熱電機(jī)組蓄熱調(diào)峰靈活性改造應(yīng)用研究

劉陽(yáng)

【摘要】目前我國(guó)新能源裝機(jī)規(guī)模位居世界第一，但依然存在調(diào)峰能力不足的問(wèn)題。東北地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組通過(guò)增加蓄熱裝置，削弱用戶之間的熱負(fù)荷的關(guān)系，打破“以熱定電”的模式，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，促進(jìn)熱電機(jī)組參與深度調(diào)峰。本文以東北某熱電廠為例，從利用儲(chǔ)熱罐技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)組靈活性改造方面進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】熱電廠;靈活性改造;熱電解耦;調(diào)峰;蓄熱

1 ?機(jī)組調(diào)峰能力的困境

我國(guó)目前已擁有全球最大風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量，但在東北地區(qū)，尤其是在冬季供暖期間，仍存在著調(diào)峰能力不足的困境。主要以煤電為主的電源調(diào)峰能力受限，難以適應(yīng)深度調(diào)峰需要。其中東北地區(qū)供熱機(jī)組又占有很大比重，冬季為了滿足供熱需求，風(fēng)電機(jī)組與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行矛盾突出，為滿足居民供暖需要，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需優(yōu)先運(yùn)行，增大供熱負(fù)荷的同時(shí)也增加了發(fā)電量，再加之風(fēng)電負(fù)荷存在反調(diào)峰特性，造成調(diào)峰壓力劇增，尚不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求。

2.煤電機(jī)組靈活性改造的必然性

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電和光伏裝機(jī)規(guī)模迅猛增長(zhǎng)，在役及在建裝機(jī)容量均已位居世界第一。一方面，風(fēng)電和光伏等新能源為我們提供了大量清潔電力，另一方面，其發(fā)電出力的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性也給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電力供應(yīng)保障帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。從能源結(jié)構(gòu)上看，在未來(lái)一段時(shí)期熱電機(jī)組仍是東北地區(qū)的主力電源。在實(shí)際運(yùn)行中，我國(guó)純凝機(jī)組調(diào)峰能力一般為額定容量的50%左右，典型的抽凝機(jī)組在供熱期的調(diào)峰能力僅為額定容量的20%;而丹麥和德國(guó)等地區(qū)的純凝和抽凝機(jī)組的調(diào)峰能力可以達(dá)到60%-80%的額定容量。因此，全國(guó)煤電機(jī)組靈活性提升的潛力是巨大的。通過(guò)對(duì)煤電機(jī)組改造，釋放其潛在的靈活性，可有效提高我國(guó)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，對(duì)推進(jìn)高效智能電力系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。

3 ?熱電解耦靈活性改造技術(shù)原理

在電力系統(tǒng)中，電能通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行分配，如果燃煤電廠上網(wǎng)電量大，勢(shì)必要減少風(fēng)電、光伏的上網(wǎng)電量。光伏、風(fēng)電、純凝電廠沒有自主調(diào)節(jié)能力，因此當(dāng)電負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，這幾類電廠只能調(diào)整發(fā)電量;而熱電廠由于輸出熱能和電能兩種形式，如果增加儲(chǔ)熱設(shè)施，可以將多余的熱能通過(guò)儲(chǔ)熱設(shè)施轉(zhuǎn)變成熱能儲(chǔ)存起來(lái)。對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組機(jī)組，可以通過(guò)增加蓄熱裝置，削弱用戶之間的熱負(fù)荷的關(guān)系，打破“以熱定電”的模式，實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

4 ?熱水蓄熱裝置在熱電廠靈活性改造的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)科研單位主要方向?yàn)闄C(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行能力的優(yōu)化，并探索利用儲(chǔ)熱罐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組參與深度調(diào)峰。主要通過(guò)設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，如熱水儲(chǔ)熱裝置、儲(chǔ)熱式電鍋爐（在有峰谷電價(jià)時(shí)）及熔鹽儲(chǔ)熱裝置等，通過(guò)增設(shè)儲(chǔ)熱裝置實(shí)現(xiàn)熱電解耦，當(dāng)電網(wǎng)存在調(diào)峰困難時(shí)段利用儲(chǔ)熱裝置對(duì)外供熱，補(bǔ)充熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由于發(fā)電負(fù)荷降低帶來(lái)的供熱能力不足，降低供熱強(qiáng)迫出力。本文主要從利用儲(chǔ)熱罐技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組靈活性改造方面進(jìn)行研究。

