考慮碳交易的凝汽式機(jī)組蓄熱調(diào)峰方案研究

鄒思宇，鄭莆燕，白天宇，尉清源，姚哲豪，封康，程云瑞

（上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200120）

為了實現(xiàn)能源發(fā)展的可持續(xù)性，落實“碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)，國家加快了新能源的發(fā)展腳步，特別是風(fēng)電和太陽能發(fā)電[1-5]。2020 年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量增長了34.6%，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量增長了24.1%[6]。目前國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量發(fā)展，用電量趨于平穩(wěn)增長，2019 年和2020 年全社會用電量分別增長4.44%、3.10%[6-7]。以上2 點(diǎn)導(dǎo)致火電必須讓出部分發(fā)電份額給新能源發(fā)電，因此火電調(diào)峰成為關(guān)鍵[8-10]。為提高火電企業(yè)的調(diào)峰積極性，2014 年我國首個電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場——東北電力調(diào)峰市場正式啟動，標(biāo)志著市場化補(bǔ)償調(diào)峰服務(wù)的開始[11-13]。調(diào)峰需要機(jī)組在非用電高峰時段減少出力，然而機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行時的煤耗率會增高[14-16]，故單位發(fā)電量的碳排放會增多。

為促進(jìn)CO2等溫室氣體減排，2021 年7 月全國碳排放權(quán)交易市場在上海正式開市[17-18]。在電力輔助市場和碳排放權(quán)交易雙重作用的條件下，如何找到合理的方案，成為需要研究的問題。王淑云等[19]提出有火電調(diào)峰參與的電力系統(tǒng)低碳化方法，考慮深度調(diào)峰引起的碳排放增量，以成本最低為目標(biāo)建立了統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)、低碳2 方面的優(yōu)化模型。彭元等[20]根據(jù)有風(fēng)電接入帶來的火電調(diào)峰需求，在碳交易背景下評估了碳排放對經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，建立了碳交易成本模型。

以上學(xué)者的研究并未從根本上改變深度調(diào)峰引起的煤耗率增加、碳排放量增多的事實。蓄熱是一種常用的深度調(diào)峰技術(shù)[21-23]，但多用于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，凝汽式機(jī)組中應(yīng)用較少[24]。蓄熱與火電調(diào)峰相結(jié)合可在鍋爐負(fù)荷基本不變的情況下蓄存熱力系統(tǒng)的熱能，故機(jī)組負(fù)荷率下降的同時并沒有引起煤耗率的增加，碳排放量也就不會增多。本文提出“3 級”和“2 級”蓄放結(jié)構(gòu)，將蓄熱技術(shù)運(yùn)用于凝汽式機(jī)組調(diào)峰，研究不同蓄熱調(diào)峰方案下機(jī)組的調(diào)峰范圍、碳排放和經(jīng)濟(jì)性的變化，尋求深度調(diào)峰與低碳運(yùn)行協(xié)調(diào)的方案。

1 不同的蓄放熱結(jié)構(gòu)

蓄熱調(diào)峰應(yīng)用于凝汽式機(jī)組的方式是：在鍋爐負(fù)荷不變的條件下，蓄熱過程降低機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，放熱過程增加機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，2 個過程形成1 個蓄放周期。在已有研究中，蓄熱結(jié)構(gòu)均采用“單級”結(jié)構(gòu)[21,24]。然而從能量梯級利用方面而言，“單級”蓄熱結(jié)構(gòu)削弱了過熱蒸汽較高的溫度等級的優(yōu)勢。而“分級”蓄熱充分利用過熱蒸汽過熱段較高的溫度，一部分蓄熱介質(zhì)被加熱到與過熱蒸汽相近的溫度，所以抽汽在加熱蓄熱介質(zhì)過程分為過熱段放熱、相變段放熱、過冷段放熱3 級。但是3 級蓄熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以考慮采用2 級蓄熱的結(jié)構(gòu)。

圖1 給出了蓄熱調(diào)峰的幾種不同蓄放結(jié)構(gòu)?！皢渭墶毙罘沤Y(jié)構(gòu)（圖1a)）設(shè)置了1 個高溫罐H 和1 個低溫罐L。蓄熱時回?zé)岢槠趽Q熱器EX1 與來自L 罐的低溫蓄熱介質(zhì)換熱，蓄熱介質(zhì)被加熱后進(jìn)入H 罐。放熱時高溫罐H 里的蓄熱介質(zhì)依次在換熱器EX2、EX3、EX4 加熱給水、凝結(jié)水，從而減少回?zé)岢槠?，增大汽輪機(jī)電負(fù)荷輸出。“3 級”蓄放結(jié)構(gòu)（圖1b)）與“單級”蓄放結(jié)構(gòu)流程相似，但設(shè)置了3 組高低溫罐?！? 級”蓄放結(jié)構(gòu)（圖1c)）與“單級”蓄放結(jié)構(gòu)不同的是，蓄熱時低溫罐L 的蓄熱介質(zhì)在換熱器EX2 被加熱后分成2 股，一股在換熱器EX1 里再次被回?zé)岢槠訜?，另一股直接進(jìn)入H2 罐。顯然H1 罐蓄熱介質(zhì)的溫度高于H2 罐。

