抽凝機(jī)組耦合熱電轉(zhuǎn)換輔助調(diào)峰系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

趙浩騰 ，宋民航 ，王金星 ,3,?

（1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院, 河北 保定 071003；2.中國科學(xué)院 過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院, 北京 102206）

0 引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出以及風(fēng)力、太陽能等新型能源電站裝機(jī)容量的不斷增長，我國原有的火電機(jī)組逐漸向調(diào)峰機(jī)組轉(zhuǎn)型，相關(guān)研究主要集中在運(yùn)行策略、深度調(diào)峰、靈活性改造、熱電解耦等方面。例如，張倩[1]利用Ebsilon軟件對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和高壓背乏汽供熱與抽汽耦合梯級(jí)利用供熱系統(tǒng)進(jìn)行了建模計(jì)算，結(jié)合案例分析了高壓背供熱系統(tǒng)在供熱季的運(yùn)行策略，得到不同環(huán)境溫度下的最佳運(yùn)行背壓，制定調(diào)峰需求下高背壓熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行策略。張慧帥[2]研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在供暖期的負(fù)荷響應(yīng)特性與機(jī)組運(yùn)行特性，通過Ebsilon軟件建模計(jì)算了機(jī)組的變負(fù)荷過程，提出了調(diào)峰響應(yīng)機(jī)制的優(yōu)化策略并對優(yōu)化方案進(jìn)行了效果評(píng)估。Francis等[3]深入研究熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的余熱回收，對機(jī)組的7種不同余熱回收改造作出經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的是含煙氣的余熱回收改造方案。Tang等[4]提出一種熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)電的熱電解耦系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)電力供應(yīng)問題，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)熱電負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)。綜上所述，目前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行改造的主要需求在于進(jìn)一步提高熱電比以及實(shí)現(xiàn)機(jī)組的熱電解耦。

在提高燃煤機(jī)組調(diào)峰能力的措施中，電鍋爐與電熱泵作為具有電熱雙效調(diào)節(jié)特點(diǎn)的熱電轉(zhuǎn)換裝置已廣受人們認(rèn)可。學(xué)者們著重研究了電鍋爐與電熱泵輔助火電機(jī)組消納新能源電力的能力，以及針對不同的工程應(yīng)用仿真設(shè)計(jì)不同的電鍋爐與電熱泵系統(tǒng)。例如，李盛偉等[5]利用MATLAB/Simulink軟件對相變儲(chǔ)能電鍋爐進(jìn)行仿真，提出了一種基于串聯(lián)PID的溫度控制方法用以解決系統(tǒng)靈活性差的缺點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制電鍋爐的出水溫度，并且具有一定抗干擾能力。楊錫運(yùn)等[6]以運(yùn)行成本最小和棄風(fēng)消納最大為目標(biāo)函數(shù)，建立了基于風(fēng)電-蓄熱式電鍋爐聯(lián)合供暖的風(fēng)電消納多目標(biāo)雙層優(yōu)化模型，發(fā)現(xiàn)該調(diào)度方法提高了系統(tǒng)的風(fēng)電消納水平及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。何哲等[7]提出了一種基于電熱泵自調(diào)節(jié)的配電網(wǎng)電壓優(yōu)化控制策略，結(jié)合實(shí)例發(fā)現(xiàn)該策略可以提高農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行電壓質(zhì)量，改善電熱泵啟動(dòng)情況和用戶采暖效果。Zhang等[8]利用電鍋爐改造熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的抽水蓄能系統(tǒng)，提高了機(jī)組消納風(fēng)電的數(shù)量與比例，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H數(shù)據(jù)，采用時(shí)序仿真法對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)估。最終發(fā)現(xiàn)，耦合電鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以有效提高消納風(fēng)電的數(shù)量，還具有節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)效益。Chen等[9]提出一種耦合CO2熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以機(jī)組排汽作為低溫?zé)嵩?，利用機(jī)組的電功率對外供熱，在總供熱量相同情況下，機(jī)組的最小發(fā)電量降低約38 MW,有效地破除了熱電耦合，增強(qiáng)了機(jī)組深度調(diào)峰的能力。然而，現(xiàn)有關(guān)于熱電裝置的研究更多地在于仿真設(shè)計(jì)以及消納新能源電力層面，通過優(yōu)化運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)對熱電轉(zhuǎn)化裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)還比較匱乏。

