基于電鍋爐的火力發(fā)電廠消納風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能仿真研究

李笑宇， 劉 卓,杜 徽， 詹天旸， 吳 昊

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于電鍋爐的火力發(fā)電廠消納風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能仿真研究

李笑宇， 劉 卓,杜 徽， 詹天旸， 吳 昊

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)“三北”地區(qū)棄風(fēng)限電的原因，提出了通過在火電廠引入電鍋爐系統(tǒng)加熱火電廠凝結(jié)水的方案，以達(dá)到消納風(fēng)電過剩產(chǎn)能、減少火電廠燃煤量的目的。以某350 MW 國產(chǎn)亞臨界燃煤機(jī)組為例，與某50 MW風(fēng)電場形成配套系統(tǒng)?；赟TAR-90仿真平臺(tái)建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真模型，對(duì)以上方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，模擬了機(jī)組運(yùn)行過程，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)電鍋爐的運(yùn)行參數(shù)、選型提出了指導(dǎo)意見。模擬結(jié)果表明，該方案可以在消納風(fēng)電的同時(shí)有效減少燃煤機(jī)組的燃煤量，從而提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益。相較于已經(jīng)提出的其他方案，具有更普遍的應(yīng)用前景。

棄風(fēng)限電；電鍋爐；加熱凝結(jié)水；消納風(fēng)電；仿真

0 引言

據(jù)國家能源局《2016風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況》[1]，2016年全年新增風(fēng)電裝機(jī)1 930萬kW，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.49億kW，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9%，風(fēng)電發(fā)電量2 410億kW時(shí)，占全部發(fā)電量的4%。隨著風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，三北地區(qū)的棄風(fēng)限電現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)，2016年，全國棄風(fēng)較為嚴(yán)重的地區(qū)是甘肅(棄風(fēng)率43%、棄風(fēng)電量104億kW·h)、新疆(棄風(fēng)率38%、棄風(fēng)電量137億kW·h)。如何有效消納風(fēng)電，促進(jìn)風(fēng)電健康發(fā)展，已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的問題。

現(xiàn)如今，引起大規(guī)模棄風(fēng)限電的因素主要有：風(fēng)電場與電網(wǎng)建設(shè)不同步；風(fēng)電特性與電網(wǎng)調(diào)峰能力不匹配；三北地區(qū)自身消納能力差等。特別是三北地區(qū)由于冬季需要供暖，熱電廠以熱定電，占據(jù)了電網(wǎng)大部分發(fā)電負(fù)荷。而冬季往往又是風(fēng)能充足的季節(jié)，這直接導(dǎo)致了風(fēng)電場棄風(fēng)嚴(yán)重。顯然，如果能夠減少以熱定電，可以顯著提高風(fēng)電上網(wǎng)率，減少風(fēng)電棄風(fēng)。

目前提出的解決風(fēng)電棄風(fēng)的方案主要包括：強(qiáng)化風(fēng)電場調(diào)峰能力[2]；建設(shè)智能電網(wǎng)，消納風(fēng)電出力[3]；進(jìn)行風(fēng)電供熱等[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]提出了在國內(nèi)熱電廠中通過配置大型電鍋爐來解耦熱電廠“以熱定電”約束消納過剩風(fēng)電產(chǎn)能的運(yùn)行方案。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于：電鍋爐配置在熱電廠當(dāng)中，相較于建設(shè)新型的智能電網(wǎng)，只需采用傳統(tǒng)的“調(diào)度中心—電廠”運(yùn)行調(diào)控方式，無需對(duì)電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行升級(jí)和投資，適合于在當(dāng)前大規(guī)模推廣運(yùn)行；而且，當(dāng)電網(wǎng)調(diào)頻緊張時(shí)，還可以通過調(diào)整電鍋爐耗電功率進(jìn)行調(diào)頻，利用熱網(wǎng)熱慣性維持供熱的平穩(wěn)性。相較于完全使用電鍋爐供熱，消納風(fēng)電過剩產(chǎn)能，在熱電廠配置電鍋爐的供熱方案更加的穩(wěn)定。

