供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力提高方法研究進(jìn)展概述

唐海峰等

摘 要：供熱機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行方式嚴(yán)重制約了機(jī)組的實(shí)際調(diào)峰能力，造成我國(guó)北方電網(wǎng)出現(xiàn)大量棄風(fēng)現(xiàn)象。在保證用戶供熱需求的前提下，解耦供熱機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行方式是挖掘供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力的一個(gè)有效方案。該文對(duì)通過(guò)利用供熱系統(tǒng)管網(wǎng)和建筑物的熱慣性、配置蓄熱裝置等解耦供熱機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行模式方案的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納、總結(jié)和分析。針對(duì)目前供熱機(jī)組難以主動(dòng)參與調(diào)峰的影響因素，指出了相應(yīng)政策激勵(lì)機(jī)制的積極作用。并在最后提出了一個(gè)提升風(fēng)電利用率的熱—電聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行方案。

關(guān)鍵詞：供熱機(jī)組 調(diào)峰能力 風(fēng)電消納 熱電解耦 運(yùn)行優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（b）-0015-03

風(fēng)電是目前最近規(guī)?；_(kāi)發(fā)前景的新能源之一。但是大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，由于風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)的特性影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，導(dǎo)致大量棄風(fēng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，尤其是在吉林、黑龍江和內(nèi)蒙古等北方地區(qū)[1]。這些地區(qū)供熱機(jī)組所占的比例越來(lái)越高，由于其通常按“以熱定電”模式運(yùn)行，調(diào)峰能力有限，在冬季供暖期造成的棄風(fēng)現(xiàn)象更為嚴(yán)重[2]。因此，提高供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力是電網(wǎng)當(dāng)前及未來(lái)接納風(fēng)電的重要手段之一。

1 供熱機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行模式及其弊端

目前國(guó)內(nèi)的供熱機(jī)組主要分為兩大類(lèi)：背壓式機(jī)組和抽氣式機(jī)組[3]。背壓式機(jī)組將汽輪機(jī)的所有乏汽送入供熱蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行供熱，沒(méi)有冷源損失效率高，在優(yōu)先滿足一定供熱功率的條件下發(fā)電功率固定無(wú)法調(diào)節(jié)，嚴(yán)格按“以熱定電”方式運(yùn)行。抽氣式機(jī)組是在汽輪機(jī)中間抽取一部分蒸汽作為供熱源，其供熱功率和風(fēng)電功率可在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，在負(fù)荷低谷風(fēng)電過(guò)剩時(shí)期，其工作在最小凝汽量工況下，此時(shí)運(yùn)行方式也屬于“以熱定電”。

根據(jù)我國(guó)的國(guó)情和相關(guān)政策，熱電廠按照“以熱定電”的方式運(yùn)行“熱電廠應(yīng)根據(jù)熱負(fù)荷的需要，確定最佳運(yùn)行方案，并以滿足熱負(fù)荷的需要為主要目標(biāo)。地區(qū)電力管理部門(mén)在制定熱電廠電力調(diào)度曲線時(shí)，必須充分考慮供熱負(fù)荷曲線變化和節(jié)能因素，不得以電量指標(biāo)限制熱電廠對(duì)外供熱，更不得迫使熱電廠減壓減溫供汽”[4]?！耙詿岫姟钡倪\(yùn)行模式已成為制約供熱機(jī)組調(diào)峰能力的主要因素，為此在滿足用戶供熱需求的前提條件下，解耦供熱機(jī)組的傳統(tǒng)運(yùn)行方式成為提高機(jī)組調(diào)峰能力的一種方案。

2 供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力提高方法

2.1 常規(guī)供熱機(jī)組調(diào)峰能力的確定

最初研究較多就是供熱機(jī)組實(shí)際的調(diào)峰范圍。文獻(xiàn)[5]通過(guò)數(shù)據(jù)分析和熱力試驗(yàn)確定了機(jī)組的供熱和調(diào)峰能力，文獻(xiàn)[6]則進(jìn)一步考慮了全廠汽水損失的影響，確定了機(jī)組在不同抽汽量下的調(diào)峰能力。文獻(xiàn)[7]則根據(jù)汽輪機(jī)熱力特性采用變工況法計(jì)算確定不同抽汽量下電負(fù)荷調(diào)峰范圍的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)考慮了汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率的修正及初終參數(shù)變化對(duì)發(fā)電功率的修正。文獻(xiàn)[8]利用等效熱降理論建立熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱力數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)模型進(jìn)行修正，從而確定機(jī)組調(diào)峰的范圍。文獻(xiàn)[9]中天津電網(wǎng)首次完成主力供熱機(jī)組供熱期電負(fù)荷調(diào)峰能力試驗(yàn)。這些研究為進(jìn)一步挖掘供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力，促進(jìn)風(fēng)電消納提供了依據(jù)。

