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        清潔能源消納的節(jié)能技術(shù)探討

        2018-10-09 09:26:20莊建華
        發(fā)電設(shè)備 2018年5期
        關(guān)鍵詞:電鍋爐熱電調(diào)峰

        莊建華

        (大唐哈爾濱第一熱電廠, 哈爾濱 150001)

        近年來,隨著風(fēng)電持續(xù)快速發(fā)展,部分地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的棄風(fēng)問題,消納已成為制約風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。

        東北、西北、華北地區(qū)因系統(tǒng)調(diào)峰困難而棄風(fēng)、棄光。電源結(jié)構(gòu)中靈活電源少、火電機(jī)組占比高,是系統(tǒng)調(diào)峰能力不足的重要原因。特別是火電機(jī)組中供熱機(jī)組受熱電約束,在供熱期調(diào)峰能力降低,進(jìn)一步加劇了系統(tǒng)調(diào)峰的困難[1]。以東北電網(wǎng)為例,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行容量占火電運(yùn)行總?cè)萘康?0%,而作為電力調(diào)峰主力的大型純凝火電機(jī)組及水電機(jī)組占比僅28%,冬季熱電聯(lián)產(chǎn)熱負(fù)荷水平高,調(diào)峰能力僅為10%左右,同時(shí)供熱期與風(fēng)電資源豐盛期重疊,致使風(fēng)電消納矛盾日益突出。

        在解決冬季風(fēng)電消納的問題上,國內(nèi)有多位專家學(xué)者開展了研究,王凱等[2]提出采用蓄熱技術(shù)轉(zhuǎn)變熱電機(jī)組供熱模式,提高機(jī)組調(diào)峰能力;裴哲義等[1]提出了配置蓄熱罐、電蓄熱鍋爐等4種熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰方案,并分析不同熱電解耦方式的風(fēng)電消納能力及煤耗水平;劉剛[3]就熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電解耦方案從適用條件、調(diào)峰能力、運(yùn)行控制等方面進(jìn)行了對比分析;李剛[4]從熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)大范圍的熱電解耦進(jìn)行了探討。這些學(xué)者主要從發(fā)電側(cè)對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電解耦方案進(jìn)行了論述,而筆者從節(jié)能角度,對發(fā)電側(cè)、用電側(cè)兩種消納風(fēng)電的途徑進(jìn)行分析,給出冬季消納風(fēng)電最佳技術(shù)路線。

        1 節(jié)能分析的理論基礎(chǔ)

        1.1 純凝機(jī)組發(fā)電煤耗率的計(jì)算

        在熱力發(fā)電廠中,純凝機(jī)組發(fā)電煤耗由下式進(jìn)行計(jì)算[5]。

        (1)

        式中:ηb為鍋爐效率;ηp為管道效率,取99%;ηi為循環(huán)熱效率;ηm、ηg分別為機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率,二者乘積約98.9%。

        1.2 供熱鍋爐煤耗率的計(jì)算

        對于區(qū)域集中供熱鍋爐,其每供出1 kW·h電所需煤耗按照下式計(jì)算[6]。

        (2)

        式中:ηb′為供熱鍋爐的鍋爐效率,通常在80%~90%;ηp′為供熱鍋爐管道效率,取99%。

        2 機(jī)組深度調(diào)峰的技術(shù)路線

        純凝機(jī)組深度調(diào)峰能力受限于鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷、脫硝裝置催化劑投入溫度,主要采取鍋爐燃燒調(diào)整、輔助燃燒改造以及煙氣旁路改造等措施,提升機(jī)組調(diào)峰能力[6-7];熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組電負(fù)荷和熱負(fù)荷耦合運(yùn)行,其調(diào)峰能力是由熱、電負(fù)荷特性所決定的,提升機(jī)組深度調(diào)峰能力的技術(shù)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)熱電解耦。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電負(fù)荷解耦運(yùn)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(shè)蓄熱罐

