電極式電制熱與傳統制熱的差異及其在碳中和的應用前景

2021-10-18 07:38:58唐婧怡楚帥葛維春李音璇劉闖

發電技術 2021年5期

唐婧怡，楚帥，葛維春,3*，李音璇，劉闖

（1．東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市 132012；2．沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧省沈陽市 110870；3．國網遼寧省電力有限公司，遼寧省沈陽市 110006； 4．國網天津營銷服務中心(計量中心)，天津市河西區 300120）

0 引言

力爭于2030年前實現“碳達峰”，2060年前實現“碳中和”是我國重要戰略之一[1-2]。加快清潔能源發展能夠有效減少環境污染，對助力“雙碳”目標早日實現具有重大意義[3-4]。截至2020年上半年，我國風電裝機容量達到216.75 GW，僅2020年上半年風力發電量就達到2 379億kW·h。但是，風電并網容量的急速擴張也導致棄風現象愈演愈烈[5-7]。當前棄風現象主要發生在冬季供暖期，“以熱定電”約束導致系統調峰能力不足，風電出力被迫削減[8]。為解決這一問題，必須從熱電聯產機組著手，將火電機組從“以熱定電”約束中解放出來，以提高系統風電消納能力[9-11]。

針對熱電聯產機組的電熱耦合問題，文獻[12-14]提出了含儲熱裝置的多種解決方案。文獻[15]分析了旁路補償、低壓缸補償、儲熱補償等改造方式對熱電解耦的效果，結果表明低壓缸切除與儲熱方案效果更佳。文獻[16]在熱電聯產機組加入大容量儲熱裝置，構建了含儲熱的熱電聯產機組與風電聯合出力的優化調度模型，結果表明該模型可有效降低棄風率。文獻[17]利用蓄熱槽對“以熱定電”進行解耦，建立了基于機會約束規劃的微網熱電能量綜合優化模型，實例驗證結果表明，該模型能夠接納更高滲透率的清潔能源。文獻[18]利用儲熱裝置對能源進行時空平移，分析了電力系統與熱力系統的差異性與互補性，建立了包含儲熱的電–熱聯合系統的動靜態數學模型，可有效解決清潔能源的消納與調峰問題。文獻[19]建立了配置儲熱管后的熱電機組逐小時運行模型，通過改進遺傳算法得到不同收益目標的儲熱罐的運行策略，并且得出結論：儲熱罐的最佳容量為各個月最佳容量的最大值。上述文獻著重研究了熱電聯產機組的升級改進與配置儲熱裝置，通過對熱能的時空優化配置提高熱電聯產機組的清潔能源消納能力。

目前，學者們針對電極式電制熱消納棄風、參與輔助服務市場等方面進行了研究。文獻[20]提出一種電極式電制熱儲熱參與電網調頻服務下的供熱系統日前優化調度方法，通過對供熱設備和負荷規模的測算分析，驗證了電極式電制熱儲熱能夠有效參與電網調頻服務。文獻[21]提出一種利用電極式電制熱提高電網風電消納能力的整體模型法，用于評估電網的綜合效益，結果表明，電源側配置電極式電制熱儲熱對于推動低碳電力發展能夠發揮重要作用。此外，國內外學者研究了電制熱儲熱的配置方案，電制熱儲熱裝置優先使用富余清潔能源制熱，額外的熱能存儲在儲熱裝置中，并在熱負荷高峰時刻釋放，這可以在提升熱電聯產機組低谷期調峰能力的同時消納部分棄風電量。文獻[22]提出熱電廠配置電鍋爐來解耦熱電約束，使用風電代替部分火電機組出力，算例結果表明，在“三北”地區實施該方案可明顯降低煤耗量。文獻[23]提出蓄熱電采暖與風電聯合運行模式，以發電成本最小為目標函數，優化兩者互動運行方案，仿真結果表明，該模式能從源側提高棄風消納水平，從網側提高調峰能力。文獻[24]提出計及含儲熱光熱電站與電鍋爐聯合運行的供熱期棄風消納策略，利用電鍋爐與光熱電站增加熱能輸出，實現儲能系統對熱能的存儲與平移利用，結果表明該策略提高了系統棄風消納能力。以上研究表明：電制熱儲熱裝置的投入削弱了熱電聯產機組“以熱定電”束縛，提高了電網供暖期調峰能力和清潔能源接納能力[25-27]。此外，電極式電制熱具有無級調節、響應速度快、調節能力強的優勢，彌補了固態電制熱僅能用于分級調節的不足，電極式電制熱和固態電制熱協同運行，對提升供暖期電網靈活調節能力具有重要作用。

