容量，kW·h；
Q—采暖设计热负荷，kW；
T—蓄热时间，取8 h。

全量蓄热模式下QX为5 186.5 kW·h，电锅炉功率为1 350 kW。

分量蓄热模式下QX为2 656.5 kW·h，电锅炉功率为1 000 kW。

3.3.2 蓄热容量计算
蓄热装置选用一种新型无机相变纳米复合材料蓄热装置（热库），其相变温度在78℃左右，单台额定蓄热量为650 MJ［10］，占地面积仅为传统水蓄热方式的1/6～1/8。

热库数量按以下方法计算［10］：
式中：Qr—热库热容量，kW；
η—热库热损，取2%。

全量蓄热模式下Qr为3 668.5 kW·h，热库数量为21台。

分量蓄热模式下Qr为2 087.25 kW·h，热库数量为12台。

3.3.3 运行费用
按式（6）计算全量蓄热模式下设计日1天运行费用为1 556.51元/天［11］。

式中：Q总—设计日全天热负荷，取7 843 kW·h；
η—热库热损，取2%；
σ—电锅炉效率，取0.98；
x—谷时电价0.1906元/（kW·h）。

按式（7）计算分量蓄热模式下设计日1天运行费用为1 750.14元/天［12］。

式中：Q1—设计日低谷时段加高峰时段总热负荷，取5 186.5 kW·h；
Q2—设计日平电价时段总热负荷，取5 186.5 kW·h；
η—热库热损，取2%；
σ—电锅炉效率，取0.98；
x—谷时电价0.1906元/(kW·h)；
y—平时电价0.2606元/(kW·h)。

按照类似工程经验年采暖期中平均热负荷系数取0.7［13］，则全量蓄热模式下整个采暖季运行费用为
1 556.51元/天×151天×0.7=16.5（万元）
分量蓄热模式下整个采暖季运行费用为
1 750.14元/天×151天×0.7=18.5（万元）
3.3.4 2种蓄热模式对比分析
根据以上计算结果，2种蓄热模式设计选型结果如表3所示。

从表3可以看出，相比分量蓄热模式，全量蓄热模式年运行电费仅减少了2万元，但热库系统造价增加了49.5万元，热库系统投资回收期为24.2年，同时还要相应配电系统增容费用和建设成本，因此，分量蓄热模式的经济性明显优于全量蓄热模式。

造成以上结果的原因如下：
（1）2种蓄热模式下高峰时段均为热库供热，因此运行费用的差别主要产生在平电价时段，而宁夏地区蓄热电锅炉峰谷电价中低谷和平段电价相差较小，仅为0.07元/(kW·h)，因此，2种蓄热模式运行费用没有拉开明显差距；
（2）该校主要供热负荷集中在白天上课期间，夜间、周末和节假日供热负荷需求低，在部分平电价时段为保温运行方式，运行费用很低，因此，进一步缩小了2种蓄热模式的运行费用差距。

3.3.5 设备选型
根据以上计算分析结果，按分量蓄热模式确定最终设备选型，主要设备包括360 kW常压热水电锅炉3台，额定蓄热量为650 MJ热库12台，额定换热量为1 088 kW板式换热器1台，自动控制系统1套，软化水系统1套，一次循环泵、二次循环泵、补水泵各2台，各类水泵均为一用一备，总造价94万元，该造价不包括配电系统的投资。

本套系统在低谷电时段电锅炉直接供暖的同时为热库储能，高峰电时段热库放热满足供暖需求，平电时段电锅炉直供满足供暖需求。

自动控制系统根据学校教学安排及峰谷电价设置控制时间段，同时设置不同时间段的二次管网目标回水温度，根据不同时间段设定的不同目标回水温度实现自动调节。

该系统可以实时监控所有主设备运行参数及能耗情况，具备远程监控、手机APP监控、报警推送等功能，全自动运行，可实现电锅炉房无人值守。

在保证安全运行的同时最大限度地实现节能减排。

该学校于2016年10月31日按照以上供暖改造方案完成供暖系统改造并投入运行。

经过一个采暖季的运行，学校供暖效果良好。

（1）改造后，每个采暖季减排CO2675.9 t，SO2 20.33 t，NOx10.17 t，供暖系统污染物排放为零，实现了学校清洁供暖。

（2）改造后通过自动控制系统根据学校供热负荷按需供暖，实现了电锅炉房无人值守。

该校在供暖改造前供暖成本约40万元/年，2016—2017年采暖季年运行费用为19.18万元，折合16.68元/m2，低于城市集中供暖价格，大大降低了供暖运行费用。

（3）本次改造只对供热热源进行改造，沿用学校原有供热管网，降低了学校改造成本。

对比需进行管网拆除改造碳晶电暖器清洁供暖方式可节约改造成本约40万元。

（1）蓄热电锅炉供暖系统污染物排放为零，同时具有无污染、噪声小、占地少、
无人值守、移峰填谷等优点，是实现北方地区冬季清洁供暖的有力手段。

（2）对原有供热管网运行良好的供暖系统改造，蓄热电锅炉供暖改造可沿用原有供热管网，只进行热源改造，降低改造成本。

（3）蓄热电锅炉供暖可利用夜间廉价的“低谷电”，大幅降低运行成本，同时可起到“移峰填谷”，平衡优化电网等积极作用。

（4）蓄热电锅炉供暖技术自动化程度高，可实现“按需供暖”，在实现节能减排的同时可有效降低供暖费用，适于在具有间歇供暖特性的场所，如商场、办公楼、学校等场所推广应用。

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