劉依暢，盛 偉

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.發(fā)展規(guī)劃處，遼寧沈陽 110136）

在我國“三北”地區(qū)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組比重大，水電、純凝機(jī)組等可調(diào)峰電源稀缺，調(diào)峰困難已經(jīng)成為電網(wǎng)運(yùn)行中最為突出的問題。以東北電網(wǎng)為例，在目前的電源結(jié)構(gòu)中，火電占總裝機(jī)的70%，風(fēng)電占總裝機(jī)的20%，核電機(jī)組也在陸續(xù)投運(yùn)。在冬季采暖期，供熱機(jī)組運(yùn)行容量占火電機(jī)組運(yùn)行總?cè)萘康?0%，熱電機(jī)組按“以熱定電”方式運(yùn)行，調(diào)峰能力僅為10%左右，使得風(fēng)電消納問題更為突出[1]。

針對東北某電廠調(diào)峰能力受到“以熱定電”的因素限制，本文提出在電廠中增加儲熱罐設(shè)備[2]，實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)和熱力生產(chǎn)的解耦運(yùn)行，顯著提升熱電機(jī)組的供熱調(diào)峰能力，有效地緩解可再生能源的消納困境。

1 常壓熱水儲熱罐技術(shù)簡介

圖1 為常壓熱水儲熱罐熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)流程圖。常壓熱水儲熱系統(tǒng)主要利用水的顯熱來存儲熱量，熱介質(zhì)存儲在儲罐的上方，冷介質(zhì)在儲罐的下部，依靠密度差，熱介質(zhì)始終保持在上部，冷介質(zhì)始終保持在下部。中間形成一段溫度梯度層—斜溫層[3]。常壓儲熱罐系統(tǒng)的儲熱及放熱標(biāo)準(zhǔn)過程以采暖期一日24 h 內(nèi)完全儲熱并完全放熱一次作為基準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，只要熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與熱泵所組成的熱源系統(tǒng)的對外供熱量滿足熱網(wǎng)負(fù)荷需求并有富裕量，便可以進(jìn)行儲熱。與此同時(shí)，由于參與熱電解耦深度調(diào)峰而降低負(fù)荷造成對外供熱量不足時(shí)，可以啟動(dòng)熱水儲熱罐系統(tǒng)對外放熱，即可以根據(jù)需要調(diào)整儲熱與放熱的次數(shù)。

圖1 常壓熱水儲熱罐熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)

2 儲熱罐的設(shè)計(jì)

根據(jù)電廠的實(shí)際供熱情況，熱網(wǎng)循環(huán)水的溫度不超過95 ℃，因此采用常壓熱水儲熱罐系統(tǒng)。儲熱罐由罐體、布水盤、水位控制器、排水系統(tǒng)、安全裝置、自控監(jiān)測調(diào)節(jié)裝置、溫度及壓力測量裝置等組成。根據(jù)熱網(wǎng)循環(huán)水的水質(zhì)情況，儲熱罐系統(tǒng)還設(shè)置排污系統(tǒng)，將底部的部分雜質(zhì)等排出。

2.1 儲熱量的確定

在以熱電廠為熱源的集中供熱系統(tǒng)中，熱用戶的負(fù)荷類型為采暖熱負(fù)荷，此類負(fù)荷屬季節(jié)性熱負(fù)荷，負(fù)荷大小主要受室外氣溫變化影響。白天時(shí)用電負(fù)荷較高，當(dāng)發(fā)電余熱滿足供熱外仍有富余時(shí)，這部分富余的熱量可以存儲起來；夜間發(fā)電負(fù)荷率根據(jù)調(diào)度要求降低，機(jī)組供熱能力下降，不足的供熱功率由儲熱罐負(fù)擔(dān)，從而避免為滿足供熱需求而在用電低谷時(shí)段產(chǎn)生強(qiáng)迫發(fā)電的情況[4]。

圖2 日發(fā)電余熱變化與熱負(fù)荷需求變化

當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)出調(diào)峰指令時(shí)，電廠需要降低發(fā)電功率，機(jī)組的供熱能力也隨之降低，供熱能力不足。圖2 為發(fā)電余熱變化與熱負(fù)荷需求之間的關(guān)系，下半部分表示缺少的供熱量，這部分缺少的熱量將由上半部分（即白天多存儲的供熱量）來滿足。由此可見，在完成供熱任務(wù)的同時(shí)，并未出現(xiàn)強(qiáng)迫發(fā)電，而是利用白天的發(fā)電余熱來解決調(diào)峰時(shí)導(dǎo)致供熱能力不足的問題，從而滿足了火電機(jī)組作為主力發(fā)電機(jī)組在發(fā)電負(fù)荷靈活性方面的需求。

儲熱量的大小是儲熱裝置選型的重要依據(jù)。對電網(wǎng)調(diào)度部門而言，在供熱負(fù)荷（供熱功率）一定的情況下，儲熱量越大，放熱時(shí)間就越長，熱電解耦能力越強(qiáng)，但相應(yīng)的投資也有所增加；反之，儲熱量越小，可以大大降低投資，但放熱時(shí)間縮短，熱電解耦能力也降低，儲熱器充放熱的頻率增加。