為此，本文將以350 MW燃煤機(jī)組為研究對象，提出一種通過優(yōu)化運(yùn)行策略設(shè)計(jì)熱電轉(zhuǎn)換裝置的方法，研究了機(jī)組分別耦合電熱泵系統(tǒng)和蓄熱式電鍋爐時(shí)，熱電轉(zhuǎn)換裝置在不同裝置容量和放熱速率下輔助系統(tǒng)調(diào)峰的性能，并對熱電轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及相應(yīng)的驗(yàn)證，為相關(guān)的工程改造提供參考。

1 系統(tǒng)簡介

本工作以350 MW燃煤抽凝機(jī)組為核心設(shè)備，分別與電熱泵和電鍋爐兩種熱電轉(zhuǎn)換裝置耦合供熱，具體的系統(tǒng)流程見圖1。本系統(tǒng)在原有燃煤機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行了中壓缸抽汽供熱改造，同時(shí)分別耦合了兩種熱電轉(zhuǎn)換裝置（a為蓄熱式電鍋爐供熱系統(tǒng)，b為電熱泵供熱系統(tǒng)）[10]。其中，蓄熱式電鍋爐供熱系統(tǒng)流程為：汽輪機(jī)的中壓缸抽汽被送到儲(chǔ)熱罐里進(jìn)行換熱，乏汽變成疏水被送回除氧器。此外，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)電鍋爐制熱，加熱從儲(chǔ)熱罐進(jìn)入電鍋爐的工質(zhì)，使供熱熱水達(dá)到熱用戶需求并進(jìn)入一級(jí)換熱站進(jìn)行分配。電熱泵供熱系統(tǒng)流程為：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)電熱泵回收電廠循環(huán)水余熱，加熱供熱熱水，循環(huán)水冷卻后回到凝汽器中再次循環(huán)。供熱熱水經(jīng)電熱泵升溫后被送入熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)加熱器利用中壓缸抽汽進(jìn)一步加熱供熱熱水，乏汽以疏水形式回到除氧器，供熱熱水達(dá)到熱用戶需求，進(jìn)入一級(jí)換熱站進(jìn)行分配。上述兩種方案都能起到輔助系統(tǒng)調(diào)峰的作用，本文通過實(shí)例計(jì)算并分析兩種方式在輔助調(diào)峰方面的優(yōu)缺點(diǎn)，找到各自方案的最優(yōu)參數(shù)組。

圖1 耦合熱電轉(zhuǎn)換裝置的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組Fig.1 A cogeneration unit coupled with a thermoelectric conversion device

本文采用的熱電轉(zhuǎn)換裝置包括蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)和電熱泵系統(tǒng)，其具體參考數(shù)值見表1?，F(xiàn)有電熱泵的 COP一般為 3，而熱功率選取表1參考值50/180 MW的中間值120 MW；工程應(yīng)用中蓄熱式電鍋爐的電功率一般不會(huì)超過40 MW，對表1的儲(chǔ)熱量參考值進(jìn)行取整并平均，得到本文的蓄熱式電鍋爐參數(shù)值。綜上所述，本文選取電熱泵系統(tǒng)的主要參數(shù)為：電功率為40 MW，COP為3，熱功率為120 MW，熱利用率是95%；選取蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的主要參數(shù)為：電功率為40 MW，電熱轉(zhuǎn)換效率為95%，儲(chǔ)熱量為250 MWh。

表1 熱電轉(zhuǎn)換裝置的類型及參數(shù)Tab.1 Types and parameters of thermoelectric conversion devices

