付振春

(1.大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130012；2.長春供電公司，吉林 長春 130012)

近年來，在國家政策的大力支持下，風電等清潔能源持續(xù)迅猛發(fā)展。截至2017年底，全國新增發(fā)電裝機容量13 372萬kW，其中，新增非化石能源發(fā)電裝機8 988萬kW，創(chuàng)歷年新高。新增水電裝機1 287萬kW，其中抽水蓄能200萬kW；新增并網風電裝機1 503萬kW；新增并網太陽能發(fā)電裝機5 338萬kW，同比增加2 167萬kW；新增煤電裝機3 855萬kW、同比減少142萬kW[1]。風電持續(xù)快速發(fā)展，部分地區(qū)出現了嚴重的棄風問題，消納已成為制約風電發(fā)展的關鍵因素。2016年全國平均棄風率17.1%，總棄風電量497億kW·h，其中三北地區(qū)的棄風電量占全國棄風電量的98.7%[2]，東北和西北地區(qū)問題尤為突出。

目前，電網建設有一定的加強，“三北”地區(qū)因網架約束的影響正逐步減小，系統調峰困難仍然是東北、西北棄風棄光主要原因。而電源結構中靈活電源少，火電機組占比高，是導致系統調峰能力不足的重要原因。特別是火電機組中供熱機組受熱電約束，在供熱期調峰能力降低，進一步加劇了系統調峰的困難[3]。以東北電網為例，熱電聯產機組運行容量占火電運行總容量的70%，而作為電力調峰主力的大型純凝火電機組及水電機組占比僅28%，冬季熱電聯產熱負荷水平高，調峰能力僅為10%左右，同時供熱期與風電資源豐盛期重疊，致使風電消納矛盾日益突出。

在解決冬季風電消納的問題上，國內有多位專家學者開展了研究，王凱等人提出采用蓄熱技術轉變熱電機組供熱模式，提高機組調峰能力[4]。裴哲義等人提出了配置蓄熱罐、電蓄熱鍋爐等4種熱電聯產機組深度調峰方案，并分析不同熱電解耦方式的風電消納能力及煤耗水平[3]。劉剛就熱電聯產機組熱電解耦方案從適用條件、調峰能力、運行控制等方面進行了對比分析[5]。李剛從熱電聯產機組的優(yōu)化設計，實現大范圍的熱電解耦進行了探討[6]。這些文獻主要從發(fā)電側對熱電聯產機組熱電解耦方案進行了論述，而本文從全社會節(jié)能角度，對發(fā)電側、用電側兩種消納風電的途徑進行節(jié)能分析，給出冬季消納風電最佳技術路線。

1 節(jié)能分析的理論基礎

1.1 純凝機組發(fā)電煤耗率的計算

在熱力發(fā)電廠中，純凝機組發(fā)電煤耗率由公式(1)進行計算[7]

式中ηb——鍋爐效率；

ηp——管道效率，取99%；

ηi——循環(huán)熱效率；

ηm、ηg——分別為機械效率、發(fā)電機效率，二者乘積約98.9%。

1.2 供熱鍋爐煤耗率的計算

對于區(qū)域集中供熱鍋爐，其每供出1 kW·h熱量所需煤耗按照公式(2)計算[7]

式中η′b——供熱鍋爐的鍋爐效率，通常在80%～90%；

η′p——供熱鍋爐管道效率，這里取99%。

2 機組深度調峰的主要技術路線

純凝機組深度調峰能力受限于鍋爐最低穩(wěn)燃負荷、脫硝裝置催化劑投入溫度，主要采取鍋爐燃燒調整、輔助燃燒改造以及煙氣旁路改造等措施，提升機組調峰能力[8-9]；熱電聯產機組電負荷和熱負荷耦合運行，其調峰能力是由熱、電負荷特性所決定的，提升機組深度調峰能力的技術關鍵是實現熱電解耦。熱電聯產機組熱電負荷解耦運行的主要改造路線有：蓄熱罐供熱改造、旁路供熱改造及電鍋爐供熱改造。

