甘益明，王昱乾，黃 暢，王衛(wèi)良，吳偉雄，肖顯斌，呂俊復(fù)

（1.暨南大學(xué)能源電力研究中心，廣東 珠海 519070；2.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100096；3.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

為應(yīng)對(duì)能源枯竭、環(huán)境惡化，全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型不斷加速。2019年，德國可再生能源發(fā)電量為242.6 TW·h，占總發(fā)電量的40.1%[1]；英國總發(fā)電量為324 TW·h，其中風(fēng)光發(fā)電比例為23.8%[2]；美國可再生能源發(fā)電比例為19%，預(yù)計(jì)到2050年美國發(fā)電總量中可再生能源發(fā)電占比將達(dá)38%[3]。為實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程進(jìn)一步加快。截至2020年底，全國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)5.3億kW，約占全國發(fā)電裝機(jī)容量的22%[4]，同時(shí)，全年棄風(fēng)棄光電量高達(dá)219 GW·h，且其中90%發(fā)生在 “三北”地區(qū)[5]。國家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會(huì)上強(qiáng)調(diào)，到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將進(jìn)一步達(dá)到12億kW以上[6]，風(fēng)光電力將面臨前所未有的消納壓力。

經(jīng)調(diào)研，“三北”地區(qū)冬季供暖普遍采用以供熱機(jī)組為主的集中供熱方式，而供熱機(jī)組“以熱定電”的生產(chǎn)模式大大降低了機(jī)組運(yùn)行的靈活性，使其難以參與電網(wǎng)的深度調(diào)峰，這是導(dǎo)致“三北”地區(qū)嚴(yán)重棄風(fēng)棄光的主要原因。面對(duì)發(fā)展如此迅速的波動(dòng)性電源，如何提高供熱機(jī)組的深度調(diào)峰能力，促進(jìn)新能源電力的規(guī)?；{，已成為我國能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

基于供熱機(jī)組的深度調(diào)峰需求，本文系統(tǒng)分析了供熱機(jī)組通過熱電解耦進(jìn)行深度調(diào)峰與機(jī)組節(jié)能保效運(yùn)行之間突出矛盾的內(nèi)在原因，并總結(jié)對(duì)比了儲(chǔ)熱型與非儲(chǔ)熱型熱電解耦技術(shù)路徑，在此基礎(chǔ)上對(duì)未來供熱機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 供熱機(jī)組

基于能量梯級(jí)利用原理，供熱機(jī)組充分利用了不同品位的熱能，系統(tǒng)整體能效高。在相同能量供應(yīng)下，供熱機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)比熱電分產(chǎn)方式節(jié)約20%～25%的煤耗[7]。由于供熱機(jī)組電、熱功率輸出具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，為了優(yōu)先滿足供熱需求，大型供熱機(jī)組通常采用“以熱定電”的運(yùn)行模式。

1.1 大型供熱機(jī)組的電、熱功率耦合關(guān)系

供熱機(jī)組的供電功率直接受主蒸汽流量和供熱抽汽流量影響，其主要限制因素發(fā)生在控制主蒸汽流量的鍋爐側(cè)和限制供熱抽汽量的汽輪機(jī)側(cè)。

1.1.1 鍋爐側(cè)限制因素

在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，鍋爐側(cè)的調(diào)峰限制因素主要有2個(gè)：

1）鍋爐在低負(fù)荷工況下的穩(wěn)定燃燒限制[8]調(diào)峰機(jī)組鍋爐側(cè)要求，燃煤機(jī)組的最低連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷應(yīng)≤40%，對(duì)于一般的燃油機(jī)組這一負(fù)荷應(yīng)≤25%，而鍋爐的燃燒穩(wěn)定性決定了鍋爐的最低穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷[9]；

2）低負(fù)荷下鍋爐的水動(dòng)力安全 在過低的水流量情況下，水冷壁內(nèi)的水和蒸汽易出現(xiàn)停滯和倒流現(xiàn)象，給機(jī)組運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。

1.1.2 汽輪機(jī)側(cè)限制因素

汽輪機(jī)側(cè)的調(diào)峰限制因素主要是汽輪機(jī)最小排汽流量。在低負(fù)荷運(yùn)行工況下，低壓缸會(huì)出現(xiàn)鼓風(fēng)現(xiàn)象，需要一定的排汽將鼓風(fēng)熱量帶走。末級(jí)葉片的水沖蝕損傷是限制機(jī)組參與調(diào)峰的另一個(gè)重要因素。當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行工況，在末級(jí)葉片處容易產(chǎn)生蒸汽倒流引起“水刷”及葉片震顫現(xiàn)象，增加葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行[10]。

2 深度調(diào)峰技術(shù)