本文主要研究在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組分別耦合電熱泵系統(tǒng)和蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)時(shí)，機(jī)組在電熱泵系統(tǒng)或蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的“熱電解耦”作用下所能達(dá)到的極限調(diào)峰能力。本文所采用的供暖季熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)均為某電廠機(jī)組實(shí)際供暖季的參數(shù)，如圖2所示，然后通過MATLAB編程尋找電熱泵系統(tǒng)和蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)以及其參數(shù)與調(diào)峰深度的關(guān)系，找到最大調(diào)峰深度。

圖2 供暖季熱電負(fù)荷曲線圖Fig.2 Heating season thermoelectric load curve

2 邏輯運(yùn)行策略

圖3表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組分別耦合電熱泵系統(tǒng)與蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的邏輯運(yùn)行圖[13]。其中，X表示供暖季熱負(fù)荷曲線，Y表示供暖季電負(fù)荷曲線，M與W分別表示熱電轉(zhuǎn)換裝置的功率與儲(chǔ)熱量。

圖3 兩種系統(tǒng)的邏輯運(yùn)行圖Fig.3 Logic diagram of the two systems

本文的計(jì)算過程簡述如下：根據(jù)供暖季熱負(fù)荷曲線，采用機(jī)組優(yōu)先供熱模式，判斷燃煤機(jī)組的電負(fù)荷的上限和下限。當(dāng)滿足調(diào)節(jié)下限時(shí)，將各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的供暖季電負(fù)荷數(shù)據(jù)Y整體下降一個(gè)數(shù)值進(jìn)行調(diào)峰操作，直到燃煤機(jī)組不可調(diào)。當(dāng)燃煤機(jī)組不可調(diào)后，開啟熱電轉(zhuǎn)換模式，通過熱電轉(zhuǎn)化裝置承擔(dān)部分熱負(fù)荷需求，同時(shí)消耗機(jī)組部分電功率，實(shí)現(xiàn)一定程度上的“熱電解耦”后，燃煤機(jī)組側(cè)又重新滿足可調(diào)?？烧{(diào)節(jié)的電負(fù)荷即為熱電解耦后機(jī)組的實(shí)際輸出負(fù)荷可以降低的數(shù)值。此時(shí)，尋找熱電轉(zhuǎn)換裝置參數(shù)與深度調(diào)峰的對應(yīng)性關(guān)系，借以找到深度調(diào)峰的極限值，即調(diào)峰深度。所謂“調(diào)峰深度”是指，將供暖季電負(fù)荷Y整體下降一個(gè)數(shù)值使機(jī)組進(jìn)入不可調(diào)后，開啟熱電轉(zhuǎn)換裝置使機(jī)組恢復(fù)可調(diào)后機(jī)組電負(fù)荷所能夠繼續(xù)下降的最大程度。需要指出的是，供暖季區(qū)域熱負(fù)荷X和電負(fù)荷Y均來自區(qū)域的實(shí)際熱電需求。熱電轉(zhuǎn)化裝置起初參數(shù)設(shè)定M和W均為零，根據(jù)實(shí)際的調(diào)節(jié)需求，逐次增加M和W的數(shù)值。最后設(shè)定邊界值為：Y的最小數(shù)值為350 MW燃煤機(jī)組的30%功率，即最小電負(fù)荷降到105 MW時(shí)，滿足達(dá)邊界條件，計(jì)算終止。

判斷“可調(diào)”的依據(jù)是熱電轉(zhuǎn)換裝置在不同的設(shè)定參數(shù)值即后續(xù)研究的參數(shù)值下承擔(dān)機(jī)組的熱負(fù)荷，同時(shí)消耗部分機(jī)組的電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的“熱電解耦”，使機(jī)組承擔(dān)該時(shí)刻的電負(fù)荷時(shí)可正常運(yùn)行。若機(jī)組的熱電負(fù)荷滿足條件，則為可調(diào)；反之則為不可調(diào)[14]。判斷“達(dá)邊界”的依據(jù)是實(shí)現(xiàn)假定熱電轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)，在機(jī)組恢復(fù)可調(diào)之后，判定此時(shí)需要的熱電轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)是否達(dá)到了規(guī)定的邊界值。若達(dá)到，則結(jié)束程序；反之繼續(xù)下降電負(fù)荷，尋找其最大的下降深度。

