電力市場(chǎng)環(huán)境中電蓄熱供暖接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王宇衛(wèi) 高楊楊

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 引言

目前，我國(guó)北方地區(qū)取暖使用能源以燃煤為主，燃煤取暖面積約占總?cè)∨娣e的83%，天然氣、電、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等合計(jì)約占17%。取暖用煤年消耗約4 億tce，其中散燒煤（含低效小鍋爐用煤）約2 億tce，主要分布在農(nóng)村地區(qū)。北方地區(qū)供熱平均綜合能耗約22 tce/m2，其中，城鎮(zhèn)約19 tce/m2，農(nóng)村約27 tce/m2。

在北方城鎮(zhèn)地區(qū)，主要通過熱電聯(lián)產(chǎn)、大型區(qū)域鍋爐房等集中供暖設(shè)施滿足取暖需求，承擔(dān)供暖面積約70 億m2，集中供暖尚未覆蓋的區(qū)域以燃煤小鍋爐、天然氣、電、可再生能源等分散供暖作為補(bǔ)充。城鄉(xiāng)接合部、農(nóng)村等地區(qū)則多數(shù)為分散供暖，大量使用柴灶、火炕、爐子或土暖氣等供暖，少部分采用天然氣、電、可再生能源供暖。

2017年12月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等十部委發(fā)布了北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》，重點(diǎn)推廣“煤改氣”和“煤改電”。2017 年9月，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于北方地區(qū)清潔供暖價(jià)格政策的意見》，制定了“煤改氣”“煤改電”的具體價(jià)格支持政策。意見指出，對(duì)“煤改電”的地區(qū)適當(dāng)擴(kuò)大峰谷時(shí)段價(jià)差，在采暖季適當(dāng)延長(zhǎng)谷段時(shí)間，對(duì)適宜“煤改氣”的地區(qū)降低清潔供暖的用氣成本，重點(diǎn)支持農(nóng)村“煤改氣”。

“煤改氣”得到了大力推行后，效果并不理想還產(chǎn)生了不少問題，主要原因在于天然氣氣源緊張。2017年，突進(jìn)的“煤改氣”工程導(dǎo)致了整個(gè)華北地區(qū)冬季出現(xiàn)天然氣“氣荒”，氣源緊張、配套資金落實(shí)不到位、基礎(chǔ)設(shè)施不完善等問題使居民采暖得不到及時(shí)的保障。2018 年河北省也發(fā)布了天然氣供氣橙色預(yù)警，環(huán)保部發(fā)出特急通知、北京發(fā)出特急通知啟動(dòng)燃煤機(jī)組供暖、住建部發(fā)布緊急通知加快解決供暖突出問題。另外，天然氣需求的超常增長(zhǎng)打破了供需平衡，使天然氣價(jià)格上漲，導(dǎo)致居民取暖燃?xì)赓M(fèi)用負(fù)擔(dān)較大。天然氣屬于化石能源，非可再生能源，天然氣的燃燒也會(huì)排放NOx。此外，“煤改氣”還存在泄漏和爆炸等安全隱患。

2019年6月，國(guó)家能源局綜合司就“煤改氣”和“煤改電”過程中遇到的相關(guān)問題發(fā)布了《關(guān)于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進(jìn)過程中有關(guān)問題的通知》，主要對(duì)在“煤改氣”工程中落實(shí)天然氣供應(yīng)做出了要求，被業(yè)界看作是緊急叫停“煤改氣”，大力推廣“煤改電”。

