電極式電制熱與傳統(tǒng)制熱的差異及其 在碳中和的應(yīng)用前景

唐婧怡，楚帥，葛維春,3*，李音璇，劉闖

（1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2．沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院， 遼寧省 沈陽市 110870；3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧省 沈陽市 110006； 4．國網(wǎng)天津營銷服務(wù)中心(計量中心)，天津市 河西區(qū) 300120）

0 引言

力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，2060年前實現(xiàn)“碳中和”是我國重要戰(zhàn)略之一[1-2]。加快清潔能源發(fā)展能夠有效減少環(huán)境污染，對助力“雙碳”目標(biāo)早日實現(xiàn)具有重大意義[3-4]。截至2020年上半年，我國風(fēng)電裝機容量達到216.75 GW，僅2020年上半年風(fēng)力發(fā)電量就達到2 379億kW·h。但是，風(fēng)電并網(wǎng)容量的急速擴張也導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象愈演愈烈[5-7]。當(dāng)前棄風(fēng)現(xiàn)象主要發(fā)生在冬季供暖期，“以熱定電”約束導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，風(fēng)電出力被迫削減[8]。為解決這一問題，必須從熱電聯(lián)產(chǎn)機組著手，將火電機組從“以熱定電”約束中解放出來，以提高系統(tǒng)風(fēng)電消納能力[9-11]。

針對熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電熱耦合問題，文獻[12-14]提出了含儲熱裝置的多種解決方案。文 獻[15]分析了旁路補償、低壓缸補償、儲熱補償?shù)雀脑旆绞綄犭娊怦畹男Ч?，結(jié)果表明低壓缸切除與儲熱方案效果更佳。文獻[16]在熱電聯(lián)產(chǎn)機組加入大容量儲熱裝置，構(gòu)建了含儲熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電聯(lián)合出力的優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)果表明該模型可有效降低棄風(fēng)率。文獻[17]利用蓄熱槽對“以熱定電”進行解耦，建立了基于機會約束規(guī)劃的微網(wǎng)熱電能量綜合優(yōu)化模型，實例驗證結(jié)果表明，該模型能夠接納更高滲透率的清潔能源。文獻[18]利用儲熱裝置對能源進行時空平移，分析了電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的差異性與互補性，建立了包含儲熱的電–熱聯(lián)合系統(tǒng)的動靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，可有效解決清潔能源的消納與調(diào)峰問題。文獻[19]建立了配置儲熱管后的熱電機組逐小時運行模型，通過改進遺傳算法得到不同收益目標(biāo)的儲熱罐的運行策略，并且得出結(jié)論：儲熱罐的最佳容量為各個月最佳容量的最大值。上述文獻著重研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機組的升級改進與配置儲熱裝置，通過對熱能的時空優(yōu)化配置提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組的清潔能源消納能力。

