我国电力行业供热技术的可行性分析

我国电力行业供热技术的可行性分析

1加热供热技术的前景长期以来，中国的能源供应一直处于相对紧张的状态。近五、六年来，由于国民经济结构调整和电力建设的加速发展，电力供应紧张的局面趋于缓和，相当一部分地区出现了电力过剩。一些地区电力部门从调节电网负荷的角度出发开始鼓励发展以电为加热源的供热方式，一些特大型城市为了提高城市大气环境质量也开始发展电加热供热方式。随着电网峰谷电价比差越来越大，电加热供热技术，特别是蓄热的电加热供热技术将会越来越受到社会的青睐。电加热供热技术的发展过程中一直存在一些争议：如有人强调用电加热供热是对二次高品位能源的浪费。这种观点没有充分认同我国多元化能源消费结构的基础，也脱离了目前我国电力消费市场的自身发展规律。当然也有一些同志认为发展电加热供热技术取代热电联产和集中供热，甚至提出“以电代煤”，“以气代煤”，恢复分散供热的说法也是相当不可取的。上述两种观点都是片面强调电加热供热技术的利弊，正确的观点应该是从国家整体能源发展状况和消费政策的实际出发，结合我国环境保护的总体要求，考虑电力消费市场经济的自身调控能力来分析电加热供热技术的可行性问题，这样才能给电加热供热技术一个合适的定位。作者认为电加热供热技术的推广应用不是一个单纯的理论问题，它是由我国能源政策、环境保护、电力供应政策、电力消费市场及其他供热方式的发展状况等综合因素决定的。电加热供热技术是对传统供热形式的有力补充，可以缓解其他供热方式的压力，而且是一种和环境友好的供热方式，它必将和其他环境友好的供热方式一样得到发展。2以明显的污染控制为前提，消除污染，并提高电价多元化的能源结构是世界能源的发展趋势，也将是中国未来能源发展的战略选择。1995年，我国一次能源消费构成结构中，煤炭占74.6%；石油占17.5%；天然气占1.8%；一次电力占6.l%。因此中国以煤为主的能源结构在未来很长时间内不会改变，这种以煤为主要能源结构是造成能源浪费、环境污染和能源利用效率低的主要原因。除化石燃料外，可再生能源在能源消费总量中的比例在我国也是比较低的。可再生能源具有资源丰富、无环境污染、清洁安全、可再生等优点。可再生能源的开发利用，有助于减少化石能源的消耗量和由此引起的污染。因此，我国今后的能源消费政策应该归结为下面三个层次的发展方向：进一步提高化石燃料的能源利用率；进一步提高化石燃料中油、气能源的利用比例；进一步开发和利用可再生能源。电力消费的增长有利于提高总体的能源利用率，而清洁电力，如风力发电、水电的发展也有利于电加热供热技术的发展。在经济高速发展的同时保持较好的环境质量，是人类目前正在实施的可持续发展的重大课题之一。我国的大气污染一直以煤烟型的SOX和烟尘污染为主。近几年我国特大型城市采用清洁燃料的油、天然气代替煤进行供热后，虽然缓解了以硫化物和烟尘为主的污染状况，但并没有缓解氮氧化物对大气质量的污染。氮氧化物污染带给人们的不仅仅是酸雨，NOX进入人体呼吸系统，刺激呼吸器官，将引起急性或慢性中毒作用。氮氧化物中NO2比NO的毒性高4～5倍。NO2对肺组织的毒性比SO2和NO都强烈。因此氮氧化物的污染控制刻不容缓。如果我们利用太阳能发电、风力发电及水电等一次电力，电加热供热技术从根源上是完全环保的，它没有任何污染排放。电力是一种清洁的二次能源，可以集中大规模生产。从环境治理的角度来看，大容量高参数锅炉比较集中，便于集中综合治理烟尘、SOX和NOX对大气环境的污染。