2.1 增設蓄熱水罐

蓄熱水罐為獨立成套設備，其通過加裝升壓設備和閥門、管線等，選擇合適位置接入熱電廠熱網。蓄熱罐工作過程的實質就是蓄、放熱過程。白天用電負荷高時，機組在滿足熱負荷需求的基礎上，進一步多抽汽將熱量儲存在蓄熱罐中；當夜間電負荷低時，將儲存在蓄熱罐的熱釋放出來承擔一部分熱負荷，使機組發(fā)電出力可調節(jié)范圍增大，一定程度上降低了熱負荷對發(fā)電出力的約束[10]。機組增設蓄熱水罐后系統如圖1所示。

圖1 蓄熱罐改造系統示意圖

2.2 高低壓旁路供熱

高低壓旁路供熱就是將低壓旁路后蒸汽管道與供熱管道相連，在機組低負荷運行時，部分或全部主再熱蒸汽能夠通過旁路對外供熱，滿足供熱需求，剩余的蒸汽進入汽輪機做功，這樣汽機側做功蒸汽流量則不受供熱蒸汽流量的影響，解除了以熱定電運行的約束。機組旁路供熱改造后系統如圖2所示。

圖2 旁路供熱改造系統示意圖

2.3 電鍋爐供熱

在發(fā)電機組計量出口內增加電鍋爐裝置，裝置出口安裝必要的閥門、管道連接至熱網系統。電鍋爐在夜間將電能轉化成熱能進行供熱，一方面，減小了供熱機組熱負荷，機組最小發(fā)電出力隨熱負荷的減小而降低，運行靈活性提高；另一方面，增加了負荷低谷時段的廠用電負荷，進一步增大了供熱機組發(fā)電出力調節(jié)范圍，起到了雙重調峰作用[11]。機組增設電鍋爐后系統如圖3所示。

圖3 電鍋爐改造系統示意圖

3 消納風電不同途徑的節(jié)能分析

3.1 區(qū)域集中供熱鍋爐改造為電鍋爐節(jié)能分析

對于區(qū)域集中供熱鍋爐，取鍋爐效率為85%、管道效率為99%，將其改造為電鍋爐(電鍋爐電熱轉換效率為100%)，則根據公式(2)，電鍋爐每消耗1 kW·h的電，可供出1 kW·h熱量，減少146.2 g標煤。

3.2 純凝機組深度調峰的節(jié)能分析

對于純凝300 MW亞臨界機組，鍋爐效率約為92.5%，循環(huán)熱效率約為45%，則根據公式(1)，機組發(fā)電量減少1 kW·h可至少減少301.8 g標煤；對于純凝超臨界機組，鍋爐效率約為93%，循環(huán)熱效率約為47%，則根據公式(1)，機組發(fā)電量減少1 kW·h可至少減少287.4 g標煤。因此，當有風電需要消納時，由純凝機組進行深度調峰為風電創(chuàng)造發(fā)電空間要比將區(qū)域集中供熱鍋爐改造為電鍋爐更節(jié)能。

3.3 熱電聯產機組深度調峰的節(jié)能分析

熱電聯產機組消納風電的節(jié)能量計算比較復雜，其不但與機組熱、電負荷量有關，還與機組深度調峰時所采取的熱電解耦技術路線有關。圖4是熱電聯產機組熱、電負荷特性圖，其中AB表示鍋爐最低穩(wěn)燃負荷限制線，BC表示汽輪機最小排汽流量限制線(冷源損失最小)，CD表示鍋爐最大負荷限制線，DA表示機組純凝工況運行線。熱電聯產機組最小排汽流量是固定的，忽略不同工況給水泵汽輪機排汽量不同等因素的影響，我們可以認為機組在最小排汽流量限制線上運行時，其冷源損失相同，且熱量損失最小?；谶@一原則，下面我們對熱電聯產機組由F點采取不同技術路線調峰至F’點燃煤減少量進行分析計算。

