供熱機組深度調峰能力提高方法研究進展概述

唐海峰等

摘 要：供熱機組“以熱定電”的運行方式嚴重制約了機組的實際調峰能力，造成我國北方電網出現大量棄風現象。在保證用戶供熱需求的前提下，解耦供熱機組“以熱定電”的運行方式是挖掘供熱機組深度調峰能力的一個有效方案。該文對通過利用供熱系統管網和建筑物的熱慣性、配置蓄熱裝置等解耦供熱機組“以熱定電”運行模式方案的相關研究進展進行了歸納、總結和分析。針對目前供熱機組難以主動參與調峰的影響因素，指出了相應政策激勵機制的積極作用。并在最后提出了一個提升風電利用率的熱—電聯合優化運行方案。

關鍵詞：供熱機組 調峰能力 風電消納 熱電解耦 運行優化

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0015-03

風電是目前最近規模化開發前景的新能源之一。但是大規模風電并網后，由于風電隨機波動的特性影響了電網的穩定和安全運行，導致大量棄風現象的出現，尤其是在吉林、黑龍江和內蒙古等北方地區[1]。這些地區供熱機組所占的比例越來越高，由于其通常按“以熱定電”模式運行，調峰能力有限，在冬季供暖期造成的棄風現象更為嚴重[2]。因此，提高供熱機組深度調峰能力是電網當前及未來接納風電的重要手段之一。

1 供熱機組“以熱定電”運行模式及其弊端

目前國內的供熱機組主要分為兩大類：背壓式機組和抽氣式機組[3]。背壓式機組將汽輪機的所有乏汽送入供熱蒸汽管網進行供熱，沒有冷源損失效率高，在優先滿足一定供熱功率的條件下發電功率固定無法調節，嚴格按“以熱定電”方式運行。抽氣式機組是在汽輪機中間抽取一部分蒸汽作為供熱源，其供熱功率和風電功率可在一定范圍內自由調節，在負荷低谷風電過剩時期，其工作在最小凝汽量工況下，此時運行方式也屬于“以熱定電”。

根據我國的國情和相關政策，熱電廠按照“以熱定電”的方式運行“熱電廠應根據熱負荷的需要，確定最佳運行方案，并以滿足熱負荷的需要為主要目標。地區電力管理部門在制定熱電廠電力調度曲線時，必須充分考慮供熱負荷曲線變化和節能因素，不得以電量指標限制熱電廠對外供熱，更不得迫使熱電廠減壓減溫供汽”[4]?！耙詿岫姟钡倪\行模式已成為制約供熱機組調峰能力的主要因素，為此在滿足用戶供熱需求的前提條件下，解耦供熱機組的傳統運行方式成為提高機組調峰能力的一種方案。

2 供熱機組深度調峰能力提高方法

2.1 常規供熱機組調峰能力的確定

最初研究較多就是供熱機組實際的調峰范圍。文獻[5]通過數據分析和熱力試驗確定了機組的供熱和調峰能力，文獻[6]則進一步考慮了全廠汽水損失的影響，確定了機組在不同抽汽量下的調峰能力。文獻[7]則根據汽輪機熱力特性采用變工況法計算確定不同抽汽量下電負荷調峰范圍的數學模型，同時考慮了汽輪機實際運行效率的修正及初終參數變化對發電功率的修正。文獻[8]利用等效熱降理論建立熱電聯產機組熱力數學模型，并通過實驗的方法對模型進行修正，從而確定機組調峰的范圍。文獻[9]中天津電網首次完成主力供熱機組供熱期電負荷調峰能力試驗。這些研究為進一步挖掘供熱機組深度調峰能力，促進風電消納提供了依據。

2.2 解耦“以熱定電”的運行模式

供熱機組按“以熱定電”的模式運行的根本原因是優先滿足用戶的供熱需要，其直接體現在采暖建筑物室溫變化范圍的要求上。然而，供熱系統的熱遲滯性使得實際中室溫受某時段供熱量改變的影響并不顯著[10]。因此，可以考慮通過解耦供熱機組“以熱定電”的運行方式，來提高機組的調峰能力：在風電低谷電網高峰時，供熱機組供出較大的熱量和電量，使供熱介質和建筑物室內溫度有限升高，將熱量儲存在熱網和建筑物中；當風電高峰而電網低谷時，在保證供熱質量的前提下，減少供熱機組產熱量同時減少發電量，供熱介質和建筑物室內溫度可有限度下降，將儲存在熱網和建筑物中的熱量釋放出來，同時參與電網的調峰、消納風電。文獻[11～14]分別從集中供熱系統運行調節方式、一級管網供水溫度發生波動對室內溫度變化的影響分析、計算提前蓄熱時間和放熱時間以及機組的深度調峰能力、供熱電機組參與系統調峰的優化調度模型等方面，驗證了利用系統儲熱特性可以提高供熱機組調峰能力方案的可行性。而文獻[15]則進一步通過對AGC負荷指令進行非線性多尺度分解，構造了供熱機組負荷指令，研究在不影響熱用戶的前提下如何充分利用供熱管網蓄熱來提高機組的調峰能力。

