供热机组深度调峰能力提高方法研究进展概述

唐海峰等

摘 要：供热机组“以热定电”的运行方式严重制约了机组的实际调峰能力，造成我国北方电网出现大量弃风现象。在保证用户供热需求的前提下，解耦供热机组“以热定电”的运行方式是挖掘供热机组深度调峰能力的一个有效方案。该文对通过利用供热系统管网和建筑物的热惯性、配置蓄热装置等解耦供热机组“以热定电”运行模式方案的相关研究进展进行了归纳、总结和分析。针对目前供热机组难以主动参与调峰的影响因素，指出了相应政策激励机制的积极作用。并在最后提出了一个提升风电利用率的热—电联合优化运行方案。

关键词：供热机组 调峰能力 风电消纳 热电解耦 运行优化

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0015-03

风电是目前最近规模化开发前景的新能源之一。但是大规模风电并网后，由于风电随机波动的特性影响了电网的稳定和安全运行，导致大量弃风现象的出现，尤其是在吉林、黑龙江和内蒙古等北方地区[1]。这些地区供热机组所占的比例越来越高，由于其通常按“以热定电”模式运行，调峰能力有限，在冬季供暖期造成的弃风现象更为严重[2]。因此，提高供热机组深度调峰能力是电网当前及未来接纳风电的重要手段之一。

1 供热机组“以热定电”运行模式及其弊端

目前国内的供热机组主要分为两大类：背压式机组和抽气式机组[3]。背压式机组将汽轮机的所有乏汽送入供热蒸汽管网进行供热，没有冷源损失效率高，在优先满足一定供热功率的条件下发电功率固定无法调节，严格按“以热定电”方式运行。抽气式机组是在汽轮机中间抽取一部分蒸汽作为供热源，其供热功率和风电功率可在一定范围内自由调节，在负荷低谷风电过剩时期，其工作在最小凝汽量工况下，此时运行方式也属于“以热定电”。

根据我国的国情和相关政策，热电厂按照“以热定电”的方式运行“热电厂应根据热负荷的需要，确定最佳运行方案，并以满足热负荷的需要为主要目标。地区电力管理部门在制定热电厂电力调度曲线时，必须充分考虑供热负荷曲线变化和节能因素，不得以电量指标限制热电厂对外供热，更不得迫使热电厂减压减温供汽”[4]。“以热定电”的运行模式已成为制约供热机组调峰能力的主要因素，为此在满足用户供热需求的前提条件下，解耦供热机组的传统运行方式成为提高机组调峰能力的一种方案。

2 供热机组深度调峰能力提高方法

2.1 常规供热机组调峰能力的确定

最初研究较多就是供热机组实际的调峰范围。文献[5]通过数据分析和热力试验确定了机组的供热和调峰能力，文献[6]则进一步考虑了全厂汽水损失的影响，确定了机组在不同抽汽量下的调峰能力。文献[7]则根据汽轮机热力特性采用变工况法计算确定不同抽汽量下电负荷调峰范围的数学模型，同时考虑了汽轮机实际运行效率的修正及初终参数变化对发电功率的修正。文献[8]利用等效热降理论建立热电联产机组热力数学模型，并通过实验的方法对模型进行修正，从而确定机组调峰的范围。文献[9]中天津电网首次完成主力供热机组供热期电负荷调峰能力试验。这些研究为进一步挖掘供热机组深度调峰能力，促进风电消纳提供了依据。

2.2 解耦“以热定电”的运行模式

供热机组按“以热定电”的模式运行的根本原因是优先满足用户的供热需要，其直接体现在采暖建筑物室温变化范围的要求上。然而，供热系统的热迟滞性使得实际中室温受某时段供热量改变的影响并不显著[10]。因此，可以考虑通过解耦供热机组“以热定电”的运行方式，来提高机组的调峰能力：在风电低谷电网高峰时，供热机组供出较大的热量和电量，使供热介质和建筑物室内温度有限升高，将热量储存在热网和建筑物中；当风电高峰而电网低谷時，在保证供热质量的前提下，减少供热机组产热量同时减少发电量，供热介质和建筑物室内温度可有限度下降，将储存在热网和建筑物中的热量释放出来，同时参与电网的调峰、消纳风电。文献[11～14]分别从集中供热系统运行调节方式、一级管网供水温度发生波动对室内温度变化的影响分析、计算提前蓄热时间和放热时间以及机组的深度调峰能力、供热电机组参与系统调峰的优化调度模型等方面，验证了利用系统储热特性可以提高供热机组调峰能力方案的可行性。而文献[15]则进一步通过对AGC负荷指令进行非线性多尺度分解，构造了供热机组负荷指令，研究在不影响热用户的前提下如何充分利用供热管网蓄热来提高机组的调峰能力。

