电锅炉蓄热技术及其在高寒地区的应用

1电锅炉蓄热技术及其在高寒地区的应用刘月琴叶水泉1．前言二十世纪初，由于社会化生产的发展和人们生活水平的提高，供热技术迅猛发展，小型煤锅炉技术日益成熟，且得到了广泛的使用。由于我国煤炭资源丰富，廉价的煤炭资源曾经在很长的一个时期内解决了我国工业及民用建筑对热能的需要。新中国成立后，生产力的迅速发展对用电量的需求与日俱增，在电力供需矛盾比较大的情况下，不可能把宝贵的电力-----这种高品位的二次能源用于转换热能利用。直到90年代初，我国才开始出现电锅炉，又由于运行成本昂贵，只能用于特殊需要的场合或水利资源丰富、电价相对便宜的地区。但近年来，随着我国火电装机容量的不断增加以及丰富的水利资源的开发利用，电力紧张的趋势已经大为缓解，有的地区甚至出现电力过剩的情况，另一方面我国是世界上以煤炭为主要能源的国家，一次能源的消费中煤占到75%，环境污染严重，燃煤锅炉产生的烟雾、二氧化硫、煤灰等空气污染和噪音污染问题已经成为制约经济、社会发展的重要原因。这使清洁的电锅炉的大力发展成为一种必然趋势。2．电锅炉蓄热系统2.1电锅炉的国内外发展状况20世纪50～60年代，电热锅炉在国外先进发达国家已经得到普遍应用。有充沛的电力作为基础，电锅炉具有其他热能设备无法比拟的优点，从而得以迅速发展。目前国外产品技术相当成熟，其电锅炉（如图1）产品具有以下主要特点：图1（1）占地面积最小。锅炉体积小，锅炉筒体与控制柜合二为一，结构紧凑，方便管理；（2）热元件寿命长，易保修；1）热镍铬合金元件铠状，元件管径仅8mm，长度0.85m，机构强度高，抗热，抗腐蚀性能好，能利用外壳膨胀和工作时的微震来除垢，确保无衰退期。2）减少了更换元件所需的停炉时间3）U型管设计使元件间增大了空间，减少了在元件间形成汽袋的可能，从而减少了结垢24）管内高密度的填充物保证了元件管整个长度上的温度更均匀。（3）控制元件可靠（4）寿命长，寿命在20年以上（5）经济性好1）热效率达99%以上，尤其是电热元件解决了不锈钢、铜质电热元件易结垢的致命缺点2）故障率低，维护费省3）自动化程度高，可实现无人职守(6)外形美观。总之，国外电锅炉产品具有高热效率、高可靠性、高自动化程度和低故障率等特性。有着较广阔的应用前景。二十世纪70年代我国电力供应紧张，80年代电锅炉还被视为电老虎而禁止使用，90年代我国开始出现国产电锅炉（如图2）。可以说我国的电锅炉较国外先进国家滞后了30～40年，我国传统电锅炉的特点：（1）炉体与控制柜分离，不够紧凑，需增加部分电缆而现场成本增加，降低了质量控制水平。（2）电热管寿命相对较短。（3）控制元件部分采用国产元器件，故障率较高。（4）不能实现无人操作，但是相对经济便宜，适合中国国情。图2近年来随着国外电锅炉先进技术的引进，国内很多厂家如广安、大明、迪森等电锅炉厂家也相继推出了一体化锅炉（即锅炉本体和控制柜联为一体），这种设计科技含量更高，价格也更高些。“源牌”电锅炉（图3）杭州华电华源环境工程有限公司，作为国家电力公司的直属企业，以科技服务于环境为理念，率先抓住了电力市场的富裕给电锅炉带来的无限商机，并且本着追求一流的目标，找准市场定位，推出了“源牌”电锅炉。该系列电锅炉设计精湛，在引进国外先进经验的基础上有其自身的特点：电锅炉所有元器件在国内外优选，品牌质量与国外产品属同一档次。自动控制系统选用工业控制常用的PLC技术，较国外产品有质的改进，体积小、自动化程度高，可做到无人职守，使用寿命与国外产品相当。3图32.2我国蓄热技术发展现状2.2.1发展蓄热技术的意义近年来国家电力供应较为富裕，以此为前提，电锅炉技术也因环保等诸多优点悄然出现，但是电锅炉能发展到目前的一片欣欣向荣的景象还要归功于电力部门推行的峰谷电价政策。我国电力工业经过持续发展，不仅解决了制约国民经济发展的瓶颈问题，部分地区甚至出现电力相对过剩的情况。同时由于用电不均衡，电网的峰谷差进一步拉大，而我国电网调峰能力严重不足，降低了发电机组运行效率，造成能源浪费，同时也影响供电安全和质量。