計(jì)及電轉(zhuǎn)氣的電氣熱混聯(lián)系統(tǒng)風(fēng)電消納研究

摘 要：傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)帶來(lái)能源浪費(fèi)以及能源效率低下等一系列問(wèn)題，綜合電-氣-熱等能源在內(nèi)的多能源聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。本文基于能源中心的概念，在能源中心中引入電轉(zhuǎn)氣（p2g）設(shè)備，對(duì)供能系統(tǒng)中計(jì)及電轉(zhuǎn)氣設(shè)備使用與否情況下系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行比較，驗(yàn)證了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)可以在電-氣-熱混聯(lián)系統(tǒng)中提高風(fēng)電的消納水平。

關(guān)鍵詞：多能源系統(tǒng)；能源中心；電轉(zhuǎn)氣；風(fēng)電消納

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.067

0 引言

隨著化石能源的過(guò)度開(kāi)采和使用，當(dāng)前存在可再生能源儲(chǔ)量不足以及環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題。深層次的原因就是當(dāng)前能源系統(tǒng)獨(dú)立規(guī)劃，如天然氣系統(tǒng)、電能系統(tǒng)、熱能系統(tǒng)等單獨(dú)從滿(mǎn)足用戶(hù)負(fù)荷需求的角度規(guī)劃，這就會(huì)帶來(lái)能源的浪費(fèi)，因?yàn)檫@三種能源在某種程度上是可以相互補(bǔ)充，相互替代的。基于此，綜合電-氣-熱在內(nèi)的多能源混聯(lián)供能系統(tǒng)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)研究的熱點(diǎn)。它是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，提高可再生能源使用效率的必經(jīng)之路。為了實(shí)現(xiàn)多種能源相互之間的聯(lián)合供能，文獻(xiàn)[1]對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)下的多能源系統(tǒng)進(jìn)行了研究說(shuō)明，介紹了實(shí)現(xiàn)多能源互聯(lián)的關(guān)鍵構(gòu)成部分，主要包括電-氣耦合組成部分，電-熱耦合組成部分等，并且還引入了多能源系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行研究中重要的一個(gè)概念，即能源中心[2]。在能源中心中可以進(jìn)行多種不同形式能源的轉(zhuǎn)化，供能側(cè)不同形式的能源經(jīng)過(guò)能源中心內(nèi)部轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)化可以得到需求側(cè)所需的能量。

1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)主要是通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行互聯(lián)，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣同時(shí)發(fā)出電能和熱能，即在此情況下，天然氣只能單一的向電能轉(zhuǎn)化，而電能卻不能向天然氣轉(zhuǎn)化。近幾年來(lái)出現(xiàn)的一種新的技術(shù)--電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，則改變了這一現(xiàn)狀。

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成氣體燃料的技術(shù)。目前主要有電能轉(zhuǎn)化成氫氣和電能轉(zhuǎn)化成甲烷兩種類(lèi)型。前者主要是電解水，后者比前者多了一步甲烷化反應(yīng)。電解水就是通過(guò)電能電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，其化學(xué)方程式如式（1）所示，目前電解水反應(yīng)的效率大約在55～75%左右。甲烷化反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)，該反應(yīng)的生成物是甲烷，也就是俗稱(chēng)的天然氣，生成的天然氣可以直接供給燃?xì)庠O(shè)備使用，也可以通過(guò)儲(chǔ)氣設(shè)備將其儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候在進(jìn)行使用，從而能夠?qū)崿F(xiàn)能量的大規(guī)模存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)距離傳輸，其化學(xué)反應(yīng)式如式（2）所示。目前，甲烷化反應(yīng)的效率約為42～58%[4]，相比于電解水的效率較低。

（1）

（2）

電轉(zhuǎn)氣技術(shù)主要用于在可再生能源發(fā)電過(guò)剩情況下消納富余的電能，一方面可以平衡可再生能源發(fā)電出力的波動(dòng)，另一方面它還能實(shí)現(xiàn)電能向天然氣的轉(zhuǎn)變，使電能和天然氣的雙向流動(dòng)變?yōu)榭赡埽瑢鹘y(tǒng)的天然氣網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步更深層次的結(jié)合在一起，基于此，電轉(zhuǎn)氣在多能源系統(tǒng)運(yùn)行中扮演著越來(lái)越重要的作用。

2 結(jié)論分析

本文采用風(fēng)電、火電和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合供給電能需求，天然氣氣源點(diǎn)供氣給燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t燃燒來(lái)供給熱能需求的方式來(lái)驗(yàn)證電轉(zhuǎn)氣設(shè)備對(duì)風(fēng)電的消納效果，相關(guān)設(shè)備的參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。圖1所示為某一地區(qū)24h電能負(fù)荷和熱能負(fù)荷的負(fù)荷曲線(xiàn)圖。

