基于蓄能調(diào)峰系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型研究

井花蓓，劉耀鑫，尹莉鈞，何深宇

（沈陽(yáng)工程學(xué)院a.研究生部；b.能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

從綠色發(fā)電的角度來(lái)看，解決電力系統(tǒng)的調(diào)峰問(wèn)題仍然需要提高火電機(jī)組的調(diào)峰能力。因此，深入挖掘火電機(jī)組的調(diào)峰潛力是電源側(cè)破解調(diào)峰問(wèn)題的主要手段。但在冬季，由于火電機(jī)組要進(jìn)行供暖，不得不強(qiáng)迫出力，無(wú)法完成調(diào)峰要求。所以，解決熱電廠在供暖期的調(diào)峰問(wèn)題迫在眉睫。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果來(lái)看，解決熱電廠在供暖期的調(diào)峰問(wèn)題主要是通過(guò)加入電極鍋爐來(lái)實(shí)現(xiàn)的［1-3］。

以某熱電廠為例，由于未改造前采用熱泵進(jìn)行供暖，所以機(jī)組在調(diào)峰時(shí)期降負(fù)荷，不能向熱泵提供所需的采暖抽汽，故增設(shè)電極蒸汽鍋爐彌補(bǔ)缺少的采暖抽汽。采用電極鍋爐蓄能調(diào)峰，在解決部分地區(qū)采暖問(wèn)題的同時(shí)，消納了電廠供暖期的出力，在獲得最佳收益的基礎(chǔ)上，確定最佳裝機(jī)方案，對(duì)熱電廠具有重要意義。

1 蓄能調(diào)峰原理

采用電極鍋爐的方案主要是滿足采暖熱負(fù)荷。電極鍋爐的用電來(lái)自機(jī)組發(fā)電，由于電極鍋爐消耗多余的發(fā)電量，所以機(jī)組實(shí)際發(fā)電負(fù)荷可以不用降至過(guò)低；同時(shí)，機(jī)組能夠保持較高發(fā)電負(fù)荷，工業(yè)抽汽和采暖抽汽的供熱能力也不至于降至過(guò)低，能夠滿足熱網(wǎng)負(fù)荷的需求，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的深度調(diào)峰［4-7］。

2 改造后的供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)某熱電廠原有的熱網(wǎng)系統(tǒng)及外部熱網(wǎng)設(shè)計(jì)，工程采暖熱負(fù)荷同樣采用二級(jí)網(wǎng)方式供熱。熱電廠出口的一級(jí)網(wǎng)采用100/50 ℃設(shè)計(jì)水溫的高溫水，經(jīng)換熱站水-水換熱后，二級(jí)網(wǎng)采用65/45 ℃的設(shè)計(jì)水溫為用戶供熱。當(dāng)處于調(diào)峰時(shí)段，由于機(jī)組降負(fù)荷不能提供所需的采暖抽汽，因此增設(shè)的電極蒸汽鍋爐補(bǔ)充所缺少的采暖抽汽，使二環(huán)熱水網(wǎng)的水加熱至100 ℃后向市區(qū)供熱；當(dāng)處于非調(diào)峰時(shí)段，機(jī)組可以提供所需的采暖抽汽，電極蒸汽鍋爐停止運(yùn)行即可；當(dāng)處于尖峰時(shí)段，機(jī)組發(fā)電量全部向電網(wǎng)提供，電極蒸汽鍋爐無(wú)法工作，熱泵也沒(méi)有了采暖抽汽來(lái)源，此時(shí)的蓄熱水罐作為尖峰熱源。供暖系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 供暖系統(tǒng)

3 設(shè)備選型

3.1 項(xiàng)目背景介紹

某熱電廠提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某熱電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)

參與深度調(diào)峰的熱電解耦電廠能夠獲得調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼收益，對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組而言，在采暖期負(fù)荷率降低至40%～50%，能夠獲得0～0.4元(kW·h)的收益；在采暖期負(fù)荷率降低至40%以下時(shí)，能夠獲得0.4～1元(kW·h)的收益，且在深度調(diào)峰時(shí)負(fù)荷越低，收入越高。

所需電極鍋爐容量：

式中，n1為300 MW 機(jī)組的臺(tái)數(shù)，n1=2；Pi為不同負(fù)荷下的功率；k為發(fā)電設(shè)備自身?yè)p耗后的發(fā)電效率，k=0.9。

總蒸汽量：

式中，Qi為各部分蒸汽量。

所需電極蒸汽鍋爐數(shù)量：

式中，P為所需電極鍋爐功率；Pj為選取的電極蒸汽鍋爐功率，Pj=60 MW。

單臺(tái)熱泵對(duì)應(yīng)流量：

式中，q總為首站外網(wǎng)水的總流量，q總=14 000th；n2為熱泵的臺(tái)數(shù)，n2=9。

蓄熱水罐的容量：

式中，q'為尖峰時(shí)刻放熱1.5 h 所需要的總水量；η為蓄熱水罐的蓄熱能力，η=87%。

單臺(tái)熱水罐的質(zhì)量：

式中，ρ為水的密度，ρ=1×103kgm3；V為單臺(tái)熱水罐的體積，V=8 500 m3。

單臺(tái)熱水罐吸收的熱量：

式中，Q為水吸收的熱量；c為水的比熱容，取c=4.2×103J(kg·℃)；m為單臺(tái)熱水罐的質(zhì)量；Δt為溫差，該項(xiàng)目將50 ℃的水加熱到95 ℃，所以Δt=45 ℃。

