抽汽與雙儲(chǔ)熱提升風(fēng)電消納能力的方案研究

李京虎， 趙興勇

(山西大學(xué) 電力工程系，山西 太原 030013)

0 引 言

我國(guó)未來(lái)將大力發(fā)展風(fēng)電，進(jìn)一步增大新能源裝機(jī)的占比，但棄風(fēng)問題也更為突出[1]。根據(jù)國(guó)家能源局“十四五”能源發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)問題的思考指出，我國(guó)電力負(fù)荷峰谷差不斷擴(kuò)大，在低谷負(fù)荷時(shí)段清潔能源消納問題突出，在尖峰負(fù)荷時(shí)段，電力供應(yīng)的保障壓力加大[2]。

系統(tǒng)調(diào)峰能力不足是導(dǎo)致限電棄風(fēng)的一個(gè)主要原因。從我國(guó)山西省來(lái)看，電源結(jié)構(gòu)仍以煤電機(jī)組為主，調(diào)節(jié)能力較為不足。而且未來(lái)山西將逐步增大風(fēng)電等新能源在電源結(jié)構(gòu)中的占比，這就使得調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步降低。

為了提升風(fēng)電的消納能力和增強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，我國(guó)專家進(jìn)行了大量的科學(xué)研究。但目前，我國(guó)主要研究側(cè)重于對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電解耦方面，在常規(guī)煤電機(jī)組的靈活性改造方面研究較少。文獻(xiàn)[3]從鍋爐燃燒的最低給水量和汽輪機(jī)葉片過(guò)熱等多方面對(duì)超臨界濕冷煤電機(jī)組的深度調(diào)峰技術(shù)瓶頸問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]從安全性出發(fā)研究分析煤電機(jī)組的深度調(diào)峰，并對(duì)比分析了多種靈活性改造方案。文獻(xiàn)[5]研究了儲(chǔ)熱和富氧燃燒等多種煤電靈活性改造的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了有利于東北地區(qū)煤電靈活性改造的方案。文獻(xiàn)[6]總結(jié)了我國(guó)在對(duì)煤電進(jìn)行靈活性改造中的一些控制方法和策略，提出了多控制策略的組合方案。本文考慮采用抽汽與雙儲(chǔ)熱對(duì)山西的常規(guī)煤電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，深度挖掘山西煤電的常規(guī)調(diào)峰潛力，來(lái)優(yōu)化提升風(fēng)電的消納能力，以應(yīng)對(duì)未來(lái)山西風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)帶來(lái)的棄風(fēng)問題。

1 抽汽與雙儲(chǔ)熱技術(shù)的實(shí)施方法

圖1是抽汽與雙儲(chǔ)熱系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)的原理是將儲(chǔ)熱系統(tǒng)劃分為高/低溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)，構(gòu)成一個(gè)水-蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽一部分被高溫儲(chǔ)熱裝置抽取，剩下的進(jìn)入高壓缸做功，同時(shí)低溫儲(chǔ)熱裝置從高壓、中壓和低壓缸抽取蒸汽，通過(guò)減少汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，來(lái)達(dá)到降低機(jī)組出力的效果。當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，高溫儲(chǔ)熱裝置釋放熱能加熱高壓缸做功后的蒸汽，同時(shí)低溫裝置釋放熱能加熱給水，從而增大機(jī)組的出力，減少機(jī)組的煤耗。

圖1 抽汽與雙儲(chǔ)熱系統(tǒng)的原理圖

2 抽汽與雙儲(chǔ)熱改造后的調(diào)度模型

建立以最大化消納風(fēng)電為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度模型， 簡(jiǎn)述如下：

(1)

優(yōu)化變量包括煤電機(jī)組出力、風(fēng)電出力、用電負(fù)荷、高低溫儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱功率、放熱功率和儲(chǔ)熱量等。

3 算例分析

3.1 仿真算例

本文以IEEE-24節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)煤電機(jī)組進(jìn)行抽汽與雙儲(chǔ)熱改造的效果進(jìn)行仿真評(píng)估，系統(tǒng)最大負(fù)荷為2 800 MW,包括17個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，將原系統(tǒng)的火電改為煤電機(jī)組，其中包含5臺(tái)150 MW的煤電機(jī)組(啟動(dòng)成本為18萬(wàn)元、固定運(yùn)行費(fèi)用為3.6千元/h、高/低溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)放熱系數(shù)為0.4/0.3)、3臺(tái)350 MW的煤電機(jī)組(啟動(dòng)成本為30萬(wàn)元、固定運(yùn)行費(fèi)用為6千元/h、高/低溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)放熱系數(shù)為0.4/0.3)、2臺(tái)660 MW的煤電機(jī)組(啟動(dòng)成本為48萬(wàn)元、固定運(yùn)行費(fèi)用為1.2萬(wàn)元/h、高/低溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)放熱系數(shù)為0.4/0.3)，此外，為了研究需要還增加了3臺(tái)500 MW的風(fēng)電機(jī)組。

