采用蓄熱技術(shù)擴(kuò)大供熱機(jī)組調(diào)峰裕度的研究

王 凱，田昊明，賈 靜

(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045;2.大唐國際發(fā)電股份有限公司下花園發(fā)電廠，河北 張家口075300;3.哈爾濱動力設(shè)備股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150040)

當(dāng)今電力發(fā)展中心已經(jīng)從傳統(tǒng)的火電、核電轉(zhuǎn)向了潔凈的新能源發(fā)電。風(fēng)電是當(dāng)今認(rèn)可范圍最廣的新能源、清潔能源。風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在國內(nèi)大范圍建設(shè)［1－4］。不過，大量的風(fēng)電接入電網(wǎng)對電網(wǎng)的調(diào)峰能力提出了挑戰(zhàn)［5－6］。

最近，各大電網(wǎng)幾乎已經(jīng)將調(diào)解能力提升到很高的程度，僅僅依靠傳統(tǒng)的降低常規(guī)電廠負(fù)荷的調(diào)解方式已經(jīng)不能滿足不斷增加的風(fēng)電電量的需求。這就要求我們尋求更多的風(fēng)電接納思路，從2010年開始，國家電網(wǎng)已經(jīng)開始風(fēng)能光能儲存項(xiàng)目研究，就是通過蓄電池將風(fēng)能光能儲存起來，規(guī)避新能源直接接入電網(wǎng)所引起的瞬間波動［7－8］。從常規(guī)調(diào)峰方式來看，冬季供熱機(jī)組調(diào)峰方式單一，僅局限于較低負(fù)荷范圍內(nèi)參與電網(wǎng)調(diào)峰，各大電網(wǎng)幾乎已經(jīng)將調(diào)解能力提升到很高的程度，僅僅依靠傳統(tǒng)的降低常規(guī)電廠負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式已經(jīng)不能滿足不斷增加的風(fēng)電電量的需求，供熱機(jī)組在冬季基本參與不了調(diào)峰。

1 蓄熱技術(shù)參與供熱

蓄熱技術(shù)早期應(yīng)用在熱力集團(tuán)采暖蓄熱。采暖蓄熱是指采用電鍋爐和蓄熱水箱(如圖1所示)或水池，在電網(wǎng)低谷時進(jìn)行蓄熱作業(yè)，而在采暖負(fù)荷高峰時，將所蓄的熱量釋放的技術(shù)。一般分全負(fù)荷蓄熱及部分負(fù)荷蓄熱兩大類。蓄熱系統(tǒng)可以采取蓄熱、釋熱供熱、蓄熱加釋熱供熱等多種方式的組合。全負(fù)荷蓄熱就是總熱負(fù)荷全部由蓄熱裝置提供，僅靠蓄熱水箱向用戶供熱［9］。部分負(fù)荷蓄熱是指設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷的30%～70%由蓄熱裝置提供，蓄熱裝置和電鍋爐聯(lián)合運(yùn)行。部分負(fù)荷蓄熱方式因?yàn)槌跬顿Y較低得到廣泛應(yīng)用。目前，國外已經(jīng)有成功利用大型蓄熱器進(jìn)行供熱調(diào)節(jié)的先例。圖2中的熱源為國外聯(lián)合循環(huán)熱電廠，供熱抽汽通過抽凝式汽輪機(jī)提供，熱負(fù)荷800 MW，配備2個大型蓄熱器容量20 000 m3。正常運(yùn)行時，熱電廠的熱網(wǎng)水通過熱網(wǎng)水管供給熱用戶，熱網(wǎng)回水再通過熱網(wǎng)回水管回到熱電廠。該電廠基本參數(shù)其目的主要是從簡化運(yùn)行操作，節(jié)約能源角度出發(fā)，通過在熱負(fù)荷需求低的情況下進(jìn)行錯峰蓄熱，緩解供熱能力不足。原理主要是增加一套蓄熱裝置(如圖3)，在熱負(fù)荷較低的時候由機(jī)組向蓄熱器進(jìn)行蓄熱，熱負(fù)荷較高的時候蓄熱器可以放熱給熱用戶，避免機(jī)組供熱波動，同時增加供熱裕度。