本文從電極式電制熱技術著手，首先介紹了電極式電制熱與固態電制熱的工作原理。然后，圍繞電熱轉換能效、爬坡速率、安全程度等性能指標，對比電極式電制熱與其他制熱方式的差異。最后，針對電極式電制熱技術的優勢，展望其在削峰填谷、“雙熱”協調發展和參與電網調頻輔助服務方面的應用前景。

1 電制熱技術

電制熱技術具有清潔環保的優點，相較于傳統的制熱技術具有更大的優勢，目前電制熱裝置已被應用到多個領域[28]。電制熱裝置是一種能將電能轉化成熱能的裝置，其利用電阻的熱效應對儲熱材料或供暖液體進行加熱，使其達到一定溫度，從而產生具有一定壓力的熱水和蒸汽。根據電熱原理、電熱元件以及結構的差異，可以將電制熱分為電極式電制熱和固態電制熱。

1.1 電極式電制熱

1.1.1 電極式電制熱原理

電極式電制熱主要依據水的高熱阻特性將水直接加熱，電能幾乎全部被轉化為熱能，轉換效率高達99%以上[29]。在高壓電極式電制熱裝置中內設2塊電極板，電極直接與爐水接觸將其加熱的方式稱為電極式電制熱。爐水電導率不宜過高，否則會擊穿電極板而造成事故，一般控制在100 S/cm以下[30]。為滿足裝置的進水硬度要求，電極式電制熱一般采用電導率低于0.3 S/cm的除鹽水。此外，為保證爐水具備一定電阻，需要添加一定量的電解質溶液。電極通電后，通過水的電阻將水加熱至高溫。電極式電制熱原理如圖1所示。根據電極和爐水的接觸方式不同，高壓電極式電制熱可分為浸沒式電極式電制熱和噴射式電極式電制熱。

圖1 電極式電制熱原理 Fig. 1 Principle of electrode electric heating

電極式電制熱在制熱后可直接為用戶供熱，也可通過蓄熱裝置將熱能儲存。根據儲熱介質不同，蓄熱裝置通常分為水蓄熱和固體蓄熱。電極式電制熱通常與水蓄熱系統結合使用。

1.1.2 浸沒式電極式電制熱

電極式電制熱裝置的核心部件是高壓電極，高壓電極的性能將直接影響設備的性能，因此高壓電極的結構形式非常重要。浸沒式電極式電制熱的結構[31-32]如圖2所示。浸沒式電制熱三相電極直接浸沒在具備一定電導率的爐水中，電極盤上分布有以一定形狀排列的曲棍電極。當曲棍電極與內筒中存在具有一定電導率的爐水時，在電極盤和內筒之間施加高壓，電極盤與內筒之間就產生均勻分布的電流，保證了三相平衡，電磁場在內筒內壁和各電極之間形成并均勻分布。在均勻電磁場的作用下，電解質離子在磁場中上下運動，形成電流回路，水因為具備電阻而被加熱[33]。

圖2 浸沒式電極式電制熱結構 Fig. 2 Structure of immersed electrode electric heating

此外，加藥裝置和排污閥會將爐水的電導率控制在合適范圍內。在電極上施加電壓后，利用爐水的電阻將爐水加熱并在內筒中產生蒸汽。蒸汽出口閥門可用于快速調整電制熱裝置壓力。循環水泵可以補充內筒水量、控制內筒水位，并將電導率過高的爐水從內筒排水閥排放到外筒。電制熱裝置功率可以通過調整內筒水位進行控制，并調節循環泵補水流量來改變電功率與設定值偏差。此外，根據內筒和外筒水量之和，通過調節給水閥可以控制總水量。

