采用電極鍋爐蓄能的調(diào)峰方法經(jīng)濟(jì)性分析

孫萌萌，王 雷

（沈陽工程學(xué)院a.研究生院；b.國際教育學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

近年來，東北地區(qū)電力系統(tǒng)出現(xiàn)較嚴(yán)重的供大于求的局面，煤電行業(yè)利用小時(shí)數(shù)逐年下降，但裝機(jī)規(guī)模卻逐年增長，電力消納及系統(tǒng)存在調(diào)峰困難。調(diào)峰困難是東北電力系統(tǒng)面臨的首要問題，供熱期調(diào)峰缺口已經(jīng)常態(tài)化存在，給調(diào)度運(yùn)行帶來巨大壓力。東北能源監(jiān)管局對(duì)市場規(guī)則做了進(jìn)一步調(diào)整，鼓勵(lì)供熱電廠（也可引進(jìn)第三方）投資建設(shè)儲(chǔ)能調(diào)峰設(shè)施，同等條件下優(yōu)先調(diào)用其調(diào)峰資源，并在深度調(diào)峰交易中抵減機(jī)組發(fā)電出力。

某電廠為了提升電力消納空間，采用電極鍋爐蓄能調(diào)峰，在解決部分地區(qū)采暖問題的同時(shí)，消納電廠供暖期中期的出力。此種蓄能調(diào)峰［1-3］方法在采暖期間具有較強(qiáng)的移峰填谷能力，其推廣應(yīng)用必將成為新的電力需求側(cè)管理資源，大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用，且對(duì)于緩解冬季電網(wǎng)峰谷差具有重要意義。

1 采用電極鍋爐蓄能的調(diào)峰原理

1.1 電極鍋爐設(shè)備簡介

電極式熱水鍋爐系統(tǒng)主要由電極式鍋爐、循環(huán)水泵、定壓補(bǔ)水設(shè)備以及換熱器等設(shè)備組成［4-5］。電極式熱水鍋爐利用插入水中的電極對(duì)水進(jìn)行直接加熱，是將電能轉(zhuǎn)化成熱能并將熱能傳遞給介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換裝置。電流通過電極與水接觸產(chǎn)生熱量，使介質(zhì)（水）由低溫升至高溫，再由循環(huán)水泵送到熱用戶，釋放能量，介質(zhì)（水）再由高溫降至低溫，返回電極鍋爐，如此往復(fù)保持熱量平衡。

1.2 調(diào)峰原理

電極鍋爐自身并不具備蓄熱能力，通常配置熱水儲(chǔ)熱系統(tǒng)作為其蓄熱裝置。電極鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量能夠以熱網(wǎng)循環(huán)水的形式存儲(chǔ)在熱水儲(chǔ)熱罐中，并在熱網(wǎng)有需要時(shí)對(duì)外放出［6］。電極鍋爐所用電能來自機(jī)組發(fā)電。由于電極鍋爐消耗了部分電量，因此機(jī)組在供熱期間的實(shí)際發(fā)電負(fù)荷可以不用降至過低；在機(jī)組保持較高發(fā)電負(fù)荷的同時(shí)，采暖抽汽供熱能力不至于降至過低，加上電極鍋爐補(bǔ)充的部分熱量，仍然能夠滿足熱網(wǎng)熱負(fù)荷的需求，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的深度調(diào)峰熱電解耦［7］。

2 增設(shè)電極鍋爐后的供熱系統(tǒng)改造

某廠原采暖供熱系統(tǒng)熱力網(wǎng)采用高溫?zé)崴鳛楣峤橘|(zhì)，系統(tǒng)為“三環(huán)制”間接連接方案。電廠內(nèi)設(shè)置熱網(wǎng)首站，用蒸汽加熱熱網(wǎng)水的汽水換熱器設(shè)在熱網(wǎng)首站內(nèi)，該換熱器采用一級(jí)換熱方式。熱水網(wǎng)由二環(huán)網(wǎng)和三環(huán)網(wǎng)兩部分組成，二環(huán)網(wǎng)為高溫水系統(tǒng)，三環(huán)網(wǎng)為低溫水系統(tǒng)，兩部分管網(wǎng)通過在廠外的各個(gè)熱力站連接起來。熱水網(wǎng)主干由電廠內(nèi)熱網(wǎng)首站引出，供水最高溫度為115℃，回水溫度為55℃，二環(huán)熱水網(wǎng)接至供熱區(qū)域內(nèi)各個(gè)熱力站，利用熱力站中的水-水換熱器加熱三環(huán)熱水網(wǎng)。三環(huán)熱水網(wǎng)與各個(gè)熱用戶相連（供水最高溫度為75℃，回水溫度為50℃）。增設(shè)電極鍋爐裝置與原有熱網(wǎng)首站系統(tǒng)并聯(lián)，即一路二環(huán)熱水網(wǎng)55℃的回水先進(jìn)入電極鍋爐，加熱至115℃后向市區(qū)供熱。當(dāng)電極鍋爐故障或不用時(shí)，可以與原系統(tǒng)斷開。采暖供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 采暖供熱系統(tǒng)