圖1 不同蓄放熱結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of different storage and discharge structures

實際上“單級”蓄放結(jié)構(gòu)因換熱夾點(diǎn)的存在導(dǎo)致高溫罐的蓄熱介質(zhì)溫度并不很高，甚至達(dá)不到排擠1 號高壓加熱器（高加）抽汽所需要的溫度，而“3 級”“2 級”結(jié)構(gòu)應(yīng)用了分級蓄熱，均可排擠1 號高加抽汽。

將3 種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某超超臨界660 MW 一次再熱機(jī)組，采用EBSILON 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，確定不同方案下機(jī)組調(diào)峰范圍和燃煤消耗量。

2 評價指標(biāo)

2.1 碳排放量與碳配額

根據(jù)質(zhì)量守恒定律計算CO2排放量，計算式為：

式中：eC為CO2排放量，t；B為燃煤消耗量，t；Car為燃煤收到基碳，%。

機(jī)組CO2的配額量[25]為：

式中：Ae為凝汽式機(jī)組CO2的配額量，t；Qe為機(jī)組供電量，MW·h；Be為機(jī)組所屬類別的供電基準(zhǔn)值，本文機(jī)組取0.877 t/(MW·h)；Fl為機(jī)組冷卻方式修正系數(shù)，本文機(jī)組凝汽器為水冷，故取1；Fr為機(jī)組供熱量修正系數(shù)，本文機(jī)組不供熱，故取1；Ff為機(jī)組負(fù)荷（出力）系數(shù)修正系數(shù)。

2.2 碳交易收益

當(dāng)機(jī)組的CO2排放量低于機(jī)組CO2配額量時，可以通過碳交易市場獲得收益。計算公式為：

式中：GC為碳交易收益，元；pC為碳交易單價，本文取40 元/t。

2.3 調(diào)峰收益

調(diào)峰收益由調(diào)峰補(bǔ)貼、蓄放熱期間的售電收益確定：

式中：Sd為調(diào)峰補(bǔ)貼，調(diào)峰補(bǔ)貼的大小取決于電力市場輔助服務(wù)規(guī)則，不同地區(qū)的規(guī)則并不相同，本文參考《甘肅電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場運(yùn)營規(guī)則》[26]來計算調(diào)峰補(bǔ)貼，元；Gs-r為蓄放熱期間的售電收益，元。Gs-r可以表示為：

式中：pnet為上網(wǎng)電價，元/(kW·h)，取0.4；Pchg、Pdischg為蓄熱、放熱時機(jī)組發(fā)電功率，MW；tchg、tdischg為蓄熱、放熱時間，h，tchg取為1 h，tchg與tdischg之和構(gòu)成1 個蓄放周期。

3 結(jié)果與討論

3.1 蓄熱調(diào)峰范圍

抽汽位置分別在1 號、2 號、3 號高加回?zé)岢槠?，對?yīng)的蓄熱方案分別命名為“蓄一抽”“蓄二抽”“蓄三抽”方案。本文分析均以40.0%THA 作為蓄熱調(diào)峰的起始工況，蓄放熱均在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。不同抽汽位置會對機(jī)組負(fù)荷升降產(chǎn)生不同的影響，具體如圖2 所示。

圖2 “單級”“3 級”“2 級”結(jié)構(gòu)的機(jī)組負(fù)荷率隨蓄熱抽汽量變化Fig.2 Variations of unit load rate with heat storage and steam extraction capacity in “single-stage”,“three-stage”and “two-stage” structures

由圖2 可見，蓄熱過程中，機(jī)組負(fù)荷率均隨著蓄熱抽汽量的增加而下降。同一蓄熱方案下“單級”“3 級”“2 級”結(jié)構(gòu)在相同抽汽量下的機(jī)組負(fù)荷率相等，如圖2 中虛線所示。其中“蓄一抽”方案的抽汽量為207 t/h 時，機(jī)組調(diào)峰深度最低可降到31.5%；“蓄二抽”“蓄三抽”方案下，機(jī)組調(diào)峰深度最低可分別降到32.3%、33.9%。