本文提出了在火力發(fā)電廠加裝電鍋爐用于加熱凝結(jié)水，以消納風(fēng)電、減少火電機(jī)組發(fā)電煤耗的方案。相較于在數(shù)量相對(duì)較少的熱電廠配置電鍋爐以解耦“以熱定電”，在非供熱燃煤發(fā)電廠的凝結(jié)水系統(tǒng)中采用電鍋爐加熱凝結(jié)水，用清潔能源代替部分傳統(tǒng)化石燃料，相較于利用大型電鍋爐直接供熱以解耦“以熱定電”約束，本文提出的方案將高品位的電能轉(zhuǎn)化為低品位的熱能后，再次轉(zhuǎn)化為高品位的電能，具有更廣泛的應(yīng)用前景。為了驗(yàn)證方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)考察風(fēng)電的引入對(duì)火電機(jī)組的影響，利用STAR-90仿真平臺(tái)，搭建火力發(fā)電廠消納風(fēng)電系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性研究。

1 燃煤發(fā)電廠消納風(fēng)電棄風(fēng)方案

本文針對(duì)某350 MW火電機(jī)組進(jìn)行了消納風(fēng)電棄風(fēng)電能的研究。該機(jī)組為亞臨界燃煤機(jī)組，額定工況下該機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[8-9]。

根據(jù)系統(tǒng)里的水被加熱后的狀態(tài)，電鍋爐系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的耦合方案可以分為2種。一種為水在流經(jīng)電鍋爐后仍是液態(tài)水的狀態(tài)，水被加熱至一定參數(shù)，返回燃煤機(jī)組重新進(jìn)入熱力系統(tǒng)。此時(shí)水只是被加熱到一定狀態(tài)，還未變?yōu)檎羝?。這種方案是利用電鍋爐的熱量來代替部分加熱器的作用來加熱凝結(jié)水，或者將電鍋爐置于#1高加與機(jī)組鍋爐之間用來提高進(jìn)入鍋爐的給水參數(shù)。

表1 額定工況下機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)

另外一種方案是將某個(gè)設(shè)備出口水利用電鍋爐的熱量直接加熱至指定參數(shù)的水蒸氣。被加熱的蒸汽參數(shù)的不同，會(huì)造成蒸汽返回燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)中的作用不盡相同，可以將凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水或者某一級(jí)加熱器出口的凝結(jié)水，引入電鍋爐加熱至某一級(jí)加熱器抽汽的參數(shù)返回燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)直接代替某一級(jí)加熱器的抽汽；也可以將凝結(jié)水在電鍋爐中直接加熱至主蒸汽狀態(tài)參數(shù)，與電站鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽混合后一同進(jìn)入汽輪機(jī)做功[10]。

2種方案進(jìn)行比較，第二種方案經(jīng)濟(jì)性好，由于有水的汽化過程，電鍋爐要求的運(yùn)行壓力較高，相應(yīng)的投資成本較大。為此本文采用的方案是：在火力發(fā)電廠中加裝電鍋爐，當(dāng)系統(tǒng)中風(fēng)電過剩時(shí)，將電網(wǎng)不能消納的風(fēng)電輸入電鍋爐來加熱部分凝結(jié)水，以達(dá)到減少機(jī)組煤耗的目的。燃煤發(fā)電廠消納風(fēng)電棄風(fēng)電能的系統(tǒng)圖如圖1所示。將部分凝結(jié)水自凝結(jié)水泵出口引出，經(jīng)電鍋爐加熱后引回燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)，與經(jīng)各級(jí)低加加熱的凝結(jié)水一同進(jìn)入除氧器，相當(dāng)于并聯(lián)#5低加、#6低加、#7低加和#8，為了降低引至各級(jí)低加的抽汽量，可以減少需要流經(jīng)各級(jí)低加吸熱的凝結(jié)水量，進(jìn)而減少用來進(jìn)入汽輪機(jī)做功的主蒸汽流量，從而改善整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 電鍋爐加熱凝結(jié)水系統(tǒng)圖