本文計(jì)算邏輯的合理性體現(xiàn)在燃煤機(jī)組耦合不同參數(shù)的熱電轉(zhuǎn)換裝置時(shí)，優(yōu)先保證機(jī)組的可調(diào)節(jié)能力，以此為第一原則尋找機(jī)組所能夠?qū)崿F(xiàn)最大的調(diào)峰深度。值得注意的是，本文分別研究了電熱泵系統(tǒng)與蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)輔助調(diào)峰的能力，并將二者進(jìn)行對比，尋找二者各自的優(yōu)勢之處，為工程實(shí)踐提供借鑒意義。

3 結(jié)果與討論

3.1 電熱泵參數(shù)對調(diào)峰深度的影響

本文分析了電熱泵系統(tǒng)的參數(shù)對調(diào)峰深度的影響，主要研究電熱泵系統(tǒng)的熱功率和放熱速率這兩個(gè)重要參數(shù)。此外，由于電熱泵系統(tǒng)的熱電比很大，因此可以顯著降低機(jī)組的電負(fù)荷下邊界，故本文設(shè)定從0 min到1 440 min，電熱泵系統(tǒng)是一直開啟的。

如圖4所示，當(dāng)放熱速率不變時(shí)，隨著電熱泵系統(tǒng)熱功率的增加，機(jī)組的調(diào)峰深度先近似線性上升，達(dá)到最大調(diào)峰深度后保持不變。從數(shù)據(jù)上看，在不開啟電熱泵系統(tǒng)的情況下，機(jī)組的最大調(diào)峰深度只有40 MW左右；而當(dāng)機(jī)組進(jìn)入電熱泵制熱模式且電熱泵系統(tǒng)的熱功率為100 MW左右時(shí)，其調(diào)峰深度達(dá)到最大值，為73 MW左右，相比于不開啟電熱泵系統(tǒng)，調(diào)峰深度升高接近一倍。

圖4 電熱泵參數(shù)對調(diào)峰深度的影響Fig.4 Influence of electric heat pump parameters on peak depth

當(dāng)電熱泵系統(tǒng)的熱功率不變，隨著放熱速率的增加，機(jī)組的調(diào)峰深度近似線性增長，最后穩(wěn)定不變?？梢钥闯?，放熱速率對調(diào)峰深度的影響與電熱泵系統(tǒng)熱功率對調(diào)峰深度的影響是相同的。這是因?yàn)?，熱泵系統(tǒng)的熱功率相當(dāng)于制熱速率，因?yàn)殡姛岜貌荒軌騼?chǔ)存熱量，制得的熱量必須放熱給循環(huán)工質(zhì)，放熱速率不可能大于制熱速率，因而當(dāng)熱功率對調(diào)峰深度的影響穩(wěn)定時(shí)，放熱速率對調(diào)峰深度的影響也穩(wěn)定。而研究二者對調(diào)峰深度的影響時(shí)，假定其中一個(gè)參數(shù)為最優(yōu)值，則相當(dāng)于串聯(lián)系統(tǒng)的兩個(gè)相同的子系統(tǒng)，其對調(diào)峰深度的影響是相同的，因此二者的結(jié)果是相同的。必須指出的是，在應(yīng)用電熱泵系統(tǒng)時(shí)，必須保證電熱泵系統(tǒng)的熱功率與放熱速率是相匹配的。若二者不匹配，則可能造成熱量損失，嚴(yán)重時(shí)電熱泵因溫度超過規(guī)定值損壞。在上述條件下，機(jī)組才能找到最優(yōu)的電熱泵系統(tǒng)參數(shù)。

由上述可知，當(dāng)電熱泵熱功率和放熱速率均為120 MW時(shí)，機(jī)組已經(jīng)達(dá)到最大調(diào)峰深度，此時(shí)機(jī)組發(fā)電功率與電熱泵電功率如圖5中藍(lán)線與紅線所示?？梢钥闯?，電熱泵的電功率基本穩(wěn)定在20 MW至27 MW之間，機(jī)組的發(fā)電功率整體上下降較大。