放熱過程中，“單級”蓄放結(jié)構(gòu)的機(jī)組負(fù)荷率隨著蓄熱方案的改變而發(fā)生變化?！皢渭墶苯Y(jié)構(gòu)在“蓄一抽”方案負(fù)荷率為43.6%（圖2a)），“蓄二抽”方案為41.8%（圖2b)），“蓄三抽”方案為41.1%（圖2c)）。因為1 號—3 號高加抽汽壓力依次降低，故抽汽的飽和溫度依次降低。而“單級”蓄放結(jié)構(gòu)因為換熱夾點(diǎn)的存在，使蓄熱過程蓄熱介質(zhì)最高只能被加熱到接近相應(yīng)高加抽汽壓力下的飽和溫度，所以1 號—3 號高加抽汽位置蓄熱介質(zhì)的最高溫度依次降低。由此導(dǎo)致放熱過程“蓄一抽”方案的蓄熱介質(zhì)可旁路2 號—8 號（第4 級除氧器除外）回?zé)峒訜崞?；“蓄二抽”方案的蓄熱介質(zhì)可旁路3 號—8 號（第4 級除氧器除外)回?zé)峒訜崞?；而“蓄三抽”方案的蓄熱介質(zhì)只能旁路整個低壓加熱器。所以“蓄一抽”“蓄二抽”“蓄三抽”方案的放熱過程機(jī)組負(fù)荷率逐漸降低?！? 級”和“2 級”蓄放結(jié)構(gòu)因擺脫了換熱夾點(diǎn)的束縛，所以蓄熱過程蓄熱介質(zhì)的最高溫度高于相應(yīng)高加抽汽的飽和溫度，故放熱過程機(jī)組負(fù)荷率高于“單級”結(jié)構(gòu)?！? 級”“2 級”結(jié)構(gòu)在“蓄一抽”方案負(fù)荷率為45.2%（圖2a)），“蓄二抽”方案為45.2%（圖2b)），“蓄三抽”方案分別為率為44.5%、45.2%（圖2c)）。

3.2 蓄熱調(diào)峰CO2 的排放量、配額量

圖3 為蓄熱調(diào)峰不同蓄放結(jié)構(gòu)在不同負(fù)荷率下CO2排放量與對照方案的比較。對照方案是指機(jī)組不采用蓄熱調(diào)峰的方案。為便于比較各項指標(biāo)，計算中對照方案均在40.0%THA 工況下運(yùn)行，運(yùn)行時間為蓄熱調(diào)峰方案的1 個蓄放周期。由圖3 可見，不同蓄放結(jié)構(gòu)的各蓄熱方案碳排放量相比對照方案的增加值不大，在0 上下浮動。其中“蓄二抽”方案的碳排放量均比對照方案少，這是因為“蓄二抽”方案蓄熱時抽取的是2 號高加抽汽，所以最終進(jìn)入鍋爐再熱的蒸汽量減少，導(dǎo)致汽輪機(jī)熱耗略微降低，煤耗減少，使得碳排放量降低。

圖3 蓄熱調(diào)峰增加的CO2 排放量隨機(jī)組負(fù)荷率變化Fig.3 Variations of CO2 emission increased by heat storage peak shaving with unit load rate

圖4 給出了蓄熱調(diào)峰碳配額在不同機(jī)組負(fù)荷率下與對照方案的比較。不同蓄放結(jié)構(gòu)的各蓄熱方案的CO2配額量均比對照方案減少，并且機(jī)組負(fù)荷率越低，調(diào)峰深度越大，減少量越大。由式(2)可知：發(fā)電量越大，碳配額量則越大。消耗等量的燃煤，蓄熱調(diào)峰因為中間各種損耗加大，導(dǎo)致整個蓄放熱過程的發(fā)電量小于對照方案，所以蓄放熱過程的碳配額小于對照方案。“3 級”蓄放結(jié)構(gòu)的碳配額減少量低于另2 種蓄放結(jié)構(gòu)，是因為在同等調(diào)峰深度下，“3 級”蓄放結(jié)構(gòu)中低溫蓄熱介質(zhì)的放熱時間遠(yuǎn)高于另2 種蓄放結(jié)構(gòu)，如“3 級”結(jié)構(gòu)“蓄一抽”方案的機(jī)組負(fù)荷率為35.8%時的總放熱時間為4.14 h，而“單級”“2 級”結(jié)構(gòu)此條件下的總放熱時間分別為0.93、0.84 h。

圖4 蓄熱調(diào)峰CO2 配額量的減少隨機(jī)組負(fù)荷率變化Fig.4 Variations of CO2 quota reduced by heat storage peak shaving with unit load rate