因此增加一次能源用于发电的比重，有利于保护环境，而且有利于提高总体的能源利用效率。我国各行业消费的电能绝大部分是燃用化石燃料在火力发电厂中产生的，目前我国常规机组是配200MW、300MW汽轮机的发电机组，常规电厂热效率一般能达到38%左右。但应该看到，未来电站供热效率正在逐年提高，先进的燃气轮机发电电厂热效率已大于50%，燃气—蒸汽联合循环的电厂热效率已超过60%。目前我国正努力发展超临界压力机组，采用超临界压力参数的汽轮发电机组后，其供电热效率还会有较大的提高，从而会使电加热供热技术的一次能源利用率得到有效地提高。虽然热电联产不可能取代大型凝汽式发电机组在国民经济发展中的地位。但热电联产提供的电力是对凝汽机组的有效补充。热电联产技术的发展也会促进电加热供热技术的发展，因为热电联产机组的总体一次能源利用率比较高。电加热供热技术的推广应用有赖于电价的合理化。目前国家电力政策也从各个方面调整电价，鼓励电力消费。国家经贸委、国家计委颁布《节约用电管理办法》的第三章第十一条规定：推广应用电蓄冷蓄热技术；第十九条规定：加速推广峰谷分时电价和丰枯电价，逐步拉大峰谷、丰枯电价差距，研究制定并推行可停电负荷电价；第二十条指出：对采用国家重点推广的节约用电产品的电力用户，可申请减免新增电力容量供电工程贴费。电力价格形成机制将发生根本性的变革，改革的基本原则是电价形成机制要与电力体制改革相适应；引入竞争机制，降低电力成本，提高供电效率；充分发挥市场机制的作用，促进资源优化配置；在对垄断环节的价格管制要建立在科学核定成本的基础上，提高价格管理的科学性和透明度。电价形成机制改革的初步设想是：在竞争中形成上网电价；核定高压输电电网输电价格；核定低压电网配电价格并放开供电公司的供电价格。北京市目前已成为环境保护的重点城市。从今年起，煤改电已成为北京市推进大气污染治理工作的一项重要举措。最近，北京供电局公布电采暖电价优惠政策，居民、团体及企事业单位电采暖按居民生活电价每千瓦时0.393元计算电费，以推动煤改电的进程。据悉，今年北京市将完成300万平方米电采暖试点。上海是我国第一个大规模实施分时电价的特大型城市。上海市电力公司采取重大举措，使40万户家庭安装“分时电表”。从5月起，上海电价6时至22时为每千瓦时0.61元，22时至次日6时为每千瓦时0.30元。按今后夜间每千瓦时0.30元计算，居民每月可节省12.7%的电费。目前还有更多的城市采用了分时电价鼓励电力消费，如陕西西安、江苏常州和安徽蚌埠等城市。湖北省电力消费在一定时段内，用电负荷相对集中。该省低谷用电最小负荷仅为260万千瓦，还不到总发电量的20%。低谷电量不能充分利用，导致大量发电容量冗余，火电厂不得不大规模压减发电量甚至停机，水电厂也不得不大量弃水。湖北省每年由低谷用电不足所造成的资源浪费达数亿元。湖北省出台政策规定，从2000年起，在全省大中城市逐步淘汰分散式燃煤锅炉，提倡集中供冷或供热，推广应用电蓄能技术。其它省份的电力公司也从电力生产经营实际情况出发，积极采取开拓电力市场，促进电力销售的措施，积极推广应用蓄热式电热锅炉。特别是青海、广西等拥有丰富水电资源的省份，由于下半夜低谷用电负荷太小，每年都有大量清洁的能源白白流掉。因此采用蓄热式电锅炉可以将用电时间安排在下半夜，起到用电负荷移峰填谷，充分利用低谷电能的作用。同时用电清洁、无污染，环保效益显著。3电磁式从能、电能到能电加热供热技术是对利用电能作为供热源实现供热技术的总称。