66 kV固體電蓄熱裝置在火電機(jī)組深度調(diào)峰中的應(yīng)用

孫立本，張少成，許冰，宋宏飛，鄭麗輝，萬白鴿

(丹東金山熱電有限公司，遼寧 丹東 118000)

0 引言

中國是一個能源消耗大國，并且以化石能源應(yīng)用為主，近幾年來，風(fēng)電、太陽能等新能源技術(shù)快速發(fā)展，但發(fā)電時段的不確定性使其在電網(wǎng)調(diào)度等方面存在很大問題?；痣姍C(jī)組供熱電廠一方面承擔(dān)著電力供應(yīng)的任務(wù)，另一方面還承擔(dān)著地方供熱的任務(wù)，采用以熱定電的方式、發(fā)電調(diào)節(jié)靈活性差以及其他原因造成了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán)重，尤其以東北、西北、華北等區(qū)域更為普遍，導(dǎo)致新能源的極大浪費(fèi)。棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是電力無法儲存，目前我國的國情是大部分風(fēng)電、太陽能按照規(guī)劃為就地消化，而這些地區(qū)大部分是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，用電需求無法消納如此巨大的電量，2016年遼寧省棄風(fēng)率就達(dá)到15%，因此，減少煤炭能源消耗、解決棄風(fēng)問題已成為行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)。我國雖然資源豐富，但是人均占有量低，利用可再生能源是我國可持續(xù)發(fā)展的必由之路，因此，減少化石能源的消耗、增加可再生能源的利用勢在必行。

1 蓄熱裝置背景

1.1 火電靈活性技術(shù)現(xiàn)狀

我國從2016年開始真正深入研究火電靈活性相關(guān)技術(shù)，雖然2010年以后各區(qū)域電網(wǎng)都相繼出臺了電力輔助服務(wù)市場規(guī)則，積極鼓勵各火電廠進(jìn)行調(diào)峰和輔助服務(wù)相關(guān)交易，但2016年下半年才真正從政策層面和管理層面出臺了《東北電力輔助服務(wù)市場規(guī)則》試行文件，國內(nèi)能源局、電力規(guī)劃設(shè)計總院、五大發(fā)電集團(tuán)和設(shè)備廠商相繼開始研究火電靈活性相關(guān)技術(shù)。目前，在國內(nèi)火電行業(yè)，火電靈活性課題已經(jīng)成為每個火電廠和火電從業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注的課題[1]。

1.2 蓄能技術(shù)簡介

采用蓄能技術(shù)是解決棄風(fēng)、棄光等問題的有效途徑，它可以在棄風(fēng)、棄光時段通過蓄能設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為熱能、機(jī)械能等其他能源，為新能源提供上網(wǎng)空間，在其他時段再將熱能、機(jī)械能用于供暖或發(fā)電，可實現(xiàn)新能源的上網(wǎng)。目前,常見的蓄能技術(shù)主要包括固體蓄能、液體蓄能、相變材料蓄能、壓縮空氣蓄能以及抽水蓄能等，其中固體蓄能、液體蓄能、相變材料蓄能等技術(shù)主要是將電能轉(zhuǎn)換為熱能，然后熱能用于供熱，而壓縮空氣蓄能、抽水蓄能等技術(shù)主要是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能[2]。

各電廠發(fā)電通過電網(wǎng)向用戶輸送，在電負(fù)荷和熱負(fù)荷一定的情況下，各種能源方式根據(jù)需要通過電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行分配，如果燃煤電廠上網(wǎng)電量大，勢必要減少風(fēng)電、光電的上網(wǎng)電量。光電、風(fēng)電、純凝電廠沒有自主調(diào)節(jié)能力，由于電能無法直接儲存，只能上網(wǎng)，因此當(dāng)電負(fù)荷發(fā)生變化時，這幾類電廠只能調(diào)整發(fā)電量。供熱電廠輸出有熱能和電能兩種形式，如果增加儲能設(shè)施，可以將多余的電能通過儲能設(shè)施轉(zhuǎn)變成熱能儲存起來，因此供熱電廠在用電低谷時可以減少上網(wǎng)電量，增加光電、風(fēng)電的上網(wǎng)電量，從而達(dá)到電網(wǎng)深度調(diào)峰的目的。