圖5 啟動(dòng)電熱泵后電負(fù)荷的分配情況Fig.5 Distribution of electric load after starting electric heat pump

3.2 蓄熱電鍋爐參數(shù)對調(diào)峰深度的影響

本文分析了蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的電功率和放熱速率對調(diào)峰深度的影響，設(shè)定蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)具有3種模式：當(dāng)電負(fù)荷可調(diào)且全負(fù)荷開啟蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)不會(huì)使機(jī)組進(jìn)入不可調(diào)時(shí)，蓄熱式電鍋爐處于額定工況運(yùn)行狀態(tài)，制取并儲(chǔ)存熱量；當(dāng)電負(fù)荷可調(diào)且全負(fù)荷開啟蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)會(huì)使機(jī)組進(jìn)入不可調(diào)時(shí)，蓄熱式電鍋爐處于變工況運(yùn)行狀態(tài)，制取熱量并存儲(chǔ)；當(dāng)電負(fù)荷不可調(diào)時(shí)，蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)釋放出熱量使機(jī)組恢復(fù)可調(diào)。必須指出的是，蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的凈儲(chǔ)熱量在24 h內(nèi)必須保證不變或略有增加。

如圖6所示，當(dāng)電鍋爐放熱速率數(shù)值保持較小值時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度不隨電鍋爐耗電功率變化，是一個(gè)定值；當(dāng)電鍋爐放熱速率數(shù)值保持較大值時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度隨著電鍋爐耗電功率的增加而增大，最后保持不變。這是因?yàn)?，?dāng)放熱速率較小時(shí)，電鍋爐系統(tǒng)參與調(diào)峰的能力十分有限，調(diào)峰需要的熱量很少，只需要很小的電鍋爐耗電功率就能滿足調(diào)峰的需要，此時(shí)的電鍋爐耗電功率大大超過實(shí)際需求的耗電功率，因此機(jī)組的調(diào)峰深度不隨電鍋爐耗電功率變化；而當(dāng)放熱速率較大時(shí)，制約機(jī)組調(diào)峰的因素不再是電鍋爐的放熱速率，而是保障電鍋爐系統(tǒng)的凈儲(chǔ)熱量大于0，因此電鍋爐系統(tǒng)必須及時(shí)補(bǔ)充輔助機(jī)組調(diào)峰所消耗的熱量，機(jī)組調(diào)峰對電鍋爐系統(tǒng)的耗電功率有較高要求，機(jī)組的調(diào)峰深度隨著電鍋爐耗電功率的增加而增加，最后保持不變。從數(shù)據(jù)上看，在不開啟蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的情況下，機(jī)組的最大調(diào)峰深度只有40 MW；而當(dāng)蓄熱式電鍋爐的耗電電功率為45 MW，放熱速率為100 MW時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度達(dá)到最大值，為70.05 MW左右。

圖6 電鍋爐參數(shù)對調(diào)峰深度的影響Fig.6 Influence of electric boiler parameters on peak depth

當(dāng)耗電功率不變，隨著放熱速率的增大，機(jī)組的調(diào)峰深度整體上先線性上升，再趨于平緩，最后保持不變。在本文選擇的參數(shù)即耗電功率為40 MW下，隨著放熱速率的增加，機(jī)組的調(diào)峰深度從40 MW線性增長到67.95 MW，然后逐漸趨于平緩，最后穩(wěn)定于70.03 MW，具體的變化趨勢如6中黑色線所示。從運(yùn)行過程來看，放熱速率影響的是機(jī)組由不可調(diào)變?yōu)榭烧{(diào)時(shí)蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)所能放出的熱量，由此限制了機(jī)組的深度調(diào)峰。隨著放熱速率的提高，蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)每分鐘所能放出的能量變多，參與輔助調(diào)峰的能量變多，機(jī)組的調(diào)峰深度逐漸變大，當(dāng)放熱速率變得理想時(shí)，調(diào)峰深度達(dá)到最優(yōu)值并保持不變。