3.3 碳交易收益

圖5 為不同蓄放結(jié)構(gòu)各蓄熱方案下1 個蓄放周期內(nèi)的碳交易收益的減少量隨機(jī)組負(fù)荷率的變化。

圖5 蓄熱調(diào)峰碳交易收益的減少隨機(jī)組負(fù)荷率變化Fig.5 Changes of the decrease of carbon trading revenue from heat storage peak shaving with the unit load rate

由圖5 可見，碳交易收益的減少量均大于0，說明所有蓄熱方案碳交易收益均小于對照方案，而且隨著機(jī)組負(fù)荷率的降低，調(diào)峰深度增加，碳交易收益的減少量越來越大。“3 級”蓄放結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”“蓄二抽”方案的碳交易收益的減少量明顯少于另2 種蓄放結(jié)構(gòu)對應(yīng)的蓄熱方案，因為“3 級”蓄放結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”“蓄二抽”方案在整個蓄放熱過程的能效利用較高，即放熱過程的發(fā)電量較多，所以碳配額也相應(yīng)增多，致使碳交易收益顯著增加。針對 “3 級”結(jié)構(gòu)，“蓄三抽”方案由于碳配額較低，使得碳交易收益低于“蓄一抽”和“蓄二抽”方案。當(dāng)“3 級”結(jié)構(gòu)的“蓄二抽”方案以32.3%的機(jī)組負(fù)荷率運(yùn)行時，1 個蓄放周期的碳交易收益減少量為93.8 元，低于此蓄放結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”方案。但“蓄二抽”方案此時的碳交易收益的絕對量卻低于“蓄一抽”方案。

3.4 調(diào)峰收益

調(diào)峰收益包含調(diào)峰補(bǔ)貼和售電收益2 部分。圖6 為調(diào)峰收益相比對照方案的增加量隨機(jī)組負(fù)荷率的變化關(guān)系。

圖6 蓄熱方案調(diào)峰收益的增加隨機(jī)組負(fù)荷率變化Fig.6 Changes of the increase of peak shaving profit of each heat storage scheme with the unit load rate

由圖6 可見，所有蓄熱方案調(diào)峰收益的增加量均為正，意味著均高于對照方案，這是調(diào)峰補(bǔ)貼造成的，且機(jī)組負(fù)荷率越低，調(diào)峰收益的增加量越高?！? 級”蓄放結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”方案調(diào)峰收益的增加量高于其他蓄熱方案，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷率降到最低值31.5%時，該方案1 個蓄放周期的調(diào)峰收益比對照方案增加5.24 萬元。

3.5 總收益

圖7 為1 個蓄放熱周期內(nèi)，相比對照方案，機(jī)組進(jìn)行蓄熱調(diào)峰后，調(diào)峰與碳交易的總收益增加量隨機(jī)組負(fù)荷率的變化情況。

圖7 蓄熱調(diào)峰總收益的增加隨機(jī)組負(fù)荷率變化Fig.7 Changes in unit load rate related to the total revenue increased by heat storage peak shaving

由圖7 可見，蓄熱調(diào)峰增加的總收益均為正，說明各蓄熱調(diào)峰方案的總收益大于相應(yīng)對照方案，而且隨著機(jī)組負(fù)荷率降低，調(diào)峰深度的增加，總收益的增加量會增大?！? 級”結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”“蓄二抽”方案高于其他蓄熱方案，當(dāng)“蓄一抽”方案機(jī)組負(fù)荷率達(dá)到31.5%時，1 個蓄放周期比對照方案增加5.21 萬元，達(dá)到最高。

4 結(jié)論

1）蓄熱過程中，“單級”“3 級”“2 級”蓄放結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”方案機(jī)組負(fù)荷率降低最大，均可從40.0%降到31.5%；而放熱過程中“3 級”和“2 級”結(jié)構(gòu)的發(fā)電量增加最大，可從40.0%增加到45.2%。所以“3 級”和“2 級”結(jié)構(gòu)的調(diào)峰范圍要大于“單級”結(jié)構(gòu)。

2）蓄熱調(diào)峰方案1 個蓄放周期的碳排放量與對照方案幾乎相等，但整個蓄放周期蓄熱調(diào)峰方案的碳配額卻少于對照方案，其中“3 級”結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”方案碳配額減小幅度最低。

3）各蓄熱方案的碳交易收益均低于相應(yīng)的對照方案，但調(diào)峰收益均高于對照方案；各蓄熱方案的總收益均高于對照方案，總收益增加最高的是“3 級”結(jié)構(gòu)的“蓄一抽”方案，1 個蓄放周期最大可增加5.21 萬元收益。