电加热供热产品是将电能转换为热能的能量转换装置。一般来讲，分为电阻式电热转换和电磁式电热转换。电阻式电热转换技术是以电能作为能源，利用电加热管、电加热棒等金属电阻，碳纤维膜电热板条、陶瓷发热棒等非金属电阻以及电极式水介质电阻作为电热转换元件，使电能转换为热能。电磁式电热转换技术是利用感应线圈等电磁转换设备，使电能转换为磁能，再转换为热能。所有这些加热元件直接或间接将水或者其他介质加热到一定的温度供热用户使用，当然电加热装置除产生蒸汽和热水外，还可以产生过热蒸汽。这种能量转换装置，我们称之为电加热装置，若这种装置用于传统锅炉供热范围时，也称为电加热锅炉。电热锅炉整体结构中也由“锅”和“炉”两部分组成，这里“锅”指的是盛水的容器，而“炉”则指电加热的电热转换元件。虽然如此，《蒸汽锅炉安全技术监察规程》中没有涉及到电加热锅炉的条文；而《热水锅炉安全技术监察规程》中第二条则明确规定该规程不适用于电加热锅炉。目前国家标准研究中心和行业归口单位正在加紧制定电加热锅炉的通用技术条件和规范，逐渐使电加热产品的生产规范化。电加热锅炉本身具有超过96%以上的热效率；没有任何烟尘及有害气体的排放；可以实现全自动化控制；蓄热式电加热锅炉还可以调节电网负荷。正是由于以上原因，电加热产品获得了较快的发展。3.1锅炉结构形式电热锅炉从整体结构上分有立式和卧式之分；从加热介质上分有热水锅炉、蒸汽锅炉和有机载热体锅炉之分；结构形式上有容积式和瞬间加热式。但最基本的区别还在电加热原理和电加热元件的不同上。若按加热原理不同进行分类，电热锅炉大致可分为电热管电加热锅炉、电极式电加热锅炉、感应式电加热锅炉三种，本文即按此分类。3.2金属粉质材料的加工当前国内外电热锅炉制造厂生产的电热锅炉，绝大部分为电阻式电热锅炉。电阻式电热锅炉采用高阻抗管形、U形以及蛇形管状电热元件。管形电热元件由金属外壳、氧化镁和电热丝三层物质组成，氧化镁作为绝缘体和导热介质充填在金属管壁和电热丝之间。因此，电热元件的使用寿命、电热锅炉的热效率与氧化镁的质量、制造时的充实程度密切相关。该锅炉的优点是水中不带电，使用较为安全。电热管是电热锅炉的心脏。电热管的质量高低直接影响和决定着电热锅炉的运行状况和寿命。JB/T2379-1993标准规定了金属管状电热元件的各项技术要求。电加热锅炉制造厂在选用管状电加热元件时，应保证各项指标达到规定要求。电热棒式电加热锅炉具体设计方法是在钢管内插入磁套管，磁套管内绕有8根～12根金属电阻丝，中间有一电极，在端部与电源连接。该方法致命的缺点是电阻丝裸露在空气中，容易产生高温氧化现象。目前最新研制的陶瓷棒式红外加热元件可以克服这一缺点，陶瓷棒式红外加热元件是用氧化物粉末高温焙烧而成，具有非常高的抗氧化能力。电热板式电加热锅炉是一种非金属电阻式电热元件。电热板由两层绝缘板中包一层“碳纤维纸”热压成为一体。“碳纤维纸”的两侧边压有铜箔条作为电极。由于板两面均与水接触，散热面积远远大于电热管的圆柱面，所以传热效率较高。与电热管相比，电热板的最大优势是同等功率下总体积减小，锅炉结构更加紧凑。同时，在电热板表面不结垢，这是电热管无可比拟的，因为电热管一般在使用1500h后，在其金属管表面即开始积结水垢，传热效率显著降低。但绝缘板由于长期浸泡在热水中，其热稳定性尚待验证。管状电加热元件的功率是固定的。锅炉容量的增大必须依靠增加管形电热元件的数量来实现并按实际投运数量来调节锅炉的负荷。