王鑫明, 尋志偉, 楊沛豪

1.國家電網(wǎng)河北省電力有限公司 石家莊 0500512.陜西省國華錦界能源有限責任公司 陜西榆林 719319 3.西安熱工研究院有限公司 西安 710000

1 研究背景

東北、華北和西北地區(qū)在冬季供暖期主要依靠火電廠供熱,霧霾較為嚴重,同時隨著火電廠供熱區(qū)域的延伸,火電機組調(diào)峰能力明顯不足,導致電網(wǎng)調(diào)峰能力下降。為了解決以上地區(qū)的霧霾問題,以及加快新能源消納能力,提高火電機組投切靈活性成為現(xiàn)階段的重要任務。對此,國家能源局于2016年6月正式啟動火電機組靈活性改造示范試點項目,促進新能源快速發(fā)展。由此,對火電機組進行靈活性改造在國內(nèi)電力行業(yè)迅速展開。

文獻[1]介紹了我國火電廠靈活性改造所蘊藏的巨大潛力,從調(diào)峰運行控制方法和儲熱改造兩個方面分析了火電廠靈活性改造的技術方案和先進理念。當前,風電、光電等新能源發(fā)電量逐年遞增,導致電網(wǎng)結構發(fā)生巨大變化,對火電機組投切靈活性的改造要求在不斷提高。文獻[2]通過研究火電機組臨界特性,考慮逐漸嚴格的網(wǎng)絡調(diào)度要求,提出一種可以減小自動發(fā)電控制指令對系統(tǒng)造成影響,同時提高大負荷下機組負荷響應速度的優(yōu)化策略。針對東北地區(qū)棄風嚴重的問題,文獻[3]對某電廠600 MW機組脫硝系統(tǒng)進行超低排放改造,改造后的脫硝效率、氨逃逸、二氧化硫三氧化硫轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)阻力、氨耗量等主要性能指標都有明顯改善。文獻[4]提出一種火電機組滑壓運行方式,通過分析滑壓運行方式的特點及經(jīng)濟性,對125 MW和200 MW機組進行試驗,得到火電機組在運行條件發(fā)生改變時的最佳運行方式。文獻[5]針對火電機組在低負荷運行時需要考慮氣缸容量、葉片排氣干度、水蝕系數(shù)、動應力等問題,提出一種滿足調(diào)峰能力、降低運行負荷的方案。文獻[6]提出一種火電機組寬負荷高效技術,可以使火電廠達到降耗節(jié)能、減少污染物排放的目的,并保證靈活投切。

天然氣作為重要的一次能源,與電力系統(tǒng)聯(lián)系較為緊密,使電-氣-熱互聯(lián)能源系統(tǒng)的應用成為可能。近年來出現(xiàn)的電轉(zhuǎn)氣技術[7-9]為解決能源互聯(lián)問題提供了新的途徑。電轉(zhuǎn)氣技術可以將低谷時段剩余的火電轉(zhuǎn)化為易于大規(guī)模存儲的天然氣,并在高峰時段通過燃氣輪機發(fā)電,將能源重新利用。與傳統(tǒng)的儲能設備相比,電轉(zhuǎn)氣存儲容量大,放電時間長,可以有效提高大規(guī)?；痣姍C組運行的靈活性。

2 電轉(zhuǎn)氣技術原理

電轉(zhuǎn)氣技術原理如圖1所示。實際應用中,電轉(zhuǎn)氣包括電轉(zhuǎn)氫氣和電轉(zhuǎn)天然氣兩種類型,其中電轉(zhuǎn)氫氣是電轉(zhuǎn)天然氣的前置反應。電轉(zhuǎn)氫氣的基本反應原理為電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣,現(xiàn)階段,電解氫氣的能量轉(zhuǎn)換效率可以達到75%～85%。

圖1 電轉(zhuǎn)氣技術原理

電解水產(chǎn)生的氫氣可以直接用于燃料電池、液化或其它方式存儲,但通過氫氣反應生成的天然氣,其單位能量密度是氫氣的4倍,且氫氣存儲困難、傳輸危險,因此一般采用電轉(zhuǎn)天然氣的方法。