目前，學(xué)者們針對電極式電制熱消納棄風(fēng)、參與輔助服務(wù)市場等方面進行了研究。文獻[20]提出一種電極式電制熱儲熱參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)下的供熱系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法，通過對供熱設(shè)備和負(fù)荷規(guī)模的測算分析，驗證了電極式電制熱儲熱能夠有效參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)。文獻[21]提出一種利用電極式電制熱提高電網(wǎng)風(fēng)電消納能力的整體模型法，用于評估電網(wǎng)的綜合效益，結(jié)果表明，電源側(cè)配置電極式電制熱儲熱對于推動低碳電力發(fā)展能夠發(fā)揮重要作用。此外，國內(nèi)外學(xué)者研究了電制熱儲熱的配置方案，電制熱儲熱裝置優(yōu)先使用富余清潔能源制熱，額外的熱能存儲在儲熱裝置中，并在熱負(fù)荷高峰時刻釋放，這可以在提升熱電聯(lián)產(chǎn)機組低谷期調(diào)峰能力的同時消納部分棄風(fēng)電量。文獻[22]提出熱電廠配置電鍋爐來解耦熱電約束，使用風(fēng)電代替部分火電機組出力，算例結(jié)果表明，在“三北”地區(qū)實施該方案可明顯降低煤耗量。文獻[23]提出蓄熱電采暖與風(fēng)電聯(lián)合運行模式，以發(fā)電成本最小為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化兩者互動運行方案，仿真結(jié)果表明，該模式能從源側(cè)提高棄風(fēng)消納水平，從網(wǎng)側(cè)提高調(diào)峰能力。文獻[24]提出計及含儲熱光熱電站與電鍋爐聯(lián)合運行的供熱期棄風(fēng)消納策略，利用電鍋爐與光熱電站增加熱能輸出，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)對熱能的存儲與平移利用，結(jié)果表明該策略提高了系統(tǒng)棄風(fēng)消納能力。以上研究表明：電制熱儲熱裝置的投入削弱了熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”束縛，提高了電網(wǎng)供暖期調(diào)峰能力和清潔能源接納能力[25-27]。此外，電極式電制熱具有無級調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)能力強的優(yōu)勢，彌補了固態(tài)電制熱僅能用于分級調(diào)節(jié)的不足，電極式電制熱和固態(tài)電制熱協(xié)同運行，對提升供暖期電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力具有重要作用。

本文從電極式電制熱技術(shù)著手，首先介紹了電極式電制熱與固態(tài)電制熱的工作原理。然后，圍繞電熱轉(zhuǎn)換能效、爬坡速率、安全程度等性能指標(biāo)，對比電極式電制熱與其他制熱方式的差異。最后，針對電極式電制熱技術(shù)的優(yōu)勢，展望其在削峰填谷、“雙熱”協(xié)調(diào)發(fā)展和參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)方面的應(yīng)用前景。

1 電制熱技術(shù)

電制熱技術(shù)具有清潔環(huán)保的優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)的制熱技術(shù)具有更大的優(yōu)勢，目前電制熱裝置已被應(yīng)用到多個領(lǐng)域[28]。電制熱裝置是一種能將電能轉(zhuǎn)化成熱能的裝置，其利用電阻的熱效應(yīng)對儲熱材料或供暖液體進行加熱，使其達到一定溫度，從而產(chǎn)生具有一定壓力的熱水和蒸汽。根據(jù)電熱原理、電熱元件以及結(jié)構(gòu)的差異，可以將電制熱分為電極式電制熱和固態(tài)電制熱。

1.1 電極式電制熱

1.1.1 電極式電制熱原理

電極式電制熱主要依據(jù)水的高熱阻特性將水直接加熱，電能幾乎全部被轉(zhuǎn)化為熱能，轉(zhuǎn)換效率高達99%以上[29]。在高壓電極式電制熱裝置中內(nèi)設(shè)2塊電極板，電極直接與爐水接觸將其加熱的方式稱為電極式電制熱。爐水電導(dǎo)率不宜過高，否則會擊穿電極板而造成事故，一般控制在100 S/cm以下[30]。為滿足裝置的進水硬度要求，電極式電制熱一般采用電導(dǎo)率低于0.3 S/cm的除鹽水。此外，為保證爐水具備一定電阻，需要添加一定量的電解質(zhì)溶液。電極通電后，通過水的電阻將水加熱至高溫。電極式電制熱原理如圖1所示。根據(jù)電極和爐水的接觸方式不同，高壓電極式電制熱可分為浸沒式電極式電制熱和噴射式電極式電制熱。

圖1 電極式電制熱原理 Fig. 1 Principle of electrode electric heating

電極式電制熱在制熱后可直接為用戶供熱，也可通過蓄熱裝置將熱能儲存。根據(jù)儲熱介質(zhì)不同，蓄熱裝置通常分為水蓄熱和固體蓄熱。電極式電制熱通常與水蓄熱系統(tǒng)結(jié)合使用。