綜上所述，蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)的耗電功率和放熱速率都能顯著提高機(jī)組的調(diào)峰深度，并且二者要有一定的匹配性，這樣才能使機(jī)組達(dá)到最優(yōu)的調(diào)峰深度。值得指出的是，蓄熱式電鍋爐的儲(chǔ)熱容量也會(huì)對機(jī)組的調(diào)峰產(chǎn)生影響，儲(chǔ)熱容量要求蓄熱式電鍋爐儲(chǔ)存足夠的熱量來參與機(jī)組的調(diào)峰，若儲(chǔ)熱容量太小，參與調(diào)峰的熱量不能滿足需求，則會(huì)制約機(jī)組的調(diào)峰能力，本文選取的儲(chǔ)熱容量值很大，因此不考慮儲(chǔ)熱容量對機(jī)組調(diào)峰深度的影響。

如圖7(a)所示，在蓄熱式電鍋爐的耗電功率為40 MW，放熱速率為100 MW時(shí)，蓄熱式電鍋爐進(jìn)入工作狀態(tài)后機(jī)組各參數(shù)有較為明顯的變化。機(jī)組向外輸出的電負(fù)荷整體上減小，總體上數(shù)值變化較為平緩，絕大部分時(shí)刻的電負(fù)荷位于200 MW至240 MW之間，而電鍋爐制熱耗電所占機(jī)組總發(fā)電量的比重很小，通過輔助調(diào)峰所富余的電量可以用于其他用途。如圖7(b)所示，蓄熱式電鍋爐充熱或放熱的時(shí)刻點(diǎn)占總時(shí)刻點(diǎn)的99%以上，充熱或放熱時(shí)刻點(diǎn)相對集中，充熱時(shí)刻點(diǎn)主要集中在機(jī)組發(fā)電功率較高的區(qū)間，放熱的時(shí)刻點(diǎn)主要集中在機(jī)組發(fā)電功率較低的區(qū)間。

圖7 啟動(dòng)電鍋爐后各參數(shù)變化情況Fig.7 Changes of parameters after starting electric boiler

3.3 熱電轉(zhuǎn)換參數(shù)的準(zhǔn)確度驗(yàn)證

由圖8可知，在機(jī)組運(yùn)行的前60 min中，蓄熱式電鍋爐不充熱、只放熱，這就要求蓄熱式電鍋爐要有一定的儲(chǔ)熱量。因此，蓄熱式電鍋爐的儲(chǔ)熱裝置必須保證在24 h內(nèi)的儲(chǔ)熱量不變或略有增加。本文經(jīng)過建模計(jì)算后，蓄熱式電鍋爐在24 h中內(nèi)儲(chǔ)熱量的凈增加值為967.5 kWh。值得指出的是，有關(guān)蓄熱式電鍋爐的建模計(jì)算均需要滿足上述條件，在此條件下計(jì)算所得機(jī)組的各種參數(shù)值。經(jīng)過驗(yàn)證，實(shí)際需求的電鍋爐電功率比40 MW略低，而考慮散熱及裕量等因素后裝置實(shí)際需求的儲(chǔ)熱量約為150 MWh，大幅減小蓄熱式電鍋爐的儲(chǔ)熱量。

圖8 蓄熱式電鍋爐熱量交換積分Fig.8 Heat exchange integral of regenerative electric boiler

3.4 熱電負(fù)荷區(qū)域

通過上述計(jì)算可以得到整個(gè)系統(tǒng)原來的熱電調(diào)節(jié)范圍，以及添加電熱泵或電鍋爐后系統(tǒng)的熱電調(diào)節(jié)范圍，具體形狀如圖9所示。

