火電機組深度調(diào)峰技術(shù)的研究

劉德君

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000）

1 電極式熱水鍋爐概述

1．1 熱水鍋爐工作模式

電極式熱水鍋爐是指直熱式鍋爐，具體可分為電極熱水鍋爐和電極蒸汽鍋爐，目前，在電蓄熱調(diào)峰領(lǐng)域應(yīng)用的高壓電極鍋爐全部為電機熱水鍋爐。該設(shè)備的運行原理如下：其借助三相電極，依托水資源的高熱阻性質(zhì)，在設(shè)備內(nèi)增加電導(dǎo)率，使得爐中水加熱放電，進而將99%的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，生成一定量的蒸汽和熱水。此鍋爐系統(tǒng)包含循環(huán)水泵、電極鍋爐、換熱器、補水定壓裝置，系統(tǒng)中熱水產(chǎn)生的熱能可以借助換熱器向熱網(wǎng)完成輸送操作，進而發(fā)揮供熱的作用，還可以返回到鍋爐中進行二次吸熱操作。

圖1 電極式熱水鍋爐系統(tǒng)工作原理示意圖

通常情況下，電極熱水鍋爐功率可以在0.5%～100%進行調(diào)節(jié)，當(dāng)其處于5%～100%時，還能夠完成無極調(diào)整。在火電機組中可以獨立設(shè)置電極鍋爐系統(tǒng)，充分利用設(shè)備產(chǎn)生的電能實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)化。此外，該設(shè)備可以和儲熱水罐相互配合工作，一同為存儲熱能提供支持，獲得較高經(jīng)濟效益，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

該系統(tǒng)有占地面積小、比投資低、電熱轉(zhuǎn)換速率高、調(diào)峰響應(yīng)迅速（0～100%負荷調(diào)節(jié)時間10分鐘）和負荷線性好等特點，完全滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰調(diào)度的要求。由于換熱功率大和采用蓄熱方式，機組調(diào)峰時長和功率不受限制，可充分發(fā)揮機組調(diào)峰潛力，獲得可觀的調(diào)峰輔助服務(wù)補償收益。

1．2 電極鍋爐的特點

電極鍋爐適用電壓范圍是6～20kV，可適用電壓不穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)。

對于電極式鍋爐系統(tǒng)而言，其具有以下諸多方面的優(yōu)勢：

（1）電極鍋爐效率高達99%以上，體積較小，節(jié)省空間；

（2）可以采用10kV高壓電直供，降低變壓器初投資；

（3）運行安全穩(wěn)定可靠，沒有蒸汽換熱環(huán)節(jié)，不需要鍋爐排污；

（4）可調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差值，減少電網(wǎng)白天負荷，充分利用電網(wǎng)夜間低谷電；

（5）可無級調(diào)節(jié)，根據(jù)用戶負荷零到滿負荷功率無級調(diào)節(jié)；

（6）智能化控制程度高，出水溫度控制精度±0.5℃；

（7）封閉式設(shè)計,高壓電絕對隔離；

（8）不產(chǎn)生拉弧,保護電網(wǎng)安全；

（9）電極實際使用壽命超過30年，電鍋爐設(shè)計使用壽命40年以上。

電極式電鍋爐，該設(shè)備的工作機制是調(diào)節(jié)電鍋爐參數(shù)，進而契合熱水所產(chǎn)生的負荷。結(jié)合火電機組發(fā)電運行過程能明確鍋爐用量，原因是該設(shè)備運行需要花費一定電量。同時，因電加熱替代了原抽汽加熱，所以機組供熱抽汽量減少，可以進一步降低機組發(fā)電功率，實現(xiàn)了在上網(wǎng)功率很低的工況下仍能保證熱負荷供應(yīng)，實現(xiàn)了熱電解耦，提高了機組調(diào)峰深度。

此外，電極電鍋爐的應(yīng)用還具備以下優(yōu)勢：

（1）應(yīng)用該設(shè)備會與原火電機組相互獨立，保證其常規(guī)運行，避免出現(xiàn)邏輯控制問題。同時，機組實際發(fā)電負荷有一定的提高，機組自身發(fā)電效率及運行穩(wěn)定性也將有一定提升；

（2）工作模式較為靈活，應(yīng)用電鍋爐時，其功率可以依據(jù)熱網(wǎng)的實際負荷情況進行靈活、持續(xù)的調(diào)節(jié)，進而顯著提升工作效率；

（3）電極式電鍋爐在工作階段的空間占有面積較低，可以完成分布安裝設(shè)置；

（4）由于火電機組的實際負荷率較大，無須重點改造煙氣脫硝體系。

2 固體蓄熱技術(shù)

2．1 固體電蓄熱設(shè)備工作原理

高溫固體電蓄熱設(shè)備組成：熱交換器、保溫外殼、電發(fā)熱體、供電系統(tǒng)、儲能體等結(jié)構(gòu)。儲熱設(shè)備的主要工作內(nèi)容如下：首先，在預(yù)先設(shè)置的棄風(fēng)電、電網(wǎng)低谷階段，通過自動化控制平臺連接電源，確保電發(fā)熱體的熱量供應(yīng)。其次，借助電發(fā)熱體將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，便于被蓄熱體吸收。若蓄熱體自身溫度滿足限值，則系統(tǒng)會自動斷開開關(guān)，進而停止供電。最后，當(dāng)遇到特殊情況時可以利用熱輸出設(shè)備連接蓄熱體和熱交換器，借助交換器將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊犸L(fēng)、熱水、蒸汽，實現(xiàn)輸出應(yīng)用。

