66 kV固體電蓄熱裝置在火電機組深度調峰中的應用

孫立本，張少成，許冰，宋宏飛，鄭麗輝，萬白鴿

(丹東金山熱電有限公司，遼寧 丹東 118000)

0 引言

中國是一個能源消耗大國，并且以化石能源應用為主，近幾年來，風電、太陽能等新能源技術快速發展，但發電時段的不確定性使其在電網調度等方面存在很大問題。火電機組供熱電廠一方面承擔著電力供應的任務，另一方面還承擔著地方供熱的任務，采用以熱定電的方式、發電調節靈活性差以及其他原因造成了棄風、棄光現象嚴重，尤其以東北、西北、華北等區域更為普遍，導致新能源的極大浪費。棄風、棄光現象產生的原因主要是電力無法儲存，目前我國的國情是大部分風電、太陽能按照規劃為就地消化，而這些地區大部分是經濟欠發達地區，用電需求無法消納如此巨大的電量，2016年遼寧省棄風率就達到15%，因此，減少煤炭能源消耗、解決棄風問題已成為行業關注焦點。我國雖然資源豐富，但是人均占有量低，利用可再生能源是我國可持續發展的必由之路，因此，減少化石能源的消耗、增加可再生能源的利用勢在必行。

1 蓄熱裝置背景

1.1 火電靈活性技術現狀

我國從2016年開始真正深入研究火電靈活性相關技術，雖然2010年以后各區域電網都相繼出臺了電力輔助服務市場規則，積極鼓勵各火電廠進行調峰和輔助服務相關交易，但2016年下半年才真正從政策層面和管理層面出臺了《東北電力輔助服務市場規則》試行文件，國內能源局、電力規劃設計總院、五大發電集團和設備廠商相繼開始研究火電靈活性相關技術。目前，在國內火電行業，火電靈活性課題已經成為每個火電廠和火電從業人員重點關注的課題[1]。

1.2 蓄能技術簡介

采用蓄能技術是解決棄風、棄光等問題的有效途徑，它可以在棄風、棄光時段通過蓄能設備將電能轉換為熱能、機械能等其他能源，為新能源提供上網空間，在其他時段再將熱能、機械能用于供暖或發電，可實現新能源的上網。目前,常見的蓄能技術主要包括固體蓄能、液體蓄能、相變材料蓄能、壓縮空氣蓄能以及抽水蓄能等，其中固體蓄能、液體蓄能、相變材料蓄能等技術主要是將電能轉換為熱能，然后熱能用于供熱，而壓縮空氣蓄能、抽水蓄能等技術主要是將電能轉化為機械能，然后機械能再轉化為電能[2]。

各電廠發電通過電網向用戶輸送，在電負荷和熱負荷一定的情況下，各種能源方式根據需要通過電網調度進行分配，如果燃煤電廠上網電量大，勢必要減少風電、光電的上網電量。光電、風電、純凝電廠沒有自主調節能力，由于電能無法直接儲存，只能上網，因此當電負荷發生變化時，這幾類電廠只能調整發電量。供熱電廠輸出有熱能和電能兩種形式，如果增加儲能設施，可以將多余的電能通過儲能設施轉變成熱能儲存起來，因此供熱電廠在用電低谷時可以減少上網電量，增加光電、風電的上網電量，從而達到電網深度調峰的目的。

1.3 電蓄熱裝置原理

電蓄熱裝置由高壓電發熱體、高溫蓄能器、高溫熱交換器、熱輸出控制器和自動控制系統等構成。在熱電解耦時間，通過高壓電網為高壓電發熱體供電，將電能轉化為熱能，經過高溫熱交換器用高溫蓄能器儲存的熱能來加熱熱網循環水。電蓄熱裝置由耐火磚塊砌筑而成，耐火砌磚上設有若干個縱向貫穿孔洞和橫向貫穿孔洞，電源接通后，穿插在耐火砌磚塊貫穿孔洞中的電熱絲開始發熱。電加熱單元是由一種特殊合金制作的串并聯電加熱組，利用電阻原理把電能轉換為高溫熱能，把熱量傳給由耐火磚塊所砌成的蓄熱裝置。溫度達到預定值時，溫度測量器將信號傳給控制裝置，使電源斷開，保溫材料把蓄熱裝置所得到的熱量儲存起來，當需要釋放熱量時，啟動循環風機，使空氣通過保溫材料的縫隙進入耐火材料的貫穿孔洞中，空氣溫度提高后被抽到循環風機中循環流動，熱空氣通過換熱裝置把熱量傳給換熱裝置中的熱網循環水。

1.4 電蓄熱裝置的實際應用

丹東金山熱電有限公司確定總體技術路線采用高電壓固體電蓄熱專利技術，公司投資建設一套260 MW電蓄熱裝置，電源采用220/66 kV電壓等級。電蓄熱裝置主要在供熱期用電，冬季供熱期在夜間負荷低谷時期運行，利用電能加熱蓄熱7 h(22：00—05:00)，白天蓄熱裝置停止用電，僅靠蓄熱可以滿足白天供熱需求。在電網需要調峰時，省電力調度中心可以通過自動控制系統遠方接通電蓄熱裝置高壓開關(省電力調度中心可以根據實際情況投入該公司全部或任意一臺電蓄熱器)，此時電蓄熱裝置將電能轉換為熱能并被高溫蓄能體不斷吸收，當高溫蓄熱體的溫度達到設定的上限值或電網調峰結束時，切斷高壓開關。

