熱電聯產機組熱電解耦模型設計和應用研究

趙元軍，胡玉劍，張 強

（1.黃河上游水電開發有限責任公司，西寧 810000；2.西寧經濟技術開發區黃河配售電有限公司，西寧 810000；3.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240）

0 引言

雙碳目標下，中國正在構建清潔低碳安全高效能源體系，打造以新能源為主體的新型電力系統，對火電廠的靈活性和安全可靠性提出了更嚴格的要求。供熱期內，熱電聯產機組需要在保障好民生供熱安全穩定前提下，為電網提供調峰、調頻、無功補償等輔助服務。

目前，火力發電在國內能源行業中仍然發揮著重要的“壓艙石”基礎保障作用，是電能生產和民生供熱的重要組成部分。在新能源裝機占比較高的地區，為保障區域電網安全可靠，要求熱電聯產機組在供熱期以能源主管部門核定的調峰能力提供深度調峰服務，在保證供熱安全的前提下，機組調峰能力較非供熱期相比明顯減弱，會間接限制區域新能源消納能力。因此，在新能源裝機占比較高的省區，開展熱電聯產機組熱電解耦技術研究和應用是非常必要的，不僅可以有效提升供熱期機組深度調峰能力，還能支撐新能源大規模發展和新能源就地消納。

文獻[1]介紹了固體電蓄熱裝置在張家口等地區火電機組的應用和效果；文獻[2]采用固體電蓄熱將電能轉化為熱能，在采暖期間緩解棄風現象，提出了一種基于分布式集合消費者行為特征和評價指標的最優調度框架；文獻[3]選用固體電蓄熱鍋爐，以棄風消納最大和有效蓄熱量最大為目標，提出一種基于固體電蓄熱鍋爐的棄風消納多目標優化方法；文獻[4]對采用固體電蓄熱技術對各種清潔能源供暖進行了技術經濟分析對比。

本文擬通過熱電聯產機組配套建設電鍋爐和蓄熱裝置實現熱電解耦，供熱期每天的新能源電大發時段內，將機組送出端部分電量引至電鍋爐，將電能轉化為熱能儲存在蓄熱裝置內，減少上網電量，提高深度調峰能力，為新能源電量消納騰出空間；待新能源減發、停發時段的用電高峰期，通過儲存的熱能向熱網供熱，減少機組供熱負荷，增加上網電量，提升機組靈活性調節能力。

1 熱電機組解耦及原理

據預測[5]，如圖1所示，到2026年，全球可再生能源發電裝機預計將比2020年增長60%以上，達到4800 GW。中國在可再生能源裝機數量和新增容量方面仍然是全球領先。

圖1 全球可再生能源裝機5年期滾動預測Fig.1 Five year rolling forecast of global renewable energy installed capacity

可再生能源快速發展的同時，“三北”地區的棄風、棄光的矛盾依舊比較突出，特別是在采暖季節，70%以上煤電都是熱電機組，即使在保障供熱的最小出力狀態下，受熱電聯產機組本身熱電牽連的影響，可再生能源的消納空間都會變得非常有限，給電力系統的安全運行也帶來挑戰。

如圖2所示，隨著供熱負荷的加大，熱電機組的最大電功率出力和最小電功率出力區間逐漸縮小，并在供熱負荷最大的B點接近為零，意味著供熱機組在熱負荷最大時將成為強迫負荷，靈活性為零，不僅無法消納可再生能源，還會擠占可再生能源的上網通道。假設該機組某日承擔的熱負荷為Ph,k，此時為了保障供熱，發電負荷至少應保持在Pe,k之上?？稍偕茉窗l電并網之前，機組承擔負荷較大，機組在該時段發電負荷均大于Pe,k，但是當可再生能源發電并網之后，機組發電負荷逐漸減少，直到等于Pe,k。由于供暖是重要民生保障，無法再并網更多可再生能源機組，從而造成棄風棄光。在[Ph,k，Pe,k]這樣的臨界工況點下，如果并網更多風光可再生能源機組，必然要求熱電聯產機組進行熱電解耦改造，改變機組運行的牽連特性。

圖2 抽汽式供熱機組熱電運行區間示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermoelectric operation section of steam extraction heating unit

熱電解耦通常是采用電制熱鍋爐、固體電蓄熱等電能替代技術將廠用電直接轉化為熱能儲存，在供熱高峰期通過熱電廠的管網送出，實現熱電廠的熱電產出解耦，在供暖季將發電的空間騰挪出來，給新能源機組創造電能消納的條件。

1.1 電制熱鍋爐

電制熱鍋爐的工作原理是將3個電極浸入水中，通過水中的電流產生熱水或蒸汽，效率接近100%，是間歇性電源（如可再生能源）消納的理想選擇。如圖3所示，鍋爐本身結構緊湊，大小不一。采用最少的部件和控制設備降低了維護成本，碳足跡很低，運行可靠性很高。

圖3 電制熱鍋爐原理圖Fig.3 Schematic diagram of electric heating boiler

電制熱鍋爐可以簡化為三相六極的數學模型[6]，內筒壁為絕緣陶瓷材料，可以采用電軸鏡像法求得鍋爐加熱功率。

式（1）中，L為圓柱電極在水中的長度，單位：米；ρ為水的電阻率，單位：歐姆米；P為三相總功率，單位：千瓦；為相電壓，單位：千伏；b為電極軸心與中心距離；d為電極橫截面直徑，R為圓筒容器半徑；b,d,R三者的單位一致。