基于目前清潔供暖的現(xiàn)狀、面臨的問題以及未來的發(fā)展趨勢(shì)，本研究主要將研究重點(diǎn)放在電供暖技術(shù)上，首先，對(duì)各類型電蓄熱系統(tǒng)電氣原理進(jìn)行分析，并對(duì)電蓄熱技術(shù)路線進(jìn)行分析研究；其次，對(duì)不同電壓等級(jí)下電網(wǎng)接入電蓄熱系統(tǒng)規(guī)模能力分析；最后，根據(jù)電蓄熱接入系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)將來可能涉及的改造、新建以及不同應(yīng)用場(chǎng)景下的電蓄熱項(xiàng)目，在接入系統(tǒng)方式難以確定時(shí)，為項(xiàng)目?jī)?chǔ)備一套設(shè)計(jì)比選方法，從而合理、經(jīng)濟(jì)地選擇接入方式，為電蓄熱供暖項(xiàng)目接入系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 電蓄熱供暖系統(tǒng)電氣原理分析

1.1 電極鍋爐+水蓄熱系統(tǒng)電氣原理分析

電極鍋爐的電極系統(tǒng)包括三相電極、中性點(diǎn)不接地電極和保護(hù)盾。電極安裝在絕緣體上和爐體隔離，保護(hù)盾由電動(dòng)執(zhí)行器控制，可以調(diào)節(jié)鍋爐的負(fù)荷量。負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為從5%～100%。電極鍋爐本體安裝在絕緣體上，這種安裝方式具有高電阻率。電壓在10 kV 時(shí)，電阻為1.5～2.5 Ω。鍋爐的進(jìn)、出水管，電動(dòng)執(zhí)行器和其他與鍋爐連接的配件都配有絕緣體。控制進(jìn)出水流的低導(dǎo)電率，保證運(yùn)行的絕對(duì)安全性。主要供電原理如下圖：

從技術(shù)特點(diǎn)來看，電極鍋爐應(yīng)用范圍廣，單機(jī)功率大，10～20 MW都有成熟機(jī)型的應(yīng)用案例。從目前運(yùn)行的項(xiàng)目來看，電極鍋爐+水蓄熱裝置主要分布于新疆、甘肅、青海等較為偏遠(yuǎn)的北方地區(qū)。這是因?yàn)殡姌O鍋爐本體體積不大，但是作為蓄熱裝置的蓄水罐體積較大，由于斜溫層的影響，一般而言蓄水罐的直徑不會(huì)太大，蓄水罐的體積主要體現(xiàn)在高度上，考慮到區(qū)域內(nèi)建筑風(fēng)格和建筑高度的規(guī)劃，電極鍋爐+水蓄熱裝置不太適合在人口和建筑密集的區(qū)域露天建設(shè)。

圖1 電極鍋爐+水蓄熱供暖技術(shù)電氣原理圖

圖2 電極鍋爐+水蓄熱供暖系統(tǒng)圖

1.2 固體模塊電蓄熱系統(tǒng)電氣原理分析

與電極鍋爐+熱水蓄熱技術(shù)不同，固體蓄熱式電加熱裝置的電加熱裝置與蓄熱裝置一體化，主要由電加熱元件、高溫蓄熱磚、換熱器以及熱控系統(tǒng)組成，通過電加熱元件將蓄熱磚（鎂磚）加熱到650 ℃以上，通過可變頻風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣在風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，經(jīng)過高溫蓄熱磚時(shí)產(chǎn)生高溫空氣，高溫空氣通過換熱器將熱量交換到水循環(huán)系統(tǒng)，主要供電原理如下圖：

大模塊固體蓄熱式電加熱裝置從5 MW 到90 MW有多種型號(hào)，主要用于電廠靈活性改造和集中電供暖，5～10 MW 采用10 kV 電壓進(jìn)線、10～50 MW采用33kV電壓進(jìn)線、50MW以上采用66 kV電壓進(jìn)線。從目前運(yùn)行的項(xiàng)目來看，張家口、大同、長(zhǎng)春等地具有典型借鑒意義。大模塊固體蓄熱式電加熱裝置應(yīng)用較多、技術(shù)成熟，用于集中供熱時(shí)，模塊數(shù)量少，占地面積較小。