1.1.3 噴射式電極式電制熱

噴射式電極式電制熱由一個壓力容器構成，容器上部裝設帶噴嘴的中央水箱，周圍垂直安裝高壓電極棒，圖3為噴射式電極式電制熱結構[34]。

圖3 噴射式電極式電制熱結構 Fig. 3 Structure of jet electrode electric heating

噴射式電制熱通過循環水泵從鍋爐底部將具有一定電導率的爐水運輸至中央水箱，爐水因為自身重力特性，從中央水箱的噴嘴噴到高壓電極上，在高壓電極上施加電壓，電流在爐水與沖擊電極接觸瞬間構成通路，爐水本身具有高熱阻性，爐水內通過電流時溫度會快速升高并生成蒸汽。電制熱裝置的輸出功率可通過變頻泵調節水量進行控制。

1.2 固態電制熱

固態電制熱是一項依據金屬或非金屬類導體的熱效應，實現電能對熱能的轉化，并將轉化出的熱能通過熱輻射、熱對流等方式儲存在蓄熱材料中的技術[35]。固態電制熱裝置主要由隔熱層、蓄熱體、保溫層、合金熱電阻、換熱器、通風道、循環風機、進出水口等部分組成，其結構簡圖[36]如圖4所示。

圖4 固態電制熱裝置結構 Fig. 4 Structure of solid-state electric heating device

固態電制熱的加熱部分為合金熱電阻，通過加熱蓄熱體將熱電阻產生的熱能存儲在蓄熱體中，多層保溫層可以減少熱能損失。空氣通過循環風機在風道內循環，在經過高溫蓄熱體被加熱后，沿著蓄熱體空隙進入換熱器，通過空氣流動將熱量傳遞給水，冷卻后的空氣被循環風機再次利用，用于下一次循環。加熱后的水通過循環泵進入輸熱管線，實現對外供熱。

2 電極式電制熱與其他制熱方式的差異

本文對電極式電制熱與固態電制熱及傳統制熱方式(燃油制熱、燃煤制熱和燃氣制熱)各項性能指標進行對比，如表1所示，包括設備運行時的熱轉換效率、設備成本、占地面積、工藝復雜程度、調節性能、爬坡速率和安全程度[37-39]。

1）熱轉換效率

傳統制熱方式都是通過燃燒的方式將化學能轉換為熱能，期間還會有少量能量轉換為光能，造成熱轉換效率偏低。其中燃煤制熱使用固態煤炭，與氧氣接觸面積少、存在雜質等問題也會造成熱轉換效率偏低。固態電制熱利用導體的熱效應，無其他能量轉換，其熱功率和電功率基本相當，熱轉換效率高于傳統制熱方式。電極式電制熱直接利用爐水的高阻特性進行制熱，爐水既是產熱材料又是吸熱介質，減少了熱傳遞過程的損失，熱轉換效率最高。

2）成本

圖5和圖6分別給出了各類制熱方式的投資費用和運行費用情況。可以看出，燃煤制熱的投資費用和運行費用最低，僅在人工費用方面高于其他制熱方式。燃煤制熱方式為我國城鎮早期主要的制熱供暖方式，但是其能源轉換率低，嚴重污染環境，在部分地區已經禁止使用。燃氣制熱的主機設備和輔機投資高于燃煤制熱與固態電制熱，其高昂的燃料成本使得運行費用高于燃煤制熱，但制熱綜合費用較低，加上天然氣屬于清潔能源，對環境影響較小，目前國家大力提倡燃氣制熱的利用[40]。燃油制熱的投資費用和運行費用較高，而且燃燒排放過多的污染氣體，并未進行大規模應用。固態電制熱的投資費用處于2種傳統制熱之間，而運行費用高于2種傳統制熱方式，其原因在于單位面積供熱的購電費用高于化石燃料。電極式電制熱從電網購電進行熱能生產，電制熱方式的運行費用中購電費用占很大比例，提供相同熱功率的熱能所產生的運行費用與固態電制熱基本相同，二者的成本差異主要體現在前期投資費用上[41]。電極式電制熱高投資費用主要體現在設備費用上，由于電極式電制熱技術先進，目前國內沒有形成一套標準，加之電極式電制熱對電極與爐體絕緣要求較高，設備費用高于其他3種制熱方式。