1.3 電蓄熱裝置原理

電蓄熱裝置由高壓電發(fā)熱體、高溫蓄能器、高溫?zé)峤粨Q器、熱輸出控制器和自動控制系統(tǒng)等構(gòu)成。在熱電解耦時間，通過高壓電網(wǎng)為高壓電發(fā)熱體供電，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，經(jīng)過高溫?zé)峤粨Q器用高溫蓄能器儲存的熱能來加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。電蓄熱裝置由耐火磚塊砌筑而成，耐火砌磚上設(shè)有若干個縱向貫穿孔洞和橫向貫穿孔洞，電源接通后，穿插在耐火砌磚塊貫穿孔洞中的電熱絲開始發(fā)熱。電加熱單元是由一種特殊合金制作的串并聯(lián)電加熱組，利用電阻原理把電能轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮?，把熱量傳給由耐火磚塊所砌成的蓄熱裝置。溫度達(dá)到預(yù)定值時，溫度測量器將信號傳給控制裝置，使電源斷開，保溫材料把蓄熱裝置所得到的熱量儲存起來，當(dāng)需要釋放熱量時，啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)，使空氣通過保溫材料的縫隙進(jìn)入耐火材料的貫穿孔洞中，空氣溫度提高后被抽到循環(huán)風(fēng)機(jī)中循環(huán)流動，熱空氣通過換熱裝置把熱量傳給換熱裝置中的熱網(wǎng)循環(huán)水。

1.4 電蓄熱裝置的實際應(yīng)用

丹東金山熱電有限公司確定總體技術(shù)路線采用高電壓固體電蓄熱專利技術(shù)，公司投資建設(shè)一套260 MW電蓄熱裝置，電源采用220/66 kV電壓等級。電蓄熱裝置主要在供熱期用電，冬季供熱期在夜間負(fù)荷低谷時期運(yùn)行，利用電能加熱蓄熱7 h(22：00—05:00)，白天蓄熱裝置停止用電，僅靠蓄熱可以滿足白天供熱需求。在電網(wǎng)需要調(diào)峰時，省電力調(diào)度中心可以通過自動控制系統(tǒng)遠(yuǎn)方接通電蓄熱裝置高壓開關(guān)(省電力調(diào)度中心可以根據(jù)實際情況投入該公司全部或任意一臺電蓄熱器)，此時電蓄熱裝置將電能轉(zhuǎn)換為熱能并被高溫蓄能體不斷吸收，當(dāng)高溫蓄熱體的溫度達(dá)到設(shè)定的上限值或電網(wǎng)調(diào)峰結(jié)束時，切斷高壓開關(guān)。

在電網(wǎng)低谷調(diào)峰時段或風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)電時段，吸收電廠的發(fā)電電力，轉(zhuǎn)化成熱能補(bǔ)充電廠熱網(wǎng)供熱，多余熱能可以儲存起來，在需要時補(bǔ)充到熱網(wǎng)。電蓄熱鍋爐的輔助供熱使發(fā)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)熱電解耦，突破最小運(yùn)行方式減出力，在發(fā)電機(jī)減出力和電蓄熱鍋爐用電的雙重作用下，可使全廠對電網(wǎng)輸出電量基本為零。一方面，為核電、風(fēng)電等清潔能源讓出了上網(wǎng)空間；另一方面，通過參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場，使電廠不但不再分?jǐn)傉{(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)用，而且還能贏得調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償收入。

2 電蓄熱裝置效益

2.1 電蓄熱裝置對熱網(wǎng)的影響

丹東金山熱電有限公司于2009年9月開工新建2臺300 MW亞臨界一次中間再熱供熱機(jī)組，于2012年12月相繼投產(chǎn)并轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)營。單臺機(jī)組設(shè)計最大抽汽流量為600 t/h，平均采暖抽汽流量為550 t/h，額定采暖抽汽流量為340 t/h，采暖抽汽壓力可調(diào)整，最大采暖抽汽壓力為0.49 MPa(絕對壓力)。熱網(wǎng)首站供熱蒸汽采用單元制，每臺機(jī)組設(shè)置2臺換熱面積為2 800 m2的臥式高效汽水熱交換器。該公司于2015年進(jìn)行了供熱系統(tǒng)改造，安裝了6臺單機(jī)容量為52.3 MW的蒸汽驅(qū)動溴化鋰吸收式熱泵，回收#1機(jī)組循環(huán)水余熱130.91 MW。新建260 MW固體電蓄熱裝置接引在廠區(qū)內(nèi)城市熱網(wǎng)供水主管道上，將熱網(wǎng)回水經(jīng)熱泵系統(tǒng)一次加熱后進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器二次加熱，再經(jīng)固體電蓄熱裝置三次加熱供給熱用戶。260 MW電蓄熱裝置每天蓄熱7 h，可24 h放熱，按95%的設(shè)備效率考慮，固體蓄熱電鍋爐的供熱能力為72 MW，因此，在采暖抽汽供熱能力不變的情況下可增大電廠的供熱能力72 MW，按照49 W/m2熱負(fù)荷指標(biāo)計算，可增加供熱面積147萬m2。