圖3 固體模塊電蓄熱電氣原理示意圖

1.3 電極鍋爐+低溫相變系統(tǒng)電氣原理分析

電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置與電極鍋爐+熱水蓄熱裝置類似，其原理是利用電極鍋爐產(chǎn)生的熱水加熱儲(chǔ)熱介質(zhì)使其產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，在該過程中吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱。電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置是近年來興起的電蓄熱方面的新技術(shù)，利用蓄熱介質(zhì)的相變儲(chǔ)存能量，縮小了蓄熱介質(zhì)的體積。但是，目前的應(yīng)用案例仍然較少，技術(shù)成熟度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，電極鍋爐+低溫相變蓄熱裝置在運(yùn)行過程中通過電極鍋爐加熱水后，再通過水和低溫相變介質(zhì)換熱，主輔設(shè)備較多，增加了占地面積和運(yùn)維成本。其原理如下圖所示：

圖4 電極鍋爐+低溫相變系統(tǒng)電氣原理示意圖

1.4 高溫相變蓄熱系統(tǒng)電氣原理分析

高溫相變蓄熱式電加熱裝置與固體蓄熱式電加熱裝置相似，電加熱裝置與蓄熱裝置一體化。通過電加熱元件加熱高溫?zé)o機(jī)復(fù)合相變磚，其中的鈉鹽體系發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，蓄熱溫度最高可達(dá)750 ℃。通過可變頻風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣在風(fēng)道內(nèi)循環(huán)，經(jīng)過高溫?zé)o機(jī)復(fù)合相變磚時(shí)，產(chǎn)生高溫空氣并通過換熱器將熱量交換到水循環(huán)系統(tǒng)。

圖5 高溫相變蓄熱系統(tǒng)電氣原理示意圖

高溫相變蓄熱式電加熱裝置也是近年來興起的電蓄熱方面的新技術(shù)，但目前未見大型應(yīng)用案例的相關(guān)報(bào)道，僅有蘇州同里高溫相變儲(chǔ)熱冷熱聯(lián)供示范項(xiàng)目。從項(xiàng)目運(yùn)行情況來看，運(yùn)行良好，平均儲(chǔ)熱密度約為普通固體儲(chǔ)熱材料的1.8 倍，性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

1.5 電蓄熱技術(shù)供暖技術(shù)路線指標(biāo)

通過對(duì)以上電蓄熱系統(tǒng)電氣原理分析，總結(jié)各類電蓄熱集中供暖技術(shù)指標(biāo)如表1：

2 不同電壓等級(jí)電網(wǎng)接入電蓄熱系統(tǒng)規(guī)模能力分析

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)各類運(yùn)行電蓄熱項(xiàng)目的實(shí)際案例，結(jié)合常規(guī)電氣設(shè)備廠家及相關(guān)電氣參數(shù)信息，110 kV 電壓等級(jí)及以下電壓等級(jí)，由于受開關(guān)設(shè)備、變壓器等主要設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，決定了相應(yīng)電壓等級(jí)接入電蓄熱規(guī)模能力，各類型電蓄熱和應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)如表2。

3 電蓄熱系統(tǒng)規(guī)模能力分析

電蓄熱系統(tǒng)作為重要的用電負(fù)荷，應(yīng)用于工業(yè)和居民領(lǐng)域的重要性不同。在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，負(fù)荷供電中斷嚴(yán)重情況下設(shè)備故障可能引起較大的經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)合電蓄熱系統(tǒng)供熱用途的不同可將其定性為II 級(jí)和III 級(jí)負(fù)荷，根據(jù)電蓄熱系統(tǒng)負(fù)荷等級(jí)設(shè)計(jì)選擇高供電可靠的電氣主接線形式，按照供電備用的方案不同，將其分為n 供1 備、單母線分段、n供n-1備三種主要形式。

根據(jù)上節(jié)各類型電蓄熱項(xiàng)目實(shí)際接入容量，對(duì)能源站幾種典型方案進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 各電蓄熱集中供暖技術(shù)指標(biāo)

