侯建軍，付喜亮，郝薛剛，趙曉燕

（1.內(nèi)蒙古京能盛樂(lè)熱電有限公司，呼和浩特 011500；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051）

0 引言

近年來(lái)，內(nèi)蒙古電網(wǎng)新能源發(fā)電占比愈來(lái)愈大，冬季供暖高峰期熱電廠采取“以熱定電”的模式運(yùn)行，即使非供熱機(jī)組大量停運(yùn)，夜間低谷時(shí)段網(wǎng)上電負(fù)荷裕量仍較大，風(fēng)電機(jī)組出力受限。內(nèi)蒙古電網(wǎng)總體棄風(fēng)率高于全國(guó)平均水平，2019前三季度為7.2%，仍高于國(guó)家電網(wǎng)2019-02-26發(fā)布的《2018社會(huì)責(zé)任報(bào)告》中的2019年棄風(fēng)率控制在5%以內(nèi)有關(guān)要求[1]。內(nèi)蒙古電網(wǎng)新能源消納難題給轄區(qū)熱電廠運(yùn)營(yíng)模式帶來(lái)較大影響[2-5]。本文以內(nèi)蒙古電網(wǎng)首家“熱電廠+蓄熱式電鍋爐”組合項(xiàng)目為案例，通過(guò)對(duì)其參與電網(wǎng)深度調(diào)峰及調(diào)頻運(yùn)行情況進(jìn)行分析，探討該項(xiàng)目在轄區(qū)電網(wǎng)現(xiàn)行輔助服務(wù)補(bǔ)償政策下運(yùn)營(yíng)模式的可行性。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某熱電廠2×350 MW超臨界供熱機(jī)組分別于2015年12月和2016年1月投入運(yùn)行，為內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市某園區(qū)配套項(xiàng)目。汽輪機(jī)組為抽凝式間接空冷汽輪發(fā)電機(jī)組，可以滿足該園區(qū)云計(jì)算中心制冷、地區(qū)供熱、供電需求。項(xiàng)目投產(chǎn)初期，該園區(qū)發(fā)展相對(duì)滯后，該熱電廠自營(yíng)供熱面積總計(jì)不到50萬(wàn)m2；2017年10月通往呼和浩特市區(qū)供熱長(zhǎng)輸管線（30 km）投運(yùn)，初期接帶供熱面積950萬(wàn)m2；2018年供暖達(dá)1290萬(wàn)m2，極寒期的12月及1月供熱負(fù)荷接近設(shè)計(jì)極限。受北方地區(qū)供暖期“以熱定電”運(yùn)行模式的限制，電負(fù)荷率長(zhǎng)期保持在滿負(fù)荷的60%~90%，發(fā)電調(diào)峰能力大幅下降。依據(jù)國(guó)家相關(guān)政策，面對(duì)呼和浩特市區(qū)逐年增長(zhǎng)的供熱需求，2018年下半年該熱電廠相繼實(shí)施了電鍋爐、蓄熱罐、高背壓、煙氣余熱利用等清潔供暖改造，累計(jì)增加供熱出力超過(guò)700萬(wàn)m2。其中蓄熱式電鍋爐項(xiàng)目為呼和浩特市某電力科技公司與該熱電廠以合同能源管理形式合作的靈活性改造項(xiàng)目。

項(xiàng)目依托于該熱電廠現(xiàn)有熱力管網(wǎng)，在原有升壓站外擴(kuò)建一個(gè)間隔，接入一臺(tái)200 MVA降壓變壓器，增設(shè)一套160 MW電蓄熱靈活調(diào)峰、調(diào)頻裝置。整套裝置由4臺(tái)40 MW電鍋爐、板式換熱器、熱網(wǎng)循環(huán)水泵、AGC控制系統(tǒng)以及蓄熱水罐等設(shè)備組成，電鍋爐可將電能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)兼顧直接供熱和儲(chǔ)熱能力。項(xiàng)目總占地面積為10 667 m2，總投資為1.979 7億元。熱電廠200 kV主接線示意圖見(jiàn)圖1。項(xiàng)目投產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)近5億kWh風(fēng)電替代上網(wǎng)，能有效緩解蒙西地區(qū)棄風(fēng)問(wèn)題，同時(shí)供熱季可增加供熱面積約340萬(wàn)m2，對(duì)于促進(jìn)區(qū)域清潔供熱、新能源消納、電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及環(huán)境保護(hù)有顯著意義。

