安 寧,葉 鵬,關多嬌,李家玨,張 濤
(1.沈陽工程學院a.研究生部;b.電力學院,遼寧 沈陽 110136;2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院,遼寧 沈陽 110006)
近年來,我國風電裝機容量和并網(wǎng)規(guī)模不斷增大,其中“三北”(東北、華北、西北)地區(qū)出現(xiàn)了嚴重的棄風現(xiàn)象。從國家能源局發(fā)布的最新信息來看,2017年我國棄風現(xiàn)象主要集中在東北、西北、華北地區(qū),其中較為嚴重的省份是甘肅、新疆、吉林和內(nèi)蒙古,棄風率分別高達43%、38%、30%和21%。發(fā)生該現(xiàn)象的一個主要原因就是熱電機組在冬季供暖期因供暖需求進而引發(fā)系統(tǒng)調(diào)峰能力急劇下降[1-2]?!叭薄钡貐^(qū)由于氣候原因,電源以熱電聯(lián)產(chǎn)機組為主,調(diào)峰能力不足,為響應供暖期熱負荷需求,熱電機組采用“以熱定電”機制,發(fā)電出力與供熱出力具有耦合關系,最小發(fā)電出力提高,系統(tǒng)調(diào)峰能力不足矛盾加劇。
因此,以電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定為基礎,分析電熱耦合特性,科學解耦,合理優(yōu)化調(diào)度,提升系統(tǒng)調(diào)峰能力,實現(xiàn)節(jié)能減排與新能源消納是急需解決的問題。從目前來看,實現(xiàn)熱電解耦,可以通過增設電鍋爐、儲熱裝置解除“以熱定電”機制的約束;而對于電能與熱能的綜合電網(wǎng)調(diào)度,可采用滾動調(diào)度提高電網(wǎng)調(diào)峰能力;研究控制抽汽量的手段以改變機組調(diào)峰容量,深度挖掘機組調(diào)峰能力,以煤耗等為指標,合理分配電熱負荷,優(yōu)化系統(tǒng)分配[3-7]。本文對國內(nèi)外研究及應用現(xiàn)況進行總結,從兩個角度進行概述:一是設備方面,通過增設儲熱等裝置改善機組調(diào)峰能力;二是調(diào)度方面,從系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度層面,深度開發(fā)系統(tǒng)調(diào)峰潛能及未來所需研究。
目前國內(nèi)主要應用的熱電機組分為背壓式和抽汽式[4]。
背壓式汽輪機完成做功的低壓氣體可以用于工業(yè)應用及供熱,雖然損耗較小,但電功率取決于熱功率的大小,呈線性關系,不具備調(diào)節(jié)能力。因此,供熱機組一般為抽汽式汽輪機,該機型將中程部分高溫高壓蒸汽抽出用于滿足熱負荷需求,如圖1所示,AB、CD分別表示最大、最小發(fā)電出力時的運行關系。對于確定的熱功率h,其電功率位于PE和PF間,可以進行調(diào)節(jié),但隨著抽汽量的提升,發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍變小,機組調(diào)峰能力下降。
圖1 抽汽式機組電熱特性曲線
我國華北、西北、東北地區(qū)的冬季供暖期較長,熱電聯(lián)產(chǎn)機組可以同時滿足用戶供電及供熱需求,并且具有高效節(jié)能等優(yōu)勢,因而被廣泛應用,在北方供暖地區(qū)的發(fā)電結構中占有相當重要的地位。由于熱電機組在供熱方面扮演主要角色,必須優(yōu)先滿足供熱需求,因此出現(xiàn)的“以熱定電”機制約束了系統(tǒng)的運行,會降低供暖期間機組的調(diào)峰能力,甚至無法參與調(diào)峰。為了充分發(fā)揮機組調(diào)峰能力,實現(xiàn)節(jié)能減排與風電等的新能源消納,需要科學合理解耦,緩解電熱供應矛盾。
從當前研究狀況來看,可以通過兩種方法提高熱電機組調(diào)峰能力:第一是對熱電機組本身進行結構修整,例如補償供熱和深度調(diào)峰技術等[8];第二是增設電熱耦合設備提升機組調(diào)峰能力,如電鍋爐、儲熱裝置、熱泵等。
在發(fā)電機處或用戶端,加設電鍋爐,將電能轉(zhuǎn)化為動能,分攤部分熱負荷,同時可為風電等新能源提供消納空間。含電鍋爐的電熱系統(tǒng)結構如圖2所示。
圖2 含電鍋爐的電熱系統(tǒng)結構
