輔助火電機(jī)組調(diào)峰系統(tǒng)的儲(chǔ)熱參數(shù)設(shè)計(jì)研究

孫浩程 ，宋民航 ，郭璞維 ，張長永 ，王金星 ,5,?

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.中國科學(xué)院 過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；3.河北省燃煤電站污染防治技術(shù)創(chuàng)新中心(三河發(fā)電有限責(zé)任公司)，河北 廊坊 065201；4.威克萊冀東耐磨技術(shù)工程(唐山)有限公司，河北 唐山 063200；5.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

中國能源電力行業(yè)仍以煤炭為主。煤粉的大量燃燒對中國生態(tài)環(huán)境保護(hù)造成了巨大壓力[1]。朱明亮[2]預(yù)測，在高GDP增長率下，2030年能源需求將達(dá)到約45億t標(biāo)準(zhǔn)煤，他通過對能源現(xiàn)狀、消費(fèi)等因素統(tǒng)籌分析，認(rèn)為走清潔發(fā)展的道路是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。隨著經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的發(fā)展以及“雙碳”政策的有序推進(jìn)，中國能源電力結(jié)構(gòu)的清潔化轉(zhuǎn)型進(jìn)程將呈現(xiàn)遞進(jìn)式發(fā)展趨勢，目前主要是在技術(shù)進(jìn)步等多方面推進(jìn)清潔能源的穩(wěn)定發(fā)展[3-4]。清潔能源在時(shí)空上的不穩(wěn)定性使電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性受到?jīng)_擊。與此同時(shí)，燃煤發(fā)電機(jī)組承擔(dān)了調(diào)峰調(diào)頻重要任務(wù)，其在能源轉(zhuǎn)型中的作用已發(fā)生了改變[5-6]。對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，提升機(jī)組深度調(diào)峰能力，是解決電力系統(tǒng)不穩(wěn)定問題的關(guān)鍵[7]。王金星[8]以大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為依托，提出了提高系統(tǒng)靈活性的必要性，著重研究了運(yùn)行效率對機(jī)組靈活性的影響，并闡述了擴(kuò)大熱電比、增設(shè)電熱轉(zhuǎn)換裝置以及耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)等方法來提高機(jī)組調(diào)節(jié)靈活性可行性與工程價(jià)值。此外，機(jī)組自身的運(yùn)行策略對增加燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰潛力和節(jié)能減排有著重要意義。同時(shí)，由于供熱機(jī)組所涉及到的參數(shù)眾多，工況復(fù)雜且差異較大，在機(jī)組運(yùn)行中對供熱機(jī)組進(jìn)行策略優(yōu)化具有重大意義[9-10]。印佳敏等[11]就儲(chǔ)能設(shè)備與機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻方面展開仿真模擬，分析儲(chǔ)能相關(guān)參數(shù)與機(jī)組調(diào)頻能力之間的關(guān)系，結(jié)果表明通過仿真模擬對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究與優(yōu)化是可行的，為該方向研究推進(jìn)指明了道路。此外，熱電聯(lián)產(chǎn)具有很強(qiáng)的耦合性，使得系統(tǒng)滿足熱電負(fù)荷需求能力受到了影響[12]，因而對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行改造使其實(shí)現(xiàn)熱電解耦是提高其靈活性的重要措施。Liu等[13]通過對一臺(tái)350 MW的機(jī)組進(jìn)行分析，得出蓄熱箱解耦技術(shù)是較好的方案。李峻等[14]為了提高機(jī)組的靈活性，提出了使用熔融鹽儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱設(shè)備與機(jī)組進(jìn)行耦合的辦法并對此展開研究，結(jié)果表明該措施顯著提高了機(jī)組的深度調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的靈活運(yùn)行。王金星等[15]為提高機(jī)組的靈活性，選擇中間抽汽、電熱泵、電鍋爐與抽汽聯(lián)合等改造方法來實(shí)現(xiàn)熱電解耦，通過仿真模擬和案例分析，得到電熱泵對機(jī)組靈活性提高起顯著作用的結(jié)論。此外，王金星[16]還詳細(xì)評述了當(dāng)下單一儲(chǔ)熱裝置、電熱轉(zhuǎn)換-儲(chǔ)熱裝置等儲(chǔ)能設(shè)備參與燃煤機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻的現(xiàn)狀，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了單一儲(chǔ)熱裝置與機(jī)組耦合的改造方式在工程中應(yīng)用的廣泛性與可行性。張翼等[17]以350 MW機(jī)組為案例分別對增設(shè)儲(chǔ)熱罐、增設(shè)蓄熱電鍋爐等方案相較于原供熱方案在消納風(fēng)電容量、擴(kuò)大熱電比例等參數(shù)方面的提升情況展開了研究，結(jié)果表明耦合儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱裝置對相關(guān)指標(biāo)的提升有顯著效果，因此熱電解耦技術(shù)在燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的靈活性發(fā)展中具有重要地位。綜上所述，為了以較低成本來實(shí)現(xiàn)熱解耦從而提高機(jī)組調(diào)節(jié)的靈活性，增設(shè)耦合儲(chǔ)熱裝置的措施具有較為廣闊的前景。