當(dāng)前，供熱機(jī)組深度調(diào)峰改造的技術(shù)路線可歸納為2種：1）儲(chǔ)熱型，通過給火電機(jī)組外部增設(shè)蓄熱裝置或額外熱源，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，降低供熱機(jī)組自身的供熱負(fù)荷；2）非儲(chǔ)熱型，通過對(duì)機(jī)組改造擴(kuò)大熱電比來實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰，例如將熱蒸汽減溫減壓后供熱或通過電鍋爐設(shè)備將電能轉(zhuǎn)化為熱能供熱等。

2.1 儲(chǔ)熱型熱電解耦技術(shù)

2.1.1 儲(chǔ)熱供熱技術(shù)

應(yīng)用儲(chǔ)熱技術(shù)將太陽能光熱、電制熱、熱水等熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在需要時(shí)釋放利用，旨在解決熱能供需在時(shí)空上不匹配的矛盾[11]。按照儲(chǔ)熱原理儲(chǔ)熱技術(shù)可分為顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)、潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)和化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)。由于化學(xué)儲(chǔ)熱反應(yīng)過程復(fù)雜、可控性差，對(duì)設(shè)備要求高、投資大，因此顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱是工程中最常用的儲(chǔ)熱技術(shù)。

2.1.2 大型儲(chǔ)熱裝置在技術(shù)工程中的應(yīng)用

將儲(chǔ)熱裝置與供熱機(jī)組并聯(lián)，在余熱滿足供熱仍有富余時(shí)可進(jìn)行存儲(chǔ)；在汽輪機(jī)內(nèi)的抽汽不足以滿足熱用戶需求時(shí)，可釋放儲(chǔ)熱滿足供熱需求。理論上該技術(shù)可達(dá)到完全的熱電解耦。

電廠主要采用儲(chǔ)熱水罐作為儲(chǔ)熱裝置。劉依暢等[12]利用常壓熱水儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)熱電廠進(jìn)行靈活性改造，提高了機(jī)組深度調(diào)峰能力。楊海生等[13]通過Ebsilon軟件建立300 MW供熱機(jī)組仿真模型，仿真結(jié)果表明，利用儲(chǔ)熱容量為1 008 MW·h熱水罐蓄熱為18 h，放熱為6 h，該蓄熱罐可使夜間調(diào)峰負(fù)荷由169.6 MW降低至78.0 MW，使機(jī)組負(fù)荷率由56.3%減小到26.0%，使供熱機(jī)組在夜間的最低發(fā)電負(fù)荷大幅降低。范慶偉等[14]優(yōu)化了儲(chǔ)熱水罐的容量，改善了系統(tǒng)調(diào)峰能力，揭示了儲(chǔ)水罐容量、調(diào)峰能力隨熱網(wǎng)負(fù)荷的變化規(guī)律。在火電機(jī)組的工業(yè)供熱調(diào)峰方面，羅海華等[15]設(shè)計(jì)了一套熔鹽蓄熱系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)組負(fù)荷較高、供熱能力盈余時(shí)，蓄熱系統(tǒng)利用再熱蒸汽加熱熔鹽蓄熱，在發(fā)電機(jī)組負(fù)荷低至無法保證供熱參數(shù)時(shí)，蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行放熱以替代汽輪機(jī)抽汽供熱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱電解耦。

可再生能源供熱主要包括地?zé)崮芄?、生物質(zhì)能供熱、太陽能熱利用等。在歐洲，太陽能區(qū)域供熱發(fā)展迅速，截至2015年底，歐洲地區(qū)總計(jì)建立了235個(gè)供熱負(fù)荷大于350 kW的太陽能區(qū)域供熱場(chǎng)[16]。近年來，我國可再生能源發(fā)展情況良好，通過開展試點(diǎn)示范、財(cái)政補(bǔ)貼等形式在各地區(qū)推進(jìn)清潔取暖或太陽能等新能源供暖已有一定基礎(chǔ)[17]。但由于太陽能輻照能量密度低，而且具有間歇性、反季節(jié)性，因此太陽能區(qū)域供熱通常需要配置跨季節(jié)儲(chǔ)熱裝置[18]。在歐洲，中央太陽能供暖設(shè)備與季節(jié)性蓄熱相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)50%甚至更高的太陽能比例，Bauer等人[19]描述了不同類型的熱能儲(chǔ)存和附屬的中央太陽能供熱站和區(qū)域供熱系統(tǒng)及其運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。Dahash等人[20]對(duì)大型儲(chǔ)熱水罐等先進(jìn)的跨季節(jié)性蓄熱技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹?；谖覈鴮?shí)際，李崢嶸等[21]分析了季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱的規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)，認(rèn)為太陽能區(qū)域供熱規(guī)模越大，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)越顯著。趙軍等[22]模擬跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)，分析了集熱器面積-水箱體積比對(duì)系統(tǒng)性能的影響。模擬結(jié)果表明，通過埋地水箱進(jìn)行跨季節(jié)蓄熱，在0.1～0.4的面積體積比范圍內(nèi)，系統(tǒng)的太陽能保證率可達(dá)到31%～54%。Armstrong等人[23]從需求側(cè)進(jìn)行考慮，對(duì)家用熱水箱進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)研究了壁面材料規(guī)格對(duì)家用熱水箱內(nèi)脫層的影響，通過選擇合適的壁面材料，最大限度地減少分層，提高了熱水箱的性能。

