兩種蓄熱技術(shù)在電力市場(chǎng)的應(yīng)用前景對(duì)比

文/孫皓 范日新

0 引言

2015年3月15日，中共中央發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)〔2015〕9號(hào)），提出建立相對(duì)獨(dú)立的電力交易機(jī)構(gòu)，形成公平規(guī)范的市場(chǎng)交易平臺(tái)。建立輔助服務(wù)分擔(dān)共享新機(jī)制是一個(gè)解決老問(wèn)題的新方法，要實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化交易，解決好輔助服務(wù)是關(guān)鍵。在原來(lái)的體制機(jī)制下，切實(shí)有效的輔助服務(wù)責(zé)任分擔(dān)機(jī)制幾乎是沒(méi)有的。在本輪改革思路下，配售電業(yè)務(wù)要放開引入社會(huì)資本，對(duì)此，電網(wǎng)將不再無(wú)條件保障用戶的用電需求，此時(shí)建立新的輔助服務(wù)機(jī)制非常關(guān)鍵。同時(shí)受經(jīng)濟(jì)發(fā)展增速下滑、用電需求增長(zhǎng)放緩、裝機(jī)規(guī)模（尤其是新能源）逐年加大等因素影響，近年全國(guó)尤其是北方地區(qū)出現(xiàn)較嚴(yán)重的電力供大于求局面，電力消納及系統(tǒng)調(diào)峰困難。調(diào)峰困難是電力系統(tǒng)運(yùn)行面臨的首要問(wèn)題，供熱期調(diào)峰缺口的常態(tài)化存在給調(diào)度運(yùn)行帶來(lái)巨大壓力。以東北電網(wǎng)為例，春節(jié)期間的調(diào)峰缺口已經(jīng)突破600 萬(wàn)千瓦，直接威脅到電力系統(tǒng)的安全及冬季的可靠供熱。電力輔助服務(wù)市場(chǎng)可以有效緩解調(diào)峰問(wèn)題，大大減輕系統(tǒng)安全壓力，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求仍然需要火電機(jī)組調(diào)峰能力的進(jìn)一步提高來(lái)滿足，因此深入挖掘火電機(jī)組調(diào)峰潛力是電源側(cè)破解調(diào)峰問(wèn)題的主要手段。相比造價(jià)高昂的蓄電式儲(chǔ)能調(diào)峰系統(tǒng)，儲(chǔ)熱調(diào)峰是技術(shù)成熟且穩(wěn)定的技術(shù)手段。本文就將兩種比較常見的蓄熱技術(shù)做一個(gè)比對(duì)，以供參考。峰，其本質(zhì)是電熱轉(zhuǎn)換。目前全世界最大的儲(chǔ)熱項(xiàng)目是美國(guó)亞利桑那州索拉納280MW熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目，由Abengoa公司建設(shè)，用于配合光熱電站工作?！稛犭娐?lián)產(chǎn)管理辦法》（發(fā)改能源〔2016〕617號(hào)）中明確指出，鼓勵(lì)熱電機(jī)組配置蓄熱、儲(chǔ)能等措施實(shí)施深度調(diào)峰，并給予調(diào)峰補(bǔ)償。隨著我國(guó)電力體制改革的進(jìn)一步深化，在熱電廠增加電蓄熱調(diào)峰設(shè)施，增加調(diào)峰能力，能夠通過(guò)調(diào)峰輔助市場(chǎng)交易獲得經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償，創(chuàng)新盈利模式。

以東北電網(wǎng)為例，調(diào)峰率48%（負(fù)荷率52%）的分界線是根據(jù)東北電網(wǎng)目前實(shí)際情況測(cè)算的市場(chǎng)平衡點(diǎn)，既要保證市場(chǎng)運(yùn)行中經(jīng)濟(jì)杠桿的作用，又不能對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)造成破壞性影響。該指標(biāo)是市場(chǎng)規(guī)則中的一個(gè)可變參數(shù)調(diào)峰輔助服務(wù)，分為基本義務(wù)調(diào)峰輔助服務(wù)和有償調(diào)峰輔助服務(wù)（見圖1）。

圖1 東北電網(wǎng)基本調(diào)峰義務(wù)市場(chǎng)平衡點(diǎn)

1 儲(chǔ)熱調(diào)峰市場(chǎng)需求

儲(chǔ)熱調(diào)峰技術(shù)就是儲(chǔ)存火力發(fā)電廠熱量進(jìn)行調(diào)

《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》中規(guī)定，實(shí)時(shí)深度調(diào)峰交易是指火電機(jī)組在單日內(nèi)通過(guò)調(diào)減出力，使負(fù)荷率小于有償調(diào)峰基準(zhǔn)時(shí)提供輔助服務(wù)的交易。東北電力服務(wù)市場(chǎng)規(guī)定熱電機(jī)組有償調(diào)峰基準(zhǔn)及實(shí)時(shí)深度調(diào)峰報(bào)價(jià)機(jī)制見表1。

表1 熱電機(jī)組調(diào)峰交易檔位及報(bào)價(jià)限額

2 兩種儲(chǔ)熱技術(shù)在調(diào)峰場(chǎng)景應(yīng)用原理

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的儲(chǔ)熱技術(shù)有兩種，一種是杭州某公司的專利產(chǎn)品，屬于液-固兩相蓄熱技術(shù)，一種是大連某公司的專利產(chǎn)品，屬于固體蓄熱。