        機(jī)組增設(shè)蓄熱罐后系統(tǒng)示意圖見圖1。

        圖1 蓄熱罐改造系統(tǒng)示意圖

        蓄熱罐為獨(dú)立成套設(shè)備,其通過加裝升壓設(shè)備和閥門、管線等,選擇合適位置接入熱電廠熱網(wǎng)。蓄熱罐工作過程的實(shí)質(zhì)就是蓄、放熱過程。白天用電負(fù)荷高時(shí),機(jī)組在滿足熱負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步多抽汽將熱量儲存在蓄熱罐中;當(dāng)夜間電負(fù)荷低時(shí),將儲存在蓄熱罐的熱釋放出來承擔(dān)一部分熱負(fù)荷,使機(jī)組發(fā)電出力可調(diào)節(jié)范圍增大,一定程度上降低了熱負(fù)荷對發(fā)電出力的約束[8]。

        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(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),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(jìn)入汽輪機(jī)做功,這樣汽輪機(jī)側(cè)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(yùn)行的約束。機(jī)組旁路供熱改造后系統(tǒng)見圖2。

        圖2 旁路供熱改造系統(tǒng)示意圖

        2.3 電鍋爐供熱

        在發(fā)電機(jī)組計(jì)量出口內(nèi)增加電鍋爐裝置,裝置出口安裝必要的閥門、管道,并連接至熱網(wǎng)系統(tǒng)。電鍋爐在夜間將電能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行供熱,一方面,減小了供熱機(jī)組熱負(fù)荷,機(jī)組最小發(fā)電出力隨熱負(fù)荷的減小而降低,運(yùn)行靈活性提高;另一方面,增加了負(fù)荷低谷時(shí)段的廠用電負(fù)荷,進(jìn)一步增大了供熱機(jī)組發(fā)電出力調(diào)節(jié)范圍,起到了雙重調(diào)峰作用。機(jī)組增設(shè)電鍋爐后系統(tǒng)見圖3。

        圖3 電鍋爐改造系統(tǒng)示意圖

        3 消納風(fēng)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%,將其改造為消納風(fēng)電的電鍋爐(電鍋爐電熱轉(zhuǎn)換效率為100%),則根據(jù)式(2),電鍋爐每消耗1 kW·h的電,減少146.2 g標(biāo)煤。

        3.2 純凝機(jī)組深度調(diào)峰的節(jié)能分析

        對于純凝300 MW亞臨界機(jī)組,鍋爐效率約為92.5%,循環(huán)熱效率約為45%,則根據(jù)式(1),機(jī)組發(fā)電量減少1 kW·h可至少減少301.8 g標(biāo)煤;對于純凝超臨界機(jī)組,鍋爐效率約為93%,循環(huán)熱效率約為47%,則根據(jù)式(1),機(jī)組發(fā)電量減少1 kW·h可至少減少287.4 g標(biāo)煤。因此,當(dāng)有風(fēng)電需要消納時(shí),由純凝機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰為風(fēng)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(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰的節(jié)能分析

        熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組消納風(fēng)電的節(jié)能量計(jì)算比較復(fù)雜,其不但與機(jī)組熱、電負(fù)荷量有關(guān),還與機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)所采取的熱電解耦技術(shù)路線有關(guān)。圖4是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱、電負(fù)荷特性圖,其中AB表示鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷限制線,BC表示汽輪機(jī)最小排汽流量限制線(冷源損失最小),CD表示鍋爐最大負(fù)荷限制線,DA表示機(jī)組純凝工況運(yùn)行線。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最小排汽流量是固定的,忽略不同工況給水泵汽輪機(jī)排汽量不同等因素的影響,可以認(rèn)為機(jī)組在最小排汽流量限制線上運(yùn)行時(shí),其冷源損失相同,且熱量損失最小?;谶@一原則,下面對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由F點(diǎn)采取不同技術(shù)路線調(diào)峰至F′點(diǎn)燃煤減少量進(jìn)行分析計(jì)算。