2.2 解耦“以熱定電”的運(yùn)行模式

供熱機(jī)組按“以熱定電”的模式運(yùn)行的根本原因是優(yōu)先滿足用戶的供熱需要，其直接體現(xiàn)在采暖建筑物室溫變化范圍的要求上。然而，供熱系統(tǒng)的熱遲滯性使得實(shí)際中室溫受某時(shí)段供熱量改變的影響并不顯著[10]。因此，可以考慮通過(guò)解耦供熱機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行方式，來(lái)提高機(jī)組的調(diào)峰能力：在風(fēng)電低谷電網(wǎng)高峰時(shí)，供熱機(jī)組供出較大的熱量和電量，使供熱介質(zhì)和建筑物室內(nèi)溫度有限升高，將熱量?jī)?chǔ)存在熱網(wǎng)和建筑物中；當(dāng)風(fēng)電高峰而電網(wǎng)低谷時(shí)，在保證供熱質(zhì)量的前提下，減少供熱機(jī)組產(chǎn)熱量同時(shí)減少發(fā)電量，供熱介質(zhì)和建筑物室內(nèi)溫度可有限度下降，將儲(chǔ)存在熱網(wǎng)和建筑物中的熱量釋放出來(lái)，同時(shí)參與電網(wǎng)的調(diào)峰、消納風(fēng)電。文獻(xiàn)[11～14]分別從集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)方式、一級(jí)管網(wǎng)供水溫度發(fā)生波動(dòng)對(duì)室內(nèi)溫度變化的影響分析、計(jì)算提前蓄熱時(shí)間和放熱時(shí)間以及機(jī)組的深度調(diào)峰能力、供熱電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)度模型等方面，驗(yàn)證了利用系統(tǒng)儲(chǔ)熱特性可以提高供熱機(jī)組調(diào)峰能力方案的可行性。而文獻(xiàn)[15]則進(jìn)一步通過(guò)對(duì)AGC負(fù)荷指令進(jìn)行非線性多尺度分解，構(gòu)造了供熱機(jī)組負(fù)荷指令，研究在不影響熱用戶的前提下如何充分利用供熱管網(wǎng)蓄熱來(lái)提高機(jī)組的調(diào)峰能力。

然而，供熱管網(wǎng)和建筑物的儲(chǔ)熱能力有限，制約著供熱機(jī)組調(diào)峰能力的進(jìn)一步挖掘，因此，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始尋求新的思路，如蓄熱技術(shù)[16]。通過(guò)給供熱機(jī)組配置蓄熱裝置提高機(jī)組調(diào)峰能力：在白天電負(fù)荷大而熱負(fù)荷小的時(shí)段熱電機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行對(duì)蓄熱裝置進(jìn)行儲(chǔ)熱；而在夜間電負(fù)荷小時(shí)段降低機(jī)組出力（甚至停機(jī)）進(jìn)行調(diào)峰，而供熱不足部分則利用蓄熱裝置的儲(chǔ)熱進(jìn)行補(bǔ)償供熱。國(guó)外利用蓄熱裝置提高供熱機(jī)組調(diào)峰能力的技術(shù)發(fā)展的比較成熟，應(yīng)用廣泛[17-19]。而在風(fēng)電利用率較高的丹麥實(shí)現(xiàn)其未來(lái)100%可再生能源系統(tǒng)的一個(gè)重要手段就是利用蓄熱裝置提高供熱機(jī)組的調(diào)峰能[20]。同時(shí)，該方案也受到越來(lái)越多歐洲國(guó)家的關(guān)注[21]。國(guó)內(nèi)對(duì)于供熱機(jī)組配置蓄熱裝置提高調(diào)峰能力的研究起步較晚，也沒(méi)有得到廣泛的推廣應(yīng)用。雖然很多學(xué)者開(kāi)始這方面的研究[21，22]，但是這些研究均是介紹了增加蓄熱裝置提高供熱機(jī)組儲(chǔ)熱能力這一方案的思想，并沒(méi)有做非常深入的研究[23-25]。