4.1熱水儲(chǔ)熱裝置原理

熱水儲(chǔ)能技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有廣泛應(yīng)用，主要用于熱電廠供暖季熱電解耦，提高供熱機(jī)組運(yùn)行的靈活性;工作原理是供熱蒸汽流量出現(xiàn)過(guò)剩時(shí)，將多余熱能轉(zhuǎn)化為熱水并存儲(chǔ)到熱水罐中，當(dāng)電力需求處于低谷時(shí)，減小鍋爐和汽輪機(jī)出力，供熱不足的部分由熱水罐補(bǔ)充;當(dāng)電力需求處于高峰時(shí)，增加鍋爐出力，減少汽輪機(jī)對(duì)外供熱，增強(qiáng)電廠的頂負(fù)荷能力，供熱不足的部分由熱水罐補(bǔ)充。熱水儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要利用水的顯熱來(lái)儲(chǔ)存熱量，儲(chǔ)熱設(shè)備主要采用儲(chǔ)熱水罐。儲(chǔ)熱系統(tǒng)原理如圖1所示。

對(duì)熱電廠而言，如果用戶側(cè)熱負(fù)荷波動(dòng)較大且比較頻繁，儲(chǔ)熱罐則可以在熱負(fù)荷較低時(shí)將多余的熱量?jī)?chǔ)存，在熱負(fù)荷較高時(shí)再對(duì)外放出。儲(chǔ)熱過(guò)程中，儲(chǔ)熱罐相當(dāng)于一個(gè)熱用戶，使得用戶熱負(fù)荷需求曲線變得更加平滑，有利于機(jī)組保持在較高的效率下運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱過(guò)程完成后，機(jī)組可在夜間或者某一段時(shí)間內(nèi)降低負(fù)荷甚至停機(jī)而不影響對(duì)外供熱。

4.2單罐熱水儲(chǔ)能在火電廠的應(yīng)用

實(shí)際工程一般采用單罐熱水斜溫層儲(chǔ)熱方式，利用水的溫度密度差特性，熱水存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐的上部，冷水在儲(chǔ)罐的下部，熱水和冷水之間有一層厚度較小的溫度梯度層，如圖2所示。斜溫層的基本原理是以溫度梯度層隔開冷熱介質(zhì)。斜溫層儲(chǔ)熱系統(tǒng)是利用同一個(gè)儲(chǔ)熱罐同時(shí)儲(chǔ)存高低溫兩種介質(zhì)，比起傳統(tǒng)的冷熱分存雙罐系統(tǒng)，投資顯著降低。單罐斜溫層儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)罐體同時(shí)儲(chǔ)存高低溫水，簡(jiǎn)化了儲(chǔ)熱系統(tǒng)配置，降低了造價(jià)。

斜溫層熱水儲(chǔ)熱罐以蒸汽為熱源的熱水儲(chǔ)能，投資成本和運(yùn)行費(fèi)用較低，既能夠增加熱電廠的低負(fù)荷運(yùn)行能力，也能夠增加高峰時(shí)段的頂負(fù)荷能力，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但同時(shí)，熱水儲(chǔ)能也存在儲(chǔ)熱密度低，空間占用大的問(wèn)題，尤其是城市區(qū)域的熱電廠改造，由于占地方面的限制，改造存在一定難度。但是如果電廠有適合改造的閑置用地，此方案則為最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。

4.3 東北某熱電廠案例應(yīng)用

4.3.1 儲(chǔ)熱罐容量配置

東北某熱電廠規(guī)劃總裝機(jī)容量為1400MW機(jī)組，設(shè)計(jì)供熱面積 2400萬(wàn)平方米，其中一期建設(shè)規(guī)模為2×350MW燃煤發(fā)電供熱機(jī)組，設(shè)計(jì)供熱面積 1200萬(wàn)平方米。改造年采暖期該熱電廠實(shí)際最大供熱負(fù)荷為 492MW，最小供熱負(fù)荷為 100MW，平均供熱負(fù)荷為 324MW。

根據(jù)汽輪機(jī)廠提供的相關(guān)熱平衡，上述平均發(fā)電負(fù)荷工況下對(duì)應(yīng)的采暖抽汽流量約為 480t/h，對(duì)應(yīng)的發(fā)電負(fù)荷 210.4MW。兩臺(tái)機(jī)組采暖抽汽供熱量約為 614MW。該廠通過(guò)低負(fù)荷抽汽試驗(yàn)，在調(diào)整低壓缸進(jìn)汽蝶閥開度并保證機(jī)組低壓缸冷卻流量的前提下，單臺(tái)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷 130MW 時(shí)，機(jī)組實(shí)際采暖抽汽流量約為 235t/h，略高于汽機(jī)廠提供的參數(shù)，此時(shí)電廠兩臺(tái)機(jī)組的實(shí)際供熱能力約為 314MW，以此作為熱電解耦時(shí)段采暖供熱能力。

