劉 志 強

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012)

0 引言

我國目前大氣污染形勢嚴峻，大量散燒煤、燃油消費是造成嚴重霧霾的主因之一，環(huán)保節(jié)能是國家未來幾十年發(fā)展的必要趨勢。為貫徹落實《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知》及《山西省人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)山西省2013—2020年大氣污染治理措施的通知》精神，加快替代燃煤小鍋爐，有效治理霧霾天氣，促進電采暖產(chǎn)業(yè)發(fā)展，消納省內(nèi)富余電力，提升全省城鄉(xiāng)電氣化水平，改善城鄉(xiāng)用能結(jié)構(gòu)和人居環(huán)境的要求，山西省高速公路各場區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了以電鍋爐采暖代替燃煤鍋爐的采暖形式。采用電鍋爐供暖雖然解決了環(huán)保的問題，但是電鍋爐采暖的年運行費用高居不下，大大的增加了高速公路場區(qū)的運營成本。有些場區(qū)為了降低運行費用降低供暖溫度，縮短供暖時間，難以保證供暖效果，所以亟需解決電鍋爐供暖運行費用高的問題，才能達到既降低運行費用，又保證供暖效果的目的。

1 供暖現(xiàn)狀調(diào)查

作為產(chǎn)煤大省，山西省大氣污染的主要來源便是燃煤所排放的煙塵，為了改善空氣污染的現(xiàn)狀，省內(nèi)許多高速公路的場區(qū)都將原有的燃煤鍋爐改造成為電鍋爐，特別是大同、太原、平遙等大中城市及旅游景區(qū)的高速收費站、服務(wù)區(qū)等。經(jīng)過對全省43處有代表性的收費管理服務(wù)場區(qū)采暖現(xiàn)狀、鍋爐房設(shè)施的使用情況為期近一個月時間的實地勘察，總體上看：

1)采暖原熱源基本為燃煤鍋爐，其中大部分為型煤鍋爐，個別為原煤鍋爐，因環(huán)保不達標，現(xiàn)改造成電鍋爐采暖，但是經(jīng)過采暖季的運營，環(huán)保問題已解決，但是電鍋爐采暖的運行費用居高不下，甚至多個場區(qū)出現(xiàn)用不起電的情況；

2)鍋爐房設(shè)施大部分使用多年，老化腐蝕嚴重，凈化水設(shè)施多數(shù)處于廢棄狀態(tài)，補水水箱銹蝕、漏水；管道腐蝕嚴重，管道內(nèi)流體阻力增大，輸送能耗增加；

3)由于各站點近年多新增建筑，但水泵未及時更換，功率、揚程不能滿足現(xiàn)狀要求，造成場區(qū)各單體建筑的采暖效果不一，冷熱極端化。

2 電鍋爐運行方案

2.1 電鍋爐特點

電鍋爐是利用電力為能源，經(jīng)過鍋爐轉(zhuǎn)換，向外界輸出具有一定熱能的蒸汽、熱水或其他有機熱載體的一種設(shè)備，也叫做電加熱鍋爐、電熱鍋爐。電鍋爐在結(jié)構(gòu)上可以疊加組合，控制靈活，故障率低，維修保養(yǎng)方便。在使用上，溫度可自調(diào)節(jié)；無污染物排放；自動化程度高、安全可靠；但是耗電量大，運行費用高。

2.2 運行方案對比分析

為了降低電鍋爐供暖的運行費用，我們提出了合理利用峰谷電價的運行策略。在電力低谷期間，利用電能加熱儲熱介質(zhì)，并將熱量儲藏在蓄熱裝置中；用電高峰期間將蓄熱裝置中的熱量釋放出來滿足供熱需要。其優(yōu)點是：平衡電網(wǎng)峰谷負荷差；充分利用低谷電價，實現(xiàn)電力負荷的削峰填谷，降低采暖運行費用；系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動化運行，無明火，無噪聲，無污染。當前常用的蓄熱介質(zhì)主要有熱水和熱庫，由此，我們對以下幾種常見的供暖方案進行對比分析。

方案一:利用電鍋爐直供。

方案二:利用蓄熱水箱在電網(wǎng)用電低谷時段蓄熱，供給高峰時采暖用戶使用。

方案三:利用熱庫在電網(wǎng)用電低谷時段蓄熱，供給高峰時采暖用戶使用。

電鍋爐+蓄熱水箱蓄熱方式：熱媒為80 ℃/55 ℃熱水，由電鍋爐提供，谷電時段，通過電鍋爐加熱，將熱能存儲在蓄熱水箱中，其他時段，利用蓄熱水箱存儲的熱量對采暖系統(tǒng)進行供熱；當蓄熱水箱的充放熱運行不正常時，可開啟旁通管路閥門，使用電鍋爐對場區(qū)直接供暖。

電鍋爐+熱庫蓄熱方式：利用蓄熱材料相變轉(zhuǎn)換(固液態(tài)轉(zhuǎn)換)吸放熱的原理，在谷電時段，利用電鍋爐加熱相變蓄熱材料，將熱能儲存于熱庫中；在電力高峰時期或其他時段，利用熱庫中存儲的熱量對熱用戶進行供暖。此供暖方式具有舒適環(huán)保、投資成本高、運行費用適中的特點，便于利用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)分時段、分房間自動控制，節(jié)省人工成本。