電轉(zhuǎn)天然氣的原理是在電解氫氣的基礎上,利用二氧化碳和氫氣在高溫高壓環(huán)境下反應生成天然氣。電轉(zhuǎn)天然氣的能量轉(zhuǎn)換率為45%～60%,將電解產(chǎn)生的天然氣與天然氣管道網(wǎng)絡相連,無需增加額外投資,就可以實現(xiàn)能量在電力網(wǎng)絡與天然氣網(wǎng)絡間的雙向流動。圖2所示為加拿大兆瓦級電轉(zhuǎn)氣設備。

3 電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)

燃氣輪機和電轉(zhuǎn)氣技術實現(xiàn)了電力網(wǎng)絡與天然氣網(wǎng)絡之間能量的雙向流動,其重要意義在于可以提高火電廠調(diào)峰的靈活性,減少碳排放。

從火電廠的廢氣中捕捉二氧化碳,作為電轉(zhuǎn)天然氣所需二氧化碳的主要來源。燃煤電廠二氧化碳捕捉技術是國內(nèi)外應對氣候變化、減少溫室氣體排放的重要手段。此外,電轉(zhuǎn)氣過程中產(chǎn)生的熱能還可以供火電廠使用。電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)的結構如圖3所示。

圖3 電-氣互聯(lián)能源系統(tǒng)結構

電轉(zhuǎn)氣技術是解決火電廠削峰填谷的新途徑,具有運行靈活的潛力。這一技術強化了電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)的聯(lián)系,有助于實現(xiàn)多能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運行,提高社會經(jīng)濟效益。在我國市場環(huán)境下,電轉(zhuǎn)氣技術使多能源市場的聯(lián)系更加緊密。對自然環(huán)境而言,這一技術可以充分利用綠色能源,減少二氧化碳排放,有助于改善自然環(huán)境。

4 電-氣-熱多能源系統(tǒng)

電-氣-熱多能源系統(tǒng)包含能源中心和傳輸網(wǎng)絡兩個部分,其中能源中心包括電轉(zhuǎn)氣裝置及分布式電源。在正常工作過程中,電-氣-熱多能源系統(tǒng)既可以是電源,也可以是負荷,具體處于哪種工作狀態(tài)取決于當前運行條件。電-氣-熱多能源系統(tǒng)由調(diào)度中心進行統(tǒng)一調(diào)度,其調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 電-氣-熱多能源系統(tǒng)調(diào)度模型

系統(tǒng)運行時,預測并收集未來2 d的電力、天然氣、供熱和負荷情況,將信息傳輸至調(diào)度中心,由調(diào)度中心對發(fā)電機、電轉(zhuǎn)氣裝置進行統(tǒng)一優(yōu)化分配、管理。具體調(diào)度方案如下:

(1) 能源中心預測并收集未來2 d的電力負荷、天然氣負荷、熱負荷等具體情況,并向調(diào)度中心匯報;

(2) 調(diào)度中心根據(jù)具體調(diào)度目標,參考約束條件,制訂各個能源中心的調(diào)度計劃;

(3) 能源中心按照調(diào)度計劃進行具體調(diào)度任務。

5 其它儲能方式

目前,在電力系統(tǒng)儲能領域應用較多的有化學儲能、超導儲能和物理儲能。化學儲能技術成熟,并已廣泛應用,但使用壽命短,受外界條件影響明顯。超導儲能成本高,對環(huán)境要求極為嚴格,不適合大規(guī)模應用。物理儲能利用物理方法將能量存儲起來,不存在環(huán)境污染問題,適合當今社會的發(fā)展要求。物理儲能的主要形式有抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能[10-11]。