圖5 各類制熱方式投資費用 Fig. 5 Investment cost of various heating methods

圖6 各類制熱方式運行費用 Fig. 6 Operating cost of various heating methods

3）占地面積

燃煤制熱需要裝備脫硫除塵器、煙囪、爐排、鼓引風機、空氣預熱器、除渣器、省煤設備等大型輔助設備，同時還需要留出囤煤場地，占地面積大。燃油制熱需要配備儲油罐和防火防爆設備，占地面積較大。燃氣制熱需要布置天然氣管道和除氧泵等輔助設備，其總占地面積低于上述2種方式。2類電制熱方式的加熱過程全部在筒體中完成，不需要額外增設燃燒室。目前的電制熱產品都是成套組裝出售，使用時僅需插上電源與水管即可投入使用，占地面積最小。

4）工藝復雜程度

傳統制熱方式較早投入使用，技術成熟，一般人就可進行作業。其中燃油制熱系統的輔助系統設備較多，操作過程較繁雜，并且易磨損腐蝕的部件多，維護工作繁雜。固態電制熱對水質沒有要求，操作簡便，一般人即可使用。電極式電制熱對水質要求較高，同時要保證溶液中電導率恒定，需要經過一定培訓后的運行人員進行操作；鍋爐內水與供暖用水應相互隔離，需要二次換熱進行供暖，工程略微繁瑣。

5）調節性能

傳統制熱方式通過控制燃料投入量和機組啟停數量來調節輸出的熱能，然而燃料投入量很難精準控制，并且存在低負荷運行下限，導致傳統制熱方式的調節性能較差。

由于結構布置的限制，固態電制熱的電熱元件功率是固定的，一般不超過1.5 MW，固態電制熱的容量為多組電熱元件容量之和。在進行功率調節時，固態電制熱通過實際投運的電熱元件來調整制熱裝置的功率，所以其功率呈階梯狀變化，只能進行分級調節。

電極式電制熱的產熱材料為爐水，按照焦耳–楞次定律，其產熱功率可表示為

式中：L為電極插入水中的深度；Λw為水的電導率；Uφ為電極相電壓；b、d、R為電極式電制熱的結構參數。

根據式(1)，在輸入電壓一定的情況下，可以通過調節水的電導率和電極插入水中的深度來調節功率。由于過高的電導率會造成擊穿，因此一般通過調節電極插入水中的深度來改變功率。

結合東北某電廠電極式電制熱裝置實際運行數據，得到電極式電制熱功率變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，電極式電制熱啟動迅速，從低功率到額定功率時間小于10 min。在前10 min，功率與入水深度成正比例變化。電極全部插入水中時電制熱裝置處于額定功率，當電極全部脫離溶液時電制熱裝置退出，功率為零，即電極式電制熱的功率可以在0%~100%實現無級調節，而且低負荷運行較為穩定。

圖7 功率與入水深度耦合關系 Fig. 7 Coupling relationship between power and inflow depth

6）爬坡速率

傳統制熱方式調控操作較為繁瑣，爬坡速率低于電制熱方式。固態電制熱僅運行于啟停方式，投入使用后可快速達到額定功率，具有較快的爬坡速率。

圖8為電極式電制熱端口電壓與運行功率的變化關系。可以看出，電極式電制熱的功率響應非常快，端口電壓為0 kV時，其停止運行；端口恢復電壓后，可迅速達到設定運行狀態。根據ZETA公司生產的電極式電制熱裝置最新參數，冷備用啟動時間小于2 h，熱備用啟動時間小于10 min，正常負荷變化率為3 MW/min，最大負荷變化率為7 MW/min。電極式電制熱相較于其他制熱方式，具有很快的爬坡速率。