本文針對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦方面提出了耦合儲(chǔ)熱系統(tǒng)輔助調(diào)峰的措施，并以此為基礎(chǔ)對儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱容量以及充放熱速率對機(jī)組調(diào)節(jié)效果的影響展開了研究，希望對現(xiàn)有機(jī)組的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)簡介

本工作研究對象為儲(chǔ)熱裝置(熱水儲(chǔ)罐)與火電廠耦合裝置，其基本原理為利用中壓缸部分蒸汽為儲(chǔ)熱罐提供高品質(zhì)熱量，然后由儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)存并以熱交換的形式傳遞給水，增加汽輪機(jī)機(jī)組蒸汽量，提高效率。儲(chǔ)熱罐耦合機(jī)組的具體流程如圖1所示，由中壓缸中抽取部分的高溫過熱蒸汽，通過儲(chǔ)熱罐將部分熱量以熱交換的方式儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱介質(zhì)中，之后放熱后的乏汽經(jīng)過除氧器除氧后重新返回主系統(tǒng)參與循環(huán)，完成儲(chǔ)熱過程；儲(chǔ)熱達(dá)到要求時(shí)，由凝結(jié)水泵支路引入給水，儲(chǔ)熱罐中的儲(chǔ)熱介質(zhì)將熱量傳遞給低溫給水，使其升溫到系統(tǒng)要求溫度，再經(jīng)過除氧器除氧后進(jìn)入系統(tǒng)，完成釋熱過程。

圖1 儲(chǔ)熱罐耦合機(jī)組Fig.1 Heat storage tank coupling unit

2 邏輯運(yùn)算策略

本文的研究目的是在使用儲(chǔ)熱罐與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組相耦合工作時(shí)，在系統(tǒng)可調(diào)的條件下，利用儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱能力，解除熱電負(fù)荷之間的強(qiáng)耦合關(guān)系。首先通過數(shù)據(jù)采集得到供暖季電熱負(fù)荷曲線，如圖2所示，并根據(jù)前期Ebislon軟件模擬得到熱負(fù)荷與其對應(yīng)電負(fù)荷的上下限的關(guān)系，得到電負(fù)荷的可調(diào)范圍[17]。

圖2 區(qū)域電負(fù)荷與熱負(fù)荷曲線。Fig.2 Regional electric load and heat load curve

儲(chǔ)熱罐與熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤機(jī)組相耦合工作的計(jì)算邏輯如圖3所示，即計(jì)算儲(chǔ)熱罐發(fā)揮最大儲(chǔ)熱能力時(shí)系統(tǒng)可達(dá)到的最大熱電負(fù)荷比。其中X為供暖季熱負(fù)荷波動(dòng)曲線，Y為電負(fù)荷波動(dòng)曲線，M和W分別為儲(chǔ)熱罐的吸放熱效率和容量。二者均以0為初始值參與計(jì)算，最終達(dá)到儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱能力上邊界。

圖3 計(jì)算流程圖Fig.3 Calculation flow chart

其中判定過程包括“可調(diào)”和“達(dá)邊界”兩個(gè)約束。判斷“可調(diào)”的依據(jù)為儲(chǔ)熱罐在充放熱效率和容量共同決定的儲(chǔ)熱能力下調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，在調(diào)整后的熱負(fù)荷下，機(jī)組承擔(dān)該時(shí)刻相應(yīng)的電負(fù)荷，可正常運(yùn)行。若“可調(diào)”，則進(jìn)入儲(chǔ)熱罐是否“達(dá)邊界”判斷，否則提高電負(fù)荷。判斷“達(dá)邊界”的依據(jù)為本次循環(huán)中儲(chǔ)熱罐的效率與容量可以達(dá)到人為規(guī)定的儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)存熱量的上邊界。若不能“達(dá)邊界”，則增加儲(chǔ)熱罐的效率與容量。