1.1.2 浸沒式電極式電制熱

電極式電制熱裝置的核心部件是高壓電極，高壓電極的性能將直接影響設(shè)備的性能，因此高壓電極的結(jié)構(gòu)形式非常重要。浸沒式電極式電制熱的結(jié)構(gòu)[31-32]如圖2所示。浸沒式電制熱三相電極直接浸沒在具備一定電導(dǎo)率的爐水中，電極盤上分布有以一定形狀排列的曲棍電極。當(dāng)曲棍電極與內(nèi)筒中存在具有一定電導(dǎo)率的爐水時，在電極盤和內(nèi)筒之間施加高壓，電極盤與內(nèi)筒之間就產(chǎn)生均勻分布的電流，保證了三相平衡，電磁場在內(nèi)筒內(nèi)壁和各電極之間形成并均勻分布。在均勻電磁場的作用下，電解質(zhì)離子在磁場中上下運動，形成電流回路，水因為具備電阻而被加熱[33]。

圖2 浸沒式電極式電制熱結(jié)構(gòu) Fig. 2 Structure of immersed electrode electric heating

此外，加藥裝置和排污閥會將爐水的電導(dǎo)率控制在合適范圍內(nèi)。在電極上施加電壓后，利用爐水的電阻將爐水加熱并在內(nèi)筒中產(chǎn)生蒸汽。蒸汽出口閥門可用于快速調(diào)整電制熱裝置壓力。循環(huán)水泵可以補充內(nèi)筒水量、控制內(nèi)筒水位，并將電導(dǎo)率過高的爐水從內(nèi)筒排水閥排放到外筒。電制熱裝置功率可以通過調(diào)整內(nèi)筒水位進行控制，并調(diào)節(jié)循環(huán)泵補水流量來改變電功率與設(shè)定值偏差。此外，根據(jù)內(nèi)筒和外筒水量之和，通過調(diào)節(jié)給水閥可以控制總水量。

1.1.3 噴射式電極式電制熱

噴射式電極式電制熱由一個壓力容器構(gòu)成，容器上部裝設(shè)帶噴嘴的中央水箱，周圍垂直安裝高壓電極棒，圖3為噴射式電極式電制熱結(jié)構(gòu)[34]。

圖3 噴射式電極式電制熱結(jié)構(gòu) Fig. 3 Structure of jet electrode electric heating

噴射式電制熱通過循環(huán)水泵從鍋爐底部將具有一定電導(dǎo)率的爐水運輸至中央水箱，爐水因為自身重力特性，從中央水箱的噴嘴噴到高壓電極上，在高壓電極上施加電壓，電流在爐水與沖擊電極接觸瞬間構(gòu)成通路，爐水本身具有高熱阻性，爐水內(nèi)通過電流時溫度會快速升高并生成蒸汽。電制熱裝置的輸出功率可通過變頻泵調(diào)節(jié)水量進行控制。

1.2 固態(tài)電制熱

固態(tài)電制熱是一項依據(jù)金屬或非金屬類導(dǎo)體的熱效應(yīng)，實現(xiàn)電能對熱能的轉(zhuǎn)化，并將轉(zhuǎn)化出的熱能通過熱輻射、熱對流等方式儲存在蓄熱材料中的技術(shù)[35]。固態(tài)電制熱裝置主要由隔熱層、蓄熱體、保溫層、合金熱電阻、換熱器、通風(fēng)道、循環(huán)風(fēng)機、進出水口等部分組成，其結(jié)構(gòu)簡圖[36]如圖4所示。

圖4 固態(tài)電制熱裝置結(jié)構(gòu) Fig. 4 Structure of solid-state electric heating device

固態(tài)電制熱的加熱部分為合金熱電阻，通過加熱蓄熱體將熱電阻產(chǎn)生的熱能存儲在蓄熱體中，多層保溫層可以減少熱能損失?？諝馔ㄟ^循環(huán)風(fēng)機在風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，在經(jīng)過高溫蓄熱體被加熱后，沿著蓄熱體空隙進入換熱器，通過空氣流動將熱量傳遞給水，冷卻后的空氣被循環(huán)風(fēng)機再次利用，用于下一次循環(huán)。加熱后的水通過循環(huán)泵進入輸熱管線，實現(xiàn)對外供熱。