3 電極鍋爐臺(tái)數(shù)選擇計(jì)算與經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 計(jì)算背景簡介

該廠采暖期時(shí)有3臺(tái)機(jī)組參與供熱，其中8#、9#機(jī)為300 MW抽凝式機(jī)組，在供熱期最大采暖抽汽工況下，鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷對(duì)應(yīng)電負(fù)荷約為120 MW，查300 MW機(jī)組汽輪機(jī)熱平衡圖，此時(shí)供熱抽汽約為210 t/h，供熱量為522 GJ/h。6#機(jī)組為210 MW光軸改造機(jī)組，根據(jù)機(jī)組改造后的性能試驗(yàn)，最低穩(wěn)燃負(fù)荷為90 MW，此時(shí)中排抽汽流量為308 t/h，供熱量為755 GJ/h。熱用戶端供熱中期平均供熱量需求為3 300 GJ/h，需要供熱能力為917 MW，極寒天氣（45 d）供熱量為3 491 GJ/h，需要供熱能力為970 MW。

根據(jù)國家相關(guān)政策，機(jī)組鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷最低時(shí)若滿足采暖期要求則不需要調(diào)峰且獲得補(bǔ)償最多。所以，為了獲得較大的調(diào)峰補(bǔ)償收益，該廠采用增設(shè)電極鍋爐裝置與原有熱網(wǎng)首站系統(tǒng)并聯(lián)調(diào)峰方式，8#、9#機(jī)組保持在最低穩(wěn)燃的40%負(fù)荷工況參與供熱，僅用6#機(jī)組與電極鍋爐配合進(jìn)行并聯(lián)，參與調(diào)峰。6#機(jī)組調(diào)峰過程相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 6#機(jī)組不同負(fù)荷工況下基本參數(shù)

續(xù)表

3.2 電極鍋爐臺(tái)數(shù)選擇計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件

根據(jù)電極鍋爐設(shè)備的調(diào)峰原理，為了滿足熱負(fù)荷增加的需要，必須增加機(jī)組負(fù)荷，增大抽汽參數(shù)，但同時(shí)增加了發(fā)電量和調(diào)峰的困難程度。而電極鍋爐的個(gè)數(shù)決定著電量的消耗能力和熱網(wǎng)熱量的大?。簜€(gè)數(shù)少，會(huì)使電量消耗能力下降，熱網(wǎng)熱量供應(yīng)不足；個(gè)數(shù)太多，會(huì)使機(jī)組負(fù)荷過高，調(diào)峰補(bǔ)償收益減少。

整個(gè)電廠的供熱機(jī)組合計(jì)供熱量Qh為

參與供熱的每臺(tái)機(jī)組的抽汽供熱量Qi為

式中，Gi為熱網(wǎng)循環(huán)水流量；h1為飽和水焓值；h2為供熱蒸汽焓值。

參與供熱的電極鍋爐的供熱量Qd為

式中，Pd為參與供熱的單臺(tái)電極鍋爐耗電量。

滿足最大供熱量的電極鍋爐臺(tái)數(shù)n1為

式中，Q0是熱用戶所需的供熱量。

供熱機(jī)組合計(jì)發(fā)電量Ph為

式中，Pax為廠用電量。

由發(fā)電量得到的鍋爐臺(tái)數(shù)n2為

因此，為了滿足Qh＞Q0、Ph最?。ǐ@得補(bǔ)償最多）的情況，需計(jì)算min( )n1,n2。

3.2.2 計(jì)算實(shí)例

1） 最低穩(wěn)燃負(fù)荷工況

當(dāng)鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷最低時(shí)，若滿足采暖期要求則不需要調(diào)峰且獲得補(bǔ)償最多，即min( )n1,n2。在3臺(tái)機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷下，3臺(tái)供熱機(jī)組合計(jì)供熱量為