表2 110 kV及以下電壓等級(jí)接入電蓄熱系統(tǒng)的規(guī)模能力表

3.1 n供1備典型主接線設(shè)計(jì)方案

根據(jù)能源站電鍋爐數(shù)量多、容量大的負(fù)荷特點(diǎn)，同時(shí)從供電可靠，備用合理，經(jīng)濟(jì)性等角度考慮，提出能源站n供1備的接線模式。通常情況下，一段母線下負(fù)荷由該段母線進(jìn)線提供電源。該模式設(shè)置一回旁路，處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障使該段母線失去電源時(shí)，旁路斷路器動(dòng)作，將該段母線電源切換到旁路，由旁路為該段母線繼續(xù)供電，以此保證供電的可靠性。

針對(duì)電蓄熱系統(tǒng)單體5 MW 單元，電氣主接線如圖6 所示，該接線形式備用回路由單獨(dú)供電電源通過旁路方式接入各饋線母線，減少了備用回路，較為經(jīng)濟(jì)。

圖6 5 MW以下單元n供1備電氣主接線圖

當(dāng)5 MW 單元數(shù)量小于等于2 個(gè)時(shí)，電氣主接線將簡(jiǎn)化為單母線分段接線，如圖7所示，該接線形式通過母聯(lián)開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)供電回路的互為備用，不增加額外供電備用回路。

圖7 5 MW以下單元單母線分段電氣主接線圖

針對(duì)5～10 MW單元，電氣主接線如圖8所示，該接線形式與圖6 相似，主要差別在于受本電壓等級(jí)供電能力限制，一個(gè)饋線母線接1路饋出。

圖8 5～10 MW單元n供1備電氣主接線圖

針對(duì)10～20 MW 單元，電氣主接線如圖9 所示，該接線形式每回饋線有2路備用，具有高可靠性的特點(diǎn)，但造價(jià)成本較高，可用于對(duì)供電可靠性要求極高的場(chǎng)景。

圖9 10～20 MW單元n供1備電氣主接線圖

當(dāng)10～20 MW單元數(shù)量只有1個(gè)時(shí)，電氣主接線將簡(jiǎn)化為單母線分段接線，如圖10 所示，該接線形式主要用于單個(gè)供電電源容量不夠，需要多路供電才能滿足電蓄熱系統(tǒng)的場(chǎng)景。

圖10 10～20 MW單元單母線分段電氣主接線圖

3.2 單母線分段主接線設(shè)計(jì)方案

單母線分段接線每段母線均由該段母線進(jìn)線提供電源，分段斷路器處于分位。當(dāng)發(fā)生故障使該段母線失去電源時(shí)，分段斷路器動(dòng)作，將該段母線電源切換到另一段正常供電的母線，由另一段母線為該段母線繼續(xù)供電，以此保證供電的可靠性。該種方式要求站內(nèi)所有母線設(shè)備和進(jìn)線都具備正常運(yùn)行時(shí)2倍的供電能力。

針對(duì)5 MW 單元，電氣主接線如圖11 所示，該接線形式適用于分布式供熱系統(tǒng)，電蓄熱系統(tǒng)由多個(gè)相互獨(dú)立的供熱站組成，單個(gè)容量在5～10 MW 之間，供電形式屬于輻射+分段方案。

圖11 5 MW以下單元單母線分段電氣主接線圖（一）

當(dāng)每段母線5 MW 單元數(shù)量為2 個(gè)時(shí)，電氣主接線將如圖12所示，該接線形式與圖8沒有本質(zhì)差別，主要是根據(jù)分布的電蓄熱系統(tǒng)單元規(guī)模，單母線分段的供電回路相對(duì)較多。

圖12 5 MW以下單元單母線分段電氣主接線圖（二）

針對(duì)5～10 MW 單元，電氣主接線如圖13 所示，相比較圖11和圖12兩個(gè)接線形式，本接線形式適用于電源接入端單體供電能力不足，需要多個(gè)供電段匯集供電的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖13 5～10 MW以下單元單母線分段電氣主接線圖