綜上所述，儲(chǔ)熱供熱技術(shù)“移峰填谷”可實(shí)現(xiàn)熱電解耦，但總體而言儲(chǔ)熱供熱技術(shù)初投資較高，供熱成本較高。

2.2 非儲(chǔ)熱型擴(kuò)大熱電比技術(shù)

非儲(chǔ)熱型擴(kuò)大熱電比技術(shù)通過調(diào)節(jié)用于供熱和發(fā)電的蒸汽量以提高機(jī)組的運(yùn)行靈活性，主要包括高、低壓旁路供熱技術(shù)，低壓缸零出力技術(shù)和基于噴射器供熱技術(shù)，通過消耗電能轉(zhuǎn)化為熱能的電鍋爐技術(shù)，通過回收余熱增加供熱量的熱泵技術(shù)。

2.2.1 高、低壓旁路供熱

1）高、低壓旁路供熱改造技術(shù)

主蒸汽抽汽經(jīng)高壓缸旁路減溫減壓后匯入再熱段，或再熱蒸汽抽汽減溫減壓后直接供熱，減少蒸汽在高壓缸、中壓缸中的做功量，從而減少汽輪機(jī)組出力，擴(kuò)大熱電比。高、低壓旁路供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高、低壓旁路供熱系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of bypass heating system of the high and low pressure cylinder

2）高、低壓旁路供熱技術(shù)工程應(yīng)用

周國強(qiáng)等[24]以超臨界350 MW供熱機(jī)組為例進(jìn)行分析，結(jié)果表明在保障機(jī)組安全運(yùn)行的前提下，改造后的機(jī)組可大幅提高低負(fù)荷供熱能力。薛朝囡等[25]進(jìn)一步對(duì)高低壓旁路進(jìn)行擴(kuò)容改造，結(jié)果表明，機(jī)組的低負(fù)荷供熱能力在擴(kuò)容后得到進(jìn)一步提高，但對(duì)機(jī)組額定工況抽汽供熱能力的影響有限。Zhang等人[26]對(duì)比分析了高低壓旁路、低壓缸切除、蓄熱水箱和電鍋爐等技術(shù)，結(jié)果表明高低壓旁路供熱對(duì)提高供熱機(jī)組的深度調(diào)峰能力具有明顯的優(yōu)勢(shì)。Wei等人[27]在旁路調(diào)峰方案的基礎(chǔ)上將旁路與蓄熱裝置耦合，結(jié)果表明旁路蓄熱聯(lián)合調(diào)峰方案的電力調(diào)峰范圍最大，與原機(jī)組相比最大供熱量增加163.87 MW，運(yùn)行收益也得到提高。而居文平等[28]認(rèn)為在多供熱模式頻繁切換情況下，減溫減壓器、調(diào)節(jié)閥及相應(yīng)的管路系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性需進(jìn)一步論證，且直接將高品質(zhì)蒸汽減溫減壓用于供熱，熱經(jīng)濟(jì)性差；而且，為避免高壓缸末級(jí)發(fā)生鼓風(fēng)問題，旁路供熱蒸汽量也有一定的局限性。

3）高、低壓旁路供熱技術(shù)的局限性

高、低壓旁路供熱技術(shù)可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱電解耦，但機(jī)組長期嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，將面臨許多問題：

a) 電廠運(yùn)行效率降低。通過將大量高品位熱能采用減溫減壓裝置降為低品位熱能，來提高機(jī)組運(yùn)行的靈活性，浪費(fèi)了大量的高品質(zhì)能源，降低了電廠的運(yùn)行效率。

b) 系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。旁路方式在一定程度上解耦了“以熱定電”的約束，但卻將原本相互獨(dú)立的發(fā)電側(cè)和熱網(wǎng)側(cè)進(jìn)行耦合，加強(qiáng)了發(fā)電與熱網(wǎng)的關(guān)聯(lián)性，這將使得系統(tǒng)事故率增高，且使事故變得更復(fù)雜。而且，長期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行還會(huì)增加零部件的損耗，對(duì)電廠的安全性造成影響。

c) 系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜化。機(jī)組與其旁路并列運(yùn)行時(shí)，既要考慮鍋爐再熱器與過熱器蒸汽量的匹配問題，也要考慮汽輪機(jī)高、中壓缸進(jìn)汽量匹配問題，此外中壓調(diào)節(jié)閥還要參與調(diào)節(jié)，使運(yùn)行過程復(fù)雜化。

2.2.2 低壓缸零出力（切缸）供熱改造技術(shù)

1）低壓缸零出力改造技術(shù)