并且，也有許多研究人員提出了配置電鍋爐來(lái)解耦供熱機(jī)組的傳統(tǒng)運(yùn)行模式的方案：當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電過(guò)剩時(shí)，降低熱電機(jī)組強(qiáng)迫出力，從而增加風(fēng)電上網(wǎng)空間以接納一部分過(guò)剩風(fēng)電；而對(duì)熱電機(jī)組由于電熱耦合相應(yīng)減發(fā)熱量所導(dǎo)致的供熱不足部分，則利用安裝在熱電廠中的電鍋爐消耗另一部分過(guò)剩風(fēng)電進(jìn)行補(bǔ)償供熱，從而在保證供熱的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)剩風(fēng)電的消納。該方案在國(guó)外已經(jīng)成功的應(yīng)用于丹麥北部的斯卡恩熱電站[26]。文獻(xiàn)[27]對(duì)配置蓄熱電鍋爐的方案進(jìn)行了多方面的分析，文獻(xiàn)[28]則提出了4種不同方案來(lái)提高機(jī)組的調(diào)峰能力，并對(duì)方案的原理、調(diào)峰幅度、調(diào)峰效益、調(diào)峰成本、適用條件及應(yīng)用前景進(jìn)行了全面分析。

此外，文獻(xiàn)[29]提出基于電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度風(fēng)電、用戶側(cè)空調(diào)熱泵和供熱機(jī)組的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行，由用電側(cè)的空調(diào)熱泵來(lái)承擔(dān)部分熱負(fù)荷，從而降低機(jī)組供熱水平進(jìn)而降低其強(qiáng)迫出力以接納風(fēng)電。由于空調(diào)熱泵位于用戶側(cè)，需要智能電網(wǎng)的支撐實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)用戶空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控和通信，因而在國(guó)內(nèi)當(dāng)前不具有推廣應(yīng)用的條件。

3 討論

3.1 市場(chǎng)及政策方面的激勵(lì)機(jī)制

目前，雖然解耦供熱機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行方式在技術(shù)上完全可行，也具有一定的經(jīng)濟(jì)可行性；然而，在我國(guó)卻鮮有實(shí)際的應(yīng)用，這也與我國(guó)不成熟電力市場(chǎng)激勵(lì)機(jī)制缺乏有關(guān)。供熱機(jī)組配置蓄熱裝置或電鍋爐時(shí)不僅需要投資運(yùn)維成本，而且其降低自身發(fā)電量會(huì)損失利潤(rùn)；同時(shí)在中國(guó)當(dāng)前調(diào)度模式下，調(diào)峰時(shí)的補(bǔ)償只針對(duì)深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰，而且補(bǔ)償?shù)念~度較低。因此，供熱機(jī)組缺乏采取上述方案參與調(diào)峰的積極性。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，制定合理、完善的激勵(lì)機(jī)制，協(xié)調(diào)供熱機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)之間的收益和成本，是激勵(lì)供熱機(jī)組主動(dòng)積極參與深度調(diào)峰的關(guān)鍵[30]。如共同投資，合理分配供熱機(jī)組參與深度調(diào)峰減少棄風(fēng)所帶來(lái)的收益?；蛘咭部煽紤]采取行政手段來(lái)促進(jìn)供熱機(jī)組參與調(diào)峰，如同一區(qū)域內(nèi)或同一發(fā)電集團(tuán)內(nèi)的火電與風(fēng)電捆綁上網(wǎng)，在內(nèi)部自行實(shí)現(xiàn)調(diào)峰。

3.2 提升風(fēng)電利用率的熱/電聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化

基于上述分析可以看出：供熱機(jī)組及其系統(tǒng)具有很大的熱慣性，可以在滿足熱需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬供熱機(jī)組調(diào)峰范圍。即在利用蓄熱及電鍋爐裝置挖掘供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱負(fù)荷預(yù)測(cè)、風(fēng)電功率預(yù)測(cè)以及電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的信息，研究供熱機(jī)組、蓄熱式電鍋爐與風(fēng)電接納之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，從而在保證電網(wǎng)安全高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上。所構(gòu)建出基于供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力的提升風(fēng)電利用率的綜合能效優(yōu)化方案，如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

規(guī)?；L(fēng)電的高效利用是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的關(guān)鍵，挖掘供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力是我國(guó)北方大規(guī)模接納風(fēng)電的必然選擇。該文對(duì)現(xiàn)有的挖掘供熱機(jī)組深度調(diào)峰能力的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納、總結(jié)和分析，討論了供熱機(jī)組實(shí)施深度調(diào)峰能力挖掘技術(shù)方案的激勵(lì)機(jī)制，并在文章的最后提出了一個(gè)提升風(fēng)電利用率的熱—電聯(lián)合運(yùn)行優(yōu)化構(gòu)架。

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