根據(jù)區(qū)域熱負(fù)荷需求，可進(jìn)行燃煤機(jī)組的電負(fù)荷調(diào)節(jié)上限和下限的判斷：當(dāng)滿足燃煤機(jī)組調(diào)節(jié)下限時(shí)，將各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰，直至燃煤機(jī)組不可調(diào)；當(dāng)燃煤機(jī)組不可調(diào)時(shí)，通過儲(chǔ)熱罐滿足部分熱負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)部分熱電解耦后，燃煤機(jī)組側(cè)又重新達(dá)到了滿足調(diào)節(jié)的條件。需要指出的是，初始的熱負(fù)荷X和電負(fù)荷Y均來自區(qū)域的實(shí)際熱電需求。儲(chǔ)熱罐初始參數(shù)設(shè)定吸放熱速率M和儲(chǔ)熱容量W均為0，根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)需求，逐次增加M和W的數(shù)值。為確保機(jī)組各組件正常工作，調(diào)峰深度應(yīng)在合理范圍，最后邊界設(shè)定為Y的最小數(shù)值為350 MW功率的30%，即最小電負(fù)荷降到105 MW時(shí)終止。

本計(jì)算邏輯的合理性在于是基于優(yōu)先滿足儲(chǔ)熱罐與燃煤機(jī)組耦合系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力的前提來實(shí)現(xiàn)熱電負(fù)荷比最大，且在計(jì)算過程中綜合考慮了儲(chǔ)熱罐的充放熱平衡，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。

3 結(jié)果與討論

3.1 儲(chǔ)熱罐運(yùn)行參數(shù)對深度調(diào)峰的影響

在儲(chǔ)熱容量與深度調(diào)峰能力的關(guān)系的計(jì)算中，不限定儲(chǔ)熱罐與機(jī)組之間的充放熱速率，可與儲(chǔ)熱容量進(jìn)行最佳匹配，因此儲(chǔ)熱容量在某一時(shí)刻可釋放全部熱量來對電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰。就實(shí)際熱電負(fù)荷曲線通過計(jì)算邏輯進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為控制充放熱速率按照等梯度遞增計(jì)算儲(chǔ)熱容量與深度調(diào)峰之間的關(guān)系，圖4（b）則為控制儲(chǔ)熱容量梯度增加來得到充放熱速率與深度調(diào)峰之間的關(guān)系。

圖4 儲(chǔ)熱罐參數(shù)對深度調(diào)峰的影響Fig.4 Effect of heat storage tank parameters on depth peak regulation

由圖4（a）可知，隨著儲(chǔ)熱容量的增加，調(diào)峰能力呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢，并且隨著充放熱速率的梯度增加，可達(dá)到的最大深度調(diào)峰能力逐漸上升；而當(dāng)充放熱速率大于112 MW時(shí)，再提升儲(chǔ)熱容量，最大深度調(diào)峰能力將不再發(fā)生變化，此處認(rèn)為儲(chǔ)熱罐提升深度調(diào)峰能力達(dá)到上限。主要原因是隨著儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱容量的增加，可保證釋放的熱量逐漸增加，深度調(diào)峰能力也隨之增加；而當(dāng)儲(chǔ)熱容量增加到一定量時(shí)，儲(chǔ)熱罐充放熱量將達(dá)到平衡，使得調(diào)節(jié)能力達(dá)到上限；此外，當(dāng)儲(chǔ)熱容量足夠時(shí)，充放熱速率也會(huì)對深度調(diào)峰能力的提升起限制作用，當(dāng)儲(chǔ)熱容量在與充放熱速率相匹配時(shí)，其深度調(diào)峰能力將不再發(fā)生變化。充放熱速率對深度調(diào)峰的影響則如圖4（b）所示，儲(chǔ)熱罐的容量在每組計(jì)算中不變且在各組計(jì)算遞增。當(dāng)需要對電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，只有充放熱速率對其有所影響。需要說明的是，這里的充放熱速率所代表的是1 min內(nèi)的平均速率。由圖4可以看出，充放熱速率與儲(chǔ)熱容量對深度調(diào)峰的影響效果類似，即均呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢，且當(dāng)充放熱速率為112 MW時(shí)取得最大值。主要原因與儲(chǔ)熱容量類似，即當(dāng)充放熱速率達(dá)到112 MW時(shí)，在該時(shí)刻儲(chǔ)熱系統(tǒng)所能釋放的熱量達(dá)到機(jī)組調(diào)峰的頂點(diǎn)，當(dāng)再對其進(jìn)行提升，在合理的儲(chǔ)熱容量配合下，機(jī)組深度調(diào)峰能力將基本不會(huì)發(fā)生變化。