按照電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)方式，電鍋爐可以分為電阻式、電磁感應(yīng)式、電極式。本文采用電極式電鍋爐加熱凝結(jié)水。電極式電鍋爐由相電極、壓力容器、控制器和水循環(huán)系統(tǒng)組成。電極式電鍋爐的供電電壓一般為10 kW。電流的流向是從電極經(jīng)過，通過化學(xué)處理的水到壓力容器。電極式電鍋爐最重要的特點(diǎn)是不對(duì)稱運(yùn)行。這主要由鍋爐的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式?jīng)Q定的。此類大型電鍋爐系統(tǒng)常用于核電站的輔助蒸汽系統(tǒng)[11-12]。以嶺澳核電站電鍋爐為例,此電鍋爐熱效率為 99%,冷起動(dòng)時(shí)間小于1 h,熱起動(dòng)時(shí)間不大于10 min,負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍在1%～100%之間。設(shè)備起動(dòng)快,低負(fù)荷運(yùn)行性能好。設(shè)備少,操作簡便。系統(tǒng)少,易磨損和易腐蝕部件少,維修保養(yǎng)工作簡便, 工作環(huán)境清潔,只需3年1次大修。目前，市場上可提供的電極式電鍋爐的產(chǎn)品規(guī)格一般分為3～4 MW, 6 MW，8 MW，10 MW，16～25 MW，25～40 MW幾個(gè)級(jí)別，最高可以達(dá)到70 MW?？梢酝ㄟ^使用多個(gè)電鍋爐達(dá)到功率的疊加。國內(nèi)部分大型電極式電鍋爐應(yīng)用情況見表2。

表2 國內(nèi)大型電極式電鍋爐應(yīng)用案例

由表2可見，國內(nèi)目前單項(xiàng)目最大電鍋爐功率可以達(dá)到160 MW。對(duì)于本文所研究的50 MW風(fēng)電場，利用電極式電鍋爐實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換在技術(shù)上是可行的?？梢赃x擇數(shù)個(gè)25～40 MW級(jí)別的電鍋爐，也可以使用單個(gè)更大型的電鍋爐。視發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)狀況，可以靈活調(diào)整。

在考慮熱電設(shè)備的選型時(shí)，一般需要考慮的因素包括：熱電設(shè)備的工作范圍特性圖、熱負(fù)荷調(diào)峰天數(shù)、調(diào)峰補(bǔ)償(激勵(lì))、調(diào)峰政策、調(diào)峰成本、調(diào)峰策略等。

由于本文研究的是在火電廠引入電鍋爐系統(tǒng)加熱火電廠凝結(jié)水的方案，熱負(fù)荷波動(dòng)不大，則只研究熱電設(shè)備的工作范圍特性圖。熱電設(shè)備的工作范圍特性圖如圖2所示。特性圖橫軸為熱功率，縱軸為電功率。每臺(tái)熱電設(shè)備的特性范圍均有所不同。通過研究熱電設(shè)備的工作范圍特性圖，可以確定設(shè)備的基本設(shè)置參數(shù)值。圖中，EFGHDE表示熱電機(jī)組的工作范圍；F表示最大發(fā)電量工作點(diǎn)；FG為最大蒸汽流量線，工作點(diǎn)位于這條直線上時(shí)，可以獲得最大發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)供電與供熱最大收益。HD為最大抽汽量線，DE為最小蒸汽流量線，D為最小發(fā)電量。

圖2 熱電設(shè)備工作范圍特性圖

熱電設(shè)備的工作范圍特性圖是在火力發(fā)電廠配置電鍋爐的重要依據(jù)。通過對(duì)不同型號(hào)規(guī)格電鍋爐的工作范圍特性圖進(jìn)行研究，可以確定選用電鍋爐的臺(tái)數(shù)以及每臺(tái)電鍋爐的功率。

本文選取的風(fēng)力發(fā)電場的裝機(jī)容量為50 MW，在不考慮季節(jié)的影響下，認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電功率全部輸入電鍋爐，電熱轉(zhuǎn)換效率假設(shè)為100%。為確定凝結(jié)水進(jìn)入電鍋爐入口的流量，可以進(jìn)行簡單計(jì)算:

(1)

式中：Q為風(fēng)電場提供的電功率；c為水的比熱容，取4.2×103J/(kg·℃)；m為水的質(zhì)量流量；ΔT為水溫度的變化量，℃。

由式(1)可以推出：

(2)