采用電鍋爐可以將熱負荷轉(zhuǎn)化為電負荷,從而實現(xiàn)熱電機組夜間熱負荷的降低,進而減少因供熱產(chǎn)生的必要發(fā)電來解耦“以熱定電”的約束。熱電機組采用電鍋爐后,一方面由電鍋爐額外產(chǎn)熱,可以提升等效最大供熱功率,更好地完成供熱任務;另一方面在同等的供熱需求條件下可以降低最小發(fā)電出力,以上兩方面增大了機組的工作區(qū)域。最小發(fā)電出力降低的原因:一是電鍋爐自身消耗電量;二是在同等的供熱需求條件下,電鍋爐將電能轉(zhuǎn)化為動能,分攤部分熱負荷,減少產(chǎn)熱抽汽量,進而減少熱電機組供熱量和最小發(fā)電出力。國內(nèi)外對增設電鍋爐的電熱綜合調(diào)度已有了不少研究。文獻[9-11]通過增加電鍋爐來解耦“以熱定電”的約束,把電鍋爐與熱電機組當成一個整體來建立調(diào)度模型,以煤耗率或其他經(jīng)濟參數(shù)為指標,可以充分減少生產(chǎn)成本。還有學者提出在二級熱網(wǎng)增設電鍋爐的調(diào)峰方法,通過兩級熱網(wǎng)間的平衡建立方程,進而建立電鍋爐的開閉控制調(diào)峰模型,削減熱電機組的熱負荷峰值并且提高電網(wǎng)負荷谷值,平緩峰谷,提高電網(wǎng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟性,同時擴大新能源消納空間。分別在發(fā)電機處和用戶端加設電熱鍋爐供暖,建立電熱聯(lián)合調(diào)度模型,在用戶端使用電鍋爐供暖相比于傳統(tǒng)燃煤鍋爐,僅僅增加了系統(tǒng)全時段的電負荷,相比發(fā)電機處加設電鍋爐方案,調(diào)峰能力與經(jīng)濟性相對較差。
采用增設電鍋爐供暖方案具有以下幾個優(yōu)勢:
1)電鍋爐結構輕簡、成本很低,與此同時能量轉(zhuǎn)換效率大大超出傳統(tǒng)燃煤鍋爐(傳統(tǒng)燃煤鍋爐的效率為60%~80%,普通電鍋爐的效率為95%,大型電極式電鍋爐的效率為高達99%);
2)電鍋爐具有靈活調(diào)節(jié)性,無論是通過改變電流大小還是電熱棒插入方式都可以改變功率;
3)對于用戶端和二級熱網(wǎng)的鍋爐,啟停及調(diào)整發(fā)熱功率的方式靈活,可以充分響應熱負荷的波動變化,保證供熱穩(wěn)定。
電鍋爐產(chǎn)生的額外電負荷剛好可以解決風電等新能源的上網(wǎng)難題,同時減少煤耗成本,更為經(jīng)濟,非常適合我國“三北”地區(qū)冬季供暖期間棄風嚴重的狀況;但對于其他地區(qū)則相反,可能會增加煤耗,同時電廠發(fā)電量降低,效益減少而又缺少相應的激勵政策,實際應用效果并不理想。
熱泵可以充分利用低品位熱能,以逆循環(huán)方式迫使熱量從低溫物體流向高溫物體,可提供較大熱量而只消耗較少逆循環(huán)凈功,可以有效地把難以應用的低品位熱能利用起來,高效節(jié)能,可以從常見低溫熱源(自然界的空氣、水或土壤等)吸熱后充當高溫熱源再滿足熱負荷需求。增設熱泵的原理和增設電鍋爐相似,都是將熱負荷轉(zhuǎn)化為電負荷,從而實現(xiàn)熱電機組夜間熱負荷的降低,進而減少因供熱產(chǎn)生的必要發(fā)電來解耦“以熱定電”的約束。相比于電熱鍋爐,熱泵具有更高的電熱轉(zhuǎn)換效率。熱泵主要分為兩種:集中式熱泵和分布式熱泵。前者主要應用于發(fā)電廠,后者主要應用于用戶端。對增設熱泵的電熱聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng),有學者提出了一種通過電熱相互轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)高效節(jié)能的調(diào)度方法,建立增設熱泵機組模型,仿真實驗結果驗證了該方法的可行性,可以提高熱電機組發(fā)電效率,節(jié)能經(jīng)濟。用一體化手段將熱電機組、集中式熱泵和分布式熱泵整合建模,在以不影響用戶應有的供熱需求前提下,改變系統(tǒng)電熱功率分配,減小發(fā)電出力,同時發(fā)電成本較低的風電可以并網(wǎng)使用,一定程度上解決了棄風問題。增設熱泵使用余熱供暖也是一種可行的方法,將傳統(tǒng)火力發(fā)電冷凝循環(huán)系統(tǒng)中的余熱提出,進行供暖。國外廣泛應用的是分布式熱泵,德國在用戶住宅中增設熱泵,并且與發(fā)電廠聯(lián)合運行,該方法可有效平緩新能源發(fā)電的波動性[12-16]。