过多数量的管形电热元件使电加热锅炉本体结构变得复杂，控制系统也比较复杂，影响了电加热锅炉容量的提高。图1示出了一种立式的电热管电热锅炉结构。3.3电极式锅炉电极式电热锅炉的工作原理是以水作为介质，采用了独特的发热原理，利用水介质自身的高热阻特性，直接将电能转换成热能，不需要发热元件发热再将热传导给水。在这一转换过程中能量几乎没有损失。电极式电热锅炉，按电极形状又可分为电极板式、电极棒式；按电压高低又可分为低电压（220V和660V）与高电压（4kV～15kV）；按电极相对位置又可分为固定电极与可调位电极（相应电热锅炉功率也可调）。图2示出了低电压电极式电热锅炉的结构图，可见锅筒内部被分隔为内外两个空间，其目的有二个：其一，在电极加热水时会产生微量的电解氧，设置套筒可以防止氧气对外壳筒壁的腐蚀；其二，可以起到负荷的自调节作用。当用汽量少时，套筒内蒸汽量增大，水位降低，电极插入深度变浅，电通量减小，产汽速度放慢，反之，则增加。当然，如果没有附加热源的话，它只能生产热水和饱和蒸汽，而不可能生产过热蒸汽。如果需要焓值更高的过热蒸汽，在锅炉内部采取一些加热措施就可以很容易地做到这一点。锅炉发生低水位时的过热保护是自动的，因为电流只有通过水才能形成回路，如果没有水，也就没有电流，因此这种电加热锅炉是发生低水位时最安全的锅炉，而且对水进行化学处理可以改善水的电导性，有利于快速产汽。上述低电压电极式锅炉的使用电压一般低于660伏，为了减少变压过程中的能量损耗，使电加热锅炉更为经济地运行，可以采用图3、4所示的结构形式，此时，电极布置的形式发生了根本的变化。我们知道，尽管水的阻抗很大，但在高电压下仍有被击穿的可能。因此，电极插入水中的方式已经不能适应要求，只能改为水帘式布置。此时，电极布置在汽空间（通常认为蒸汽是绝缘介质），利用循环泵和喷嘴将水喷射到电极上，在两个电极之间形成水柱，实现能量转换。因此，只有在两个电极之间的水柱中存在着高压电流，一旦离开这一区域，水就不再带电，也就不会发生电击穿现象。电极式锅炉的运行也是十分安全的，锅炉也不会发生干烧现象。因为一旦锅炉断水，电极间的通路被切断，电功率为零，锅炉自动停止运行。由于利用水介质自身电阻导电发热，电极不是发热件，所以不会在电极上结垢。由于不存在金属导体发热问题，也就不存在高温金属熔断问题，比电热管电热锅炉运行可靠得多，寿命长很多；由于电极式电热锅炉发热面积比较大，无论水容积多大，启动都特别快，所以对锅炉工况的控制十分方便、迅速；电极式电热锅炉结构简单，制造成本低，有较强的市场竞争优势；电极电加热锅炉控制方式简单，无需昂贵的自控装置。电极直接加热水使得加热效率进一步提高，维护变得比电热元件加热容易。该技术适合大容量电热锅炉，电极式电加热锅炉具有巨大的市场潜力，这种产品可能成为电热管电加热锅炉的更新换代产品。3.4电磁感应加热原理感应加热是一种传统的电加热技术，在热处理、冶金、铸造、弯管等领域早已广泛应用。感应加热是施感导体通过交变电流时，其周围产生交变磁场，处于交变磁场的工件产生感应电动势和感应电流一涡流，感应电流做功，工件发热。随交变电流频率的不同，感应加热分为工频加热（电网供电，频率为50Hz，功率常用50kW～4000kW，电热转换效率在70%～90%）。当交变电流频率为500Hz～10000Hz时，称之为中频，由中频发电机组或可控硅变频得到，功率常用15kW～1000kW。当电流接近500Hz、功率接近15kW时，其效率为70%～85%，当电流频率接近10000Hz、功率接近1000kW时，其效率可达90%～95%。