3.2 煤電機(jī)組加裝抽汽與雙儲(chǔ)熱的效果

圖2為一個(gè)典型周內(nèi)煤電機(jī)組改造前后的發(fā)電出力數(shù)據(jù)對(duì)比圖。煤電機(jī)組改造前，由于煤電機(jī)組的最小技術(shù)出力較高，因此對(duì)風(fēng)電的消納有限，系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)較多的棄風(fēng)現(xiàn)象；煤電機(jī)組改造后，由于加裝了抽汽與雙儲(chǔ)熱系統(tǒng)，煤電機(jī)組的最小技術(shù)出力得到了有效降低,棄風(fēng)率顯著下降，如表1所示。相比于改造之前，棄風(fēng)率降低了8.5百分點(diǎn)，發(fā)電成本降低了1.26億元，機(jī)組啟停成本降低了1 962萬(wàn)元。

圖2 煤電機(jī)組改造前后的發(fā)電出力數(shù)據(jù)對(duì)比圖

經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)抽汽與雙儲(chǔ)熱改造前抽汽與雙儲(chǔ)熱改造后提升效果發(fā)電成本/萬(wàn)元224 040211 44012 600啟停成本/萬(wàn)元5 3103 3481 962棄風(fēng)率/(%)13.565.068.5

3.3 儲(chǔ)熱容量與風(fēng)電裝機(jī)容量的影響

為了研究雙儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱容量在不同的風(fēng)電滲透水平下的影響效果，本文設(shè)置了3個(gè)不同的風(fēng)電裝機(jī)容量(500 MW、1 000 MW、1 500 MW)以及不同級(jí)別的儲(chǔ)熱容量時(shí)間(0～5 h)。不同的方案下的煤電啟停成本以及棄風(fēng)率如圖3、圖4所示。當(dāng)風(fēng)電裝機(jī)容量為1 500 MW時(shí)，煤電啟停成本從5 400萬(wàn)元降低到3 600萬(wàn)元，約降低了33.3%；棄風(fēng)率從13.8%下降到4.7%。因此，對(duì)于風(fēng)電滲透率較高的情況，煤電機(jī)組適當(dāng)增大儲(chǔ)熱容量可以降低煤電機(jī)組的啟停成本以及棄風(fēng)率。但是對(duì)于風(fēng)電滲透率較低的情況，煤電機(jī)組儲(chǔ)熱容量過(guò)大時(shí)，煤電的啟停成本以及棄風(fēng)率都基本保持不變。

圖3 不同風(fēng)電裝機(jī)和儲(chǔ)熱容量下的煤電啟停成本

圖4 不同風(fēng)電裝機(jī)和儲(chǔ)熱容量下的系統(tǒng)棄風(fēng)率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)山西未來(lái)高比例的風(fēng)電并網(wǎng)，提出了對(duì)常規(guī)煤電機(jī)組進(jìn)行抽汽與雙儲(chǔ)熱的技術(shù)改造，深度發(fā)掘山西常規(guī)煤電的調(diào)峰潛力，并且通過(guò)算例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)煤電機(jī)組進(jìn)行抽汽與雙儲(chǔ)熱的技術(shù)改造可以有效提升風(fēng)電消納能力，降低煤電機(jī)組的發(fā)電成本。

(2)在風(fēng)電滲透率過(guò)大時(shí)，應(yīng)采用5 h的儲(chǔ)熱容量以降低棄風(fēng)率；當(dāng)風(fēng)電滲透率較低時(shí)，應(yīng)采用1.5 h的儲(chǔ)熱容量以降低運(yùn)行成本。

綜上，本方法可在山西電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)峰嚴(yán)重困難時(shí)極大地緩解調(diào)峰壓力，降低棄風(fēng)量以及運(yùn)行成本。本文在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度建模時(shí)，并未考慮對(duì)鍋爐進(jìn)行改造的初期投資以及運(yùn)行維護(hù)成本，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要再進(jìn)一步的討論研究。