为了解决这些问题，国家电力部门制定分时电价政策，鼓励使用低谷电，以有效缓解电网调峰压力、达到“削峰填谷”、节约并合理使用能源的目的，这样，为电热锅炉纷纷登陆热能设备市场创造了条件。并且使用户可以利用峰谷电价差，在经济上能够承受其运行费用。1998年4月国家电力公司在上海召开会议，推广试用蓄热式电锅炉，计划在5～10年内全面推广、实施并配套实行电力奖励政策。例如：华北电网1999年5月出台鼓励使用低谷电力法----免收电力增容费，补贴所用设备费的30%。新疆自治区于1998年6月宣布对电热锅炉实施代理电价－谷电0.15元/kWh，平电0.2元/kWh，峰电0.45元/kWh，目前谷电价格是峰电价格1/3左右，随着低谷电价格的进一步降低，谷峰电价将来有望接近1/5～1/7。从而为电热锅炉进一步开拓市场提供了有利的保障。采用蓄热式电锅炉，不仅可以享受到峰谷电价和一些相关的优惠政策，而且对于能量的有效利用也是非常有意义的。江总书记曾指出“在新的世纪里，我们要努力提高资源的利用水平和效率”。从宏观上讲，根据国家“十五”计划，今后五年我国能源消费年均增长约3.26%，煤炭将下降3.88个百分点，发电量年均增长约5.08%，水电、核电、天然气等清洁能源的比重达到17.88%，提高5.6个百分点。根据国际能源机构预测，到2006年全球新能源和可再生能源的比例，将发展到世界能源构成的50%以上。可以说电作为热源比油、气、煤具有着更广阔的前景。从微观上来说，蓄热技术使能源得到合理有效的利用，通过控制技术，它可以按照系统所需要的热量提供给用户，不存在浪费的现象。首先电锅炉本身功率调节非常灵活方便，相比煤、气、油锅炉在能量有效利用方面具有优势。目前在我国北方很多地区，冬季采暖供热过剩现象极为严重，有些地方甚至出现“屋外数九寒天，屋内只穿衬衣仍在冒汗”的情景，这不但使能源造成很大浪费，而且使用户养成“本该如此”的思想。但是采用电锅炉蓄热技术以后，系统可以根据负荷预测或以往的经验，在不同热负荷日，设定不同的供水温度，根据时间及温度设定系统进行自动调节。并且在部分负荷日（即未达到设计室外温度，但又需要采暖的日子）的日间峰电和平电时，尽量的少开锅炉，甚至不开锅炉，而充分地利用低谷电。4另外，我公司还针对集中供冷、热的多用户开发了冷热量计费仪，不但解决运行管理收费问题，同时也使人们对节约能源有了亲身的认识。2.2.2蓄热载体的选择目前蓄热技术根据热载体不同可主要分为水蓄热和相变材料蓄热两种，但就目前技术分析，水作为蓄热载体是最为理想和可行的。所谓水蓄热就是将水加热到一定的温度，使热能以显热的形式蓄存在水中，当需要时再通过热交换将其释放出来或直接作为热水供人们使用。一般来说，水的蓄热温度为40～130℃范围内。根据使用场合不同，对于生活用水，蓄热温度为40～70℃，可以直接提供使用。对于开水，可以蓄至100℃。对于末端为风机盘管的空调系统，一般蓄热温度为90～95℃。对于末端为暖气片的采暖系统，蓄热温度为90～130℃（属低压范围）。用水作为蓄热载体有以下优点：（1）清洁。（2）廉价。（3）比热值高。1m3可利用温差ΔT=50℃的水所蓄存的热量约相当于相同体积的石蜡相变材料的潜热蓄热量。1m3的水温升50℃，其显热蓄热量为5万大卡，1m3石蜡的潜热量为4.88万大卡。2000年3月10日，采用相变技术的蓄热电锅炉通过了河北省电力公司组织的技术鉴定，将相变技术用于蓄热电锅炉系统系国内首创。该项目是将相变材料放入水中，实测结果是两小时内带相变材料的蓄热介质温度高7℃，蓄热介质的热含量增大了11%，由此可见，相同供热面积蓄热罐体积可减少11%。但是与水相比，一般相变材料，不清洁，价高，而没有足够的优势。表1一些商用相变材料的性质材料凝固温度℃融解热kJ/kg潜热MJ/m3MgCl2.6H2O117168.6242石蜡50265.9205MgCl2.6H2O/Mg(NO3)2.6H2O58132.2201其它蓄热方式还有蓄蒸汽系统（即将蒸汽蓄成过饱和水）及高温油蓄热等。