2 電極式電制熱與其他制熱方式的差異

本文對電極式電制熱與固態(tài)電制熱及傳統(tǒng)制熱方式(燃油制熱、燃煤制熱和燃氣制熱)各項性能指標(biāo)進行對比，如表1所示，包括設(shè)備運行時的熱轉(zhuǎn)換效率、設(shè)備成本、占地面積、工藝復(fù)雜程度、調(diào)節(jié)性能、爬坡速率和安全程度[37-39]。

1）熱轉(zhuǎn)換效率

傳統(tǒng)制熱方式都是通過燃燒的方式將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，期間還會有少量能量轉(zhuǎn)換為光能，造成熱轉(zhuǎn)換效率偏低。其中燃煤制熱使用固態(tài)煤炭，與氧氣接觸面積少、存在雜質(zhì)等問題也會造成熱轉(zhuǎn)換效率偏低。固態(tài)電制熱利用導(dǎo)體的熱效應(yīng)，無其他能量轉(zhuǎn)換，其熱功率和電功率基本相當(dāng)，熱轉(zhuǎn)換效率高于傳統(tǒng)制熱方式。電極式電制熱直接利用爐水的高阻特性進行制熱，爐水既是產(chǎn)熱材料又是吸熱介質(zhì)，減少了熱傳遞過程的損失，熱轉(zhuǎn)換效率最高。

2）成本

圖5和圖6分別給出了各類制熱方式的投資費用和運行費用情況?？梢钥闯?，燃煤制熱的投資費用和運行費用最低，僅在人工費用方面高于其他制熱方式。燃煤制熱方式為我國城鎮(zhèn)早期主要的制熱供暖方式，但是其能源轉(zhuǎn)換率低，嚴(yán)重污染環(huán)境，在部分地區(qū)已經(jīng)禁止使用。燃氣制熱的主機設(shè)備和輔機投資高于燃煤制熱與固態(tài)電制熱，其高昂的燃料成本使得運行費用高于燃煤制熱，但制熱綜合費用較低，加上天然氣屬于清潔能源，對環(huán)境影響較小，目前國家大力提倡燃氣制熱的利用[40]。燃油制熱的投資費用和運行費用較高，而且燃燒排放過多的污染氣體，并未進行大規(guī)模應(yīng)用。固態(tài)電制熱的投資費用處于2種傳統(tǒng)制熱之間，而運行費用高于2種傳統(tǒng)制熱方式， 其原因在于單位面積供熱的購電費用高于化石燃料。電極式電制熱從電網(wǎng)購電進行熱能生產(chǎn)，電制熱方式的運行費用中購電費用占很大比例，提供相同熱功率的熱能所產(chǎn)生的運行費用與固態(tài)電制熱基本相同，二者的成本差異主要體現(xiàn)在前期投資費用上[41]。電極式電制熱高投資費用主要體現(xiàn)在設(shè)備費用上，由于電極式電制熱技術(shù)先進，目前國內(nèi)沒有形成一套標(biāo)準(zhǔn)，加之電極式電制熱對電極與爐體絕緣要求較高，設(shè)備費用高于其他3種制熱方式。

圖5 各類制熱方式投資費用 Fig. 5 Investment cost of various heating methods

圖6 各類制熱方式運行費用 Fig. 6 Operating cost of various heating methods

3）占地面積

燃煤制熱需要裝備脫硫除塵器、煙囪、爐排、鼓引風(fēng)機、空氣預(yù)熱器、除渣器、省煤設(shè)備等大型輔助設(shè)備，同時還需要留出囤煤場地，占地面積大。燃油制熱需要配備儲油罐和防火防爆設(shè)備，占地面積較大。燃氣制熱需要布置天然氣管道和除氧泵等輔助設(shè)備，其總占地面積低于上述2種方式。2類電制熱方式的加熱過程全部在筒體中完成，不需要額外增設(shè)燃燒室。目前的電制熱產(chǎn)品都是成套組裝出售，使用時僅需插上電源與水管即可投入使用，占地面積最小。