2.2 電蓄熱裝置對公司發(fā)電量的影響

新建260 MW 固體蓄熱裝置利用峰谷電通過固體電蓄熱爐將電能轉(zhuǎn)換為熱能用于城市供熱，按照供暖期150 d、每天蓄熱7 h考慮，可實現(xiàn)雙機(jī)54%額定負(fù)荷(600 MW)即324 MW運(yùn)行時上網(wǎng)電量為0，因此年最大調(diào)峰電量為340.22 GW·h，由于調(diào)峰電量不占電廠的上網(wǎng)負(fù)荷指標(biāo)，因此，扣除廠用電后電廠可增加上網(wǎng)電量273.02 GW·h。

2.3 電蓄熱裝置對遼寧電網(wǎng)系統(tǒng)的影響

80 MW占遼寧電網(wǎng)裝機(jī)總量 43.22 GW的0.19%左右，事故情況下即80 MW負(fù)荷失去的情況下，對電網(wǎng)的潮流分布及暫態(tài)穩(wěn)定性影響很小，電廠通過自動發(fā)電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)系統(tǒng)對機(jī)組出力進(jìn)行調(diào)整，能夠及時調(diào)整電網(wǎng)的電力平衡及電壓水平，對廠網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行不會產(chǎn)生不利影響，反而增大的調(diào)峰能力有利于提高機(jī)組總體發(fā)電量，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

3 電蓄熱裝置創(chuàng)新點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)

3.1 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

大功率發(fā)熱技術(shù)：將高電壓(66 kV)直接引入發(fā)熱體，解決了超大功率供熱的難題。高密度熱存儲技術(shù)：采用能耐1 500 ℃以上高溫的高密度、高熱容蓄熱材料，并制成高溫蓄熱體(鎂磚)，這種高溫蓄熱體由合理配比的無機(jī)鹽合成材料加工成形，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)定性、定型，具有體積小、熱容量大、儲熱能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、熱量釋放穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。水電分離技術(shù)：高溫蓄熱體與熱水輸出裝置之間沒有直接關(guān)聯(lián)，由于供電加熱電路與蓄熱體是相互分離的，充分保證了設(shè)備在各種場合的安全運(yùn)行，解決了高壓絕緣問題。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)

電蓄熱裝置由于容量大、電壓等級高，無論投入、切除都是滿負(fù)荷，裝置在設(shè)計上均不具備負(fù)荷調(diào)整功能，分合閘操作時對66 kV母線有沖擊，易產(chǎn)生諧振過電壓現(xiàn)象。為此，停機(jī)后將增加諧振裝置，同時積極與調(diào)度溝通，適當(dāng)延長電蓄熱切換時間，減少諧振問題。

4 電蓄熱裝置應(yīng)用收益分析

2017年2月28日—3月31日，電蓄熱裝置投運(yùn)1個月，遼寧電網(wǎng)棄風(fēng)現(xiàn)象得到了有效緩解，棄風(fēng)率非常低，累計減少上網(wǎng)電量25.63 GW·h，為清潔能源發(fā)電騰出25.63 GW·h發(fā)電空間。電蓄熱鍋爐投運(yùn)后，供熱初末期熱網(wǎng)運(yùn)行方式可實現(xiàn)熱泵帶熱網(wǎng)一期負(fù)荷，電蓄熱鍋爐帶熱網(wǎng)二期負(fù)荷，熱網(wǎng)加熱器作為尖峰備用。經(jīng)測算，丹東金山熱電有限公司260 MW電蓄熱裝置投運(yùn)后相當(dāng)于拆除29臺10 t/h小燃煤鍋爐，一年可減少標(biāo)煤消耗10.00萬t、二氧化碳排放26.21萬t、二氧化硫排放0.24萬t、粉塵排放7.51萬t、氮氧化物排放0.07萬t。電蓄熱參與調(diào)峰5個月，獲得經(jīng)濟(jì)收入815.82萬元。