圖8 電極式電制熱運行情況 Fig. 8 Operation state of electrode electric heating

7）安全程度

在安全性方面，傳統制熱方式都存在易燃易爆的危險，并且在燃煤制熱方式中，若燃燒不充分，還會發生一氧化碳中毒事故。固態電制熱不需要燃料，不會出現傳統制熱方式中爆燃、泄漏等問題，安全程度較高，但有干燒風險[42]。

在電極式電制熱中，浸沒式電極式電制熱安全程度較高，由1.1.2節可知，曲棍式電極形成均勻電場，防止產生氫氣，但是也要保證電導率恒定，防止發生擊穿事故。此外，水作為導電介質，可以防止出現干燒問題。噴射式電極式電制熱的安全程度較低，有發生氫爆事故的可能性。1995年，瑞士核電站的噴射電極式電制熱發生氫爆事故，從此歐洲不再規模化使用該制熱方式。

通過對比7項性能指標可知，電極式電制熱具有良好的發展前景。目前，電極式電制熱的不足之處在于設備初期投資較高、運行操作難度大，但是其具有良好的調節性能和爬坡速率，可以通過為電網提供輔助服務來增加收益；通過與蓄熱系統相組合，在用電低谷時期進行制熱蓄熱，對電網削峰填谷、提高電網靈活調節能力具有良好的支撐作用。

3 電極式電制熱儲熱的應用前景

電極式電制熱儲熱的調節范圍是0%~100%，并且在1%~100%負荷范圍內可實現快速、穩定無級調節，電熱轉換效率可達99%以上。利用其響應靈活與調節范圍廣等優勢，電極式電制熱儲熱在以下3個方面具有非常強的優勢：1）憑借其靈活的可控、可時移能力，在調峰需求方面起到削峰填谷的作用，能夠提高電網消納新能源的能力；2）借助其高效的制熱和儲熱能力，冬季供暖期與火電機組協調發展，將火電機組從供暖約束中解放出來，提升火電機組的靈活調節容量；3）利用其快速的無級調節能力，參與到電網的調頻輔助服務中，提升電網的快速靈活調節能力。

3.1 削峰填谷，提升電網接納清潔能源的能力

風電固有的波動性和間歇性影響了規模化并網的進程，隨著未來新能源繼續擴張，棄風消納成為瓶頸問題，風電資源的浪費成為制約其發展的重要因素[43-44]。目前，棄風主要發生在我國北方地區，其中80%以上的棄風出現在供暖期。因此，解決棄風的關鍵在于解決北方地區供暖期棄風問題。電極式電制熱儲熱裝置通過調整運行計劃，主動跟隨低谷期棄風電量，優先使用棄風進行制熱，并將多余的熱量存儲起來，在高峰期停止制熱，釋放存儲的熱量以滿足熱負荷需求。這樣不僅能夠有效幫助電網削峰填谷，并且實現風電等新能源的消納，減少資源浪費；同時也可以減少燃煤鍋爐的使用，減少廢氣廢渣，有利于減輕環境污染。

利用電極式電制熱裝置消耗棄風電量的原理如圖9所示。當電網中即將因調峰能力不足而導致棄風時，電極式電制熱裝置投入使用，接納多余的棄風電量。在電負荷高峰時段，電極式電制熱裝置退出運行，以此循環往復，在保證供暖的情況下實現對過剩風電的消納。

圖9 電極式電制熱裝置消納棄風原理 Fig. 9 Principle of eliminating waste air in electrode electric heating device

在“三北”等目前棄風較為嚴重的地區，實施電制熱儲熱系統參與新能源消納這一方案將具有顯著的環保效果和經濟效益。但是由于前期收益主體和成本主體不同，該方案的實施需要對電制熱儲熱單元進行適度的經濟補償，如鼓勵一些棄風電量較大的風電廠與電制熱儲熱單元簽訂長期合作協議，重點關注電制熱裝置的利用時長以及調峰收益，從而適當降低投資風險，實現與風電企業的雙贏。

3.2 “雙熱”協調發展，解放火電機組

由于大規模風電入網，通常導致電網等效負荷峰谷差變大，而且在冬季供暖期火電機組受“以熱定電”的束縛，電網調峰能力嚴重不足，電網調峰與機組供熱的矛盾日益突出，在棄風嚴重的“三北”地區尤為嚴重[45-46]。