2.1 液-固兩相蓄熱技術(shù)原理

通過(guò)蓄熱裝置內(nèi)電加熱器進(jìn)行加熱低溫熔鹽進(jìn)行蓄熱，將流動(dòng)起來(lái)的熔鹽液化進(jìn)行蓄熱，在調(diào)峰時(shí)段不斷通過(guò)熔鹽泵進(jìn)行循環(huán)，蓄熱介質(zhì)溫度逐漸升高，當(dāng)介質(zhì)溫度高于400℃（最高可到500℃）完成蓄熱。通過(guò)給水泵抽頭來(lái)水跟蓄熱的熔鹽進(jìn)行熱交換完成放熱，水自下而上逐步吸收蓄熱介質(zhì)溫度，至溫度大于300℃的過(guò)熱蒸汽，可進(jìn)行放熱供電廠機(jī)組循環(huán)使用，完成后可重新進(jìn)行蓄放熱循環(huán)，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰（見圖2）。

圖2 液-固兩相蓄熱調(diào)峰裝置原理

2.2 固體蓄熱技術(shù)原理

在調(diào)峰階段，利用電加熱裝置加熱將蓄熱磚體（鎂鋁合金磚）加熱到700℃～800℃高溫蓄熱。放熱時(shí)，循環(huán)風(fēng)在風(fēng)機(jī)的帶動(dòng)下經(jīng)過(guò)高溫蓄能體后變成高溫風(fēng)，高溫風(fēng)經(jīng)過(guò)換熱器，將熱量傳遞給換熱器內(nèi)的水，重新成為低溫風(fēng)，繼續(xù)循環(huán)，換熱器內(nèi)的水吸收熱量后輸出高溫?zé)崴褂茫ㄒ妶D3）。

圖3 固體蓄熱調(diào)峰裝置原理

3 兩種儲(chǔ)熱技術(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)兩種技術(shù)的蓄熱裝置輸入功率及放熱過(guò)程進(jìn)行比對(duì)，可以看出兩種技術(shù)均采用電加熱，輸入功率較為穩(wěn)定，而輸出端由于介質(zhì)不同，液-固兩相蓄熱技術(shù)輸出蒸汽的溫度波動(dòng)在±7℃（見圖4），固體蓄熱技術(shù)輸出熱水溫度波動(dòng)在±2℃（見圖5）。

圖4 液-固兩相蓄熱裝置主要輸入輸出指標(biāo)變化

圖5 固體蓄熱設(shè)備輸入功率和蓄熱溫度曲線

4 結(jié)論

4.1 技術(shù)符合電力市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

蓄熱技術(shù)純電阻工作狀態(tài)沒(méi)有感性負(fù)載，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有沖擊，10kV高壓電直接接入設(shè)備，保證了大功率的熱輸出，同時(shí)可以大當(dāng)量地消納夜間谷電，平衡電網(wǎng)，當(dāng)設(shè)備的使用上到一定規(guī)模的時(shí)候，可以很大程度起到 “移峰填谷”的作用，保證電網(wǎng)安全；可任意時(shí)刻“投”“切”，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與調(diào)度或者需求響應(yīng)中心系統(tǒng)對(duì)接，自動(dòng)根據(jù)負(fù)荷，用需求側(cè)任意開關(guān)方法穩(wěn)定電網(wǎng)負(fù)荷，配合電網(wǎng)完成電力實(shí)時(shí)調(diào)度的工作。該技術(shù)工作模式符合未來(lái)電力市場(chǎng)發(fā)展方向。

4.2 符合電能替代政策

蓄熱技術(shù)具有清潔、安全、便捷等優(yōu)勢(shì)，在電能替代方面有著很好的表現(xiàn)，對(duì)電網(wǎng)投資、用戶使用到環(huán)保事業(yè)、公共安全，都起到了積極向上的作用，符合電能替代的要求。實(shí)施電能替代對(duì)于推動(dòng)能源消費(fèi)革命、落實(shí)國(guó)家能源戰(zhàn)略、促進(jìn)能源清潔化發(fā)展意義重大，是提高電煤比重、控制煤炭消費(fèi)總量、減少大氣污染的重要舉措。穩(wěn)步推進(jìn)電能替代，有利于構(gòu)建層次更高、范圍更廣的新型電力消費(fèi)市場(chǎng)，擴(kuò)大電力消費(fèi)，提升我國(guó)電氣化水平，提高人民群眾生活質(zhì)量。

4.3 符合火力發(fā)電調(diào)峰應(yīng)用

由于熱電廠發(fā)電及供熱負(fù)荷波動(dòng)日趨增大，低負(fù)荷時(shí)容易導(dǎo)致脫硝等環(huán)保設(shè)施無(wú)法投運(yùn)，在過(guò)低的負(fù)荷下需要投油穩(wěn)定燃燒，嚴(yán)重影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性且火力發(fā)電廠機(jī)組無(wú)自身調(diào)峰手段。

此兩項(xiàng)技術(shù)均可以穩(wěn)定地應(yīng)用在火力發(fā)電電廠進(jìn)行調(diào)峰并參與輔助服務(wù)市場(chǎng)，但是應(yīng)用場(chǎng)景有一定的適應(yīng)性，液-固兩相蓄熱技術(shù)可以直接參與電廠的熱力循環(huán)，固體蓄熱技術(shù)由于只能產(chǎn)生熱水，因此需要并入熱力管網(wǎng)。具體應(yīng)用場(chǎng)景指標(biāo)如表2。

表2 兩種蓄熱設(shè)備電廠應(yīng)用范圍