電加熱式蓄熱技術(shù)油田應(yīng)用探討

李慶 肖林

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

中國石油“十四五”新能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)之一是提高天然氣商品化率，大慶油田80%～90%自耗氣用于工藝生產(chǎn)過程加熱和冬季供暖，采用電氣化設(shè)備替代燃?xì)饧訜釥t是降低天然氣消耗的主要技術(shù)手段[1]，因此，將分散式風(fēng)力發(fā)電和分布式光伏發(fā)電接入油田已建電力網(wǎng)絡(luò)，以油田自發(fā)綠電替代網(wǎng)購電量，開展再電氣化等現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，為下一步規(guī)?；療崮芴娲?、減少天然氣消耗、探索有效建設(shè)模式奠定基礎(chǔ)具有重要意義。

1 電蓄熱定義

電蓄熱是指利用電網(wǎng)夜間低谷電力或新能源風(fēng)、光發(fā)電，使用電加熱設(shè)備加熱蓄熱載體儲存熱量，按需要時間定量向外部供出熱量。電蓄熱技術(shù)近幾年得以快速推廣應(yīng)用與當(dāng)前能源政策、新能源發(fā)展規(guī)模和儲能設(shè)備技術(shù)水平密切相關(guān)。

2 電蓄熱技術(shù)發(fā)展助力

2.1 新時期能源轉(zhuǎn)型——政策支持

習(xí)近平總書記提出“二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)”。2021年初，國家發(fā)改委、能源局共同發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》發(fā)改能源規(guī)[2021]280 號，為探索源網(wǎng)荷儲一體化實(shí)施路徑指明了方向，即將源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)作為能源高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措，積極構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源系統(tǒng)，促進(jìn)能源行業(yè)轉(zhuǎn)型升級。國家政策層面要求利用存量燃煤機(jī)組實(shí)施調(diào)峰改造，火電廠開展靈活性改造，降低負(fù)荷率，優(yōu)先保證風(fēng)電等新能源并網(wǎng)發(fā)電，促進(jìn)新能源消納。

2.2 新能源發(fā)展迅猛——消納需要

近年來，我國電力產(chǎn)能過剩問題凸顯，水、風(fēng)、光、核、生物質(zhì)能源發(fā)電量增加，電網(wǎng)總負(fù)荷變化幅度加大。冬季熱電聯(lián)供熱負(fù)荷不斷增加，既要多供熱又要少發(fā)電，和“以熱定電”運(yùn)行特性形成矛盾。風(fēng)電、光伏沒有自主調(diào)節(jié)能力，用電低谷時，在現(xiàn)有裝機(jī)規(guī)模下采用熱電解耦、電蓄熱技術(shù)可對機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能儲存，需要供熱時供出，電廠減少上網(wǎng)電量，騰挪出來空間，變相地通過儲熱設(shè)施增加了風(fēng)電、光伏的上網(wǎng)電量，給新能源機(jī)組創(chuàng)造電能消納的條件。

2.3 峰谷平電價(jià)推行——經(jīng)濟(jì)達(dá)標(biāo)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)的峰谷電量差進(jìn)一步拉大，更大的峰谷電價(jià)差也將成為必然。通過谷電蓄熱也可以為電網(wǎng)提供一種“增量調(diào)峰”的技術(shù)手段[2]，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性。同時，國家對城市環(huán)保、碳排放提出了更高的指標(biāo)要求，逐步縮小規(guī)?；蛉【喢?、氣供暖，谷電蓄熱供熱、峰電停蓄供熱，電加熱式蓄熱技術(shù)已在中心城市逐步推廣應(yīng)用[3]。

2.4 電儲能技術(shù)前沿——應(yīng)用受限

電儲能技術(shù)主要分為物理儲能（機(jī)械儲能）、電化學(xué)儲能和電磁儲能。抽水蓄能是目前最為成熟的物理儲能技術(shù)，儲能成本較低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，但區(qū)域環(huán)境必須具備一定地理?xiàng)l件。電化學(xué)儲能、電磁儲能是目前最前沿的儲能技術(shù)，但技術(shù)發(fā)展都處于探索試驗(yàn)階段，到目前為止，國內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)電儲能的大規(guī)模應(yīng)用。

電廠發(fā)電設(shè)備和電儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、新能源發(fā)電大規(guī)模推廣應(yīng)用以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定性需求等諸多因素決定了電加熱式蓄熱技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。

3 電加熱式蓄熱方式

工程上應(yīng)用的電加熱式蓄熱技術(shù)主要包括熱水蓄熱、高溫固體蓄熱和相變蓄熱。

3.1 熱水蓄熱技術(shù)

熱水蓄熱方式主要設(shè)備為電加熱爐（電極鍋爐）、蓄熱水箱及附屬設(shè)備。利用風(fēng)光電、谷電將水加熱并儲存在水箱里，在峰、平電時段以熱水的形式進(jìn)行輸出，熱水溫度可以在35～85 ℃之間任意設(shè)定。