2．2 固體蓄熱調(diào)峰的原理

當(dāng)前，火電廠開展深度調(diào)峰工作的主體大部分是熱電廠，原因是該區(qū)域可以使電能向熱能轉(zhuǎn)換，用于集中供熱，純凝電廠由于沒有熱負荷，如果電能儲存再轉(zhuǎn)化成電能或者其他能量形式損失較大，因此，純凝電廠參與調(diào)峰主要是減負荷。熱電廠的運行采取“以熱定電”的方式，如果不增加儲能設(shè)備，熱電廠根據(jù)供熱量決定其發(fā)電量，而增加了儲能設(shè)施后，實現(xiàn)電廠熱能和電能的靈活存儲和轉(zhuǎn)換。

3 高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設(shè)備技術(shù)

采用“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設(shè)備”深度調(diào)峰技術(shù)可以在調(diào)峰時段，利用高壓電極熱水鍋爐消耗部分機組發(fā)電量并同時對外供熱補充熱網(wǎng)所需的供熱量的方式進行深度調(diào)峰熱電解耦。其中，高壓電極熱水鍋爐設(shè)備的運行原理是由電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并將后者傳輸至能量轉(zhuǎn)換設(shè)備中。當(dāng)水和電極接觸后，電流經(jīng)過會生成熱量，使其傳輸至介質(zhì)處，實現(xiàn)低溫介質(zhì)向高溫介質(zhì)的轉(zhuǎn)變。此外，利用板式換熱器可以將循環(huán)水泵中的熱量傳輸至用戶端，實現(xiàn)高溫介質(zhì)至低溫介質(zhì)的轉(zhuǎn)變，進而確保系統(tǒng)熱量均衡。

由于高壓電極熱水鍋爐自身并不具備蓄熱功能，所以采用部分固體蓄熱式鍋爐系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是由加熱絲、蓄熱磚塊、換熱風(fēng)機和換熱器構(gòu)成。在調(diào)峰階段系統(tǒng)內(nèi)，電熱絲會在通電后生成熱量，實現(xiàn)電能-熱能的轉(zhuǎn)變，將熱量存儲到蓄熱磚中，以緩解熱負荷對該項目調(diào)峰深度的限制，并在供熱期非調(diào)峰時段對外放出，通過換熱風(fēng)機以熱風(fēng)的方式將熱量釋放，再經(jīng)過風(fēng)水換熱器以熱水的形式輸出到供暖管網(wǎng)中，全面實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)具有電熱轉(zhuǎn)換速率高、適應(yīng)電力調(diào)峰迅速的特點?？梢詫崿F(xiàn)與原有供熱系統(tǒng)有較好的供熱源轉(zhuǎn)換和調(diào)整，采用“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設(shè)備”技術(shù)，實現(xiàn)電鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量平穩(wěn)地與主熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)進行熱量傳遞，實現(xiàn)電廠快速深度調(diào)峰的“熱電解耦”功能。

對于“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設(shè)備”而言，其具有占地面積小、投資較低、負荷響應(yīng)速度快（0～100%負荷調(diào)節(jié)時間不超過10分鐘）、熱負荷無級調(diào)節(jié)等特點，在供暖期，電網(wǎng)有深度調(diào)峰需求時，以高壓電極熱水鍋爐為主、固體蓄熱設(shè)備為輔對外供熱，同時，減低機組供熱抽汽及發(fā)電機負荷，就可以在滿足熱網(wǎng)熱負荷需求的前提下實現(xiàn)深度調(diào)峰，供熱中期，以額定調(diào)峰能力運行時，調(diào)峰時長不受限制，在近期可再生能源消納極為困難的情況下，能夠顯著解決可再生能源消納問題，也能夠獲得可觀的調(diào)峰輔助服務(wù)補償。

采用“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設(shè)備”技術(shù)提升火電靈活性具有以下優(yōu)點：

（1）系統(tǒng)工作模式便捷，鍋爐的實際功率可以結(jié)合具體情況完成持續(xù)調(diào)節(jié)，進而提升系統(tǒng)工作質(zhì)量；

（2）與原有機組相對獨立運行，降低對其運行效率和邏輯控制的消極作用；

（3）與全部采用固體蓄熱設(shè)備系統(tǒng)相比，“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設(shè)備”占地面積較小，工期短，投資??；

（4）相對全部采用固體蓄熱設(shè)備負荷調(diào)節(jié)有優(yōu)勢：具有獨立的調(diào)峰專用軟件，能實現(xiàn)電網(wǎng)AGC直調(diào)，且能滿足電網(wǎng)對于高壓電極熱水鍋爐負荷的平滑穩(wěn)定快速調(diào)節(jié)要求，且能滿足電網(wǎng)長時間持續(xù)的調(diào)峰需求；

（5）機組負荷率較高，不需要考慮對煙氣脫硝系統(tǒng)進行改造。