儲熱量和放熱量之間滿足式（1）的關(guān)系，才能保證放熱時(shí)有足夠的熱量釋放出來。

式中，Qstorage為儲熱量；Qrelease為放熱量。

放熱量的大小可由放熱功率與設(shè)計(jì)放熱時(shí)間來表示，如式（2）所示。

式中，Ph2為放熱功率；t為放熱時(shí)間，取6 h。

當(dāng)放熱時(shí)間一定時(shí)，放熱量的大小取決于放熱功率的大小，供熱功率與發(fā)電功率之間的關(guān)系如式（3）所示。

整個(gè)采暖期內(nèi)，發(fā)電量最小的時(shí)段出現(xiàn)在春節(jié)前后，對應(yīng)的最小供熱功率也出現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間段，而此時(shí)又是熱用戶用熱功率達(dá)到最大的時(shí)段。因此，需由儲熱罐提供的最大放熱功率可由式（4）表示，即熱用戶的最大用熱功率（設(shè)計(jì)熱負(fù)荷）與最小供熱功率之差。

由儲熱罐提供的最大放熱量可由式（5）求出。

2.2 儲熱罐儲熱量的計(jì)算

儲熱罐儲熱量或放熱量如式（6）所示。

式中，Q為儲熱罐儲熱量或放熱量；h供為熱網(wǎng)供水的焓值；h回為熱網(wǎng)供水的焓值；ρ為儲熱或放熱階段介質(zhì)密度；V為儲熱罐有效容積；H為儲熱罐儲熱或放熱階段有效液位高度；h0為儲熱罐儲熱或放熱階段斜溫層厚度。

對于儲熱系統(tǒng)而言，機(jī)組在24 h內(nèi)的總供熱量是固定不變的，儲熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“移峰填谷”?？紤]參與深度調(diào)峰熱電解耦的時(shí)間為6 h，熱水儲熱方案電廠日供熱能力與熱負(fù)荷需求情況如圖3 所示，24 h 內(nèi)的總供熱量為13 842 MW·h，折算的平均供熱功率為576 MW[5]，高于實(shí)際熱網(wǎng)最大熱負(fù)荷，這表明電廠在現(xiàn)有情況下的供熱能力能夠滿足采暖期最冷時(shí)段深度調(diào)峰熱電解耦6 h 的要求，可以通過設(shè)置儲熱系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)熱電解耦；反之，如果平均供熱功率小于熱網(wǎng)實(shí)際最大熱負(fù)荷，則表明電廠現(xiàn)有供熱能力不足，即便設(shè)置了儲熱系統(tǒng)，在最冷時(shí)段也會(huì)因在儲熱時(shí)段無法將熱水儲罐儲滿而造成晚間放熱時(shí)段無法達(dá)到6 h 熱電解耦的要求，需要縮短放熱時(shí)間或投用高低壓兩級減溫減壓器來增大供熱量。與此同時(shí)，可以計(jì)算出熱水儲罐系統(tǒng)所需的儲熱量為1 302 MW·h[6]。

圖3 熱水儲熱方案電廠日供熱能力與熱負(fù)荷需求

不同解耦時(shí)間儲熱罐容積如表1 所示。隨著熱電解耦時(shí)間的延長，熱水儲熱罐的容積顯著增加，對應(yīng)儲熱罐本體的初投資與儲熱量也有一定程度的上升。根據(jù)初步計(jì)算，在該熱電廠供熱能力不變的條件下，最大熱電解耦時(shí)間約為7 h，對應(yīng)最大儲熱罐容積為26 000 m3，即儲熱罐容積超過26 000 m3時(shí)，將無法完全儲熱而浪費(fèi)一定的容積。

表1 不同解耦時(shí)間儲熱罐容積

2.3 斜溫層儲熱罐罐體參數(shù)

該儲熱罐采用常壓儲熱系統(tǒng)，儲熱溫度不超過100 ℃。原則上，只要有熱量剩余，均可進(jìn)行儲熱，儲熱時(shí)間為18 h，儲熱效率為97.9%，儲熱介質(zhì)為水，常壓儲熱罐參數(shù)如表2所示。

表2 常壓儲熱罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 改造后電廠熱電解耦能力分析

整個(gè)采暖期中，熱負(fù)荷的基本趨勢是先逐漸增加再逐漸減少。采暖初期，熱負(fù)荷很小，夜間熱電解耦時(shí)熱電廠汽輪機(jī)及熱泵的總供熱能力綽綽有余，無需啟動(dòng)熱水儲罐就能保證深度調(diào)峰的要求，同時(shí)滿足供熱需求，此時(shí)的熱電解耦能力是24 h[7]。