此外，还有高频感应加热（频率105Hz～106Hz）等。图5示出了电磁感应加热示意图。感应加热避免了电热管容易发生的击穿、损坏和更换现象,由于不存在运动部件,近于零维护；具有接近100%的流体加热效率；结构紧凑、易于安装。由于电感流体加热器的电流不直接和流体相接触，电感加热器是一种几乎适合所有流体加热的技术，以前电磁感应技术没有应用于流体加热领域，主要因为其转换效率没有期望的那么高。近几年该技术由国外的研究者重新加以研究，使该技术具有接近100%的流体加热效率，直到1989年才被彻底认识并开发出商业化产品，主要产品有低流率流体加热器、高流率流体加热器和瞬时流体加热器。有分别用于工业和民用的不同产品，原理基本相同，只是加热器功率、尺寸、工质流率有一定差别，这是一种很有发展前途的电加热产品。图6示出了双通道高流率流体加热器结构原理图。3.5太阳能供热技术。在一般社会的供热目前，可再生能源的利用在我国获得了较快发展，前景喜人。可再生能源主要是指太阳能、风能、生物质能、地热能等能源，它们具有资源丰富、无环境污染、清洁安全、可再生等优点。目前，除太阳能外，我国已开始开发利用风能、生物质能。生物质能的利用已经初见成效，如农村家用沼气池及大型沼气工程，农作物秸秆气化，谷壳气化等供热技术已广泛采用。但目前开发的各种可再生能源供热技术在某种程度上存在一些使用限制，如太阳能供热技术，当阳光不足、碰到阴雨天或气候较冷的天气，用户将无法使用。为此可以采用电加热辅助太阳能供热技术，充分利用电加热灵活、方便的特点，在太阳能供热的贮水箱中增加电加热装置配套使用，而且在实行分时电价的地区，可以利用低谷电能蓄热，降低成本。在太阳能不能满足使用条件时，启动电加热供热，使用户在任何季节、任何天气、任何时间都有连续的热量供应。图7示出了电加热辅助太阳能联合供热技术简图。其它生物质能供热技术也都相应存在供热连续性的问题，用电加热辅助供热可以保证供热的连续性，当然该方式也可以和燃气供热联合使用，以优化供热资源。4电热管与锅筒的串联电热管电热锅炉由锅筒及插入水中的电热管组构成。电热锅炉的设计应参照国家劳动部《热水锅炉安全监察规程》和《蒸汽锅炉安全技术监察规程》的相关规定。锅筒的设计计算、安全附件的设置和常规锅炉是相同的，锅筒直径的选取主要考虑电加热管的长度和蒸汽锅炉蒸汽空间的需要。对于布置有蓄能装置的电加热供热系统，锅筒本身并不需要具有很大的水容量，但一定程度的水容量对锅炉及供热系统的正常运行具有重要的作用。国外也有的设计采用了具有较大水容量的电加热锅炉，实际上是将直接电加热和蓄能装置组合成一体而形成复式电加热系统。图8给出了某电热管电热锅炉锅筒结构图。锅炉的进水应避免大股水流直接对冲电热管束，以免引起振动，导致电热管及其连接部件疲劳破坏。为了使进水尽快地均匀混合，一般在回水进口加装了进水分配管，对大容量的电加热锅炉还要设置布水板；有的进水管做了特殊设计，进水管出水孔内凹、外翻，使进水在锅筒内形成紊流。一般电热管置于锅筒中需采用型钢支承，电热管之间应采用固定夹具用于相互定位，如图9示出了电热管在锅筒中不同放置位置时的支承和夹持状态。电热管与锅筒的联结，多数为法兰联结方式，以便于更换电热管。法兰筒体要进行强度计算，法兰端盖可以按GB150-1998进行设计，也可以根据公称压力和工作温度按标准JB/T4700～4703选取。进行这种联结的电热管多为U形，便于安装和更换。