大容量高电压等级固体蓄热产品设计和应用的世杰经验
发布者:xylona | 来源:中国清洁供热平台 | 0评论 | 315查看 | 2019-09-04 15:24:36    

中国清洁供热平台讯:“电是高品位能源,如果把它变成热应该说是一种浪费,但是我们把弃风电、低谷时段无法上网的电拿过来利用就是一种节能。”沈阳世杰电器有限公司(简称沈阳世杰)副总经理苏明在出席8月29~30日举办的2019首届中国清洁供热蓄热论坛发言时如是表示。


苏明认为,如果不储热,直接电供暖是非常不经济的做法,十年来,沈阳世杰利用低谷电或弃风电采取固体储热方式的超大功率固体热储电锅炉已经广泛应用于弃风电消纳、火电机组深度调峰、大面积清洁供暖。累计已经销售超过300万千瓦,供暖面积超过2800万平方米,储热能力30吉瓦时。


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图:苏明在会上作主旨发言


将电锅炉打造为超大功率新型热源


沈阳世杰是为电网发电侧调峰辅助服务和用户侧煤改电项目提供设备、运维和投资的专业化公司,是国内专业生产10kV及以上电压等级,大功率固体储热式电锅炉的国家高新技术企业。沈阳世杰研发的大功率固体热储能设备,单机最大功率9万千瓦,储热能力90万千瓦时,项目最大功率达到32万千瓦。


苏明表示,超大功率电热转换和超大容量热储能技术是一个全新的产业领域。关于超大功率电热转换和大容量固体热储能,需要一系列的技术优化,针对高温高压大容量固态储热装置电热能量转换、储存、传递、交换等过程,针对加热元件、储热体(含保温)、换热系统、控制系统等环节,重点要解决电场、流场、温度场等多个物理场的能量耦合交互问题。目前沈阳世杰已有一套独特的数学模型,为成套装置设计奠定了理论基础。


在超大功率电热转换方面,燃煤、燃气方式是工业生产、居民供暖常用的大功率热源。苏明介绍道,有电伊始就有电锅炉,但是没有大功率电锅炉,其原因是用户侧常用的0.4千伏电压等级配电容量大多在1000千伏安以下,受电源容量的限制,电锅炉功率只能在1000千瓦以下(仅相当于1蒸吨左右锅炉)。如果不经过变压器,直接利用10-110千伏以上高电压加热,就可以突破电热转换的功率瓶颈,实现大功率、超大功率电热转换,使电锅炉成为等同于燃煤、燃气方式的又一种大功率清洁热源。


为确保高压电源接引和成套装置安全运行,沈阳世杰作了一系列研究测试,实现高温储热模块温度高达550℃及以上,储热体内部导体在各种工况下不发生电场击穿,攻克了高电压、大容量、耐受550℃高温的高压绝缘穿墙套管设计技术,以及炉体内场强绝缘技术。


对固体蓄热产品的设计和认知存误区


固体蓄热产品结构主要分为加热部分、储热部分、换热部分、保温部分、控制部分,针对产品的设计重点,苏明分别作了进一步介绍。


加热系统设计通常采用常规的电阻加热,也就是电热合金加热,通常用的两大类为铁铬铝和镍铬,针对加热系统的设计,苏明表示,需要针对不同类别电热合金材料的加热特点,分析不同温度条件下电热材料的负荷特性,使加热系统能在高温工况下运行,保证加热装置运行的寿命与可靠性。具体而言,电热合金通电以后就要发生氧化,为了保证电热合金的长寿,就必须降低氧化的速度,最佳求解是根据高温合金加热元件和储热元件的传热匹配的设计问题,使在最佳状态下尽可能的降低电加热器的表面负荷,就可以延长加热时的使用寿命。