過去，火電機組為了滿足供熱需求，常常需要滿載運行，并且會隨之產生過多電能，造成電能資源浪費嚴重[47]。而儲熱罐通過熱能儲存進行削峰填谷，在風電不足時，火電機組多發，產生的熱能通過儲熱罐存儲起來；在風電充足時，減少火力發電，把存儲的熱能釋放出來，可平抑風電、光伏間歇性，從而緩解發電側與負荷側供需不平衡的矛盾，儲熱技術的發展也有助于更好地降低能耗。通過采用電極式電制熱儲熱來解放傳統火電機組，當火電機組滿足用電需求時，可以停止燃煤燃燒，供暖不足的部分由電極式電制熱儲熱系統承擔，火電機組不必滿負荷運行，可以從供暖任務中抽離出來。這種方案可以增強機組運行的靈活性、增加調節裕度，甚至實現啟停效果，極大地提高了電網調峰容量。

電極式電制熱裝置參與電網調峰后，配合熱電聯產機組共同對外提供熱源，可緩解熱電聯產機組參與電網調峰后供熱能力不足的情況。熱電聯產機組作為主熱源承擔基本熱負荷，電極式電制熱裝置等熱源共同承擔供熱峰值負荷。由于通常夜間電負荷低、熱負荷高且風電出力大，火電機組“以熱定電”功率增加導致的棄風現象主要發生在夜間。因此，電制熱裝置在夜間投入使用，協同火電機組一起滿足供熱需求，將火電機組從“以熱定電”的束縛中解放出來，在降低熱電機組夜間熱負荷的同時增加電網電負荷，提升電網的調峰能力，從而為風電消納運行留出更大空間。此外，電極式電制熱裝置能夠更好地適應熱負荷波動，熱能損失較低。

對調峰價格進行合理的把控，可以提高社會效益并且改善棄風消納效果。從目前的電價結構和現有政策來看，電極式電制熱儲熱在發電側利用協議商定的電價購買棄風電量、在用戶側煤改電供熱獲得電價補貼的運營模式都具備一定的盈利空間，具有推廣價值。因此，規模化建設電制熱裝置有很好的經濟前景，有助于實現熱電解耦，提升熱電機組的供熱調峰能力，實現電能、熱能的協同優化。

3.3 無級調節，參與電網調頻輔助服務

規模化新能源并網后，其固有的波動性可能會引起電網頻率不穩定，因此電網需要額外的調頻容量來提供調頻服務[48]。盡管諸多學者關于固態電制熱儲熱方面的研究已經做出很大貢獻，固態電制熱儲熱系統也已經被廣泛應用于處理新能源消納與調峰問題，但是它只能分級調節，無法彌補極短時間內因電力不平衡導致的頻率偏移問題。而電極式電制熱裝置可以通過升降電極浸沒在水中的深度調節運行功率，實現從零至滿負荷運行無級調節，且響應速度和爬坡速度極快，可以迅速彌補源荷不平衡的差額。另外，作為電力和熱力系統耦合環節，可以通過快速響應能力和需求側管理技術參與到電力系統調度中，在處理調頻問題中推廣使用。

過去，電力系統調頻主要以傳統的可控發電機組為主[49]，如火電、抽水蓄能等機組作為調頻資源向電網提供調頻服務，這些傳統調頻資源根據電網調控指令調節出力跟蹤負荷變化，達到頻率控制的目的。目前，參與電網調頻服務的調頻資源需要選用具備快速響應能力的電力負荷，電力系統頻率控制通過調節需求側電力負荷變化來實現。電極式電制熱供熱系統參與電力系統調頻輔助服務，旨在滿足供暖需求的同時作為調頻資源提供調頻服務[50]。例如，當電力系統頻率升高時，電力調控中心下發指令到需求側調頻資源，提升負荷消耗的有功功率，反之則減少有功功率消耗。需求側調頻模式使電網頻率控制能力以及靈活程度大幅度增加，如圖10所示。