低壓缸零出力技術(shù)是指低壓缸運(yùn)行于高度真空環(huán)境下，低壓缸的進(jìn)汽被可完全密閉的液壓蝶閥切斷，通過新增旁路進(jìn)入的少量冷卻汽體帶走低壓缸內(nèi)的鼓風(fēng)熱量，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。切斷的蒸汽全部用于供熱，減少了冷源損失，而且通過消除低壓缸最小凝汽流量的限制，擴(kuò)大了熱電比。低壓缸零出力供熱改造如圖2所示。

圖2 低壓缸零出力供熱改造示意Fig.2 Schematic diagram of heating of low pressure cylinder with zero output

2）低壓缸零出力技術(shù)的工程應(yīng)用

居文平等[28]以330 MW供熱機(jī)組為例將低壓缸改造前后機(jī)組的熱電負(fù)荷進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在等主蒸汽流量下，改造后機(jī)組供熱抽汽流量得到提高，供熱負(fù)荷增加了65 MW；在等供熱負(fù)荷條件下，改造后機(jī)組發(fā)電功率降低，調(diào)峰能力提高了16%。陳建國等[29]以國內(nèi)某300 MW機(jī)組供熱改造為例進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在確保機(jī)組運(yùn)行安全前提下，低壓缸零出力技術(shù)可減少冷源損失，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和熱電解耦能力。Liu等人[30]開發(fā)了變工況和熱力學(xué)分析模型，檢驗(yàn)和比較熱電解耦技術(shù)的運(yùn)行靈活性改進(jìn)和熱力學(xué)性能，結(jié)果表明，低壓缸零出力技術(shù)可有效降低機(jī)組的最低運(yùn)行負(fù)荷。鄂志軍等[31]以300 MW供熱機(jī)組為例，對(duì)低壓缸零出力改造的熱電解耦性能及能耗展開研究。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)電量為200 MW，改造機(jī)組的熱電比提高1.107；當(dāng)供熱量為 300 MW，改造機(jī)組的最低電負(fù)荷率降低35.7%。

3）低壓缸零出力改造技術(shù)的局限性

雖然通過切除低壓缸能讓供熱機(jī)組一定程度上擴(kuò)大熱電負(fù)荷的調(diào)節(jié)范圍，但是低壓缸在低蒸汽流量工況下會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響：

a) 當(dāng)通過汽輪機(jī)級(jí)內(nèi)的蒸汽流量大幅減小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鼓風(fēng)工況。處于鼓風(fēng)工況下，熱量無法被帶出低壓缸，進(jìn)而造成低壓缸過熱、變形等安全問題。

b) 低壓缸末級(jí)葉片較長，且具有葉形彎扭、抗振性能弱等特點(diǎn)，因此葉片在小蒸汽流量工況下運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)大負(fù)沖角運(yùn)行，會(huì)誘發(fā)葉片顫振，甚至造成葉片損傷斷裂，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。

基于低壓缸零出力運(yùn)行安全的需要，可通過增加或改造運(yùn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)，充分了解低壓缸通流部分的運(yùn)行情況；可通過噴涂金屬層對(duì)低壓缸末級(jí)葉片進(jìn)行耐磨處理；可通過引入中壓缸排汽對(duì)低壓缸進(jìn)行冷卻[25]。目前我國低壓缸零出力技術(shù)已經(jīng)較為成熟，基本可以保證在切除低壓缸后機(jī)組仍能安全運(yùn)行，如在哈汽73D機(jī)組[32]和紅陽熱電2號(hào)機(jī)組[33]上都取得成功的應(yīng)用。低壓缸改造技術(shù)投資也較小，運(yùn)行靈活，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性與改造效果角度考慮，是一種較為理想的深度調(diào)峰技術(shù)。

2.2.3 電鍋爐技術(shù)

1）電鍋爐技術(shù)原理

發(fā)電機(jī)組可通過電鍋爐將電能轉(zhuǎn)換為熱能加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，以降低電廠上網(wǎng)電量，間接提高機(jī)組調(diào)峰能力。圖3是配置有電鍋爐的風(fēng)-火熱電系統(tǒng)。

圖3 配置有電鍋爐的風(fēng)-火熱電系統(tǒng)Fig.3 The wind-fire electricity system equipped with electric boiler