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图:大容量高温固态储热装置典型结构框


关于储热部分,苏明指出了一个业界在固体储热材料选用方面的一个误区:认为固体储热材料三到五年就会粉化。但事实上,沙子、水泥、红砖都可以作为固体储能材料,为了保证设备结构的稳定性、可靠性,沈阳世杰采用的是耐火材料,用耐火材料制作的高温窑炉在恶劣的工作条件下可以在几十年的使用中完好无损,因此以沈阳世杰产品为例,采用耐火材料制作的固体储热产品可以保证20年以上使用寿命。


此外,在一些招投标文件中,对固体储热材料提出要求,必须使用氧化镁砖,氧化镁需要达到92%甚至95%的量级,苏明认为这一要求并不合理。原因在于氧化镁只是耐火度的属性,在用固体显热储热情况下它没有实际意义,只要它的耐火材料能满足稳定、安全、可靠、长寿命即可。例如,新疆与氧化镁生产基地辽宁相距甚远,氧化镁从辽宁运到新疆,成本巨大,所以不必非要使用氧化镁。


在换热部分设计方面,苏明认为当前设计同样存在一个误区:认为铜换热器效率高。苏明表示,“生产换热器通常用的材质是不锈钢、铜、铝、锅炉钢等,这些我们都用过,现在回归到使用高效钢质换热器。铜和钢,从材质来说,确实是铜效率更高,但是做成翅片管换热器,换热器铜管与外面的铝翅片是涨接安装的,在高温状态下要热胀冷缩,铝翅片吸收热通过传导铜管上有很大的热阻,而钢管换热器与钢翅片是高频焊接一体化的,反倒传导更快。另外,锅炉用水、暖气用水条件很恶劣,就容易造成换热器损坏,所以用钢的材料皮实、不坏。”


在设备结构方面,苏明介绍称,沈阳世杰采用的是左右结构,将换热器放在炉体的一侧,如果把换热器放在下面,储能体底部仅仅是几个点落地,局部压强非常大,容易损坏基础,采用左右结构则储能体大面积接地,大面积承载,对地面的压强就非常小。


固体蓄热产品实现多领域广泛应用


近年来,依托高电压电热转换和超大容量储热,沈阳世杰的产品已在供暖和蒸汽等多领域实现应用。


2010年11月,沈阳世杰建设的国内首个10KV固体蓄热清洁供暖项目——沈阳市和平区湾景汇高端居民小区16万平米项目正式投运;2014年10月,沈阳世杰承建国家电网公司首个21万平方米煤改电清洁供暖示范项目在北京市房山区韩村河正式投运;2015年10月,中国煤矿工人北戴河疗养院项目正式投运,成为沈阳世杰首个10KV固体蓄热蒸汽清洁供暖项目......


在电厂的发电侧,低谷时段为了降低热电机组发电负荷同时保证供热能力,沈阳世杰通过热电解耦的方式,实现了电厂的深度调峰, 2016年以来,沈阳世杰在东北电网五个电厂的热电联产机组侧安装大功率电热转换大容量固体热储能设备,合计总功率已达1390兆瓦。目前在建5个项目,总功率810兆瓦。


1567582060423593.png 图:国内首个“源-网-荷”一体化调控系统


2017年11月,沈阳世杰参与的国内首个“源-网-荷”一体化调控系统投入运行,实时利用弃风电供暖,完成了沈阳世杰又一个里程碑式的业绩。


苏明介绍道,分布式电储热实现“电网-热网-燃气网”一体化调峰互补,是基于10-110kV电压等级的大功率固体储热式电锅炉,由电网调度依据电网潮流情况,实时投切负荷,将低谷时段电能转换成热能,实现电网、热网、燃气网三网融合调峰互补清洁供热的一项综合性高新技术,是能源互联网建设的重要内容。


苏明表示,三网融合互补的意义在于,电网由被动调峰变成主动调峰,从根本上缓解了风电等可再生能源消纳的难题,同时还实现城市供暖总量压煤减霾。电-热联合调度系统还是供热企业、电网公司、电力企业的电量交易平台,按照三方共同接受的运行机制,实现“荷-网-源”一体化电储热调峰供暖,达到多方利益共赢。

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