在電網低谷調峰時段或風力發電的棄風電時段，吸收電廠的發電電力，轉化成熱能補充電廠熱網供熱，多余熱能可以儲存起來，在需要時補充到熱網。電蓄熱鍋爐的輔助供熱使發電機組能夠實現熱電解耦，突破最小運行方式減出力，在發電機減出力和電蓄熱鍋爐用電的雙重作用下，可使全廠對電網輸出電量基本為零。一方面，為核電、風電等清潔能源讓出了上網空間；另一方面，通過參與調峰輔助服務市場，使電廠不但不再分攤調峰輔助服務費用，而且還能贏得調峰輔助服務補償收入。

2 電蓄熱裝置效益

2.1 電蓄熱裝置對熱網的影響

丹東金山熱電有限公司于2009年9月開工新建2臺300 MW亞臨界一次中間再熱供熱機組，于2012年12月相繼投產并轉入商業運營。單臺機組設計最大抽汽流量為600 t/h，平均采暖抽汽流量為550 t/h，額定采暖抽汽流量為340 t/h，采暖抽汽壓力可調整，最大采暖抽汽壓力為0.49 MPa(絕對壓力)。熱網首站供熱蒸汽采用單元制，每臺機組設置2臺換熱面積為2 800 m2的臥式高效汽水熱交換器。該公司于2015年進行了供熱系統改造，安裝了6臺單機容量為52.3 MW的蒸汽驅動溴化鋰吸收式熱泵，回收#1機組循環水余熱130.91 MW。新建260 MW固體電蓄熱裝置接引在廠區內城市熱網供水主管道上，將熱網回水經熱泵系統一次加熱后進入熱網加熱器二次加熱，再經固體電蓄熱裝置三次加熱供給熱用戶。260 MW電蓄熱裝置每天蓄熱7 h，可24 h放熱，按95%的設備效率考慮，固體蓄熱電鍋爐的供熱能力為72 MW，因此，在采暖抽汽供熱能力不變的情況下可增大電廠的供熱能力72 MW，按照49 W/m2熱負荷指標計算，可增加供熱面積147萬m2。

2.2 電蓄熱裝置對公司發電量的影響

新建260 MW 固體蓄熱裝置利用峰谷電通過固體電蓄熱爐將電能轉換為熱能用于城市供熱，按照供暖期150 d、每天蓄熱7 h考慮，可實現雙機54%額定負荷(600 MW)即324 MW運行時上網電量為0，因此年最大調峰電量為340.22 GW·h，由于調峰電量不占電廠的上網負荷指標，因此，扣除廠用電后電廠可增加上網電量273.02 GW·h。

2.3 電蓄熱裝置對遼寧電網系統的影響

80 MW占遼寧電網裝機總量 43.22 GW的0.19%左右，事故情況下即80 MW負荷失去的情況下，對電網的潮流分布及暫態穩定性影響很小，電廠通過自動發電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)系統對機組出力進行調整，能夠及時調整電網的電力平衡及電壓水平，對廠網安全穩定運行不會產生不利影響，反而增大的調峰能力有利于提高機組總體發電量，提高運行經濟效益。

3 電蓄熱裝置創新點與技術難點

3.1 技術創新點

大功率發熱技術：將高電壓(66 kV)直接引入發熱體，解決了超大功率供熱的難題。高密度熱存儲技術：采用能耐1 500 ℃以上高溫的高密度、高熱容蓄熱材料，并制成高溫蓄熱體(鎂磚)，這種高溫蓄熱體由合理配比的無機鹽合成材料加工成形，經高溫燒結定性、定型，具有體積小、熱容量大、儲熱能力強、性能穩定、熱量釋放穩定等優點。水電分離技術：高溫蓄熱體與熱水輸出裝置之間沒有直接關聯，由于供電加熱電路與蓄熱體是相互分離的，充分保證了設備在各種場合的安全運行，解決了高壓絕緣問題。

3.2 技術難點

電蓄熱裝置由于容量大、電壓等級高，無論投入、切除都是滿負荷，裝置在設計上均不具備負荷調整功能，分合閘操作時對66 kV母線有沖擊，易產生諧振過電壓現象。為此，停機后將增加諧振裝置，同時積極與調度溝通，適當延長電蓄熱切換時間，減少諧振問題。

4 電蓄熱裝置應用收益分析

2017年2月28日—3月31日，電蓄熱裝置投運1個月，遼寧電網棄風現象得到了有效緩解，棄風率非常低，累計減少上網電量25.63 GW·h，為清潔能源發電騰出25.63 GW·h發電空間。電蓄熱鍋爐投運后，供熱初末期熱網運行方式可實現熱泵帶熱網一期負荷，電蓄熱鍋爐帶熱網二期負荷，熱網加熱器作為尖峰備用。經測算，丹東金山熱電有限公司260 MW電蓄熱裝置投運后相當于拆除29臺10 t/h小燃煤鍋爐，一年可減少標煤消耗10.00萬t、二氧化碳排放26.21萬t、二氧化硫排放0.24萬t、粉塵排放7.51萬t、氮氧化物排放0.07萬t。電蓄熱參與調峰5個月，獲得經濟收入815.82萬元。