增設熱泵具有如下優(yōu)勢:熱泵和電鍋爐相似,能夠分擔熱電機組供熱要求,更加高效,降低煤耗率,經(jīng)濟環(huán)保。但不足的是增設熱泵的投入成本大于增設電鍋爐的投入成本,在熱泵容量達到一定程度時,即使是熱泵有著相當高的供熱效率,熱電機組的運行基本脫離“以熱定電”的約束,熱泵失去了供熱效率高的優(yōu)勢,其調(diào)峰能力及新能源消納能力與低成本的電鍋爐持平。同時,分布式熱泵的應用需要有遠程調(diào)控系統(tǒng)的支持,想要投入實際生產(chǎn)還需對當前智能電網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)進行升級。
通過在發(fā)電機側(cè)增設儲熱裝置,可以實現(xiàn)電熱解耦,擺脫“以熱定電”的束縛,能夠明顯提升熱電機組調(diào)峰能力,為新能源上網(wǎng)提供空間,維持電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。在用戶側(cè)增設儲熱裝置,一方面可以滿足用戶的供熱需求,減少熱電機組供熱壓力;另一方面可以使用價格低廉的風電等。不但增加了各地區(qū)的用電負荷,提高相關聯(lián)的熱電機組調(diào)峰能力,而且使用清潔能源環(huán)境友好,讓其發(fā)展前景更為廣闊。熱電機組增設儲熱裝置,其作用與建立抽水蓄能電站相同,都能夠平緩負荷峰谷波動,維持系統(tǒng)穩(wěn)定。圖3展示了含儲熱的電熱系統(tǒng)結構,其在用電高峰時段利用棄風電量儲熱,而在用電負荷低谷時放熱,減少熱電機組出力,減少供熱成本。
圖3 含儲熱的電熱系統(tǒng)結構
熱電機組增設儲熱裝置后,二者聯(lián)合運行,能夠有效地提高熱電機組調(diào)峰能力,其電熱特性如圖4所示。傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組在加裝儲熱裝置后,其電熱運行特性將發(fā)生較大改變,由圖1中的ABCD區(qū)間轉(zhuǎn)變?yōu)锳JKLMN區(qū)間。在相同供熱功率時,不考慮上限的變化,電功率調(diào)節(jié)區(qū)間將擴大,調(diào)峰能力顯著提升。相比于原本的熱電機組:首先儲熱裝置放熱提升了機組的最大供熱能力;其次同等供熱需求前提下,最小發(fā)電出力降低,與電鍋爐和熱泵手段相比,儲熱裝置放熱不額外消耗電能,緩解熱電機組供熱壓力,減少抽汽量,解除“以熱定電”的束縛,提升最大發(fā)電功率及機組的備用容量。因此,增設儲熱裝置有著十分重要的應用價值。
目前,熱電機組增設儲熱裝置的應用已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的廣泛關注。在現(xiàn)貨市場條件下的德國,通過增設CHP和合適容量的儲熱裝置,大幅提升熱電機組效益。學者們首先分析了儲熱裝置削峰填谷提升調(diào)峰能力的原理,建立了風電、熱電及儲熱裝置的聯(lián)合調(diào)度模型,以煤耗率為指標,檢驗引入風電和儲熱裝置機組的經(jīng)濟性。同時,將風電的不確定性影響以及儲熱裝置的放熱特性加以考慮,為解決電熱聯(lián)合調(diào)度問題提出了一種雙線性模型調(diào)度方式[17-20]。
增設儲熱裝置后,可以提升熱電機組最大供熱能力,降低機組煤耗的同時提升調(diào)峰能力,利于風電上網(wǎng),而且不需要大幅調(diào)整現(xiàn)有的電網(wǎng)調(diào)度和通信手段。但是,基于儲熱裝置的儲熱容量及放熱功率,一旦機組的供熱負荷出現(xiàn)極限量(包括極大和極?。鲈O儲熱裝置解耦電熱效果變差,而且熱電機組增設儲熱設備需要加大建設投資和運行維護成本,影響了該方式的實際應用效果。對于我國供熱面積大、需大量集中供熱等特點,儲熱裝置的容量、成本、可靠性等問題還需進一步討論研究。
圖4 含儲熱的熱電機組特性曲線
為了增加機組調(diào)峰能力,增加風電上網(wǎng)空間,提高發(fā)電經(jīng)濟性,不僅可以增設電熱耦合設備解除熱電機組“以熱定電”的約束,還可以采取精益化調(diào)度措施,挖掘系統(tǒng)的調(diào)峰潛力?;谡{(diào)度系統(tǒng)設備的精細化建模,綜合分析發(fā)電廠、輸電網(wǎng)、負荷特性,建立協(xié)調(diào)控制模型,利用調(diào)度設備完成精益化調(diào)度。