4）工藝復(fù)雜程度

傳統(tǒng)制熱方式較早投入使用，技術(shù)成熟，一般人就可進行作業(yè)。其中燃油制熱系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)設(shè)備較多，操作過程較繁雜，并且易磨損腐蝕的部件多，維護工作繁雜。固態(tài)電制熱對水質(zhì)沒有要求，操作簡便，一般人即可使用。電極式電制熱對水質(zhì)要求較高，同時要保證溶液中電導(dǎo)率恒定，需要經(jīng)過一定培訓(xùn)后的運行人員進行操作；鍋爐內(nèi)水與供暖用水應(yīng)相互隔離，需要二次換熱進行供暖，工程略微繁瑣。

5）調(diào)節(jié)性能

傳統(tǒng)制熱方式通過控制燃料投入量和機組啟停數(shù)量來調(diào)節(jié)輸出的熱能，然而燃料投入量很難精準(zhǔn)控制，并且存在低負(fù)荷運行下限，導(dǎo)致傳統(tǒng)制熱方式的調(diào)節(jié)性能較差。

由于結(jié)構(gòu)布置的限制，固態(tài)電制熱的電熱元件功率是固定的，一般不超過1.5 MW，固態(tài)電制熱的容量為多組電熱元件容量之和。在進行功率調(diào)節(jié)時，固態(tài)電制熱通過實際投運的電熱元件來調(diào)整制熱裝置的功率，所以其功率呈階梯狀變化，只能進行分級調(diào)節(jié)。

電極式電制熱的產(chǎn)熱材料為爐水，按照焦耳–楞次定律，其產(chǎn)熱功率可表示為

式中：L為電極插入水中的深度；Λw為水的電導(dǎo)率；Uφ為電極相電壓；b、d、R為電極式電制熱的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)式(1)，在輸入電壓一定的情況下，可以通過調(diào)節(jié)水的電導(dǎo)率和電極插入水中的深度來調(diào)節(jié)功率。由于過高的電導(dǎo)率會造成擊穿，因此一般通過調(diào)節(jié)電極插入水中的深度來改變功率。

結(jié)合東北某電廠電極式電制熱裝置實際運行數(shù)據(jù)，得到電極式電制熱功率變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，電極式電制熱啟動迅速，從低功率到額定功率時間小于10 min。在前10 min，功率與入水深度成正比例變化。電極全部插入水中時電制熱裝置處于額定功率，當(dāng)電極全部脫離溶液時電制熱裝置退出，功率為零，即電極式電制熱的功率可以在0%~100%實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，而且低負(fù)荷運行較為穩(wěn)定。

圖7 功率與入水深度耦合關(guān)系 Fig. 7 Coupling relationship between power and inflow depth

6）爬坡速率

傳統(tǒng)制熱方式調(diào)控操作較為繁瑣，爬坡速率低于電制熱方式。固態(tài)電制熱僅運行于啟停方式，投入使用后可快速達到額定功率，具有較快的爬坡速率。

圖8為電極式電制熱端口電壓與運行功率的變化關(guān)系?？梢钥闯?，電極式電制熱的功率響應(yīng)非常快，端口電壓為0 kV時，其停止運行；端口恢復(fù)電壓后，可迅速達到設(shè)定運行狀態(tài)。根據(jù)ZETA公司生產(chǎn)的電極式電制熱裝置最新參數(shù)，冷備用啟動時間小于2 h，熱備用啟動時間小于10 min，正常負(fù)荷變化率為3 MW/min，最大負(fù)荷變化率為7 MW/min。電極式電制熱相較于其他制熱方式，具有很快的爬坡速率。