式中：q為風(fēng)電場提供的電功率；W為電鍋爐系統(tǒng)中水流量，t/h。

不計(jì)電能通過電網(wǎng)傳遞過程中的損失以及發(fā)電廠系統(tǒng)中的熱損，風(fēng)電場提供的電功率為50 MW。據(jù)此計(jì)算，得到的本文設(shè)計(jì)的加熱凝結(jié)水電鍋爐系統(tǒng)總體參數(shù)見表3?？梢酝ㄟ^表3的數(shù)據(jù)結(jié)合熱電設(shè)備的工作范圍特性圖，選擇合適的電鍋爐產(chǎn)品。

表3 電鍋爐加熱凝結(jié)水系統(tǒng)參數(shù)

在這里，將高品位的電能變成低品位的熱能是合理的。與其棄用大量的可再生能源，不如在火力電廠通過大型電極式電鍋爐將這部分棄用能源利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性，在火電廠系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)M了電鍋爐消納風(fēng)電配套系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為系統(tǒng)未來的實(shí)際運(yùn)行提供了參考。

在實(shí)際生產(chǎn)中，需要考慮電能在電網(wǎng)上的線損，以及火電廠管線中損失的熱量。因此通過仿真機(jī)多次仿真，最終實(shí)際確定的水流量為115 t/h左右。

仿真模擬的結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 凝結(jié)水總流量、電鍋爐入口流量、#8低加入口流量、主汽流量變化曲線

圖4 抽汽流量變化曲線

圖5 電鍋爐出口溫度、五號(hào)低加出口水溫度與兩者溫差

圖6 煤耗量、機(jī)組負(fù)荷、主汽壓和主汽溫隨時(shí)間的變化

由圖3和圖4可知，當(dāng)電鍋爐投入后，凝泵出口流量12%通過電鍋爐進(jìn)入除氧器，剩余流量通過#5-#8低加后與電鍋爐出口水匯合進(jìn)入除氧器。凝結(jié)水總流量先增加后降低，隨著電鍋爐流量的增加，#8低加入口流量逐漸降低，使得通過該處的凝結(jié)水壓力升高，從而排擠#5-#8低加的部分抽汽返回汽輪機(jī)繼續(xù)做功，增加了機(jī)組出力。在保持發(fā)電機(jī)發(fā)電功率不變的情況下，降低了發(fā)電煤耗。

圖5反映了2路凝結(jié)水的匯合情況。電鍋爐投入后，電鍋爐出口水溫逐漸升高，與#5低加出口水之間的溫差逐漸減小，并最終達(dá)到#5低加的水平。

由圖6可以看出煤耗、負(fù)荷、主汽溫和主汽壓的變化情況。圖6(a)所示為在電鍋爐投入后，燃煤量逐漸降低直至最終穩(wěn)定在192.108 t/h。由圖6(b)、(c)、(d)，機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力先上升，隨著燃煤量的降低而降低并趨于穩(wěn)定，電負(fù)荷維持在350 MW，主汽壓力維持在16.420 9 MPa。主汽溫隨著電鍋爐出口水溫的升高而升高，接著受燃煤量的影響而降低，隨后在機(jī)組的調(diào)節(jié)下溫度回升至額定溫度。

綜上可看出，電鍋爐系統(tǒng)引入，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，經(jīng)加熱凝結(jié)水溫度基本達(dá)到150 ℃，壓力變化基本維持在1.5～2.5 MPa，在安全可調(diào)范圍之內(nèi)。電鍋爐系統(tǒng)的加入為機(jī)組增加了可用能，降低了煤耗，有效利用了風(fēng)電的冗余電量，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)沒有對(duì)機(jī)組運(yùn)行的安全性產(chǎn)生影響。

3 火電廠側(cè)經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)模擬的實(shí)際煤耗降低的情況，引入電鍋爐系統(tǒng)后，在發(fā)電負(fù)荷保持不變的條件下，火力機(jī)組燃煤量由193.34 t/h減少至191.84 t/h，減少了1.43 t/h。假定年利用小時(shí)數(shù)為6 000 h，便可計(jì)算出添加電鍋爐裝置的年節(jié)煤量。再結(jié)合煤炭價(jià)格(標(biāo)煤價(jià)640元/t)[13],便可計(jì)算出年節(jié)煤經(jīng)濟(jì)效益。

(3)