圖1 大容量蓄熱器內(nèi)部原理

圖2 蓄熱裝置在熱電廠的應(yīng)用

圖3 間接蓄熱工作原理圖

國內(nèi)大容量蓄熱技術(shù)利用正處于起步階段，小容量的蓄熱器在熱電冷聯(lián)產(chǎn)中有過一些應(yīng)用［10］。也有利用蓄熱器進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)冷凝熱回收［11］。

以北京為例，北京市城六區(qū)集中供熱面積(包括居民和公建)2011年已達(dá)1.7億m2，并逐年增長。采暖、生活熱水為主要用熱負(fù)荷。供熱關(guān)系到國計(jì)民生，在供熱季供熱機(jī)組最優(yōu)先保障的是熱負(fù)荷。熱電廠作為集中供熱的主熱源為熱網(wǎng)供熱，在電廠設(shè)置蓄熱器將為電廠的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)度提供一項(xiàng)靈活的手段和措施。

2 利用蓄熱技術(shù)改變熱電廠參與調(diào)峰方式

冬季是供熱的重要季節(jié)，也是風(fēng)力發(fā)電的高峰。這就給電網(wǎng)調(diào)峰帶來了困難，即:供熱機(jī)組幾乎不能參與調(diào)峰，電網(wǎng)調(diào)峰裕度低;風(fēng)力發(fā)電量大必然帶來更大的調(diào)峰需求，這正是目前各大電網(wǎng)急需解決的關(guān)鍵問題。各電網(wǎng)目前廣泛應(yīng)用的方式是增加調(diào)節(jié)裕度大的抽水蓄能機(jī)組以及調(diào)節(jié)速度快的燃?xì)鈾C(jī)組。

供熱機(jī)組在純凝工況可以進(jìn)行深度調(diào)峰，以300 MW機(jī)組為例(表1)，在純凝工況可以至少50%調(diào)峰，即可以有150 MW的容量參與調(diào)峰。然而在最大供熱狀態(tài)下，為了保證供熱抽汽量，負(fù)荷變化范圍明顯縮小。通過300 MW機(jī)組相關(guān)參數(shù)可以看出450 t/h抽氣量時能夠調(diào)節(jié)量為15 MW，500 t/h抽氣量時不能調(diào)節(jié)。

表1 某發(fā)電公司機(jī)組熱點(diǎn)關(guān)系數(shù)據(jù)

通過對熱電廠供熱以及電網(wǎng)調(diào)峰情況的長期了解，可以發(fā)現(xiàn)蓄熱技術(shù)完全可以利用在轉(zhuǎn)變熱電廠運(yùn)行方式中，擴(kuò)大熱電廠冬季調(diào)峰裕度。但是，前提是電網(wǎng)及供熱集團(tuán)對于發(fā)電集團(tuán)新增蓄熱裝置的相應(yīng)補(bǔ)償。機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰時，可以參與調(diào)峰的總負(fù)荷量大，接納新能源(風(fēng)電、光電)入網(wǎng)的能力強(qiáng)?？梢姡瑱C(jī)組深度調(diào)峰對新能源接入電網(wǎng)的重要意義。

針對上述問題，本文提出新的蓄熱利用調(diào)峰方法(圖3中所示)。通過在供熱高峰來臨之前進(jìn)行必要的供熱蓄熱，當(dāng)供熱高峰來臨的時候機(jī)組完全不供熱，由蓄熱裝置進(jìn)行放熱，而機(jī)組進(jìn)行純凝工況調(diào)峰。本方式增加了供熱季火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰的總負(fù)荷量，能夠使電網(wǎng)盡可能多的接納新能源入網(wǎng)，并且避免了供熱火電機(jī)組在參與調(diào)峰過程中，降低負(fù)荷帶來的機(jī)組安全以及壽命的影響。

3 結(jié)論

綜上所述，蓄熱技術(shù)在增大電網(wǎng)新能源接納能力方面的應(yīng)用價(jià)值巨大。該技術(shù)在熱電廠的應(yīng)用既可以滿足供熱需求，還能保證電網(wǎng)大規(guī)模接納新能源的調(diào)峰。在電網(wǎng)公司、供熱集團(tuán)以及發(fā)電集團(tuán)的多方協(xié)調(diào)下，利用蓄熱技術(shù)轉(zhuǎn)變熱電機(jī)組供熱模式的新方法必將得到廣泛推廣及應(yīng)用。

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