單臺(tái)熱水罐蓄滿所需蒸汽量：

式中，Q'為蒸汽釋放的熱量；h1為204 ℃飽和汽焓值，查焓值表得h1=2 794.3kJkg；h2為104 ℃飽和水焓值，查焓值表得h2=435.9kJkg。

每小時(shí)所需蒸汽量：

式中，F(xiàn)為單臺(tái)熱水罐蓄滿所需蒸汽；h為單臺(tái)熱水罐蓄滿時(shí)間，h=7 h。

水的流速：

3.2 電極鍋爐容量的選擇

方案一：只達(dá)到第一檔調(diào)峰的上限。

機(jī)組在采暖期以70%負(fù)荷運(yùn)行，功率為210 MW，對(duì)應(yīng)電極鍋爐容量為

可選擇的電極蒸汽鍋爐數(shù)量為

因此，選取2臺(tái)單機(jī)功率為60 MW 的電極蒸汽鍋爐，總熱功率為120 MW。

查汽輪機(jī)抽氣工況圖可知，在70%負(fù)荷下原單臺(tái)機(jī)組的抽氣量為500th，2 臺(tái)機(jī)組的抽氣量為1 000th。

供暖期全部設(shè)備所需總蒸汽量為

加入電極蒸汽鍋爐后可提供總蒸汽量為

由于Q'h>Qh，滿足調(diào)峰要求。

方案二：參與第二檔深度調(diào)峰。

由于機(jī)組負(fù)荷降至過(guò)低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組損壞，詢問(wèn)廠家后得知機(jī)組的最低負(fù)荷只能降至55%。因此，當(dāng)機(jī)組在采暖期以55%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，功率為165 MW，此時(shí)的電極鍋爐容量為

可選擇的電極蒸汽鍋爐數(shù)量為

因此，選取5臺(tái)單機(jī)功率為60 MW 的電極蒸汽鍋爐，總熱功率為300 MW。

由汽輪機(jī)抽氣工況圖可知，在55%負(fù)荷下原單臺(tái)機(jī)組的抽氣量為340th，2 臺(tái)機(jī)組的抽氣量為680th。

供暖期全部設(shè)備所需總蒸汽量為

加入電極蒸汽鍋爐后可提供總蒸汽量為

由于Q'h>Qh，滿足調(diào)峰要求。

對(duì)比不同方案下各個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2 不同負(fù)荷工況下的計(jì)算結(jié)果

綜上所述，對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組而言，負(fù)荷率在采暖期降低至50%以下時(shí)，可獲得相應(yīng)的補(bǔ)償，當(dāng)調(diào)峰至第二檔時(shí)，可獲得最高補(bǔ)償，且調(diào)峰深度越低，所獲補(bǔ)償越高。因此，為獲得最佳補(bǔ)償且滿足供暖需求，選取6 臺(tái)60 MW 的電極蒸汽鍋爐，保持5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。

3.3 蓄熱水罐選擇

3.3.1 蓄熱水罐容量選擇

該項(xiàng)目中的水罐容量按機(jī)組承擔(dān)91%負(fù)荷計(jì)算。

3臺(tái)熱泵對(duì)應(yīng)的流量為

其余6臺(tái)熱泵的流量為

這部分水與蓄熱水罐換熱，放熱流量按照9 500m3h考慮，放熱1.5 h需要的總水量為14 250 m3。

由于蓄熱水罐的儲(chǔ)熱能力為87%，因此蓄熱水罐的容量為

綜上所述，選取16 500 m3的蓄熱水罐，但由于罐體過(guò)高，最終選取2臺(tái)8 500 m3的蓄熱水罐。

3.3.2 蓄熱水罐蓄熱能力

單臺(tái)熱水罐的質(zhì)量為

單臺(tái)熱水罐吸收的熱量為

那么，蒸汽釋放的熱量就相當(dāng)于熱水罐吸收的熱量，即Q'=Q=1 606.5 GJ。

由焓值表可得，204 ℃的飽和汽焓值為2 794.3 kJkg，104 ℃的飽和水焓值為435.9kJkg。

因此，單臺(tái)熱水罐蓄滿所需蒸汽量為

該項(xiàng)目計(jì)劃7 h蓄滿，故每小時(shí)所需蒸汽量為

水的體積流量為

綜上所述，蓄熱水罐作為尖峰熱源是向熱網(wǎng)提供熱量的儲(chǔ)能設(shè)備，當(dāng)機(jī)組發(fā)電量全部向電網(wǎng)輸送時(shí)，沒(méi)有多余的電量提供給電極鍋爐，導(dǎo)致電極鍋爐無(wú)法工作，熱泵沒(méi)有采暖抽汽來(lái)源，不能滿足供暖需求，此時(shí)蓄熱水罐承擔(dān)供暖需求。單臺(tái)蓄熱罐的儲(chǔ)熱能力為1 606.5 GJ，7 h 蓄滿單臺(tái)蓄熱罐所需蒸汽量為97.311th，水的體積流量為1 214.286m3h。

水罐容量按機(jī)組不同負(fù)荷工況計(jì)算時(shí)，各個(gè)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同負(fù)荷工況下各個(gè)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1）在冬季調(diào)峰時(shí)，熱電廠采用增設(shè)電極鍋爐和蓄熱水罐的方法，可以保證在降低機(jī)組負(fù)荷的同時(shí)滿足供暖需求并獲得最佳補(bǔ)償。

2）該熱電廠為解決蓄能調(diào)峰問(wèn)題，選取6 臺(tái)60 MW 電極蒸汽鍋爐和2 臺(tái)8 500 m3的蓄熱水罐作為最佳裝機(jī)方案。

3）在該方案中，電極蒸汽鍋爐可提供的最大采暖抽氣為540th；蓄熱水罐作為1.5 h的尖峰熱源，單臺(tái)可提供熱量為1 606.5 GJ，7 h 蓄滿所需蒸汽量為97.311th，水的體積流量為1 214.286m3h。