圖8 電極式電制熱運行情況 Fig. 8 Operation state of electrode electric heating

7）安全程度

在安全性方面，傳統(tǒng)制熱方式都存在易燃易爆的危險，并且在燃煤制熱方式中，若燃燒不充分，還會發(fā)生一氧化碳中毒事故。固態(tài)電制熱不需要燃料，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)制熱方式中爆燃、泄漏等問題，安全程度較高，但有干燒風(fēng)險[42]。

在電極式電制熱中，浸沒式電極式電制熱安全程度較高，由1.1.2節(jié)可知，曲棍式電極形成均勻電場，防止產(chǎn)生氫氣，但是也要保證電導(dǎo)率恒定，防止發(fā)生擊穿事故。此外，水作為導(dǎo)電介質(zhì)，可以防止出現(xiàn)干燒問題。噴射式電極式電制熱的安全程度較低，有發(fā)生氫爆事故的可能性。1995年，瑞士核電站的噴射電極式電制熱發(fā)生氫爆事故，從此歐洲不再規(guī)?；褂迷撝茻岱绞?。

通過對比7項性能指標(biāo)可知，電極式電制熱具有良好的發(fā)展前景。目前，電極式電制熱的不足之處在于設(shè)備初期投資較高、運行操作難度大，但是其具有良好的調(diào)節(jié)性能和爬坡速率，可以通過為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)來增加收益；通過與蓄熱系統(tǒng)相組合，在用電低谷時期進行制熱蓄熱，對電網(wǎng)削峰填谷、提高電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力具有良好的支撐作用。

3 電極式電制熱儲熱的應(yīng)用前景

電極式電制熱儲熱的調(diào)節(jié)范圍是0%~100%，并且在1%~100%負(fù)荷范圍內(nèi)可實現(xiàn)快速、穩(wěn)定無級調(diào)節(jié)，電熱轉(zhuǎn)換效率可達99%以上。利用其響應(yīng)靈活與調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)勢，電極式電制熱儲熱在以下3個方面具有非常強的優(yōu)勢：1）憑借其靈活的可控、可時移能力，在調(diào)峰需求方面起到削峰填谷的作用，能夠提高電網(wǎng)消納新能源的能力；2）借助其高效的制熱和儲熱能力，冬季供暖期與火電機組協(xié)調(diào)發(fā)展，將火電機組從供暖約束中解放出來，提升火電機組的靈活調(diào)節(jié)容量；3）利用其快速的無級調(diào)節(jié)能力，參與到電網(wǎng)的調(diào)頻輔助服務(wù)中，提升電網(wǎng)的快速靈活調(diào)節(jié)能力。

3.1 削峰填谷，提升電網(wǎng)接納清潔能源的能力

風(fēng)電固有的波動性和間歇性影響了規(guī)模化并網(wǎng)的進程，隨著未來新能源繼續(xù)擴張，棄風(fēng)消納成為瓶頸問題，風(fēng)電資源的浪費成為制約其發(fā)展的重要因素[43-44]。目前，棄風(fēng)主要發(fā)生在我國北方地區(qū)，其中80%以上的棄風(fēng)出現(xiàn)在供暖期。因此，解決棄風(fēng)的關(guān)鍵在于解決北方地區(qū)供暖期棄風(fēng)問題。電極式電制熱儲熱裝置通過調(diào)整運行計劃，主動跟隨低谷期棄風(fēng)電量，優(yōu)先使用棄風(fēng)進行制熱，并將多余的熱量存儲起來，在高峰期停止制熱，釋放存儲的熱量以滿足熱負(fù)荷需求。這樣不僅能夠有效幫助電網(wǎng)削峰填谷，并且實現(xiàn)風(fēng)電等新能源的消納，減少資源浪費；同時也可以減少燃煤鍋爐的使用，減少廢氣廢渣，有利于減輕環(huán)境污染。

利用電極式電制熱裝置消耗棄風(fēng)電量的原理如圖9所示。當(dāng)電網(wǎng)中即將因調(diào)峰能力不足而導(dǎo)致棄風(fēng)時，電極式電制熱裝置投入使用，接納多余的棄風(fēng)電量。在電負(fù)荷高峰時段，電極式電制熱裝置退出運行，以此循環(huán)往復(fù)，在保證供暖的情況下實現(xiàn)對過剩風(fēng)電的消納。