圖1 熱電廠220 kV主接線示意圖

2 技術(shù)原理

火電靈活性改造可以降低煤電特別是熱電機(jī)組的最小出力，成為當(dāng)前解決可再生能源消納的有效措施。而熱電解耦技術(shù)作為熱電廠靈活性改造方案，目前被廣泛采用。目前成熟的熱電解耦技術(shù)主要有低壓缸零出力、高低壓旁路抽汽、熱儲(chǔ)能、電鍋爐四種，其中電鍋爐方案是以消耗部分電功率來(lái)補(bǔ)充機(jī)組供熱能力不足的部分，具有熱效率高、安全、清潔、環(huán)保和安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，主要適用于配電容量富裕、升溫速度要求高、對(duì)水溫有一定要求的場(chǎng)所。該方案與儲(chǔ)熱裝置配合配置于電源側(cè)，具有可配合電網(wǎng)深度調(diào)峰、快速調(diào)頻等特點(diǎn)[6-13]，熱電廠增設(shè)電鍋爐理論上能實(shí)現(xiàn)完全的熱電解耦，其原理示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 熱電廠配置電鍋爐熱電解耦原理

該熱電廠充分結(jié)合自身需求，選用“電鍋爐+熱儲(chǔ)能”（簡(jiǎn)稱(chēng)“蓄熱式電鍋爐”）的優(yōu)化組合方案進(jìn)行熱電解耦技術(shù)改造，電蓄熱系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)主要包括電鍋爐、板式換熱器以及循環(huán)水泵、定壓、制水、儀表控制、供配電等系統(tǒng)。電鍋爐電極與水直接接觸，通電后電極放熱被一次水系統(tǒng)循環(huán)吸收帶走，經(jīng)水-板式換熱器將熱量傳遞至二次水循環(huán)系統(tǒng)，然后將熱量注入熱力主網(wǎng)輸送給熱用戶。系統(tǒng)運(yùn)行期間一次水系統(tǒng)經(jīng)電鍋爐吸熱、板式換熱器放熱進(jìn)行不間斷循環(huán)，以此往復(fù)保持熱量平衡[14-17]。系統(tǒng)主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1—表4所示。

圖3 電蓄熱系統(tǒng)工藝流程

表1 電鍋爐技術(shù)參數(shù)

表2 板式換熱器技術(shù)參數(shù)

表3 熱網(wǎng)循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)參數(shù)

表4 熱網(wǎng)循環(huán)泵參數(shù)

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

3.1 收益測(cè)算

3.1.1 風(fēng)火替代交易

本項(xiàng)目采用4×40 MW的蓄熱式電鍋爐消納清潔能源，每年可用于供熱的替代電量為4.76億kWh（按照供暖期6個(gè)月的實(shí)際供熱需求），如果轉(zhuǎn)換成熱能，并考慮95%的轉(zhuǎn)換效率（包括線路及蓄熱變壓器損耗，循環(huán)水泵、各類(lèi)控制監(jiān)測(cè)及安全系統(tǒng)等耗能）[11]，每年可增加供熱1 629 767 GJ，折合替代散燒標(biāo)煤74 238（t其中考慮散燒煤小燃煤爐效率為70%，標(biāo)煤熱值為29 271 kJ/kg）。如4.76億kWh替代電量全部被新能源消納替代，按2018年替代交易價(jià)格0.2元/kWh測(cè)算，扣除發(fā)電成本0.145元/kWh（屬?gòu)S用電不占上網(wǎng)計(jì)劃），則最少可增加供熱收入0.065元/kWh，每年僅這一項(xiàng)帶來(lái)的替代收入可達(dá)5700多萬(wàn)元[18]。

3.1.2 深度調(diào)峰

按照東北及西北區(qū)域電網(wǎng)輔助服務(wù)補(bǔ)償政策，供暖期深度調(diào)峰補(bǔ)償額度在0.4~1.0元/kWh。以赤峰某熱電廠同類(lèi)改造項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目于2018年1月下旬投運(yùn)。根據(jù)該熱電廠所屬蒙東電網(wǎng)輔助服務(wù)補(bǔ)償細(xì)則，40%~50%電負(fù)荷按第一檔0.4元/kWh、40%以下按第二檔1.0元/kWh補(bǔ)償，則2018-03-25，電網(wǎng)開(kāi)啟深度調(diào)峰市場(chǎng)，該廠輸出電負(fù)荷最低降至10%，按照每15 min統(tǒng)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)，03:15~05:00合計(jì)深度調(diào)峰電量可達(dá)29.89萬(wàn)kWh，獲得深度調(diào)峰補(bǔ)償合計(jì)為23.6萬(wàn)元，具體如表5所示。