3臺(tái)機(jī)組電負(fù)荷為

按照廠用電率為18%考慮，廠用電負(fù)荷為60 MW，電極鍋爐匹配的容量為

電極鍋爐供熱量為

3臺(tái)機(jī)組與電極鍋爐的總供熱量為

采暖中期的供熱量為Q0=3 300 GJ/h，且Qh＜Q0，不能滿足采暖期需求，故對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰。8#和9#機(jī)最低穩(wěn)燃發(fā)電負(fù)荷是120 MW，采暖期負(fù)荷率為40%，當(dāng)負(fù)荷率不大于40%時(shí)獲得國家補(bǔ)償最多，收入最高。因此，采用6#機(jī)與電極鍋爐配合進(jìn)行調(diào)峰。

2） 不同工況下電極鍋爐臺(tái)數(shù)計(jì)算

以6#機(jī)組調(diào)峰到71.4%的負(fù)荷工況的計(jì)算過程為例。保持8#和9#機(jī)組最低穩(wěn)燃負(fù)荷為120 MW不變，每臺(tái)機(jī)組供熱量為522 GJ/h，由表1數(shù)據(jù)和公式（2）算得6#機(jī)組的供熱量為

Qd=466.66×( )2 880.9-475.375/1000

=1 122.562 GJ/h

三臺(tái)機(jī)組的供熱量為

此時(shí)電廠總供電負(fù)荷為

考慮廠用電率為18%，廠用電負(fù)荷為

390.072 ×0.18=70.204 MW

電極鍋爐用電負(fù)荷為

則電極鍋爐匹配容量是320 MW，供熱量為

此時(shí)，電廠的總供熱量為3臺(tái)機(jī)組的供熱能力和電極鍋爐供熱能力之和，即

供熱中期的供熱量為Q0=3 300 GJ/h，Qh＞Q0，滿足供熱中期的要求。所以

最終確定電極鍋爐數(shù)量為8臺(tái)。

其他工況下，電極鍋爐臺(tái)數(shù)及供熱量計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 6#機(jī)不同負(fù)荷工況下基本參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)6#機(jī)組把負(fù)荷提高到150.027 MW，采暖期負(fù)荷率為71.4%時(shí)，該廠的8#和9#機(jī)組發(fā)電負(fù)荷是120 MW，采暖期負(fù)荷率為40%。根據(jù)東北電力補(bǔ)貼報(bào)價(jià)范圍，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在采暖期負(fù)荷率不大于40%時(shí)，能夠獲得0.4元/（kW·h）～1元/（kW·h）［1］的收益，且深度調(diào)峰負(fù)荷越低，收入越高，故6#機(jī)組負(fù)荷率超過補(bǔ)償范圍，而8#和9#機(jī)組負(fù)荷率在補(bǔ)償范圍內(nèi)?？傮w來看，3臺(tái)機(jī)組不僅能獲得補(bǔ)償，同時(shí)也滿足采暖期供熱要求。因此，可以確定電極鍋爐的裝機(jī)容量為320 MW。

4 結(jié)論

1）該廠采暖期只運(yùn)行8#、9#和6#機(jī)組，同時(shí)增加電極鍋爐蓄能設(shè)備后，對(duì)8#和9#機(jī)組不進(jìn)行調(diào)峰，只對(duì)6#機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰，既能滿足采暖期的供熱要求，又能使該廠的經(jīng)濟(jì)收益最大化。

2）該廠最終確定采用8臺(tái)40 MW電極鍋爐，同時(shí)確定6#、8#和9#這3臺(tái)機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷率分別為71.4%、40%和40%，在此負(fù)荷工況下，3臺(tái)機(jī)組的供熱量總和為2 166.562 GJ/h，電極鍋爐的供熱量總和為1 151.363 GJ/h，該廠總供熱量為3 317.925 GJ/h，大于采暖中期的供熱量（3 300 GJ/h），可以滿足采暖期的基本要求。