考慮兩種場(chǎng)景下風(fēng)電的消納水平，場(chǎng)景一為不考慮電轉(zhuǎn)氣裝置的使用，場(chǎng)景下為考慮電轉(zhuǎn)氣裝置的使用。風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，當(dāng)負(fù)荷水平高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電水平較低，而當(dāng)負(fù)荷水平較低時(shí)，風(fēng)力發(fā)電水平上升。兩種場(chǎng)景下風(fēng)電實(shí)際風(fēng)電出力曲線(xiàn)如下圖2所示，從圖中可以看出，在1時(shí)到8時(shí)、18時(shí)到24時(shí)，當(dāng)使用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備時(shí)，風(fēng)力實(shí)際出力曲線(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不使用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備時(shí)的出力曲線(xiàn)，這是因?yàn)?，在這兩個(gè)時(shí)段下，火電作為基荷保持不變，由風(fēng)電作為火電所不能滿(mǎn)足的電能負(fù)荷的供給，而在此時(shí)，由于處于夜間，電能負(fù)荷相對(duì)較小，風(fēng)電較大，風(fēng)電在滿(mǎn)足電能負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上還富余很多電能，此時(shí)，若未采用電轉(zhuǎn)氣裝置，則富余的風(fēng)電就將白白的浪費(fèi)掉，也就產(chǎn)生了“棄風(fēng)”的現(xiàn)象。而使用電轉(zhuǎn)氣裝置的情況下，風(fēng)電供給電負(fù)荷多余的電能可以通過(guò)電轉(zhuǎn)氣裝置轉(zhuǎn)化為天然氣，因?yàn)樘烊粴庑枰┙o燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t燃燒來(lái)滿(mǎn)足熱負(fù)荷，此時(shí)，電轉(zhuǎn)氣裝置生成的天然氣可以通過(guò)傳輸管道輸送到天然氣系統(tǒng)中進(jìn)行利用，從而減少了從氣源點(diǎn)購(gòu)買(mǎi)天然氣的量，可以減少系統(tǒng)供能的成本。而在9時(shí)到17時(shí)，此時(shí)處于白天，風(fēng)電較小，而電負(fù)荷較大，風(fēng)電和火電之和都不能滿(mǎn)足電負(fù)荷的需求量，所以風(fēng)電被全部消納，兩條曲線(xiàn)在此時(shí)重合。

燃?xì)廨啓C(jī)有兩種運(yùn)行模式，分別為“以熱定電”和“以電定熱”，本文采用的是后一種“以電定熱”的運(yùn)行方式。如圖3所示，在1時(shí)到8時(shí)、18時(shí)到24時(shí)，電轉(zhuǎn)氣裝置有功率而燃?xì)廨啓C(jī)為零，這是因?yàn)轱L(fēng)電和火電的輸出功率大于電負(fù)荷的需求，多余的風(fēng)電就通過(guò)電轉(zhuǎn)氣裝置轉(zhuǎn)化，而燃?xì)廨啓C(jī)出力為零是因?yàn)樵诖藭r(shí)不需要其發(fā)電，故其未啟動(dòng)，而此時(shí)的熱能需求全部由燃?xì)忮仩t供給，燃?xì)忮仩t消耗的天然氣一部分來(lái)自電轉(zhuǎn)氣裝置生成的，另一部分來(lái)自天然氣氣源點(diǎn)購(gòu)買(mǎi)的。9時(shí)到17時(shí)，因?yàn)樵诖藭r(shí)風(fēng)電和火電無(wú)法滿(mǎn)足電負(fù)荷的需求，這

之間有了一個(gè)缺額，此時(shí)，采用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電來(lái)補(bǔ)足這個(gè)部分，在該時(shí)段，電轉(zhuǎn)氣裝置未啟動(dòng)，輸出功率為零，而燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)發(fā)電，發(fā)電的同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)出熱能，此時(shí)熱負(fù)荷需求由燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t同時(shí)供給。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在計(jì)及能源中心的電-氣-熱混聯(lián)系統(tǒng)中考慮了電轉(zhuǎn)氣裝置的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電過(guò)剩的情況下，使用電轉(zhuǎn)氣設(shè)備可以大量的消納風(fēng)電，并將電能轉(zhuǎn)化為天然氣，從而減少用于燃燒發(fā)熱所購(gòu)買(mǎi)的天然氣成本，減少了混聯(lián)系統(tǒng)供能成本。而在風(fēng)電不足的情況下，使用“以電定熱”模式的燃?xì)廨啓C(jī)可以補(bǔ)足電負(fù)荷的缺額，同時(shí)為熱負(fù)荷的需求提供一定的熱能輸出。

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作者簡(jiǎn)介：唐春童（1993-），男，江蘇泰州人，碩士研究生，主要從事多能聯(lián)合優(yōu)化方面研究?jī)?nèi)容。