2）電鍋爐技術(shù)的工程應(yīng)用

林軍等[34]根據(jù)火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目，在熱電機(jī)組中首次采用直熱式電鍋爐，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，進(jìn)一步消納可再生能源。Liu等人[35]從區(qū)域電網(wǎng)的角度，以社會(huì)效益最大化為目標(biāo)，基于熱電平衡等各種約束條件，分析了區(qū)域電網(wǎng)的最佳電鍋爐容量配置。李佳佳等[36]以二級(jí)熱網(wǎng)電鍋爐的供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立了調(diào)峰電鍋爐的啟?？刂颇Ｐ?。研究表明，電鍋爐方案能夠改變熱電機(jī)組的熱電負(fù)荷特性曲線，起到平峰填谷的作用，為風(fēng)電消納提供更多的上網(wǎng)空間。鄧佳樂等[37]進(jìn)一步分析了以上方案對(duì)棄風(fēng)消納的作用機(jī)理，并優(yōu)化了電鍋爐啟?？刂撇呗?，建立了基于電鍋爐調(diào)峰的熱電聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并分析了方案的經(jīng)濟(jì)性。此基礎(chǔ)上，郭豐慧等[38]在研究了結(jié)合電鍋爐及儲(chǔ)熱技術(shù)的儲(chǔ)熱式電鍋爐對(duì)棄風(fēng)的消納特性，并分析了技術(shù)可行性，建立了基于儲(chǔ)熱式電鍋爐日調(diào)峰的熱電聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)度模型，對(duì)比分析了熱源處集中配置和二次熱網(wǎng)中配置2種配置方式，結(jié)果表明二級(jí)熱網(wǎng)中配置儲(chǔ)熱式電鍋爐更能進(jìn)一步提高棄風(fēng)的消納量。

通過將電鍋爐與供熱機(jī)組耦合，雖然可以實(shí)現(xiàn)完全的熱電解耦，但是將高品位的電能轉(zhuǎn)換為低品位的熱能，熱經(jīng)濟(jì)性較低。系統(tǒng)地研究發(fā)現(xiàn)，高背壓供熱機(jī)組采用電鍋爐技術(shù)熱效率相對(duì)可以接受。王金星等[39]使用Ebsilon軟件構(gòu)建了350 MW燃煤抽凝機(jī)組模型，將電鍋爐與抽汽聯(lián)合供熱與中間抽汽供熱進(jìn)行對(duì)比，雖然電鍋爐與抽汽聯(lián)合供熱方式將最大供熱負(fù)荷由336 MW擴(kuò)大至556 MW，但是在最大供熱負(fù)荷下的標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加了2.16%。

2.2.4 熱泵供熱技術(shù)

將熱泵回收熱能的特點(diǎn)應(yīng)用到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，可通過擴(kuò)大供熱量來滿足深度調(diào)峰的要求。與傳統(tǒng)的直接抽汽供熱相比，吸收式熱泵供熱不僅利用了汽輪機(jī)抽汽中的熱量，還利用了電廠循環(huán)水中的余熱。與壓縮式熱泵供熱相比，吸收式熱泵的一次能源利用效率約是壓縮式熱泵的3.03倍，因此在大多數(shù)情況下吸收式熱泵供熱更具優(yōu)越性[40]。Zhang等人[41]提出了一種基于吸收式熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)余熱回收方案，建立了吸收式熱泵余熱回收熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，與常規(guī)供熱方式相比，在供熱負(fù)荷一定的情況下，隨著負(fù)荷的增加，綜合系統(tǒng)的煤耗率下降幅度減小。但吸收式熱泵供熱方式是利用汽輪機(jī)抽汽作為熱泵的驅(qū)動(dòng)熱源，用回收的余熱加熱熱網(wǎng)水，因此受熱泵出口熱網(wǎng)水溫度的限制，一般需要部分汽輪機(jī)抽汽通過尖峰換熱器對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行二次加熱來滿足熱用戶要求[42]。第一類溴化鋰吸收式熱泵回收電廠循環(huán)水余熱可以增加電廠的供熱能力[43]。但是溴化鋰的結(jié)晶問題是吸收式熱泵進(jìn)行余熱回收的重要約束，Sun等人[44]認(rèn)為，保證溴化鋰溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過60%能夠防止溴化鋰結(jié)晶的危險(xiǎn)。劉春巍[45]以采用吸收式熱泵供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為研究對(duì)象，構(gòu)建熱力學(xué)模型，研究不同熱電比對(duì)機(jī)組供熱性能的影響，確定了機(jī)組供熱期間最大調(diào)峰能力的計(jì)算原則。王碩[46]通過建立吸收式熱泵熱力學(xué)模型以及汽輪機(jī)變工況模型，對(duì)不同供熱負(fù)荷下機(jī)組的調(diào)峰能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明，吸收式熱泵輔助供熱有利于擴(kuò)大機(jī)組調(diào)峰范圍，且隨著熱泵制熱系數(shù)的增加，機(jī)組調(diào)峰能力逐漸增大。張宇等[47]以某330 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，對(duì)集成吸收式熱泵的熱電解耦性能及能耗特性展開理論研究。結(jié)果表明，耦合吸收式熱泵不但擴(kuò)大了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電比，還擴(kuò)大了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的安全運(yùn)行范圍。從需求側(cè)管理，Arteconi等人[48]以北愛爾蘭為參考場(chǎng)景，將熱泵與儲(chǔ)熱系統(tǒng)相結(jié)合，將電力負(fù)荷從高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段。Cho等人[49]介紹了與住宅熱泵集成的熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP-HP）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可行性分析，該系統(tǒng)模型包括了發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱泵模型以及發(fā)電機(jī)組熱回收模型，以承擔(dān)熱泵熱耗和生活用水熱負(fù)荷，通過代表不同氣候區(qū)10個(gè)不同美國地點(diǎn)的單戶住宅樓，對(duì)提出的系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，CHP-HP系統(tǒng)可在寒冷氣候區(qū)有效地利用發(fā)電機(jī)組回收的余熱補(bǔ)充輔助加熱器的能耗。

