提升热源侧调峰能力的热电解耦技术

陆明媚, 张启连, 王宏伟, 彭伟杰,丁 敏, 张凯旋, 蔡琼瑜

(1.建投河北热力有限公司, 河北 石家庄 050000; 2.石家庄供热事务中心, 河北 石家庄 050000; 3.河北科技大学 建筑工程学院, 河北 石家庄 051018)

1 概述

近年来,中国努力优化能源结构,推动绿色低碳发展,持续优化能源生产、消费结构,取得了较为显著的效果[1-2]。2017—2021年我国北方地区清洁供热率从43%增加到70%[3],新能源增势强劲,清洁化进程加快,特别是风能、太阳能等可再生能源跨越式增长。近年来我国清洁能源发电装机量和并网规模飞速增长,又因在北方热需求较大的城市冬天需保证供热,以热定电模式致使弃光弃电现象严重,这就要求电力系统必须加强应变能力,要求热电机组能够满足用电尖峰、低谷的负荷调节要求[4-6]。热电联产作为热电厂主要的运行模式,一般采用以热定电或以电定热作为运行策略。热电联产运行稳定,技术成熟,比热电分产模式更加节省燃料,能源利用率高,能有效减少系统的碳排放。但是由于热与电的耦合关系,在热需求较大的时期及地区,电网调峰受到极大的限制。在供热负荷达到最大时,热电机组灵活性极小,无法消纳可再生能源,也会阻碍可再生能源上网通道[7]。为了保障基本的供暖,热电机组会承担很大的负荷,造成可再生能源难以并网、弃风弃光现象频发。为了解决这一问题并充分利用风光等可再生能源,热电解耦是必经之路[8]。热电解耦不仅可以加大新能源消纳,还可以有效增加热电机组的深度调峰能力[9]。本文总结归纳部分热电解耦的途径及供热改造实际应用方案,并对可再生能源发电在未来的发展等进行思考与探索。

2 热电解耦技术发展现状

针对目前以热定电调峰能力差、新能源消纳不完全而产生弃风弃光的现象,世界各国都在积极探索解决办法。从研究现状来看,对热电机组增设耦合装备技术较为成熟[10]。

2.1 蓄热罐

蓄热技术包含显热、潜热和化学3种蓄热方式,目前显热、潜热蓄热方式在热电网调峰工程方面应用较为广泛。从蓄热罐布置位置来看,可分为热源侧、用户侧2种蓄热方式[11]。在热源侧布置蓄热罐,当热电厂所负责区域电负荷需求增大时,热电厂生产的热量随之增长,而末端热用户的热需求保持稳定状态,此时产热量大于需热量,利用水、相变蓄热材料等介质的蓄热能力将热量储存在蓄热罐中,实现了热电解耦,明显提升热电机组调峰能力,能够维持电网安全、稳定运行。在用户侧布置蓄热罐,当热需求降低时,将供热管网中多余的热量转移到蓄热罐中;当热需求升高时,将热量从蓄热罐中提取出来,与供热管网一同向热用户供暖,可以在满足用户供暖需求的同时减少热网供热的压力,且用户侧蓄热罐可与分布式光伏、空气源热泵等技术相结合,具有较好的灵活性。

欧洲部分热电厂引入蓄热水罐,提高了燃气蒸汽联合循环发电机组的利润和热生产能力,提高了电网的稳定性和灵活性。对蓄热罐体积进行模拟运算,可精准预测热需求,并协助热电厂计划下一个工作周期的运行模式[12]。Streckiene等人[13]对热电厂蓄热罐最佳尺寸的计算展开了研究,并对安装了蓄热罐的热电机组经济效益展开调查,发现具有蓄热功能的热电机组有较高的经济效益与可靠性。Nuytten等人[14]对比了集中式和分散式储热对热电机组最大灵活性的影响程度,以及在传统集中供暖模式下对热负荷高峰的保证情况。学者们[15-17]针对增设蓄热罐的热电机组的有效性、灵活性和经济性展开了大量的研究,首先开发考虑可再生能源调节的解耦技术的节能和经济分析模型,从峰值节能率和回收率等方面定义新的性能指标,研发热力学分析模型验证热电机组灵活性和热力学性能,对热电机组进行定量分析,并考虑多技术整合,将电锅炉、储热装置、电储能和旁路补偿技术集成应用到热电联产系统中,优势互补,提高了热电联产系统的整体灵活性。

2.2 电锅炉

电锅炉的工作原理为:通过电加热元件将电能转化为热能,加热锅炉中的水产生热水或蒸汽。这种运行模式需要电能供应,在用热高峰期或热电机组供热不足时向热网补充热能,能够在不改变热电机组工作状态下使用过剩的电能,消纳新能源电能的并网压力或者分担集中供暖的热负荷,从而实现热电解耦[18-19]。按照工作原理可将电锅炉分为电极式、电阻式、电感式3类。其中电极式锅炉将水作为电阻进行生热,电阻式锅炉使用镍铬合金、铬铝合金等电阻丝生热,电感式锅炉利用电磁感应原理加热金属材料生热。不同的生热方法导致锅炉的效果不同,因运行维护、产热效率及控制精度等因素,电极式锅炉相较其他2种类型电锅炉得到了更广泛的应用[20]。