綜上所述，深度調(diào)峰能力不僅與儲(chǔ)熱罐的性能參數(shù)有關(guān)還與其參數(shù)之間的匹配性有緊密聯(lián)系。

3.2 儲(chǔ)熱參數(shù)匹配性對深度調(diào)峰的關(guān)系

儲(chǔ)熱參數(shù)匹配性對深度調(diào)峰能力的影響不可忽視。在對儲(chǔ)熱參數(shù)匹配性進(jìn)行研究時(shí)，首先應(yīng)考慮二者對深度調(diào)峰能力的獨(dú)立影響及之間的相互作用。計(jì)算得到儲(chǔ)熱參數(shù)與深度調(diào)峰的關(guān)系如圖5所示。為便于案例計(jì)算，本文將圖5曲面上任意點(diǎn)所涉及的儲(chǔ)熱容量與充放熱速率兩參數(shù)稱為一個(gè)參數(shù)組，設(shè)定了參數(shù)組一(A點(diǎn))、參數(shù)組二（B點(diǎn)）、參數(shù)組三（C點(diǎn)）以及參數(shù)組四（D點(diǎn)）。

圖5 儲(chǔ)熱參數(shù)與深度調(diào)峰能力關(guān)聯(lián)Fig.5 Correlation between heat storage parameters and deep peak shaving capacity

可以看出，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)的充放熱速率與儲(chǔ)熱容量相匹配時(shí)，二者調(diào)節(jié)效果最佳且機(jī)組運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)，不會(huì)抑制其中某一參數(shù)發(fā)揮作用；當(dāng)只觀察某一參數(shù)時(shí)，在該參數(shù)未達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，兩參數(shù)匹配時(shí)，可取得局部最大值；圖像最大值出現(xiàn)在儲(chǔ)熱容量為129 37 MW·min且充放熱速率為112.75 MW時(shí)。

3.3 案例分析與技術(shù)評價(jià)

由3.2中結(jié)果可知，當(dāng)使用案例中的實(shí)際熱負(fù)荷與電負(fù)荷的平均值計(jì)算時(shí)，儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱容量達(dá)到129 37 MW·min且充放熱速率達(dá)到112.75 MW時(shí)，深度調(diào)峰以及熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)效果最好，即當(dāng)儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱容量與充放熱速率相匹配時(shí)，調(diào)節(jié)效果最好。因而本小節(jié)首先在該參數(shù)下對儲(chǔ)熱罐在1 440 min內(nèi)對熱負(fù)荷的實(shí)際調(diào)節(jié)能力展開計(jì)算，得到熱負(fù)荷波動(dòng)調(diào)節(jié)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在該參數(shù)下，儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱裝置分擔(dān)熱負(fù)荷以及調(diào)節(jié)熱負(fù)荷的能力顯著，可有效提高系統(tǒng)電負(fù)荷的跟隨能力。

圖6 儲(chǔ)熱極值下的熱負(fù)荷Fig.6 Heat load under extreme value of heat storage

為進(jìn)一步驗(yàn)證分析儲(chǔ)熱參數(shù)對熱負(fù)荷調(diào)節(jié)能力的影響規(guī)律，針對圖5所顯示的針對不同梯度的參數(shù)，代入模型展開計(jì)算。以B點(diǎn)與C點(diǎn)為例，兩點(diǎn)的充放熱速率與儲(chǔ)熱容量均處于匹配狀態(tài)。得到計(jì)算結(jié)果如圖7所示，各組儲(chǔ)熱參數(shù)對熱負(fù)荷的調(diào)節(jié)都有明顯效果，且隨著參數(shù)的提升，熱負(fù)荷調(diào)節(jié)效果逐漸提升。結(jié)合圖6進(jìn)一步驗(yàn)證可得：儲(chǔ)熱罐充放熱速率達(dá)到平衡時(shí)的參數(shù)所對應(yīng)的調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)。

圖7 不同儲(chǔ)熱參數(shù)設(shè)定下的熱負(fù)荷Fig.7 Heat load under different heat storage parameter settings