高温高压蓄热装置也相继问世，但这些高温高压装置，除造价因素外，是否适合居民生活区和商业领域应用存在着争议。2.2.3蓄热系统介绍（1）蓄热系统现状对于电锅炉蓄热系统设计，主要是从技术可行，投资，经济性等几个方面考虑。由于蓄热技术产生的历史较短，至今为止国家尚未有规范性的文件出台。蓄热技术发展良莠不齐，造成国内部分蓄热系统运行情况欠佳，但也不乏有很多成功的典范。杭州华源公司98年开始研究开发蓄热技术，通过几年来近20个蓄热系统的应用，总结出一套技术可行的设计方法，具有独到之处。并配之以可靠的设备及控制系统，使我公司蓄热技术的应用已经相当成熟。（2）蓄热系统流程电锅炉蓄热系统流程如图4所示：5图4蓄热系统流程图（3）蓄热装置对于蓄热采暖系统，必须重点考虑蓄热水箱内温热水混合死水区和蓄热效率等问题，蓄热装置的设计是影响成败的关键，多年的研究实践已获得一些解决方法，这些方法不但可以提高效率，而且降低制造成本。主要形式有迷宫式、隔膜式、多槽式，温度分层式。其中温度分层式是最常规的设计方法。这些设计方法在国内一些相关的文章中都有所介绍。（4）高温蓄热系统介绍对电锅炉蓄热水系统而言，有常压型的，也有带压型的，即高温蓄热系统。之所以采用高温蓄热系统，基于两点原因：1）可以得到更高的温度。2）可以减少蓄热装置体积。所谓高温蓄热指的是温度超过水在常压下的最高温度范围（一般蓄热温度为95～130℃），因此系统必然是带压的。假设蓄热温度为130℃，对于末端供回水温度为60/50℃的风机盘管系统而言，可利用温差为75℃，对于末端供回水温度为90/70℃的采暖系统而言可利用温差为55℃。130℃的饱和水，其压力0.27Mpa，密度为934.8kg/m3。通过对以上数据的分析可以看出（1）对于末端为风机盘管的系统采用高温蓄热其蓄热槽的体积为常温蓄热的47%，对于末端为散热片的系统采用高温蓄热其蓄热槽的体积为常温蓄热的45%。这对于机房狭小的用户来说无疑是很好的选择。（2）高温蓄热系统为有压系统，相应的蓄热装置需要采用有压罐。系统内需增设定压、泄压、安全保护装置。（3）温度升高了相应的管道及设备保温加厚，附属设施的承压承温要求提高。（4）系统在蓄热过程的温升和释热过程的温降值很大（一般达55℃），意味在蓄热和释热时要相应的膨胀泄水和降压补水过程。结论（1）由于减少蓄热设备而减小的投资可能因为蓄热罐及附属设施的费用增加而抵消。（2）最大的好处是得到了更高的温度和更小的体积。（3）对于一些末端温度要求不高的场所，如生活用水，风机盘管空调一般推荐采用常温蓄热。3蓄热自控系统3.1综述自控装置与系统是组成蓄热空调系统的关键部分，自控设备均工作在条件相对恶劣的环6境中，电动阀、传感元件均需在相对高温下工作，故自控装置采用进口设备较为可靠。自控设备与器件包括：传感检测元件、电动阀、系统控制柜。下位机和触摸屏在现场可以进行系统控制、参数设置和数据显示。上位机进行远程管理和打印，它包含下位机和触摸屏的所有功能。整个系统以下位机的工业级可编程序控制器为核心，实现自动化控制，本自控系统已在数十个蓄热空调系统中成功运用。3.2上位机系统（中央控制单元）上位机上位机即图文控制中心，主要由PC机和激光打印机组成，采用SIMATICWINCC软件平台，采用全中文操作界面，人机对话友好。管理人员和操作者，可以通过观察PC机所显示的各种信息来了解当前和以往整个蓄热自控系统的运行情况和所有参数，并且通过鼠标进行设备管理和执行打印任务。WINCC软件平台WINCC软件在自动化领域中可用于所有的操作员控制和监控任务；WINCC可以将过程控制中发生的事件清楚地显示出来；它显示当前状态并按顺序记录；所记录的数据可以全部显示或选择简要形式显示，可连续或按要求编辑，并可输出打印表报和趋势图。WINCC能够在控制过程中危急情况的初发阶段进行报告，这些信号既可以在屏