在確保項目取暖效果得到較大改善的基礎(chǔ)上，結(jié)合各種方案對大氣治理的改善力度、初期投資的大小及運行費用、后期維護所需人力物力財力等方面進行對比(熱負荷為1 t(0.7 MW)，采暖天數(shù)150 d)，詳見表1。

利用電鍋爐加蓄熱水箱蓄熱的方式供暖可靠性高，蓄熱水箱在電網(wǎng)用電低谷時段蓄熱，供給高峰時采暖用戶使用，充分利用了谷電電價，節(jié)約初投資和運行費用，經(jīng)過調(diào)查、分析、比較，得出電鍋爐加蓄熱水箱蓄熱的方式為最佳方案。

3 實施過程

根據(jù)國家及山西省有關(guān)文件，據(jù)調(diào)查我省現(xiàn)在已經(jīng)實施電力“削峰填谷”政策，消納省內(nèi)富余電力，提升全省城鄉(xiāng)電氣化水平，改善城鄉(xiāng)用能結(jié)構(gòu)和人居環(huán)境。全省平均平電電價為0.8元/度，峰值電價為1.2元/度，谷電價格為0.4元/度。

表1 三種供暖方案性能對比分析

我們以晉中北收費站場區(qū)電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方案為例進行分析研究。晉中北收費站位于山西省晉中市，氣候分區(qū)為寒冷區(qū)，冬季室外計算溫度為-11.1 ℃，采用電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方式。根據(jù)我省的電力政策，谷電時段，通過電鍋爐加熱，將熱能存儲在蓄熱水箱中，其他時段，利用蓄熱水箱存儲的熱量對用戶進行供熱；當蓄熱水箱的充放熱運行不正常時，可開啟旁通管路閥門，使用電鍋爐對場區(qū)直接供暖。

現(xiàn)狀分析：晉中北收費站場區(qū)總建筑面積：2 010 m2，24 h保證供暖，供暖熱指標為100 W/m2，全天共分為3個時段，其中峰電(8:00～11:00,18:00～23:00,共8 h)、谷電(23:00～7:00,共8 h)、平電(7:00～8:00,11:00～18:00,共8 h)各8 h，蓄熱式電鍋爐房運行方式采用全谷電運行方式，具體運行方式如下：

23:00～7:00(谷電時段)開啟電鍋爐。將蓄熱水箱中的水逐漸加熱至90 ℃，同時向熱用戶供熱。

7:00～23:00(平、峰電時段)關(guān)閉電鍋爐，用蓄熱水箱中的熱水向熱用戶供熱。

1)蓄熱量計算。

Wx=∑Qi×ti=0.1×2 010×16=3 216 kW·h。

其中，Qi為用蓄熱裝置供熱的各時間段的熱負荷，kW；Ti為用蓄熱裝置供熱的各時間段的時間，h。

2)鍋爐計算功率。

a.蓄熱用電鍋爐功率：

其中，Tx為蓄熱時間，h;η為鍋爐效率，一般取98%。

b.谷電時段值班電鍋爐功率：

其中，η為鍋爐效率，一般取98%。

3)鍋爐計算功率。

Nj=Nx+Ng=410.2+205.1=615.3 kW。

4)鍋爐選用功率。

根據(jù)鍋爐計算功率，本工程選用2臺310 kW的電鍋爐，總功率N=620 kW。

5)蓄熱水箱體積。

其中，Δt為蓄熱水箱的可利用溫差，℃；η1為蓄熱水箱的保溫效率，一般取95%；η2為蓄熱水箱的容積系數(shù)，一般取95%。

選擇水箱90 m3。

4 運行效果

4.1 經(jīng)濟效益

采用電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方式初投資較電鍋爐直供的方式略有增加，但是運行費用約為電鍋爐直接供暖的1/2，從20年的使用壽命來看，采用電鍋爐+蓄熱水箱的供暖方式更為經(jīng)濟。此外，采用蓄熱水箱蓄熱，還實現(xiàn)了電網(wǎng)的削峰填谷，消納了富余電力，有利于電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

4.2 社會效益

采用電鍋爐+蓄熱水箱供暖，不產(chǎn)生任何廢氣、廢水、廢渣，清潔無污染，符合國家“節(jié)能減排”“綠色環(huán)保”政策的號召。而且人員熱舒適度較佳，控制運行靈活方便，實施效果良好。

5 結(jié)語

目前，我省出現(xiàn)了以電鍋爐采暖代替燃煤鍋爐的采暖形式，雖然環(huán)保問題得到了解決，但是電鍋爐采暖的年運行費用高居不下，極大的增加了高速公路服務(wù)場區(qū)的運營成本，經(jīng)過調(diào)研、對比分析、具體項目實際運行情況的反饋，得出降低電鍋爐運行費用的較佳方案——增設(shè)蓄熱水箱。并且通過實際投入運行的供暖場區(qū)來看，電鍋爐加蓄熱水箱的供暖方式，熱舒適度高，運行費用低，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，具有較高的推廣應(yīng)用價值。