隨著熱負(fù)荷的逐漸增加，夜間熱電解耦時(shí)熱電廠汽輪機(jī)及熱泵的總供熱能力逐漸不足。超過熱負(fù)荷需求時(shí)，需要啟動(dòng)熱水儲罐系統(tǒng)，供熱功率不足的部分由儲熱罐放熱來補(bǔ)充。由于此時(shí)熱負(fù)荷與電廠在深度調(diào)峰模式下的供熱能力相差不多，解耦期間需要儲熱罐分擔(dān)的熱量也較少，因此將罐內(nèi)的熱量全部放完所需時(shí)間較長，即熱電解耦能力比24 h要小一些。

進(jìn)入采暖中期后，熱負(fù)荷繼續(xù)增加，電廠在深度調(diào)峰模式下的供熱能力已不能滿足供熱需求，此時(shí)需要熱水儲罐在有限的時(shí)間內(nèi)完成充熱，以保證在夜間的6 h 連續(xù)放熱能力。此時(shí)，熱電解耦能力逐漸趨近于6 h。

圖4 2018～2019年采暖期熱電解耦時(shí)間

根據(jù)國家能源局東北監(jiān)管局《東北區(qū)域火電廠最小運(yùn)行方式（2015）》相關(guān)文件，該電廠在供熱初、末期的最小運(yùn)行方式為雙機(jī)365 MW，供熱中期最小運(yùn)行方式為雙機(jī)450 MW。經(jīng)過靈活性改造后，機(jī)組在供熱中期調(diào)峰困難時(shí)段以40%發(fā)電負(fù)荷運(yùn)行，則整個(gè)電廠的調(diào)峰能力增加了210 MW，當(dāng)室外溫度低于-8 ℃時(shí)，儲熱罐將參與深度調(diào)峰模式下的對外供熱。圖4 是根據(jù)電廠MIS 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)繪制的2018～2019 年采暖期內(nèi)熱電解耦時(shí)間曲線。從曲線中可以看出，隨著室外氣溫的逐漸降低，熱電解耦能力逐漸接近6 h。

3.1 技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)置熱水儲罐系統(tǒng)后，熱電廠對外供熱量基本不變，因而對外供熱部分的收益與改造前相同。根據(jù)現(xiàn)行《東北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場監(jiān)管辦法》，參與深度調(diào)峰熱電解耦的電廠能夠獲得調(diào)峰補(bǔ)貼收益。

與此同時(shí)，由于該熱電廠參與深度調(diào)峰，也將存在以下幾方面收益損失：

1）在儲熱系統(tǒng)對外放熱的過程中，機(jī)組負(fù)荷率降低，導(dǎo)致電廠發(fā)電量減少，發(fā)電收益降低；

2）由于電廠的平均負(fù)荷率降低，廠用電率偏高，發(fā)電和供電的煤耗會(huì)有所上升。

根據(jù)儲熱系統(tǒng)特性及相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算出該熱電廠在設(shè)置熱水儲熱罐后的主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，熱電解耦時(shí)段發(fā)電負(fù)荷率為40%，對應(yīng)單臺機(jī)組發(fā)電負(fù)荷為120 MW，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如表3所示。

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

3.2 污染物減排分析

該熱電廠改造后每個(gè)采暖期能夠減少標(biāo)煤量為2.341 萬t，按照每燃燒1 t 標(biāo)煤排放二氧化碳約2.6 t，二氧化硫約24 kg，氮氧化物約7 kg 計(jì)算[8]，每年的污染物減排量如表4所示。

表4 污染物減排分析

4 結(jié)論

根據(jù)該電廠所在省近幾年用電負(fù)荷以及新能源的發(fā)電特性，熱水儲熱罐方案的儲熱時(shí)間確定為18 h，最小放熱時(shí)間確定為6 h。根據(jù)熱電廠的實(shí)際熱負(fù)荷情況，儲熱罐儲熱量為1 302 MW·h，能夠確保整個(gè)采暖期中每天至少6 h 熱電解耦時(shí)間，滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰以及新能源上網(wǎng)的需求。

機(jī)組非熱電解耦時(shí)間平均發(fā)電負(fù)荷率為70%，避免由于夜間熱電解耦增加白天的發(fā)電量與負(fù)荷率。在熱電解耦期間，鍋爐按照48%負(fù)荷率連續(xù)運(yùn)行，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率為40%，滿足國家有關(guān)提升火電靈活性改造文件的要求，熱水儲熱罐系統(tǒng)起到了“移峰填谷”的作用[9]。

進(jìn)行火電靈活性改造并參與深度調(diào)峰后，該熱電廠每個(gè)采暖期能夠減少標(biāo)煤量2.341 萬t，按照每燃燒1 t 標(biāo)煤排放二氧化碳約2.6 t，二氧化硫約24 kg，氮氧化物約7 kg 計(jì)算，能夠相應(yīng)減少污染物排放，折算后每年二氧化碳減排量為6.087 萬t，二氧化硫減排量為561 t，氮氧化物減排量為164 t。