圖9 電極式電制熱裝置消納棄風(fēng)原理 Fig. 9 Principle of eliminating waste air in electrode electric heating device

在“三北”等目前棄風(fēng)較為嚴(yán)重的地區(qū)，實施電制熱儲熱系統(tǒng)參與新能源消納這一方案將具有顯著的環(huán)保效果和經(jīng)濟效益。但是由于前期收益主體和成本主體不同，該方案的實施需要對電 制熱儲熱單元進行適度的經(jīng)濟補償，如鼓勵一些棄風(fēng)電量較大的風(fēng)電廠與電制熱儲熱單元簽訂長期合作協(xié)議，重點關(guān)注電制熱裝置的利用時長以及調(diào)峰收益，從而適當(dāng)降低投資風(fēng)險，實現(xiàn)與風(fēng)電企業(yè)的雙贏。

3.2 “雙熱”協(xié)調(diào)發(fā)展，解放火電機組

由于大規(guī)模風(fēng)電入網(wǎng)，通常導(dǎo)致電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差變大，而且在冬季供暖期火電機組受“以熱定電”的束縛，電網(wǎng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，電網(wǎng)調(diào)峰與機組供熱的矛盾日益突出，在棄風(fēng)嚴(yán)重的“三北”地區(qū)尤為嚴(yán)重[45-46]。

過去，火電機組為了滿足供熱需求，常常需要滿載運行，并且會隨之產(chǎn)生過多電能，造成電能資源浪費嚴(yán)重[47]。而儲熱罐通過熱能儲存進行削峰填谷，在風(fēng)電不足時，火電機組多發(fā)，產(chǎn)生的熱能通過儲熱罐存儲起來；在風(fēng)電充足時，減少火力發(fā)電，把存儲的熱能釋放出來，可平抑風(fēng)電、光伏間歇性，從而緩解發(fā)電側(cè)與負(fù)荷側(cè)供需不平衡的矛盾，儲熱技術(shù)的發(fā)展也有助于更好地降低能耗。通過采用電極式電制熱儲熱來解放傳統(tǒng)火電機組，當(dāng)火電機組滿足用電需求時，可以停止燃煤燃燒，供暖不足的部分由電極式電制熱儲熱系統(tǒng)承擔(dān)，火電機組不必滿負(fù)荷運行，可以從供暖任務(wù)中抽離出來。這種方案可以增強機組運行的靈活性、增加調(diào)節(jié)裕度，甚至實現(xiàn)啟停效果，極大地提高了電網(wǎng)調(diào)峰容量。

電極式電制熱裝置參與電網(wǎng)調(diào)峰后，配合熱電聯(lián)產(chǎn)機組共同對外提供熱源，可緩解熱電聯(lián)產(chǎn)機組參與電網(wǎng)調(diào)峰后供熱能力不足的情況。熱電聯(lián)產(chǎn)機組作為主熱源承擔(dān)基本熱負(fù)荷，電極式電制熱裝置等熱源共同承擔(dān)供熱峰值負(fù)荷。由于通常夜間電負(fù)荷低、熱負(fù)荷高且風(fēng)電出力大，火電機組“以熱定電”功率增加導(dǎo)致的棄風(fēng)現(xiàn)象主要發(fā)生在夜間。因此，電制熱裝置在夜間投入使用，協(xié)同火電機組一起滿足供熱需求，將火電機組從“以熱定電”的束縛中解放出來，在降低熱電機組夜間熱負(fù)荷的同時增加電網(wǎng)電負(fù)荷，提升電網(wǎng)的調(diào)峰能力，從而為風(fēng)電消納運行留出更大空間。此外，電極式電制熱裝置能夠更好地適應(yīng)熱負(fù)荷波動，熱能損失較低。