电热管在法兰盖板上的布置有单根平行、三角形和星形布置。具体连接时可以将三根电热管组成一组，每组采用三角形（△）或星形（Y）连接，主要考虑供压条件、电热管布置和导线连接的方便。5蓄热器的作用现代蓄热器是一种有效的节能装置，它能使锅炉在最佳的工况下运行。所谓蓄热器实际上是锅炉与用户之间，必要的贮存能量的“热库”，这就是蓄热器最初所起的作用。蓄热器有变压式和定压式二种，最常用的一种是变压式蓄热器。无论变压式还是定压式蓄热器，都使用水为介质将热量贮存起来。可以证明：在同一容积内蓄存高温水和蒸汽相比蓄热能力可以增加80～100倍。目前正在进一步研制使用融盐作为蓄热介质，以产生过热蒸汽的蓄热器。5.1变压式蓄热器蓄热器是利用水的蓄热能力，把热能蓄存起来的一种装置。蓄热器的本体是钢制压力容器，蓄热器的进口侧与从锅炉来的管道相连接，其出口与使用低压管道或采暖管道相连接。最初起动时，在蓄热器本体内，蓄存有约50%以上的水，开始由喷嘴缓慢地向本体内吹入蒸汽、蓄热器内的水温与水的压力逐渐上升，于是变成高温高压的饱和热水，完成了热能的蓄存。当需要蒸汽量大于锅炉的蒸发量，而出现供汽不足时，就从蓄热器供给蒸汽。此时，蓄热器内压力下降，高压饱和热水蒸发成低压蒸汽，送到用汽部门。因此，在蓄存与蒸发时，要发生压力变化的蓄热器称为变压式蓄热器。图10是一种常见的变压蓄热器示意图。在一定的压力下，1kg蒸汽拥有的热量，比同一压力下，1kg饱和水所拥有的热量大，可是由于水的比重比蒸汽的比重大得多，所以每单位容积的水拥有的热量，则比蒸汽大得多。因此，蓄热器内应蓄存饱和水而不蓄存蒸汽，以使同一容积的蓄热器能蓄存更多的热量。表1给出了水和蒸汽的蓄热量比较。可见，水的蓄热量是蒸汽蓄热量的80～120倍。某一压力下1m3的饱和水，压力下降0.1MPa时所能产生的蒸汽量，由于初压不同而异。其变化情况可参见图11。该图表示在不同压力下1m3的饱和水，使其压力下降0.1MPa，所能发出来的蒸汽量是不同的，在压降相同时，初始压力越高，产生的蒸汽量越少；当蒸汽压力低时，使用蓄热器的效果更好。5.2蓄热器容量的确定采用饱和水蒸气表，可以简单地求出蓄热器的蓄热量或蒸汽发生量。如对应于1.18MPa绝对压力和0.196MPa时，饱和水的焓、干饱和蒸汽的烙及饱和水的比容可以分别查出，如表2所示。只要进行简单计算可以算出每1m3水的蒸汽产量，如果确定了需要的蒸汽量，只要把它除1m3热水所产生的蒸汽量，就可以求出蓄热器的容量。表2假定所需要产生蒸汽为1500kg时，蓄热器的容量即为Q=1500/(114.7×0.9)=14.53m3但是，这仅是理论上的容积，在实际设计上，还要考虑，使用蒸汽尖峰负荷情况，蓄存与蒸发的时间，冬季的汽温等诸多条件等，再考虑给于一定的裕量。5.3蓄热器系统控制器设计蓄热器本体的送汽装置，是关系到能否把蓄存水加热并保持均匀的饱和温度，这是决定蓄热器性能的重要结构。应按蒸汽产生和消费情况仔细地进行设计，要运用丰富的经验，进行周密的计算。特别是当蒸汽是间歇性地吹入水中时，容易产生水击，所以必须充分考虑防止产生水击的措施。蓄热器本体上装有：蒸汽入口阀，出口阀，安全阀，水位计，给水阀，给水逆止阀，放水阀，放空阀，溢流阀，压力表等。如果蓄热器的最高使用压力和锅炉最高使用压力是相等的，或者大于锅炉的使用压力时，则在蓄热器上不必装安全阀。蓄热器设计时，应注意以下几个问题：(1)蒸发速度与蒸发面积；(2)蓄热器的容积；(3