當物體所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化,物體本身溫度變化遲滯于環(huán)境溫度變化,滯后程度與固體物本身的比熱容和質(zhì)量有關。這種溫度變化的滯后性稱作熱慣性。居民建筑和供熱網(wǎng)也具有熱慣性,居民供熱需求由每天幾個時段供熱量累積而滿足,熱量供求關系不必一定相等,允許存在一定程度內(nèi)的不匹配,把這種供熱特性叫做供熱系統(tǒng)的熱遲滯性。供熱系統(tǒng)的熱遲滯性,可以使熱電機組在部分時段減少抽汽量,降低最小出力,提升機組調(diào)峰能力,擴大風電上網(wǎng)空間?;诠峋W(wǎng)的熱慣性,有研究者提出了一種電力調(diào)度系統(tǒng)、供熱調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行方式,仿真結果減輕了供電與供熱間的相互約束,但實際應用中還是要以居民供暖的質(zhì)量為根本,一定程度上減弱了該方法的效益。還有學者基于居民建筑的熱慣性,建立電熱協(xié)調(diào)調(diào)度模型,實驗結果表明,系統(tǒng)的靈活性、調(diào)峰能力提升,可以引入更多風電,降低電廠燃煤成本。上述的研究都能不同程度地緩解熱電沖突矛盾,提升調(diào)峰能力,擴大風電上網(wǎng)空間,更為經(jīng)濟環(huán)保。因此,系統(tǒng)熱慣性有著不錯的研究前景[21-23]。
為解除電熱耦合約束,可通過將水電、火電、核電、抽水蓄能機組等電源與熱電、風電協(xié)調(diào)調(diào)度,在保障供熱的基礎上提升系統(tǒng)調(diào)峰能力。文獻[23]根據(jù)火電、熱電、風電、水電、核電以及電鍋爐、燃煤鍋爐等電、熱源形式,通過多電源聯(lián)合以及電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度,提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。文獻[24-25]建立了包含光電、風電、燃氣輪機、燃料電池等分布式電源以及電熱儲能裝置的熱電協(xié)調(diào)控制模型,通過多電源聯(lián)合調(diào)度,提升系統(tǒng)效率。
電力市場的合理引導、增設電熱耦合設備及分布式供熱已成為國外提升系統(tǒng)調(diào)峰能力的主要策略。如丹麥、芬蘭等國家,在實時電價的引導下,許多電廠通過增設電熱耦合設備來解除束縛,提升調(diào)峰能力,增加效益。在瑞典的斯德哥爾摩地區(qū),通過增設大型熱泵平衡區(qū)域間歇波動,目前正在運行約660 MW的熱泵和300 MW的電鍋爐著實提升了系統(tǒng)調(diào)峰能力,擴大了新能源消納空間[26]。丹麥熱電機組占火力發(fā)電90%,而風力發(fā)電占總發(fā)電量的20%以上,這兩項指標大大高于我國“三北”地區(qū),而丹麥電網(wǎng)預計在2020年,風電比例將提升至40%,預計在2050年,提升至60%~80%[27-29]。在國內(nèi),有關電熱耦合設備和優(yōu)化調(diào)度的實際應用遠少于現(xiàn)有研究。究其原因,雖然增設電熱耦合設備可提升系統(tǒng)調(diào)峰能力,使用低價新能源,但目前我國主要以火力發(fā)電為主,參與調(diào)峰后火電廠勢必減少發(fā)電量,導致效益降低;同時增設儲熱、電鍋爐加大投入成本卻又缺少合理的政策鼓勵,因而參與調(diào)峰積極性較低。部分地區(qū)從電網(wǎng)優(yōu)化方面進行了研究應用,冀北電網(wǎng)以智能電網(wǎng)來調(diào)控系統(tǒng),開發(fā)了熱電機組供熱監(jiān)測系統(tǒng),實時監(jiān)測并采集該地區(qū)熱電機組熱負荷、抽汽量等相關數(shù)據(jù),并依據(jù)機組電熱特性、電熱負荷要求等求得機組可調(diào)范圍,提升了冀北電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰能力[30-31]。
本文從增設設備電熱解耦和電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度兩方面對提升熱電機組調(diào)峰能力的研究成果進行了分類總結。其中,增設設備電熱解耦可直接增加系統(tǒng)調(diào)峰能力,成效顯著,但成本較高,而優(yōu)化調(diào)度著力于電源、電網(wǎng)結構下開發(fā)系統(tǒng)的調(diào)峰潛力,成本低,但效果弱于前者。國內(nèi)電廠缺乏合理激勵政策,參加調(diào)峰積極性較低,政府未來還需加強鼓勵及價格引導,實現(xiàn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保。