国内外对热电联产增设电锅炉的技术进行了大量的研究。德国学者在区域供热管网中增设电锅炉,解决了电网在低剩余负荷时与热电厂发电功率冲突的问题,且节约成本远大于电锅炉的投资成本[21]。我国学者在厂级AGC(Automatic Generation Control,自动发电控制)调度控制模式下对电锅炉热电厂多运行组合模式的策略进行了优化,分析电厂设备和全厂电热特性,结合电力、热力、出力与变负荷上下限等约束条件,以供能成本和供能煤耗为目标函数建立了优化模型[22]。

虽然电锅炉技术存在明显的高品低用现象,但在实际应用过程中扩展了热电机组的消纳能力,蓄热装置与电厂内的电锅炉相结合,保障了供暖供电过程的稳定持续[23],因此在供热体系改进中电锅炉仍然发挥着不可忽视的作用。

2.3 热泵

热泵能够分担热电机组部分热负荷,充分利用低品位热能,吸热后将热量转移至负荷侧散热,促使热量逆向传递,将常见的低品位热量(空气、土壤中的热量)利用起来,消耗较少的电能产生较大的热量。热泵与电锅炉类似,在调峰过程中都是将电能转化为热能,减小热电机组的热负荷,进而摆脱以热定电的局面[10]。集成热泵的热电系统结构见图1。常见的热泵分为集中式热泵和分布式热泵。集中式热泵主要应用于发电厂,分布式热泵主要应用于末端用户。增设热泵的热电联产系统,热电出力发生了改变:电出力减少,成本较低的风电等可再生能源可以上网使用,缓解了弃风现象。在热电解耦技术消纳能力方面,有学者提出采用水源热泵将热电机组冷却循环水中低温余热提取至供暖管网中,既提高了供热量,又增加了风电的消纳能力[24]。张宇等人[10]对搭载吸收式热泵的热电机组进行研究,发现集成热泵后的机组电热特性图中安全运行区间扩大,电功率上调和下调能力分别增加了40.53%、84.76%。当今多能源联产系统被广泛关注,研究表明,集成可逆吸收式热泵的热电联产机组与传统机组相比,其节能效率可达43%,节约成本约5%[25]。

图1 集成热泵的热电系统结构

3 热电解耦技术的应用

我国黑龙江省某热电厂原有机组为两台330 MW供热式汽轮发电机组,供热最大热负荷为648.97 MW,增加电锅炉后机组负荷率约为47.3%,可以实现热电解耦生产运行[26]。华电丹东金山热电厂原有300 MW热电机组2台,设计年发电量为3 300 GW·h,年供热量7 000 TJ,增设260 MW电蓄热锅炉,供热能力为72 MW,利用夜间低谷电蓄热7 h,年调峰电量增幅32.4%。大唐辽源发电厂原有330 MW热电机组2台,增设26 000 m3蓄热水罐后具备1 188 MW·h的蓄热能力,在保证供暖热负荷的前提下最小电出力为额定量的70%。吉林江南热电厂原设300 MW热电机组2台,增设吸收式余热回收热泵,增加装机量80 MW,可回收余热152 MW。呼和浩特热电厂原有350 MW热电机组2台,增设吸收式余热回收热泵后供热能力提高50.24%[27]。

西班牙某地利用污水处理厂的生物甲烷,采用集成热泵的热电联产机组对50 000人的社区进行供暖,在尽可能满足热需求条件下降低了供暖成本[28]。瑞典斯德哥尔摩地区增设660 MW和300 MW的大型热泵,以此来减小可再生能源入网带来的波动[29]。丹麦风电发电量占总发电量的20%以上,热电联产机组发电量占火力发电量的90%,且预计在21世纪中叶将风电比例提升至60%～80%,这些指标要远远高于目前我国北方大部分地区[30]。

4 我国热电解耦技术发展面临的问题

供暖期电热矛盾突出及新能源上网电量飞速上涨问题使热电解耦技术成为提高电网系统灵活性的主要手段。笔者认为未来热电解耦技术可能存在的问题有以下几点。

① 不同热电解耦技术对热电机组增益效果不同,当前国内研究聚焦于各种手段对热电机组调峰的影响,未从社会整体的角度多方面综合看待不同热电解耦技术所带来的增益效果。

② 当前研究并未深入分析改造对机组的维修和寿命的影响及经济效益的变化。

③ 国内热电联产领域缺乏合理激励、补助政策,企业参加调峰意识较薄弱,政府还需积极引导,实现节能减排。

5 建议

① 整合各种储热技术,电力、供热部门联合推动,实施更广泛、更灵活的耦合方案,综合利用供应侧、输电配电侧和需求侧储热,因地制宜,形成符合当地实际的特色热电解耦项目。

② 建立规范的蓄热价格体系。支持电力、供热行业根据自身特点开展蓄热研究和应用,加快大数据、云计算等新型技术在蓄热技术领域的应用,建立健全蓄热价格体系。

③ 在具备充足的电网系统调节资源前提下,建立健全保障机制。各地主管部门应明确企业办理并网手续的办法,鼓励蓄热技术在热电企业的应用,尽量向用户提供一站式的蓄热服务。

④ 健全蓄热法律法规标准,完善经济政策。建议在满足电负荷要求的前提下,充分发挥蓄热的效率和作用,制定和完善各地设立发电机组配套蓄热装置的政策,推动建立蓄热设备制造、建设安装、运行监测等环节的安全标准及管理体系,加大支持新型蓄热技术发展的财政、金融、税收、土地等政策力度。