然而，供熱管網和建筑物的儲熱能力有限，制約著供熱機組調峰能力的進一步挖掘，因此，越來越多的學者開始尋求新的思路，如蓄熱技術[16]。通過給供熱機組配置蓄熱裝置提高機組調峰能力：在白天電負荷大而熱負荷小的時段熱電機組高負荷運行對蓄熱裝置進行儲熱；而在夜間電負荷小時段降低機組出力（甚至停機）進行調峰，而供熱不足部分則利用蓄熱裝置的儲熱進行補償供熱。國外利用蓄熱裝置提高供熱機組調峰能力的技術發展的比較成熟，應用廣泛[17-19]。而在風電利用率較高的丹麥實現其未來100%可再生能源系統的一個重要手段就是利用蓄熱裝置提高供熱機組的調峰能[20]。同時，該方案也受到越來越多歐洲國家的關注[21]。國內對于供熱機組配置蓄熱裝置提高調峰能力的研究起步較晚，也沒有得到廣泛的推廣應用。雖然很多學者開始這方面的研究[21，22]，但是這些研究均是介紹了增加蓄熱裝置提高供熱機組儲熱能力這一方案的思想，并沒有做非常深入的研究[23-25]。

并且，也有許多研究人員提出了配置電鍋爐來解耦供熱機組的傳統運行模式的方案：當系統中風電過剩時，降低熱電機組強迫出力，從而增加風電上網空間以接納一部分過剩風電；而對熱電機組由于電熱耦合相應減發熱量所導致的供熱不足部分，則利用安裝在熱電廠中的電鍋爐消耗另一部分過剩風電進行補償供熱，從而在保證供熱的情況下實現對過剩風電的消納。該方案在國外已經成功的應用于丹麥北部的斯卡恩熱電站[26]。文獻[27]對配置蓄熱電鍋爐的方案進行了多方面的分析，文獻[28]則提出了4種不同方案來提高機組的調峰能力，并對方案的原理、調峰幅度、調峰效益、調峰成本、適用條件及應用前景進行了全面分析。

此外，文獻[29]提出基于電網協調調度風電、用戶側空調熱泵和供熱機組的聯合優化運行，由用電側的空調熱泵來承擔部分熱負荷，從而降低機組供熱水平進而降低其強迫出力以接納風電。由于空調熱泵位于用戶側，需要智能電網的支撐實現電網對用戶空調進行遠程調控和通信，因而在國內當前不具有推廣應用的條件。

3 討論

3.1 市場及政策方面的激勵機制

目前，雖然解耦供熱機組“以熱定電”運行方式在技術上完全可行，也具有一定的經濟可行性；然而，在我國卻鮮有實際的應用，這也與我國不成熟電力市場激勵機制缺乏有關。供熱機組配置蓄熱裝置或電鍋爐時不僅需要投資運維成本，而且其降低自身發電量會損失利潤；同時在中國當前調度模式下，調峰時的補償只針對深度調峰和啟停調峰，而且補償的額度較低。因此，供熱機組缺乏采取上述方案參與調峰的積極性。根據國外的經驗，制定合理、完善的激勵機制，協調供熱機組和風電場之間的收益和成本，是激勵供熱機組主動積極參與深度調峰的關鍵[30]。如共同投資，合理分配供熱機組參與深度調峰減少棄風所帶來的收益。或者也可考慮采取行政手段來促進供熱機組參與調峰，如同一區域內或同一發電集團內的火電與風電捆綁上網，在內部自行實現調峰。

3.2 提升風電利用率的熱/電聯合運行優化

基于上述分析可以看出：供熱機組及其系統具有很大的熱慣性，可以在滿足熱需求的基礎上，進一步拓寬供熱機組調峰范圍。即在利用蓄熱及電鍋爐裝置挖掘供熱機組深度調峰能力的基礎上，結合熱負荷預測、風電功率預測以及電網負荷預測的信息，研究供熱機組、蓄熱式電鍋爐與風電接納之間的協調優化策略，從而在保證電網安全高效運行的基礎上。所構建出基于供熱機組深度調峰能力的提升風電利用率的綜合能效優化方案，如圖1所示。

4 結語

規?；L電的高效利用是解決能源危機和環境污染問題的關鍵，挖掘供熱機組深度調峰能力是我國北方大規模接納風電的必然選擇。該文對現有的挖掘供熱機組深度調峰能力的研究進展進行歸納、總結和分析，討論了供熱機組實施深度調峰能力挖掘技術方案的激勵機制，并在文章的最后提出了一個提升風電利用率的熱—電聯合運行優化構架。

參考文獻

[1] 姜浩.基于電鍋爐的熱電廠消納棄風方案研究[D].大連理工大學，2013.