吸收式熱泵通過余熱的回收，擴(kuò)大了熱電比，也提高了能量利用效率，但機(jī)組對(duì)熱網(wǎng)水溫要求高，如果熱網(wǎng)回水溫度降低或溶液濃度過高，會(huì)在溶液熱泵交換器中產(chǎn)生結(jié)晶，一旦形成結(jié)晶會(huì)堵塞溶液通路，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)，需要3～4 h的融晶。而且吸收式機(jī)組的溫升能力是受熱源溫度、熱網(wǎng)回水溫度和熱源水溫的影響，如果要求較高的供熱溫度，必須提高凝汽器的供回水溫度，需要提高汽輪機(jī)的排汽絕對(duì)壓力，從而改變汽輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)并影響發(fā)電量，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行存在安全隱患。

2.2.5 基于蒸汽噴射器供熱技術(shù)

1）噴射器的工作原理

噴射器是將2股不同壓力的流體，通過直接換熱并達(dá)到速度和溫度的平衡，從而混合成一股流體的裝置。壓力相對(duì)較高的工作流體進(jìn)入噴嘴做加速運(yùn)動(dòng)，在喉管處達(dá)到音速，并在噴嘴擴(kuò)張段做超音速加速運(yùn)動(dòng)，壓力進(jìn)一步下降，從而形成負(fù)壓區(qū)引射壓力相對(duì)較低的引射流體，最后在混合室發(fā)生混合達(dá)到平衡，最終達(dá)到提高低壓蒸汽的壓力來滿足不同熱用戶需求的目的。圖4為耦合噴射器的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意。

圖4 耦合噴射器的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of the cogeneration system coupled with ejector

2）基于蒸汽噴射器供熱技術(shù)的工程應(yīng)用

Zhang等人[50]提出了一種集成蒸汽噴射器的新型回收余熱供熱系統(tǒng)，應(yīng)用Ebsilon軟件對(duì)所提出的熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模，結(jié)合蒸汽噴射器的一維數(shù)學(xué)設(shè)計(jì)模型提出了組件-系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)方案。與常規(guī)系統(tǒng)相比，在設(shè)計(jì)工況下，在相同的功率輸出下，新系統(tǒng)的乏汽回收率和制熱量分別提高了8.66%和31.8 MW。Liu等人[51]提出了3種集成噴射器的新型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并對(duì)多個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。比較了3種改造系統(tǒng)的熱電解耦性能和能耗特性。結(jié)果表明，3種改造后的系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)熱電解耦，其中系統(tǒng)II(串聯(lián)2個(gè)噴射器)的調(diào)峰能力最大，為94.8 MW。系統(tǒng)III(與2個(gè)并聯(lián)噴射器耦合)顯示出最佳的能量和效率。楊志平等[52]以某2臺(tái)300 MW空冷機(jī)組為例構(gòu)建耦合噴射器熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用數(shù)值模擬方法對(duì)噴射器進(jìn)行變工況特性分析，并在此基礎(chǔ)上研究了汽輪機(jī)背壓和噴射器之間的耦合調(diào)節(jié)方式，為耦合噴射器供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。宋四明[53]對(duì)可調(diào)式噴射器性能曲線與熱網(wǎng)水溫升曲線進(jìn)行耦合分析，得到汽輪機(jī)變工況時(shí)的最優(yōu)調(diào)節(jié)方式，耦合噴射器的新系統(tǒng)受熱網(wǎng)供水溫度影響，當(dāng)供水溫度低于68 ℃，新系統(tǒng)無節(jié)能效益；當(dāng)供水溫度在68～82 ℃，新系統(tǒng)處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)供水溫度高于82 ℃，全廠節(jié)煤約9 g/(kW·h)。

蒸汽噴射供熱技術(shù)是一種較新的調(diào)峰技術(shù)，通常噴射器設(shè)備體積較大，系統(tǒng)較復(fù)雜，但投資成本小，供熱能力好，因此具有一定的應(yīng)用潛力。

2.3 小結(jié)

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、熱經(jīng)濟(jì)性等方面，對(duì)儲(chǔ)熱型熱電解耦技術(shù)及非儲(chǔ)熱型擴(kuò)大熱電比技術(shù)進(jìn)行綜合分析比較，深度調(diào)峰技術(shù)綜合分析結(jié)果見表1。

表1 深度調(diào)峰技術(shù)綜合分析對(duì)比Tab.1 Comprehensive comparison of deep peak shaving technology