對(duì)于熱水儲(chǔ)熱罐系統(tǒng)而言，機(jī)組在24 小時(shí)內(nèi)的總供熱量是固定不變的，儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“移峰填谷”?？紤]參與深度調(diào)峰熱電解耦的時(shí)間為 6 小時(shí)，根據(jù)該廠的實(shí)際情況，24 小時(shí)內(nèi)總供熱能力約為 614MW×18h+314MW×6h=12936MWh，對(duì)應(yīng)平均熱負(fù)荷約為 539MW，目前該廠設(shè)計(jì)熱負(fù)荷約為 512MW，因此整個(gè)采暖期中均可以通過(guò)熱水儲(chǔ)熱罐采用“移峰填谷”的方式滿足全天熱負(fù)荷需求。根據(jù)上述選型原則，該廠熱水儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱量應(yīng)為（512MW-314MW）× 6h =1188MWh。

4.3.2 改造后熱電解耦能力分析

根據(jù)國(guó)家能源局東北監(jiān)管局相關(guān)文件，該廠在供熱初末期最小運(yùn)行方式為雙機(jī) 330MW，供熱中期最小運(yùn)行方式為雙機(jī) 420MW，經(jīng)過(guò)提升火電靈活性改造后，在供熱中期調(diào)峰困難時(shí)段考慮以單臺(tái)機(jī)組 130MW 發(fā)電負(fù)荷運(yùn)行，整個(gè)電廠的調(diào)峰能力增加了 160MW;在供熱初末期，以單臺(tái)機(jī)組 130MW 發(fā)電負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，整個(gè)電廠的調(diào)峰能力增加了 70MW。

根據(jù)該廠提供的參與深度調(diào)峰時(shí)段運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)與電網(wǎng)調(diào)度方面確認(rèn)，可以暫時(shí)按照機(jī)組實(shí)際容量 330MW 來(lái)計(jì)算調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償，在這一邊界條件下，如果以單臺(tái)機(jī)組 130MW 發(fā)電負(fù)荷參與深度調(diào)峰時(shí)，調(diào)峰深度達(dá)到 39.4%，調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼與按 300MW 容量相比增加了 3.94%，按照平均第一檔調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼 0.2 元/kWh，平均第二檔調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼 0.8 元/kWh 計(jì)算，采暖期每小時(shí)的調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)貼收入約為 0.82 萬(wàn)元。

4.3.3 技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)該廠增設(shè)的蓄熱系統(tǒng)蓄放熱性能考核試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在全廠對(duì)外供熱負(fù)荷為 442.71MW 的試驗(yàn)條件下，蓄熱罐在連續(xù)有效蓄熱時(shí)間內(nèi)，蓄熱罐的有效蓄熱功率為 1377.95MWh，比設(shè)計(jì)值 1188MWh 高 189.95MWh，滿足蓄熱罐設(shè)計(jì)蓄熱能力。在保證全廠對(duì)外供熱負(fù)荷為 459.42MW 的試驗(yàn)條件下，蓄熱罐在連續(xù)有效放熱時(shí)間內(nèi)，每小時(shí)放熱負(fù)荷為 165.81MW，調(diào)峰期間全廠機(jī)組最小技術(shù)出力電負(fù)荷為 270MW，全廠機(jī)組供熱期最小開機(jī)電負(fù)荷為 440MW，蓄熱系統(tǒng)熱電解耦能力為 170MW，熱電解耦能力達(dá)到設(shè)計(jì)值的 106.25%。改造滿足國(guó)家有關(guān)提升火電靈活性改造文件的要求，熱水儲(chǔ)熱罐系統(tǒng)起到了“移峰填谷”的作用。

4.3.4經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)價(jià)

依據(jù)該熱電廠近三年平均年發(fā)電量及改造年度固定資產(chǎn)凈值，該電廠所在省份標(biāo)桿電價(jià)（含稅 371.17 元/MWh），電廠提供熱價(jià)（含稅 35.1元/GJ）測(cè)算出電廠改造前項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率（所得稅后）為 12.16%。再以改造后增加的投資以及改造前相同電價(jià)和熱價(jià)等其他相應(yīng)變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（發(fā)電量、煤耗及廠用電率變化），滿足改造前的項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率，測(cè)算年所需補(bǔ)貼收入1880 萬(wàn)元（改造后折算至能力調(diào)峰補(bǔ)貼的電量每度電補(bǔ)貼含稅價(jià)為0.2247元/kWh）。本次改造動(dòng)態(tài)投資為 6572 萬(wàn)元，測(cè)算本次改造項(xiàng)目收益率為 35.24%，投資回收期為 4.18 年。

5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在可再生能源快速發(fā)展的大背景下，國(guó)家能源局通過(guò)完善調(diào)峰輔助服務(wù)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)、推動(dòng)調(diào)峰服務(wù)的市場(chǎng)化交易、建立峰谷分時(shí)電價(jià)等措施，鼓勵(lì)煤電機(jī)組開展靈活性改造，預(yù)期將使熱電機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到40%-50%額定容量，不斷提升煤電機(jī)組調(diào)峰能力。與此同時(shí)，將不斷探索電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)路線，為未來(lái)更大規(guī)模的儲(chǔ)能工程實(shí)施積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

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