綜上所述，儲(chǔ)熱罐的放熱對于機(jī)組的調(diào)節(jié)效果顯著，可有效對電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰從而增加新能源電力的消納比例，并且還可調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。而對于儲(chǔ)熱罐總體而言，由于在放熱的同時(shí)進(jìn)行充熱，大大降低了儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱容量需求，因而還需對其充熱過程、充熱量及其時(shí)間分配展開研究。

對案例中1 440 min內(nèi)的電熱負(fù)荷展開計(jì)算，得到結(jié)果如圖8與圖9所示。充熱熱量與吸熱熱量積分曲線均呈上升趨勢，在該時(shí)間段末期，充熱的熱量略大于吸熱熱量；在該條件下，當(dāng)電負(fù)荷整體下調(diào)一個(gè)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰時(shí)，儲(chǔ)熱罐的充熱與放熱可達(dá)到基本平衡狀態(tài)，即儲(chǔ)熱罐在該時(shí)間內(nèi)充熱量略大于放熱量，既保證了儲(chǔ)熱罐的正常工作與電負(fù)荷調(diào)峰效果又大大降低了對儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱容量要求。

圖8 儲(chǔ)熱罐熱交換量Fig.8 Heat exchange capacity of heat storage tank

圖9 儲(chǔ)熱罐熱量交換積分Fig.9 Heat exchange integral of heat storage tank

由以上結(jié)果可以看出，通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的耦合，實(shí)現(xiàn)了對電負(fù)荷的深度調(diào)峰和熱電解耦，提高了機(jī)組調(diào)節(jié)的靈活性，進(jìn)而可以提高對新能源電力的消納能力和燃煤機(jī)組自身的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。以圖8所示電負(fù)荷調(diào)峰結(jié)果為案例可算出在儲(chǔ)熱罐與燃煤機(jī)組耦合時(shí)，根據(jù)在該模型中計(jì)算熱負(fù)荷以及熱負(fù)荷所折合的電負(fù)荷相關(guān)公式，可得每天節(jié)省燃煤量約809 t，即降低了約20.91g/kWh。根據(jù)馬大衛(wèi)等[18]的研究并實(shí)地調(diào)研安徽煤電廠的生產(chǎn)情況，得出煤耗與硫氮污染物及顆粒物之間的關(guān)系如表1所示。由于本文案例為350 MW機(jī)組，將煤耗與污染物之間的關(guān)系近似為線性，可知在本案例中，由于使用儲(chǔ)熱裝置對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行耦合，可大約減少二氧化硫0.023 g/kWh，氮氧化物0.045 5 g/kWh以及顆粒物0.011 g/kWh。

表1 燃煤機(jī)組煤耗與污染物的關(guān)系Tab.1 Relationship between coal consumption and pollutants of coal-fired units

4 結(jié)論

本文以某350 MW火電機(jī)組為研究對象，對其耦合儲(chǔ)熱罐參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，重點(diǎn)分析了儲(chǔ)熱容量和充放熱速率的影響，并結(jié)合實(shí)例分析了儲(chǔ)熱罐充熱和放熱積分情況。具體結(jié)論如下：

1）在儲(chǔ)熱罐與火電廠耦合工作時(shí)，隨著儲(chǔ)熱容量或充放熱速率參數(shù)的升高，深度調(diào)峰能力逐漸提高；在兩參數(shù)分別達(dá)到 129 37 MW·min與112.75 MW時(shí)達(dá)到深度調(diào)峰能力上限約77 MW后趨于平穩(wěn)。此外，兩參數(shù)對其深度調(diào)峰能力共同影響，參數(shù)間的匹配可使約束達(dá)到平衡。

2）案例分析顯示，儲(chǔ)熱設(shè)備與機(jī)組耦合實(shí)現(xiàn)一定程度熱電解耦后儲(chǔ)熱罐熱交換量的變化，儲(chǔ)熱罐在完成1 440 min的吸放熱過程后，可知其凈吸熱約2 400 MW·min，該邊界情景下儲(chǔ)熱裝置可正常運(yùn)行，因而可知耦合儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)峰的可行性。

3）供暖季的節(jié)煤量為20.91 g/kWh，相應(yīng)地，可減少污染物排放。其中具體種類下降數(shù)值為：二氧化硫0.023 g/kWh、氮氧化物0.045 5 g/kWh以及顆粒物0.011 g/kWh。