圖9 機(jī)組的熱電調(diào)節(jié)范圍Fig.9 The thermoelectric adjustment range of the unit

由圖9可知，不論是加裝電熱泵還是加裝電鍋爐，系統(tǒng)的熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍都顯著增高。對于加裝電熱泵情況而言，由于電熱泵具有較大的熱電比，因此整個(gè)系統(tǒng)所能調(diào)節(jié)的熱負(fù)荷范圍顯著增大，同時(shí)系統(tǒng)在熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能夠保持較低的電負(fù)荷下限。對于加裝電鍋爐情況而言，電鍋爐能使機(jī)組的最小電負(fù)荷達(dá)到本文設(shè)定的極限值，降低機(jī)組下限的能力比電熱泵強(qiáng)，雖然系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)的熱負(fù)荷范圍略遜于電熱泵，但能使系統(tǒng)在較大熱負(fù)荷范圍內(nèi)同時(shí)具有較高的電負(fù)荷上限值。

3.5 污染物減排分析

現(xiàn)階段供電煤耗與污染物排放量可參考表2[15]。根據(jù)《三北地區(qū)光煤互補(bǔ)發(fā)電機(jī)組變工況性能研究》可知：節(jié)約1 t標(biāo)準(zhǔn)煤能夠降低NOx的量為0.006 t，降低SO2的量為0.004 1 t，降低粉塵的量為0.000 2 t[16]。根據(jù)圖5及相關(guān)數(shù)據(jù)、公式可以算出，機(jī)組耦合電熱泵系統(tǒng)在24 h中內(nèi)能夠節(jié)約的燃煤量為617.23 t，能夠降低NOx的量為3.7 t，降低SO2的量為2.53 t，降低粉塵的量為0.123 t。根據(jù)圖7及相關(guān)數(shù)據(jù)、公式可以算出，機(jī)組耦合電熱泵系統(tǒng)在24 h中內(nèi)能夠節(jié)約的燃煤量為193.87 t，能夠降低NOx的量為1.16 t，降低SO2的量為0.795 t，降低粉塵的量為0.039 t。

表2 不同類型燃煤機(jī)組的煤耗率與污染物排放量Tab.2 Coal consumption rate and pollutant emission of different types of coal-fired units

4 結(jié)論

本文以某350 MW抽凝機(jī)組為案例，考慮了機(jī)組分別耦合電鍋爐系統(tǒng)與耦合電熱泵系統(tǒng)兩種輔助調(diào)峰系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了兩種系統(tǒng)的參數(shù)對機(jī)組調(diào)峰深度的影響，并結(jié)合實(shí)例計(jì)算分析了增加輔助系統(tǒng)后機(jī)組各參數(shù)值的變化，并給出了機(jī)組的節(jié)能減排效益。具體結(jié)論如下：

1）抽凝機(jī)組耦合電熱泵系統(tǒng)時(shí)，隨著電熱泵熱功率或放熱速率的提高，機(jī)組的調(diào)峰深度逐漸增大，最后保持不變。當(dāng)電熱泵的熱功率為100 MW、放熱速率與熱功率相匹配也為100 MW時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度達(dá)到最大值，為73 MW左右。

2）抽凝機(jī)組耦合蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)放熱速率較小時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度不隨電鍋爐耗電功率變化；當(dāng)放熱速率較大時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度隨著電鍋爐耗電功率的增加而增大，最后保持不變；當(dāng)耗電功率不變時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度隨著電鍋爐放熱速率的增加而增大，最后保持不變。當(dāng)蓄熱式電鍋爐的電功率為45 MW、放熱速率為100 MW時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰深度達(dá)到最大值，為70.05 MW，蓄熱式電鍋爐的儲(chǔ)熱量在24 h中內(nèi)略有增加，凈儲(chǔ)熱量為967.5 kWh。

3）機(jī)組耦合電熱泵系統(tǒng)在24 h中內(nèi)能夠節(jié)約的燃煤量為617.23 t，能夠降低NOx的量為3.7 t，降低SO2的量為2.53 t，降低粉塵的量為0.123 t；機(jī)組耦合電熱泵系統(tǒng)在24 h中內(nèi)能夠節(jié)約的燃煤量為193.87 t，能夠降低NOx的量為1.16 t，降低SO2的量為0.795 t，降低粉塵的量為0.039 t。