5.1 飛輪儲能

飛輪儲能一般由電機、飛輪、軸承、真空室、電力電子器件等組成。飛輪是飛輪儲能系統(tǒng)的重要組成部分,一般采用強度較高、密度較小的高分子復合材料制成。軸承用于固定飛輪,為了減小摩擦損耗,一般采用磁浮支承技術。電機既可以工作在電動狀態(tài),也可以工作在發(fā)電狀態(tài),用于滿足機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的要求。在儲能階段,電機帶動飛輪轉(zhuǎn)動,將飛輪加速到一定轉(zhuǎn)速后進行能量存儲。在釋放能量階段,飛輪減速,電機作為發(fā)電機運行,動能轉(zhuǎn)換為電能。電力電子器件用于實現(xiàn)對電能的有效控制。真空室既可以為飛輪的正常工作提供無損耗環(huán)境,也可以防止飛輪因轉(zhuǎn)速太高脫離軸承而危害人員和設備。飛輪儲能系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 飛輪儲能系統(tǒng)結構

飛輪儲能是一種將高速旋轉(zhuǎn)的能量以動能形式存儲起來的裝置,有三種工作模式:放電模式、充電模式、保持模式。放電模式將飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的動能傳遞至發(fā)電機,發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)換為電能,再經(jīng)過電力控制裝置變換后輸出工頻電壓和電流,最終實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。充電模式時,飛輪轉(zhuǎn)子從外界吸收電能,用以提高飛輪轉(zhuǎn)速,將能量以動能的形式存儲。保持模式指當飛輪轉(zhuǎn)速達到設定值時,飛輪儲能系統(tǒng)既不吸收能量,也不輸出能量。旋轉(zhuǎn)中的飛輪以動能形式存儲起來的能量E為:

式中:v為飛輪線速度;m為飛輪質(zhì)量;J為飛輪轉(zhuǎn)動慣量;ω為飛輪角速度;r為飛輪半徑。

由式(1)可以看出,飛輪存儲的動能與轉(zhuǎn)動慣量、角速度的二次方成正比,因此,提高轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速可以有效提高飛輪存儲的能量。飛輪儲能系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理

飛輪儲能同樣存在缺點,主要的缺點是能量密度不高、自放電率高、釋放能量持續(xù)時間較短。圖7所示為一種磁浮飛輪儲能設備。

5.2 超導儲能

超導儲能是基于超導體在低溫時電阻為零的物理特性而產(chǎn)生的一種電能存儲技術,不僅可以在超導體線圈中無損耗存儲電能,而且可以通過電力電子變換器與電力網(wǎng)絡快速連接,交換有功和無功功率。超導儲能的優(yōu)點主要有儲放電功率大、質(zhì)量較輕、體積較小、損耗低、反應速度快等,因此應用很廣。超導儲能廣泛應用于電網(wǎng)中,當電網(wǎng)中負荷較低時,超導儲能可以將多余的電能存儲起來,在負荷高時再將存儲的電能釋放,這樣可以滿足用電高峰和低谷時火電機組的供電要求。超導儲能系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 超導儲能系統(tǒng)原理

超導儲能作為并聯(lián)儲能的重要組成部分,能夠快速響應高壓輸電系統(tǒng),提高電力網(wǎng)絡的穩(wěn)定性,抑制頻率與電壓波動。超導儲能在電力網(wǎng)絡中的應用主要包括動態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、負荷均衡、暫態(tài)穩(wěn)定等,對于火電廠而言,中小型超導儲能系統(tǒng)更為經(jīng)濟實用。超級電容器占地小,簡單實用,可以在各種工況條件下運行。

超導儲能的不足之處在于成本較高,使可靠性和經(jīng)濟性受到制約,離商業(yè)化應用還有一段距離。

5.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能對地理條件無過多要求,建造成本低,響應速度快,使用壽命長,儲能容量大,是一種應用前景較好的大規(guī)模儲能技術。壓縮空氣儲能可以利用低谷電、棄風電、棄光電等對空氣進行壓縮,將高壓空氣密封在固定容器中,在用電高峰期釋放壓縮空氣,進而推動氣輪機、渦輪機等發(fā)電。壓縮空氣儲能按不同運行方式可以分為補燃式和非補燃式兩種。