由表1可見，儲(chǔ)熱型調(diào)峰技術(shù)投入成本高，使其“商品”價(jià)格貴，在無政府補(bǔ)貼政策情況下，很難平衡供給側(cè)和用戶側(cè)之間利益矛盾。在非儲(chǔ)熱型調(diào)峰技術(shù)中，低壓缸零出力技術(shù)具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 供熱機(jī)組深度調(diào)峰與節(jié)能技術(shù)路線

供熱機(jī)組靈活性改造與節(jié)能仍有巨大提升空間，由于供熱機(jī)組在深度調(diào)峰過程中各級(jí)壓力線性變化，如果通過調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)整低壓區(qū)參數(shù)保障供熱，會(huì)引起大范圍節(jié)流損失，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效率大幅降低，使機(jī)組運(yùn)行煤耗增加。如何兼顧機(jī)組靈活性與效能，尤其是降低機(jī)組在深度調(diào)峰過程中的煤耗，是當(dāng)前供熱機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰所要研究的問題。因此本文從發(fā)電側(cè)、管網(wǎng)側(cè)及用戶側(cè)等方面提出供熱機(jī)組深度調(diào)峰與節(jié)能的技術(shù)路線。

3.1 基于多解耦技術(shù)耦合的深度調(diào)峰技術(shù)

發(fā)電側(cè)是參與電網(wǎng)深度調(diào)峰的主體，因此在保證發(fā)電機(jī)組安全性和靈活性的前提下，盡可能減少機(jī)組能耗是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑。儲(chǔ)熱型熱電解耦方式消耗高品位蒸汽，能耗較高；基于“溫度對(duì)口蓄熱、能級(jí)匹配”原則可采用分級(jí)蓄熱供能[54]。采用電鍋爐將高品位的電能轉(zhuǎn)化為熱能，消耗的煤只有30%左右轉(zhuǎn)化為熱，甚至比常規(guī)的熱水鍋爐的煤熱轉(zhuǎn)化效率更低，因此在電力調(diào)節(jié)靈活性允許的情況下，應(yīng)盡量避免通過電鍋爐將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行供熱。

面對(duì)日益增加的電網(wǎng)調(diào)峰需求，單一形式的熱電解耦技術(shù)具有一定的局限性，即使能夠滿足供能需求，也未能協(xié)同技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和能量利用效率。耦合多種熱電解耦技術(shù)，可在機(jī)組靈活性、經(jīng)濟(jì)性和能量利用效率的綜合評(píng)價(jià)上獲得相對(duì)較優(yōu)的方案。儲(chǔ)熱型調(diào)峰技術(shù)對(duì)發(fā)電側(cè)改造程度較小，在技術(shù)層面易于推廣，但儲(chǔ)熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本高，難以在實(shí)際中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，李志強(qiáng)等[55]以350 MW火電機(jī)組為例，在不同調(diào)峰目標(biāo)下，對(duì)高低壓旁路改造方案與儲(chǔ)熱技術(shù)相耦合的高低壓改造方案進(jìn)行比較，相較于單純的蒸汽旁路改造，耦合儲(chǔ)熱技術(shù)的蒸汽旁路改造方案的調(diào)峰收益更顯著。張翼等[56]通過Ebsilon軟件構(gòu)建350 MW抽凝機(jī)組仿真模型，計(jì)算了增設(shè)熱泵與儲(chǔ)熱罐耦合裝置、增設(shè)蓄熱電鍋爐等方案與原抽汽供熱方案的風(fēng)電消納量等參數(shù)。結(jié)果表明，增設(shè)熱泵與儲(chǔ)熱罐耦合裝置的供熱方案不但可以明顯提高風(fēng)電消納能力，而且能夠降低主蒸汽消耗量。當(dāng)儲(chǔ)熱技術(shù)與其他熱電解耦技術(shù)耦合時(shí)，可根據(jù)不同調(diào)峰需求，優(yōu)選出最優(yōu)調(diào)峰方案，在一定程度上彌補(bǔ)儲(chǔ)熱技術(shù)高成本的缺點(diǎn)，但并未根本解決。因此在綜合考慮機(jī)組能耗、供熱能力等因素，有必要開展耦合儲(chǔ)熱技術(shù)的熱電解耦技術(shù)與耦合其他熱電解耦技術(shù)的調(diào)峰技術(shù)的比較研究，得到相對(duì)較優(yōu)的多熱電解耦技術(shù)耦合方式。Zeng等人[57]將高低壓旁路與低壓缸零出力技術(shù)耦合，使機(jī)組的最小技術(shù)出力降低到改造前的14.2%。同時(shí)，改造后機(jī)組可提供多種供熱模式，運(yùn)行靈活性大大提高。通過比較這些供熱方式的經(jīng)濟(jì)性，得出了熱耗率最低的運(yùn)行方式。因此將多種調(diào)峰技術(shù)耦合并進(jìn)行方案的優(yōu)選是未來發(fā)電側(cè)調(diào)峰技術(shù)的技術(shù)路線之一。