[2 白雪飛，王麗宏，杜榮華.風電大規模接入對蒙西電網調峰能力的影響[J].內蒙古電力技術，2010，28（1）：1-3.

[3] 劉志真.熱電聯產[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4] 熱電聯產項目可行性研究技術規定[Z]. 國家發展計劃委員會，2001.

[5] 王宏偉，馮垚飛，馮林魁，等.供熱機組調峰性能試驗[J].熱力發電，2014（4）： 106-109.

[6] 徐彤，周云，王新雷.300MW級熱電聯產機組調峰能力研究[J].中國電力，2014（9）：35-41.

[7] 王漪，薛永鋒，鄧楠.供熱機組以熱定電調峰范圍的研究[J].中國電力，2013（3）：59-62.

[8] 張宇，鄂志君，劉衛平，等.熱電聯產機組調峰能力的研究與應用[J].電力系統及其自動化學報，2013，25（3）：115-118.

[9] 張宇.天津電網首次完成主力供熱機組供熱期電負荷調峰能力試驗[J].天津電力技術，2011（1）：18.

[10] 付林，江億.承擔采暖負荷的背壓機組電力調峰優化運行[J].中國電機工程學報，2000，20（3）：81-84.

[11] 秦冰，付林，江億.利用系統熱慣性的熱電聯產電力調峰[J].煤氣與熱力，2005，25（10）：6-8.

[12] 秦冰，江億，付林.熱電聯產電力調峰時供熱系統的調節[J].煤氣與熱力， 2006，26（2）：51-55.

[13] 畢慶生，呂項羽，李德鑫，等.基于熱網及建筑物蓄熱特性的大型供熱機組深度調峰能力研究[J].汽輪機技術，2014，56（2）：141-144.

[14] 黃大為，郭君宜.熱電聯產機組參與系統調峰的調度策略[J].電力系統及其自動化學報，2014，26（3）：35-39.

[15] 劉鑫屏，田亮，王琪.補償風電擾動的供熱機組快速變負荷控制方法[J].電力系統自動化，2014（6）：26-32.

[16] Lund H， Andersen A N. Optimal designs of small CHP plants in a market with fluctuating electricity prices[J]. Energy Conversion and Management， 2005，46（6）：893-904.

[17] Haeseldonckx D， Peeters L， Helsen L， et al. The impact of thermal storage on the operational behaviour of residential CHP facilities and the overall CO2 emissions[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2007， 11（6）： 1227-1243.

[18] Khan K H， Rasul M G， Khan M M K. Energy conservation in buildings： cogeneration and cogeneration coupled with thermal energy storage[J]. Applied Energy， 2004， 77（1）： 15-34.

[19] Celador A C， Odriozola M， Sala J M. Implications of the modelling of stratified hot water storage tanks in the simulation of CHP plants[J]. Energy Conversion and Management， 2011， 52（8）： 3018-3026.

[20] Lund H， Mathiesen B V. Energy system analysis of 100% renewable energy systems—The case of Denmark in years 2030 and 2050[J]. Energy， 2009， 34（5）： 524-531.

[21] Christidis A， Koch C， Pottel L， et al. The contribution of heat storage to the profitable operation of combined heat and power plants in liberalized electricity markets[J]. Energy， 2012，41（1）：75-82.

[22] 姚斌.國外幾種新型調峰方式[J].湖北電力，1996，20（2）：59-61.

[23] 呂學勤，劉剛，黃自元.電力調峰方式及其存在的問題[J].電站系統工程， 2007，23（5）：37-40.

[24] 王凱，田昊明，賈靜.采用蓄熱技術擴大供熱機組調峰裕度的研究[J].節能技術， 2012，30（4）：339-341.

[25] 陳小慧.帶蓄熱裝置的熱電機組的系統調峰運行和熱經濟性分析[D].華北電力學，2014.

[26] 呂泉，陳天佑，王海霞，等.配置儲熱后熱電機組調峰能力分析[J].電力系統自動化，2014（11）：34-41.

[27] 呂泉，姜浩，陳天佑，等.基于電鍋爐的熱電廠消納風電方案及其國民經濟評價[J].電力系統自動化，2014（1）：6-12.

[28] 劉慶超，張清遠，許霞.蓄熱電鍋爐在風電限電地區進行調峰蓄能的可行性分析[J].華電技術，2012，34（9）：75-78.

[29] 呂泉，陳天佑，王海霞，等.熱電廠參與風電調峰的方法評述及展望[J].中國電力，2013（11）：129-136.

[30] Danish Energy Agency. Technology data for energy plants[M].Denmark： Energinet. dk，2010.