火電機組深度調峰技術的研究

劉德君

（青海黃河上游水電開發有限責任公司，青海 西寧 810000）

1 電極式熱水鍋爐概述

1．1 熱水鍋爐工作模式

電極式熱水鍋爐是指直熱式鍋爐，具體可分為電極熱水鍋爐和電極蒸汽鍋爐，目前，在電蓄熱調峰領域應用的高壓電極鍋爐全部為電機熱水鍋爐。該設備的運行原理如下：其借助三相電極，依托水資源的高熱阻性質，在設備內增加電導率，使得爐中水加熱放電，進而將99%的電能轉變為熱能，生成一定量的蒸汽和熱水。此鍋爐系統包含循環水泵、電極鍋爐、換熱器、補水定壓裝置，系統中熱水產生的熱能可以借助換熱器向熱網完成輸送操作，進而發揮供熱的作用，還可以返回到鍋爐中進行二次吸熱操作。

圖1 電極式熱水鍋爐系統工作原理示意圖

通常情況下，電極熱水鍋爐功率可以在0.5%～100%進行調節，當其處于5%～100%時，還能夠完成無極調整。在火電機組中可以獨立設置電極鍋爐系統，充分利用設備產生的電能實現熱能轉化。此外，該設備可以和儲熱水罐相互配合工作，一同為存儲熱能提供支持，獲得較高經濟效益，系統工作原理如圖1所示。

該系統有占地面積小、比投資低、電熱轉換速率高、調峰響應迅速（0～100%負荷調節時間10分鐘）和負荷線性好等特點，完全滿足電網深度調峰調度的要求。由于換熱功率大和采用蓄熱方式，機組調峰時長和功率不受限制，可充分發揮機組調峰潛力，獲得可觀的調峰輔助服務補償收益。

1．2 電極鍋爐的特點

電極鍋爐適用電壓范圍是6～20kV，可適用電壓不穩定的電網系統。

對于電極式鍋爐系統而言，其具有以下諸多方面的優勢：

（1）電極鍋爐效率高達99%以上，體積較小，節省空間；

（2）可以采用10kV高壓電直供，降低變壓器初投資；

（3）運行安全穩定可靠，沒有蒸汽換熱環節，不需要鍋爐排污；

（4）可調節電網峰谷差值，減少電網白天負荷，充分利用電網夜間低谷電；

（5）可無級調節，根據用戶負荷零到滿負荷功率無級調節；

（6）智能化控制程度高，出水溫度控制精度±0.5℃；

（7）封閉式設計,高壓電絕對隔離；

（8）不產生拉弧,保護電網安全；

（9）電極實際使用壽命超過30年，電鍋爐設計使用壽命40年以上。

電極式電鍋爐，該設備的工作機制是調節電鍋爐參數，進而契合熱水所產生的負荷。結合火電機組發電運行過程能明確鍋爐用量，原因是該設備運行需要花費一定電量。同時，因電加熱替代了原抽汽加熱，所以機組供熱抽汽量減少，可以進一步降低機組發電功率，實現了在上網功率很低的工況下仍能保證熱負荷供應，實現了熱電解耦，提高了機組調峰深度。

此外，電極電鍋爐的應用還具備以下優勢：

（1）應用該設備會與原火電機組相互獨立，保證其常規運行，避免出現邏輯控制問題。同時，機組實際發電負荷有一定的提高，機組自身發電效率及運行穩定性也將有一定提升；

（2）工作模式較為靈活，應用電鍋爐時，其功率可以依據熱網的實際負荷情況進行靈活、持續的調節，進而顯著提升工作效率；

（3）電極式電鍋爐在工作階段的空間占有面積較低，可以完成分布安裝設置；

（4）由于火電機組的實際負荷率較大，無須重點改造煙氣脫硝體系。

2 固體蓄熱技術

2．1 固體電蓄熱設備工作原理

高溫固體電蓄熱設備組成：熱交換器、保溫外殼、電發熱體、供電系統、儲能體等結構。儲熱設備的主要工作內容如下：首先，在預先設置的棄風電、電網低谷階段，通過自動化控制平臺連接電源，確保電發熱體的熱量供應。其次，借助電發熱體將電能直接轉變為熱能，便于被蓄熱體吸收。若蓄熱體自身溫度滿足限值，則系統會自動斷開開關，進而停止供電。最后，當遇到特殊情況時可以利用熱輸出設備連接蓄熱體和熱交換器，借助交換器將熱能轉變為熱風、熱水、蒸汽，實現輸出應用。