3.2 管網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的蓄能協(xié)同

供熱系統(tǒng)由熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三部分組成。目前大部分調(diào)峰壓力都在熱源端的熱電廠。然而熱網(wǎng)和熱用戶本身具有蓄熱特性，協(xié)同調(diào)度一、二次管網(wǎng)和用戶側(cè)調(diào)峰潛力，可更好地滿足供熱機(jī)組的深度調(diào)峰需求。秦冰等[58]對(duì)利用熱網(wǎng)和熱建筑的熱慣性參與電力調(diào)峰的可行性進(jìn)行探討，利用集中供熱系統(tǒng)存在的巨大熱慣性，可使供熱機(jī)組的產(chǎn)熱量在一定范圍內(nèi)變化而不影響供熱質(zhì)量，從而不影響熱用戶用熱體驗(yàn)。畢慶生等[59]通過案例進(jìn)行計(jì)算，得到大型供熱機(jī)組產(chǎn)熱量的波動(dòng)并不會(huì)影響供熱質(zhì)量，并且建立了機(jī)組基于熱網(wǎng)及建筑物熱慣性的電網(wǎng)調(diào)峰數(shù)學(xué)模型，為熱網(wǎng)和熱用戶參與電網(wǎng)調(diào)峰提供了科學(xué)依據(jù)。文獻(xiàn)[60]利用供熱系統(tǒng)熱慣性建立供熱機(jī)組短時(shí)深度參與電網(wǎng)調(diào)峰及風(fēng)電消納數(shù)學(xué)模型，在用電高峰期，供熱機(jī)組對(duì)建筑物提前蓄熱，蓄熱時(shí)長為6.44 h，在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)，供熱機(jī)組適當(dāng)減少供熱量及發(fā)電量，通過建筑物與熱網(wǎng)的蓄熱量滿足熱用戶用熱要求，為深度調(diào)峰及可再生能源的消納提供了操作空間。隨著深度調(diào)峰與深度節(jié)能的需要，可構(gòu)建考慮用戶側(cè)柔性電、熱負(fù)荷的熱電系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型，提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，減小負(fù)荷峰谷差?？紤]用戶側(cè)柔性負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度模型以及一、二次管網(wǎng)的蓄熱能力可以更好的解決供熱能力不足的問題，同時(shí)滿足深度調(diào)峰需要。從電廠到管網(wǎng)再到用戶的協(xié)同合作，共同承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰壓力，做到真正的“智慧節(jié)能供熱”，從而統(tǒng)籌供給側(cè)、配送、需求側(cè)共同滿足調(diào)峰需求。

4 結(jié)論與展望

為實(shí)現(xiàn)我國既定雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，應(yīng)對(duì)未來大規(guī)?！瓣幥绮欢ā毙履茉瓷暇W(wǎng)所帶來的巨大調(diào)峰壓力，供熱機(jī)組將實(shí)現(xiàn)“按需定電”全面參與深度調(diào)峰。本文基于供熱機(jī)組的深度調(diào)峰需求，回顧并總結(jié)了儲(chǔ)熱型熱電解耦及非儲(chǔ)熱型擴(kuò)大熱電比技術(shù)的主要特征，得出如下結(jié)論：

1）包括可再生能源供熱在內(nèi)的儲(chǔ)熱型技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)“移峰填谷”，熱電解耦效果好，但成本較高；低壓缸改造雖然對(duì)機(jī)組葉片要求較高，安全校核過程較為復(fù)雜，但技術(shù)投資較小，運(yùn)行靈活，國內(nèi)技術(shù)已較為成熟；電鍋爐將高品位的電能轉(zhuǎn)換為品位低的熱能，雖能夠?qū)崿F(xiàn)全負(fù)荷調(diào)峰，但熱經(jīng)濟(jì)性差，只建議在高背壓供熱條件下采用；吸收式熱泵可利用乏汽增加供熱能力，但其應(yīng)用要求較高；基于蒸汽噴射器供熱技術(shù)的供熱能力好，但系統(tǒng)較復(fù)雜、占地較大，具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2）通過系統(tǒng)地分析，本文認(rèn)為供熱機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)應(yīng)統(tǒng)籌調(diào)峰與能效2個(gè)方面，采用多解耦技術(shù)耦合的深度調(diào)峰技術(shù)，有望在機(jī)組靈活性、經(jīng)濟(jì)性和能量利用效率的綜合評(píng)價(jià)上獲得相對(duì)較優(yōu)的方案。同時(shí)，應(yīng)積極協(xié)同管網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)的蓄能技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)供給側(cè)、需求側(cè)協(xié)同的“智慧節(jié)能供熱”。

全面推進(jìn)供熱機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)的發(fā)展，能夠推動(dòng)燃煤供熱產(chǎn)業(yè)升級(jí)，有效保障新能源電力系統(tǒng)供需平衡，助力我國“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的順利實(shí)施。