        圖4 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱、電負(fù)荷特性圖

        3.3.1 增設(shè)蓄熱罐的技術(shù)路線

        熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總熱耗量為聯(lián)產(chǎn)供熱汽流、分產(chǎn)供熱汽流及凝汽汽流三部分汽流熱耗量的總和[5]。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采取增設(shè)蓄熱罐的技術(shù)路線,蓄熱罐蓄熱過程(F→G)就是機(jī)組在保持電負(fù)荷一定的情況下,分產(chǎn)的凝汽汽流減少所致電負(fù)荷的減少量,由增加的聯(lián)產(chǎn)的供熱汽流發(fā)電來補(bǔ)充,同時(shí)增加了機(jī)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(lián)產(chǎn)供熱汽流的熱量釋放出來,補(bǔ)充不足的熱量ΔQG′F′。因此,機(jī)組深度調(diào)峰所減少的發(fā)電負(fù)荷是由蓄熱過程分產(chǎn)的凝汽汽流減少所致,機(jī)組發(fā)電量減少1 kW·h至少可減少約300 g標(biāo)煤。

        3.3.2 旁路供熱與電鍋爐供熱的技術(shù)路線

        采取旁路供熱和電鍋爐供熱的熱電解耦技術(shù)路線,其工作過程是有一定的區(qū)別和聯(lián)系。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(jī)組熱負(fù)荷不變,電負(fù)荷的減少全部為凝汽汽流減少所致,如3.2所述,此時(shí)機(jī)組發(fā)電量減少1 kW·h可減少約300 g標(biāo)煤。對于過程F″→F′,采取旁路供熱和電鍋爐供熱的技術(shù)路線進(jìn)行調(diào)峰,減少燃料量無本質(zhì)區(qū)別,機(jī)組發(fā)電量每減少1 kW·h可減少約134.3 g標(biāo)煤(由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組鍋爐直接供熱計(jì)算得到)。

        過程F″→F′燃煤量的減少可以利用圖5進(jìn)行說明。假定機(jī)組發(fā)電負(fù)荷減少量ΔW=WF″-WF′,機(jī)組采取旁路供熱路線深調(diào)至G′,先由F″調(diào)至G″,不足的供熱量ΔQG′F′由旁路供熱補(bǔ)充,總的對外輸出能量為(WF″-ΔW)+QF+Ql;機(jī)組采取電鍋爐供熱路線由F″深調(diào)至G″,不足的供熱量ΔQG″H由電鍋爐供熱ΔWHF′(假定電熱轉(zhuǎn)換效率取100%)補(bǔ)充,總的對外輸出能量仍然為(WF″-ΔW)+QF+Ql。因此,機(jī)組在F″點(diǎn)(輸出能量為WF″+QF+Ql)調(diào)峰至F′點(diǎn),其輸出能量減少ΔW,即輸入能量減少ΔW。按照式(2),取電站鍋爐效率為92.5%、管道效率為99%,機(jī)組每減少1 kW·h發(fā)電量可減少約134.3 g標(biāo)煤。因此,對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采取旁路供熱或電鍋爐供熱實(shí)現(xiàn)熱電解耦,為風(fēng)電等清潔能源騰出空間的節(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(guān)系示意圖

        4 結(jié)語

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

        (1) 在發(fā)電側(cè),純凝機(jī)組應(yīng)首當(dāng)其沖進(jìn)行深度調(diào)峰,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組通過采取增設(shè)蓄熱罐技術(shù)路線,實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦進(jìn)行深度調(diào)峰,最大限度地為風(fēng)電等清潔能源讓出發(fā)電空間;旁路供熱和電鍋爐供熱改造技術(shù)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(shí)要審慎,同時(shí)建議能源部門從全社會節(jié)能角度完善風(fēng)電消納的能源政策,并給予技術(shù)指導(dǎo)。

        (2) 在用電側(cè),通過對區(qū)域集中供熱鍋爐進(jìn)行電鍋爐改造增加社會用電量,實(shí)現(xiàn)對剩余的風(fēng)電等清潔能源消納,徹底解決棄風(fēng)、棄光等問題,全面提升全社會的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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