補燃式壓縮空氣儲能需要借助燃料補燃來實現(xiàn)系統(tǒng)的循環(huán)運行,其工作原理如圖9所示。

圖9 補燃式壓縮空氣儲能工作原理

在儲能階段,電機驅(qū)動壓縮機,將空氣壓縮并存儲至容器中。釋放時,容器中的高壓氣體進入氣輪機或渦輪機,在燃燒室中與燃料混合燃燒,帶動發(fā)電機對外輸出電能。補燃式壓縮空氣儲能由于采用燃料補燃,因此存在污染環(huán)境的問題。非補燃式壓縮空氣儲能由傳統(tǒng)的補燃式壓縮空氣儲能發(fā)展而來,通過采用回熱技術,將儲能壓縮過程中產(chǎn)生的熱量收集并存儲,待釋能時再加熱進入透平的高壓空氣,其工作原理如圖10所示。

圖10 非補燃式壓縮空氣儲能工作原理

由于非補燃式壓縮空氣儲能不對燃料產(chǎn)生依賴,因此實現(xiàn)了有害氣體零排放,同時利用壓縮熱和透平低溫排氣對外供暖或制冷,實現(xiàn)了冷-熱-電三聯(lián)供,能源利用率較高。

非補燃式壓縮空氣儲能的主要缺點是儲能效率較低。因為空氣在壓縮時溫度會升高,釋放過程中溫度會降低,在工作過程中總會有一部分能量以熱能的形式散失,且在釋放之前還需要重新加熱。

5.4 化學儲能

化學儲能以電化學儲能為典型代表,主要分為鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池及超級電容器儲能等,前三者的比較見表1。

表1 電化學儲能比較

鉛酸電池是一種由鉛和鉛氧化物制成的儲能裝備,電解液為硫酸溶液。鉛酸電池在荷電狀態(tài)下,正極為二氧化鉛,負極為鉛。在放電狀態(tài)下,正負極均為硫酸鉛。鉛酸電池屬于最早應用的商業(yè)化儲能電池。

鋰離子電池具有較高的比能量、優(yōu)異的循環(huán)性能,且綠色環(huán)保,占據(jù)了絕大部分電子產(chǎn)品市場,如移動電話、筆記本計算機、照相機等。鋰離子電池的工作原理是以鋰離子作正極材料,以金屬氧化物作負極材料,通過在石墨之間嵌入和脫出來實現(xiàn)能量的存儲和釋放。

鈉硫電池最初為電動汽車而設計,隨后向儲能領域發(fā)展。鈉硫電池采用管型設計,電池中心以鈉為負極。內(nèi)管為電解質(zhì)隔膜,同時起到安裝鈉的作用。外管為不銹鋼金屬合成材料,用于安裝正極材料非金屬硫。在工作溫度下,鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫發(fā)生可逆反應,形成能量的釋放和存儲。

6 與其它儲能方式的比較

筆者從三個方面對電轉(zhuǎn)氣技術與現(xiàn)有儲能方式進行比較。

(1) 儲能系統(tǒng)容量。超導儲能、飛輪儲能容量較小,額定功率在千瓦到兆瓦級之間,放電時間較短。化學儲能由于介質(zhì)不同,性能差異較大。電轉(zhuǎn)氣技術的容量相對更大,額定功率可達吉瓦級,放電時間為數(shù)天甚至數(shù)月。

(2) 儲能系統(tǒng)效率。超導儲能和飛輪儲能的效率相對較高,分別為90%、95%。化學儲能和抽水蓄能效率低一些,分別為80%、70%～80%。電轉(zhuǎn)氣技術效率較低,為42%～58%。

(3) 儲能技術成熟度。目前,抽水蓄能和鉛酸電池技術最為成熟,壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鈉硫電池、鋰離子電池、液流電池等儲能技術則較為成熟,超導儲能和電轉(zhuǎn)氣技術尚處于研究階段。

7 結束語

與其它儲能技術相比,電-氣-熱多能源系統(tǒng)雖然效率較低、成本較高,但是在額定功率和放電時間方面有明顯優(yōu)勢。電轉(zhuǎn)氣技術的成功應用不僅可以有效提高新能源的消納能力,而且可以提高火電機組的投切靈活性,在用電負荷低谷和火電廠輸出富余時段緩和電網(wǎng)波動。此外,天然氣是綠色能源,應用電轉(zhuǎn)氣技術不僅可以提高電力系統(tǒng)和天然氣技術的穩(wěn)定性,而且可以節(jié)約經(jīng)濟成本。