圖4 熱電聯產機組熱、電負荷特性圖

3.3.1 增設蓄熱罐技術路線的節(jié)能量分析

我們知道，熱電聯產機組的總熱耗量為聯產供熱汽流、分產供熱汽流及凝汽汽流三部分汽流熱耗量的總和[7]。熱電聯產機組采取增設蓄熱罐的技術路線，蓄熱罐蓄熱過程(F→G)就是機組在保持電負荷一定的情況下,分產的凝汽流減少所致電負荷的減少量，由增加的聯產的供熱汽流發(fā)電來補充，同時增加了機組的供熱量，并通過蓄熱罐將多余熱量儲存起來；放熱過程(G′→F′)就是將蓄熱罐儲存的多余的聯產供熱汽流的熱量釋放出來，補充不足的熱量△QG′F′。因此，機組深度調峰所減少的發(fā)電負荷是由蓄熱過程分產的凝汽流減少所致，機組發(fā)電量減少1 kW·h可至少減少約300 g標煤。

3.3.2 旁路供熱與電鍋爐供熱技術路線的節(jié)能量分析

采取旁路供熱和電鍋爐供熱的熱電解耦技術路線，其工作過程是有一定的區(qū)別和聯系。如圖4所示，旁路供熱工作過程是F→F″→G′→F′，電鍋爐供熱工作過程是F→F″→G″→H→F′。對于過程F→F″，機組熱負荷不變，電負荷的減少全部為凝汽汽流減少所致，如3.2所述，此時機組發(fā)電量減少1 kW·h可減少約300 g標煤。對于過程F″→F′，采取旁路供熱和電鍋爐供熱的技術路線進行調峰，減少燃料量無本質區(qū)別，機組發(fā)電量每減少1 kW·h可減少約134.3 g標煤(由熱電聯產機組鍋爐直接供熱計算得到)。

過程F″→F′燃煤量的減少可以利用圖5進行說明。假定機組發(fā)電負荷減少量△W=WF″-WF′，機組采取旁路供熱路線由F″深調至G′，不足的供熱量△QG′F′由旁路供熱補充，總的對外輸出能量為(WF″-△W)+QF+Ql；機組采取電鍋爐供熱路線由F″深調至G″，不足的供熱量△QG″H由電鍋爐供熱△WHF′(假定電熱轉換效率取100%)補充，總的對外輸出能量仍然為(WF″-△W)+QF+Ql。因此，機組在F″點(輸出能量為WF″+QF+Ql)調峰至F′點，其輸出能量減少△W，即輸入能量減少△W。按照公式(2)，取電站鍋爐效率為92.5%、管道效率取99%，機組每減少1 kW·h發(fā)電量，可減少約134.3 g標煤。因此，對于熱電聯產機組采取旁路供熱或電鍋爐供熱實現熱電解耦，為風電等清潔能源騰出容量空間的節(jié)煤量低于將區(qū)域集中供熱鍋爐改造為電鍋爐的節(jié)能量。

圖5 能量平衡關系示意圖

4 結論及建議

冬季風電等清潔能源消納主要有兩種途徑，本文從全社會節(jié)能角度對兩種途徑的不同技術路線進行了節(jié)能分析，得到的結論如下：

(1)在發(fā)電側，純凝機組應首當其沖進行深度調峰，熱電聯產機組通過采取增設蓄熱罐技術路線，實現機組熱電解耦進行深度調峰，最大限度的為風電等清潔能源讓出發(fā)電空間。

(2)在用電側，通過對區(qū)域集中供熱鍋爐進行電鍋爐改造增加社會用電量，實現對剩余的風電等清潔能源消納，徹底解決棄風、棄光等問題，全面提升全社會的經濟效益和社會效益。

(3)在發(fā)電側，旁路供熱和電鍋爐供熱改造技術不是節(jié)能的最佳路線，建議熱電企業(yè)在采取該路線改造時要審慎，同時建議能源部門從全社會節(jié)能角度完善風電消納的能源政策，并給予技術指導，以獲得更大的經濟和社會效益。