2．2 固體蓄熱調峰的原理

當前，火電廠開展深度調峰工作的主體大部分是熱電廠，原因是該區域可以使電能向熱能轉換，用于集中供熱，純凝電廠由于沒有熱負荷，如果電能儲存再轉化成電能或者其他能量形式損失較大，因此，純凝電廠參與調峰主要是減負荷。熱電廠的運行采取“以熱定電”的方式，如果不增加儲能設備，熱電廠根據供熱量決定其發電量，而增加了儲能設施后，實現電廠熱能和電能的靈活存儲和轉換。

3 高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設備技術

采用“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設備”深度調峰技術可以在調峰時段，利用高壓電極熱水鍋爐消耗部分機組發電量并同時對外供熱補充熱網所需的供熱量的方式進行深度調峰熱電解耦。其中，高壓電極熱水鍋爐設備的運行原理是由電能直接轉變為熱能，并將后者傳輸至能量轉換設備中。當水和電極接觸后，電流經過會生成熱量，使其傳輸至介質處，實現低溫介質向高溫介質的轉變。此外，利用板式換熱器可以將循環水泵中的熱量傳輸至用戶端，實現高溫介質至低溫介質的轉變，進而確保系統熱量均衡。

由于高壓電極熱水鍋爐自身并不具備蓄熱功能，所以采用部分固體蓄熱式鍋爐系統，該系統主要是由加熱絲、蓄熱磚塊、換熱風機和換熱器構成。在調峰階段系統內，電熱絲會在通電后生成熱量，實現電能-熱能的轉變，將熱量存儲到蓄熱磚中，以緩解熱負荷對該項目調峰深度的限制，并在供熱期非調峰時段對外放出，通過換熱風機以熱風的方式將熱量釋放，再經過風水換熱器以熱水的形式輸出到供暖管網中，全面實現電熱轉換。該系統具有電熱轉換速率高、適應電力調峰迅速的特點。可以實現與原有供熱系統有較好的供熱源轉換和調整，采用“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設備”技術，實現電鍋爐系統產生的熱量平穩地與主熱網循環水系統進行熱量傳遞，實現電廠快速深度調峰的“熱電解耦”功能。

對于“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設備”而言，其具有占地面積小、投資較低、負荷響應速度快（0～100%負荷調節時間不超過10分鐘）、熱負荷無級調節等特點，在供暖期，電網有深度調峰需求時，以高壓電極熱水鍋爐為主、固體蓄熱設備為輔對外供熱，同時，減低機組供熱抽汽及發電機負荷，就可以在滿足熱網熱負荷需求的前提下實現深度調峰，供熱中期，以額定調峰能力運行時，調峰時長不受限制，在近期可再生能源消納極為困難的情況下，能夠顯著解決可再生能源消納問題，也能夠獲得可觀的調峰輔助服務補償。

采用“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設備”技術提升火電靈活性具有以下優點：

（1）系統工作模式便捷，鍋爐的實際功率可以結合具體情況完成持續調節，進而提升系統工作質量；

（2）與原有機組相對獨立運行，降低對其運行效率和邏輯控制的消極作用；

（3）與全部采用固體蓄熱設備系統相比，“高壓電極熱水鍋爐+固體蓄熱設備”占地面積較小，工期短，投資小；

（4）相對全部采用固體蓄熱設備負荷調節有優勢：具有獨立的調峰專用軟件，能實現電網AGC直調，且能滿足電網對于高壓電極熱水鍋爐負荷的平滑穩定快速調節要求，且能滿足電網長時間持續的調峰需求；

（5）機組負荷率較高，不需要考慮對煙氣脫硝系統進行改造。