1.2 固體電蓄熱

為了消納更多風光可再生能源，在電網需要火電機組進行深度調峰的時段，如圖4所示。自動控制系統PLC接通廠用電高壓開關，為高溫蓄熱體供電，當蓄熱體的溫度達到上限或深度調峰時段結束，PLC自動切斷高壓開關，高溫蓄熱體停止工作。高溫蓄熱體與熱交換器的換熱通過變頻風機進行，PLC控制風機運行從而將高溫蓄熱體儲存的熱能轉化成水或蒸汽輸出。

圖4 固體電蓄熱裝置原理圖Fig.4 Schematic diagram of solid electric heat storage device

固體蓄熱電鍋爐的有效蓄熱量[3]如下：

固體蓄熱電鍋爐系統單位時間供熱量不應小于最多供熱量要求。

2 方案設計

熱電聯產機組在供熱期需在保證供熱抽汽量的前提下調整發電負荷至核定的最低調峰能力運行，從實際應用角度考慮最典型的熱電解耦技術方案是機組配套具備電熱轉換功能的電制熱鍋爐和儲熱功能的蓄熱裝置。

某西北區域熱電廠2×350MW超臨界空冷熱電聯產機組，兩臺熱電聯產機組設計供熱容630MW，抽汽量為900t/h，核定供熱機組調峰范圍為220MW～310MW，高旁最大開度為額定蒸發量的40%，低旁為額定蒸發量的100%。

考慮到中國西北地區非常豐富的太陽能資源和龐大的光伏裝機，供暖期間，在光伏大發的時段，存在越來越大的深度調峰需求，而結合熱負荷和電負荷的同期特性，熱電廠設計采用較大比例電制熱鍋爐，以及為應對極端天氣的小比例固體電蓄熱裝置。如圖5所示，通過優化計算，該熱電廠配套建設9×40MW電鍋爐和2×40MW固體蓄熱裝置，作為深度調峰下的熱電解耦解決方案。電鍋爐電熱轉換效率為93%，電加熱固體蓄熱設備熱效率為95%。

圖5 熱電解耦方案設計Fig.5 Design of thermoelectric decoupling scheme

3 運行機制與特性分析

熱電解耦系統運行機制是在新能源大發時段，電鍋爐消耗部分電量轉換為熱能直接向熱網輸出，電熱固體蓄熱裝置消耗部分電量將轉換的熱能儲存，達到機組抽汽量和上網電量雙減目標；用電高峰時段電熱固體蓄熱裝置將儲存的熱能向熱網輸出，達到減少機組抽汽量和增加上網電量的目標。

根據西北地區“兩個細則”的規定，火電機組深度調峰期間，是指火電機組為配合電網調整需要，機組出力低于50%額定容量的時段。如果不進行熱電解耦改造，按照核定的調峰范圍，供熱期最小供電負荷為220MW，高于熱電機組50%額定容量，因此無法參加有償調峰輔助服務。

超臨界熱電機組熱電解耦方案實施后，由于大容量電制熱鍋爐和固體電蓄熱裝置采用供熱期機組調峰容量從核定的220MW～310MW，擴展到了0～310MW，在可再生能源大發的時段，可以實現熱電機組“零出力”和0～50%電力負荷的深度調整，最多消納更多可再生能源，提供440MW的最大容量通道，并且具備快速熱、電尖峰供應能力，機組煤耗和環保指標均變動不大，破解了傳統“以熱定電”的調度難題。該方案還可以極大提高民生供熱的可靠性，假設供暖期熱電廠出現雙機全停的情況，可以從電網受電，確保供暖，為機組搶修贏得時間。出現極端天氣時，對已達到機組供熱極限的電廠，可以迅速向熱網補充熱量，保證用戶的終端用能溫度。

對于存在供熱缺口的熱電廠，由于增配了大容量電制熱鍋爐和固體電蓄熱裝置，供熱能力從原來的630MW擴大到1070MW，進一步擴展了企業供熱面積和能力，大幅提高經濟收益。發電虧損的熱電機組，可以通過在現貨市場補倉低價可再生能源進行供熱，有利于徹底扭轉煤電企業虧損局面。

4 社會經濟性評價

本項目電鍋爐和固體電蓄熱的建造費用分別為100萬元/MW和130萬元/MW，整體投資費用4.64億元。

4.1 項目經濟性測算

如表1所示，供熱期180天，深度調峰每天6個小時，按照西北地區“兩個細則”的0.3元/kWh進行計算，年度補貼收入1.13億元。

表1 項目年度收益測算Table 1 Annual income calculation of the project

售熱價格按照39元/GJ計算，根據440MW的容量，年度熱力銷售收入為6672萬元。

按照0.15元/kWh的發電成本計算，按照440MW的容量，每年制熱成本7128萬元；運維費用和人工工資按照30元/kW進行計算，每年成本1320萬元。

綜上收入和成本，可以得到年度收益9564萬元。

4.2 社會效益評價

供暖期內，按照440 MW的容量計算，每年可以實現4.75億kWh的風、光可再生能源消納，以每千瓦時煤電產生0.87Kg二氧化碳進行折算，年度減排二氧化碳41.34萬噸。

5 結束語

西北地區風、光、水等可再生能源豐富，水電是應對風、光這類間歇性可再生能源發電的重要手段，但是供暖期內往往是河流枯水期，因此火電作為重要的深度調峰資源進行可再生能源消納具有重要的現實意義和碳減排效果。

項目依托供熱火電機組，利用西北地區電熱同期特性，減少了固體電蓄熱配置數量，節省了大量投資，消納了大量可再生能源，具有進一步推廣潛力。