對調(diào)峰價格進行合理的把控，可以提高社會效益并且改善棄風(fēng)消納效果。從目前的電價結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有政策來看，電極式電制熱儲熱在發(fā)電側(cè)利用協(xié)議商定的電價購買棄風(fēng)電量、在用戶側(cè)煤改電供熱獲得電價補貼的運營模式都具備一定的盈利空間，具有推廣價值。因此，規(guī)?；ㄔO(shè)電制熱裝置有很好的經(jīng)濟前景，有助于實現(xiàn)熱電解耦，提升熱電機組的供熱調(diào)峰能力，實現(xiàn)電能、熱能的協(xié)同優(yōu)化。

3.3 無級調(diào)節(jié)，參與電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)

規(guī)?；履茉床⒕W(wǎng)后，其固有的波動性可能會引起電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定，因此電網(wǎng)需要額外的調(diào)頻容量來提供調(diào)頻服務(wù)[48]。盡管諸多學(xué)者關(guān)于固態(tài)電制熱儲熱方面的研究已經(jīng)做出很大貢獻，固態(tài)電制熱儲熱系統(tǒng)也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于處理新能源消納與調(diào)峰問題，但是它只能分級調(diào)節(jié)，無法彌補極短時間內(nèi)因電力不平衡導(dǎo)致的頻率偏移問題。而電極式電制熱裝置可以通過升降電極浸沒在水中的深度調(diào)節(jié)運行功率，實現(xiàn)從零至滿負(fù)荷運行無級調(diào)節(jié)，且響應(yīng)速度和爬坡速度極快，可以迅速彌補源荷不平衡的差額。另外，作為電力和熱力系統(tǒng)耦合環(huán)節(jié)，可以通過快速響應(yīng)能力和需求側(cè)管理技術(shù)參與到電力系統(tǒng)調(diào)度中，在處理調(diào)頻問題中推廣使用。

過去，電力系統(tǒng)調(diào)頻主要以傳統(tǒng)的可控發(fā)電機組為主[49]，如火電、抽水蓄能等機組作為調(diào)頻資源向電網(wǎng)提供調(diào)頻服務(wù)，這些傳統(tǒng)調(diào)頻資源根據(jù)電網(wǎng)調(diào)控指令調(diào)節(jié)出力跟蹤負(fù)荷變化，達到頻率控制的目的。目前，參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)的調(diào)頻資源需要選用具備快速響應(yīng)能力的電力負(fù)荷，電力系統(tǒng)頻率控制通過調(diào)節(jié)需求側(cè)電力負(fù)荷變化來實現(xiàn)。電極式電制熱供熱系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調(diào)頻輔助服務(wù)，旨在滿足供暖需求的同時作為調(diào)頻資源提供調(diào)頻服務(wù)[50]。例如，當(dāng)電力系統(tǒng)頻率升高時，電力調(diào)控中心下發(fā)指令到需求側(cè)調(diào)頻資源，提升負(fù)荷消耗的有功功率，反之則減少有功功率消耗。需求側(cè)調(diào)頻模式使電網(wǎng)頻率控制能力以及靈活程度大幅度增加，如圖10所示。

圖10 電力系統(tǒng)調(diào)頻模式 Fig. 10 Frequency modulation mode of power system

4 結(jié)論

1）通過分析電極式電制熱與固態(tài)電制熱的工作原理可知，電極式電制熱具有無級調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，能夠彌補固態(tài)電制熱因分級調(diào)節(jié)而難以參與電網(wǎng)調(diào)頻的不足。

2）相較于固態(tài)電制熱及傳統(tǒng)制熱方式，電極式電制熱的能量轉(zhuǎn)換效率極高(99%以上)，且具有調(diào)節(jié)性能強和爬坡速率快的優(yōu)點，對風(fēng)電消納具有良好的支撐作用。

3）電極式電制熱的靈活運行特性有助于電網(wǎng)削峰填谷，特別在冬季供暖期，能夠提升火電機組的靈活調(diào)節(jié)容量，將火電機組從供熱約束中解放出來。