針對(duì)10～20 MW 單元，電氣主接線如圖14 所示，該接線形式同時(shí)滿足了單體供電不足和供電回路備用的應(yīng)用要求。

圖14 10～20 MW單元單母線分段電氣主接線圖

3.3 n供n-1備主接線設(shè)計(jì)方案

對(duì)于可靠性要求非常高的情況下，可采用n 供n-1 備的電氣主接線模式。通常情況下，每段母線均由該段母線進(jìn)線提供電源，旁路斷路器處于分位。當(dāng)發(fā)生故障使該段母線失去電源時(shí)，旁路斷路器動(dòng)作，將該段母線電源切換到旁路母線，由旁路為該段母線繼續(xù)供電，以此保證供電的可靠性。

針對(duì)5 MW 單元，電氣主接線如圖15 所示，該接線形式通過各供電單元之間的相互備用，實(shí)現(xiàn)了n供n-1的備用目的，即使某供電母線停電檢修，剩余部分供電單元仍能保證有（n-1）/2 的備用數(shù)量，可靠性極高。

圖15 5 MW以下單元n供n-1備電氣主接線圖

針對(duì)5～10 MW 單元，電氣主接線如圖16 所示，與圖14方案本質(zhì)相同。

圖16 5～10 MW以下單元n供n-1備電氣主接線圖

針對(duì)10～20 MW 單元，電氣主接線如圖17 所示，與圖15和圖16本質(zhì)相同，主要用于單個(gè)供電端供電能力不足的場(chǎng)景。

圖17 10～20 MW單元n供n-1備電氣主接線圖

3.4 方案比較

從較為關(guān)鍵的主接線形式、保護(hù)配置、設(shè)備投資、日常運(yùn)行等四個(gè)方面比較，上述三種方案其主要差異如表3所示。

4 結(jié)論

從表3可以看出，主接線方面，n供n-1備可靠性最高，但三個(gè)方案都能滿足n-1 要求；保護(hù)配置方面，單母線分段配置最為簡(jiǎn)單，單母線分段和n供n-1 備保護(hù)動(dòng)作后均可迅速自動(dòng)恢復(fù)供電，而n 供1 備保護(hù)動(dòng)作后存在旁路斷路器聯(lián)閉鎖回路解鎖過程，恢復(fù)供電時(shí)間較慢；投資方面，n 供1 備投資最少，當(dāng)采用5 MW 以上單元時(shí)，單母線分段接線方案進(jìn)線斷路器和進(jìn)線線路數(shù)量約為n 供1備方案的2 倍，n 供n-1 備約為n 供1 備方案的3倍；運(yùn)行方面，三個(gè)方案可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，但n供n-1 備方案聯(lián)閉鎖系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化難度較大。

表3 三種方案對(duì)比分析表

總體來看，n 供1 備在設(shè)備投資方面存在極大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能滿足n-1 的可靠性要求，但發(fā)生故障時(shí)，由于無法及時(shí)切換到旁路，存在秒級(jí)短時(shí)失電的情況。單母線分段在系統(tǒng)保護(hù)配置方面和運(yùn)行方面技術(shù)最為成熟，可靠性非常高，但設(shè)備投資較大，約為n供1備的2倍。n供n-1備系統(tǒng)可靠性最高，但保護(hù)配置復(fù)雜、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)難度大，設(shè)備投資也非常大，約為n供1備的3倍。

綜上所述，當(dāng)能源站裝機(jī)容量不大于20 MW時(shí)可采用n 供1 備或單母線分段方案；當(dāng)能源站裝機(jī)容量大于20 MW時(shí)建議采用n供1備的方案；當(dāng)能源站需要滿足任意數(shù)量電源同時(shí)失電時(shí)仍可保障供電，可靠性要求非常高的情況下，可采用n供n-1備方案。