3.2 固體蓄熱技術(shù)

在預(yù)設(shè)的電網(wǎng)低谷時間段或棄電時間段，自動控制系統(tǒng)接通高壓開關(guān)，電加熱器為發(fā)熱體供電，將電能轉(zhuǎn)換為熱能同時被高溫蓄熱體（MgO磚）不斷吸收，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的上限溫度或電網(wǎng)低谷時段結(jié)束時，電加熱器停止工作。蓄熱體與熱交換器之間有熱輸出控制器，熱交換器可將蓄熱體儲存的熱能轉(zhuǎn)換為熱水或者蒸汽輸出[4]。

固體蓄熱、放熱流程包含熱量產(chǎn)生、熱量儲存和熱量釋放。蓄熱裝置內(nèi)的電阻絲通電后，通過電阻絲將10 kV高壓電能轉(zhuǎn)化為熱能；熱量一部分通過變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)控制輸出，另一部分被儲存在高密度蓄熱介質(zhì)中，蓄熱介質(zhì)周圍有多層復(fù)合保溫隔熱材料以防止熱量散失；當(dāng)需要釋放熱量時，循環(huán)風(fēng)經(jīng)過蓄熱體加熱，流入風(fēng)水換熱器，熱量傳遞給循環(huán)水，供水溫度上升、流出。循環(huán)風(fēng)降溫后重新流經(jīng)蓄熱體加熱。放熱過程中控制系統(tǒng)通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整風(fēng)量，以達(dá)到控制調(diào)整輸出功率的目的。

3.3 相變蓄熱技術(shù)

相變蓄熱技術(shù)是一種以相變儲能材料為基礎(chǔ)的高新儲能技術(shù)，主要有固-液、固-固相變兩種類型。固-液相變是通過相變材料的熔化過程來進(jìn)行熱量儲存，凝固過程來放出熱量；固-固相變則是通過相變材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序-無序的轉(zhuǎn)變而可逆地進(jìn)行儲、放熱。相變蓄熱材料有：氟化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及石蠟等有機(jī)蓄熱材料。

目前熱水蓄熱和固體蓄熱是兩種主流蓄熱技術(shù)，相變蓄熱技術(shù)只是在小規(guī)模應(yīng)用。

4 電蓄熱技術(shù)國內(nèi)應(yīng)用

國內(nèi)電蓄熱技術(shù)成規(guī)模應(yīng)用于電力負(fù)荷低谷[5]，熱電廠與新能源風(fēng)電場蓄熱調(diào)峰，提高能源利用率，其應(yīng)用方式主要包括以下四種。

（1）熱電廠+電極鍋爐+熱水蓄熱調(diào)峰供暖。集中供熱火電廠設(shè)高壓電極鍋爐+熱水儲罐，冬季供暖期電力負(fù)荷低谷時段，既保證最大供熱負(fù)荷，又降低外送電量，為新能源風(fēng)電騰出空間，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)深度調(diào)峰。

（2）熱電廠+電加熱固體蓄熱調(diào)峰供暖。集中供熱火電廠設(shè)電蓄熱裝置（固體），冬季供暖期電力負(fù)荷低谷時段，既保證最大供熱負(fù)荷，又降低外送電量，為新能源風(fēng)電騰出空間，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)深度調(diào)峰。

（3）風(fēng)電+電加熱固體蓄熱+光熱多能互補(bǔ)供暖。風(fēng)電與谷電、高溫固體電蓄熱裝置、光熱多能互補(bǔ)復(fù)合能源技術(shù)應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)清潔供暖[6]。

（4）風(fēng)電+分布式電加熱固體蓄熱供暖。風(fēng)電建設(shè)工程項(xiàng)目輔助設(shè)置電儲熱供暖能源站，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)供暖，以市政谷電作為供熱保障，在風(fēng)力不足的夜間亦可利用谷電蓄熱供能。

5 電蓄熱技術(shù)油田應(yīng)用

隨著油田分布式風(fēng)、光發(fā)電大規(guī)模推廣應(yīng)用，為充分利用綠電資源，減少棄風(fēng)、棄光，也為了提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，可將電蓄熱裝置與新能源發(fā)電項(xiàng)目同步實(shí)施。風(fēng)電、光伏采用超配方式滿足站場電轉(zhuǎn)化熱的需求，利用綠電替代天然氣。

5.1 技術(shù)路線

利用電蓄熱技術(shù)，將風(fēng)、光超配發(fā)電量轉(zhuǎn)化為熱儲存，通過能源智能管控系統(tǒng)，調(diào)控余熱、地?zé)?、光熱供熱熱源與電蓄熱裝置供熱負(fù)荷，替代燃?xì)饧訜釥t、鍋爐連續(xù)供熱（圖1）。

圖1 電蓄熱技術(shù)應(yīng)用技術(shù)路線Fig.1 Application technical route of electric thermal storage technology