式中：H為年利用小時(shí)數(shù)；C為每小時(shí)節(jié)煤量Icoal為節(jié)煤經(jīng)濟(jì)效益。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)采用電鍋爐加熱系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的年節(jié)煤量可接近8 580 t，年節(jié)煤經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)603.75萬元，顯然，節(jié)能效果比較明顯，長時(shí)間的應(yīng)用對(duì)整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性會(huì)有比較顯著的提高。假定每年的發(fā)電量與運(yùn)行維修費(fèi)用相等，可以得到一個(gè)簡化的計(jì)算。每年純收益(NAR)的表達(dá)式：

NAR=Icoal-CFR×Inv

(4)

式中：NAR為凈年收益；Inv為每年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；CFR為與折現(xiàn)率k和經(jīng)濟(jì)壽命n相關(guān)的資金回籠因數(shù)，其計(jì)算式為：

(5)

以30 t/h蒸汽量鍋爐為例，每臺(tái)電鍋爐及配套系統(tǒng)總投資費(fèi)用為人民幣1 927萬元[14]。為達(dá)到火電廠主蒸汽的技術(shù)需求，電鍋爐系統(tǒng)需要并聯(lián)3臺(tái)電鍋爐時(shí)，建設(shè)費(fèi)用約為人民幣5 781萬元。

由折現(xiàn)率計(jì)算公式：

(6)

式中：COSTOM為建設(shè)費(fèi)用。

代入節(jié)煤經(jīng)濟(jì)效益和計(jì)算公式計(jì)算得到折現(xiàn)率為0.1。電鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命30 n，資金回籠因數(shù)為1.029 3。電鍋爐系統(tǒng)每年維護(hù)費(fèi)用約為100萬元。經(jīng)計(jì)算，每年純利益約503.75萬元。不考慮煤價(jià)波動(dòng)的情況下，系統(tǒng)運(yùn)行10 n，即可收回成本。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了在燃煤電廠的凝結(jié)水系統(tǒng)中引入電鍋爐系統(tǒng)，消納風(fēng)電場的過剩產(chǎn)能的方案。電鍋爐系統(tǒng)將從凝結(jié)泵出口引出的12%的凝結(jié)水加熱到#5低加出口參數(shù)后送入除氧器，排擠汽輪機(jī)抽汽，在保持機(jī)組發(fā)電功率不變的條件下，減少機(jī)組的燃料量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

(2)在STAR-90仿真平臺(tái)上，以某350 MW機(jī)組為對(duì)象，模擬了電鍋爐投入后機(jī)組運(yùn)行的過程。結(jié)果表明，電鍋爐系統(tǒng)的投入不會(huì)對(duì)火電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性產(chǎn)生比較大的影響，火電機(jī)組在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下可以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。在保持350 MW發(fā)電功率的條件下，可節(jié)約燃料量1.5 t/h。

(3)利用在火力發(fā)電廠凝結(jié)水系統(tǒng)中的電鍋爐可以有效消納風(fēng)電場的過剩產(chǎn)能?；赟TAR-90的仿真進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)的科學(xué)性。然而，當(dāng)前在電網(wǎng)配套設(shè)施建設(shè)、電源結(jié)構(gòu)、調(diào)度方式等方面仍然存在許多政策性的問題。如何消納過剩風(fēng)電產(chǎn)能在一段時(shí)間內(nèi)仍將會(huì)是制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。

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Simulation of Electric Boiler Based on Thermal Power Plant Wind Power Integration System

LI Xiaoyu,LIU Zhuo, DU Hui，ZHAN Tianyang, WU Hao

(School of Electrical Engineering, South West Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

This paper made a brief introduction to the reason of wind power curtailment, and put forward a scheme to neutralize this problem. By introducing an electric boiler system to compensate water system of the thermal power plant, this scheme makes use of the redundant wind power while reduces the use of coal in thermal power plant at the same time. Taking a 350 MW thermal power plant as an example, it combines with a 50 MW wind power station to form a coordination system. Based on a STAR-90 platform, this paper made some simulation on this combined system. After that, an economic analysis is carried out. Operating parameters and selection of electrical boiler are also given. Result show that the scheme can effectively make use of the wind power while reduce the coal consuming of the thermal power plant. Comparing to other existing methods, the proposed method has a much wider application prospect.

abandon wind power; electric boiler;condensation water; consume wind power;simulation

2017-04-07。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.08.009

TK019

：A

：1672-0792(2017)08-0054-06

李笑宇 (1997-)，男，本科，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。