然而，供热管网和建筑物的储热能力有限，制约着供热机组调峰能力的进一步挖掘，因此，越来越多的学者开始寻求新的思路，如蓄热技术[16]。通过给供热机组配置蓄热装置提高机组调峰能力：在白天电负荷大而热负荷小的时段热电机组高负荷运行对蓄热装置进行储热；而在夜间电负荷小时段降低机组出力（甚至停机）进行调峰，而供热不足部分则利用蓄热装置的储热进行补偿供热。国外利用蓄热装置提高供热机组调峰能力的技术发展的比较成熟，应用广泛[17-19]。而在风电利用率较高的丹麦实现其未来100%可再生能源系统的一个重要手段就是利用蓄热装置提高供热机组的调峰能[20]。同时，该方案也受到越来越多欧洲国家的关注[21]。国内对于供热机组配置蓄热装置提高调峰能力的研究起步较晚，也没有得到广泛的推广应用。虽然很多学者开始这方面的研究[21，22]，但是这些研究均是介绍了增加蓄热装置提高供热机组储热能力这一方案的思想，并没有做非常深入的研究[23-25]。

并且，也有许多研究人员提出了配置电锅炉来解耦供热机组的传统运行模式的方案：当系统中风电过剩时，降低热电机组强迫出力，从而增加风电上网空间以接纳一部分过剩风电；而对热电机组由于电热耦合相应减发热量所导致的供热不足部分，则利用安装在热电厂中的电锅炉消耗另一部分过剩风电进行补偿供热，从而在保证供热的情况下实现对过剩风电的消纳。该方案在国外已经成功的应用于丹麦北部的斯卡恩热电站[26]。文献[27]对配置蓄热电锅炉的方案进行了多方面的分析，文献[28]则提出了4种不同方案来提高机组的调峰能力，并对方案的原理、调峰幅度、调峰效益、调峰成本、适用条件及应用前景进行了全面分析。

此外，文献[29]提出基于电网协调调度风电、用户侧空调热泵和供热机组的联合优化运行，由用电侧的空调热泵来承担部分热负荷，从而降低机组供热水平进而降低其强迫出力以接纳风电。由于空调热泵位于用户侧，需要智能电网的支撑实现电网对用户空调进行远程调控和通信，因而在国内当前不具有推广应用的条件。

3 讨论

3.1 市场及政策方面的激励机制

目前，虽然解耦供热机组“以热定电”运行方式在技术上完全可行，也具有一定的经济可行性；然而，在我国却鲜有实际的应用，这也与我国不成熟电力市场激励机制缺乏有关。供热机组配置蓄热装置或电锅炉时不仅需要投资运维成本，而且其降低自身发电量会损失利润；同时在中国当前调度模式下，调峰时的补偿只针对深度调峰和启停调峰，而且补偿的额度较低。因此，供热机组缺乏采取上述方案参与调峰的积极性。根据国外的经验，制定合理、完善的激励机制，协调供热机组和风电场之间的收益和成本，是激励供热机组主动积极参与深度调峰的关键[30]。如共同投资，合理分配供热机组参与深度调峰减少弃风所带来的收益。或者也可考虑采取行政手段来促进供热机组参与调峰，如同一区域内或同一发电集团内的火电与风电捆绑上网，在内部自行实现调峰。

3.2 提升风电利用率的热/电联合运行优化

基于上述分析可以看出：供热机组及其系统具有很大的热惯性，可以在满足热需求的基础上，进一步拓宽供热机组调峰范围。即在利用蓄热及电锅炉装置挖掘供热机组深度调峰能力的基础上，结合热负荷预测、风电功率预测以及电网负荷预测的信息，研究供热机组、蓄热式电锅炉与风电接纳之间的协调优化策略，从而在保证电网安全高效运行的基础上。所构建出基于供热机组深度调峰能力的提升风电利用率的综合能效优化方案，如图1所示。

4 结语

规模化风电的高效利用是解决能源危机和环境污染问题的关键，挖掘供热机组深度调峰能力是我国北方大规模接纳风电的必然选择。该文对现有的挖掘供热机组深度调峰能力的研究进展进行归纳、总结和分析，讨论了供热机组实施深度调峰能力挖掘技术方案的激励机制，并在文章的最后提出了一个提升风电利用率的热—电联合运行优化构架。

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