5.2 工藝流程

電蓄熱裝置與熱泵機(jī)組供能互補(bǔ)，運(yùn)行參數(shù)與熱泵機(jī)組相同，熱泵機(jī)組回收余熱，電熱轉(zhuǎn)換比例可達(dá)到1∶4，做基礎(chǔ)熱源。電蓄熱裝置使用綠電或谷電，電熱轉(zhuǎn)換比例1∶1，與地?zé)?、光熱、余熱結(jié)合，做輔助或二次加熱熱源（圖2）。

圖2 電蓄熱裝置工藝流程Fig.2 Process flow of electric thermal storage device

5.3 適應(yīng)性研究

常規(guī)電蓄熱利用低谷電價(jià)，蓄熱裝置的加熱時長、輸入功率與蓄熱時長基本固定[7]。油田站場采用電蓄熱裝置替代燃?xì)饧訜釥t，與風(fēng)電、光伏規(guī)模合理配置，多用綠電，減少棄電和外購電量，電蓄熱輸入功率分多檔調(diào)控與風(fēng)電、光伏發(fā)電功率變化相適應(yīng)，供熱輸出穩(wěn)定（圖3）。

圖3 電蓄熱裝置電加熱器配置示意圖Fig.3 Schematic diagram of electric heater configuration for electric heat storage device

公建設(shè)施和民用電蓄熱裝置與供熱系統(tǒng)直連，供熱參數(shù)與用戶需求一致。油田站場工藝介質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜，多含油氣，從安全可靠性考慮，電蓄熱裝置采用高溫介質(zhì)供熱，更加適應(yīng)工藝介質(zhì)間接換熱要求（圖4）。

圖4 電蓄熱裝置供熱介質(zhì)參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of heating medium parameters for electric heat storage device

油田站場由傳統(tǒng)單一的化石燃料供熱熱源，向余熱、地?zé)?、光熱又融合了電蓄熱的新能源供熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，電蓄熱需要與風(fēng)電、光伏同步調(diào)節(jié)，納入?yún)^(qū)域綜合能源管控平臺，提高電-熱轉(zhuǎn)換綜合調(diào)控能力。

固體電蓄熱技術(shù)與熱水蓄熱技術(shù)均可在油田站場上應(yīng)用，從用熱需求和站場實(shí)際布置情況出發(fā)，因地制宜選用適應(yīng)站場條件的蓄熱技術(shù)，占地面積是必須要考慮的因素。站場蓄熱系統(tǒng)布置選擇依據(jù)見表1。

表1 站場蓄熱系統(tǒng)布置選擇Tab.1 Layout selection of heat storage system in stations

電蓄熱與風(fēng)電、光伏超配相結(jié)合是一種綠電應(yīng)用模式，但是風(fēng)電、光伏、電蓄熱設(shè)備投資高，清潔電力供熱成本大于燃?xì)夤岢杀荆枰诮档驮O(shè)備投資等方面進(jìn)行深入研究[8]。以大慶油田采油八廠某工程設(shè)計(jì)方案為例，測算不同能源形式的供熱成本價(jià)格。

采油八廠永樂油田區(qū)塊5座轉(zhuǎn)油站總供熱負(fù)荷17.1 MW，采用電蓄熱裝置替代燃?xì)饧訜釥t，風(fēng)電、光伏超發(fā)替代生產(chǎn)用熱的年發(fā)電量與年供熱量基本平衡，但風(fēng)電、光伏實(shí)時波動發(fā)電量與連續(xù)穩(wěn)定供熱量不平衡，受電蓄熱體容量限制，會發(fā)生約10%～20%的棄電率。充電量統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 電蓄熱裝置不同蓄熱時長棄電量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Abandoned energy statistics of electric thermal storage device with different heat storage duration

某轉(zhuǎn)油站1座3 MW電蓄熱熱源站，供熱負(fù)荷1 MW，電蓄熱裝置蓄熱時長14 h；加熱時長10 h。經(jīng)核算，電蓄熱熱源站供熱成本價(jià)約112元/GJ；已建燃?xì)饧訜釥t供熱成本價(jià)66元/GJ（表3）。

表3 電蓄熱熱源站經(jīng)濟(jì)核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.3 Basic data of economic accounting of electric thermal storage heat source station

6 結(jié)論

電蓄熱裝置作為終端電氣化主要設(shè)備之一，推廣應(yīng)用徹底替代了站場生產(chǎn)用熱燃?xì)饧訜釥t，實(shí)現(xiàn)能源消耗轉(zhuǎn)型，天然氣商品化率達(dá)到95%的目標(biāo)，站場綠電占比增加，提高了清潔替代率。

油田大規(guī)模實(shí)施風(fēng)電、光伏項(xiàng)目，采用電蓄熱技術(shù)，可增加調(diào)峰能力，提高整個電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。

電蓄熱裝置與新能源發(fā)電項(xiàng)目配套實(shí)施，綠電轉(zhuǎn)化為熱，在相對平穩(wěn)供熱的前提下，綠電使用率可達(dá)到80%，減少了棄風(fēng)、棄光比例，提高了新能源發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)收益。