表5 赤峰某熱電廠2018-03-25深度調(diào)峰獲得補(bǔ)償明細(xì)

3.1.3 供熱

參與以上清潔能源消納風(fēng)火替代及深度調(diào)峰市場(chǎng)，若4臺(tái)電鍋爐160 MW負(fù)荷全部投運(yùn)，可額外增加約340萬(wàn)m2供熱面積，無(wú)論是躉售還是自營(yíng)，均可獲得相應(yīng)供暖收入。

3.1.4 參與AGC調(diào)頻

發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能系統(tǒng)兩者之間協(xié)調(diào)運(yùn)行能夠顯著改善火電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)AGC調(diào)頻指令的執(zhí)行效果。根據(jù)電鍋爐能實(shí)現(xiàn)1%~100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的特性，其響應(yīng)速度快且調(diào)節(jié)精度高，可提升機(jī)組調(diào)頻能力，獲得調(diào)頻輔助服務(wù)補(bǔ)償。

3.2 預(yù)計(jì)單純供暖收支倒掛

對(duì)投運(yùn)電鍋爐僅供暖一項(xiàng)進(jìn)行成本核算，按照95%電熱轉(zhuǎn)換效率，外供1.0 GJ熱量需要耗電約292.6 kWh。若292.6 kWh電量直接上網(wǎng)，按某熱電廠2019年前10個(gè)月結(jié)算電價(jià)0.266元/kWh，合計(jì)收入為77.84元。也就是說(shuō)相對(duì)于直接售電，使用電蓄熱供暖必須保證收入77.84元/GJ以上，電蓄熱供暖收益才能大于發(fā)電收益，熱電廠才會(huì)有使用電蓄熱供暖的動(dòng)力。而其收益方式一：供熱量1.0 GJ對(duì)外躉售單價(jià)19元/GJ（給呼和浩特市區(qū)供暖）；收益方式二：1.0 GJ供熱量自行經(jīng)營(yíng)（給園區(qū)供暖），根據(jù)2018年平均數(shù)據(jù)，整個(gè)供暖期1.0 GJ熱量可供大約2.5 m2，按照呼和浩特市供暖單價(jià)每月3.68元/m2，1.0 GJ供熱量自行經(jīng)營(yíng)收入在55.2元/GJ左右。

通過(guò)以上分析，投運(yùn)電蓄熱自行經(jīng)營(yíng)給園區(qū)供暖，按照收益方式二55.2元/GJ價(jià)格也是倒掛的，按照收益方式躉售給市區(qū)更是無(wú)法經(jīng)營(yíng)。因此沒(méi)有相應(yīng)的發(fā)電側(cè)輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制等政策配套，該項(xiàng)目很難啟動(dòng)[19-27]。

4 應(yīng)用探討

按照第3章分析結(jié)論，投運(yùn)電鍋爐單純供暖收支倒掛，需要配套相應(yīng)發(fā)電輔助服務(wù)補(bǔ)償措施才能實(shí)現(xiàn)盈利。2020年度供暖期間，在參與電網(wǎng)深度調(diào)峰及調(diào)頻方面該熱電廠爭(zhēng)取了當(dāng)?shù)刂С终?，進(jìn)行了積極有效的探索。

4.1 參與深度調(diào)峰

4.1.1 調(diào)峰收益

截取2020年10月至11月深度調(diào)峰市場(chǎng)開(kāi)啟時(shí)的投運(yùn)數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目4臺(tái)電鍋爐投運(yùn)調(diào)峰深度為105 MW；該廠1號(hào)機(jī)組銘牌出力350 MW，申報(bào)最低出力50%電負(fù)荷（175 MW），調(diào)峰市場(chǎng)開(kāi)啟4臺(tái)電鍋爐啟動(dòng)，1號(hào)機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷能降至70 MW，即20%出力（圖4），按照內(nèi)蒙古電網(wǎng)深度調(diào)峰補(bǔ)償相關(guān)規(guī)定[28]，至少可以得到0.38元/kWh的補(bǔ)償。

圖4 1號(hào)機(jī)組DCS電鍋爐控制模塊調(diào)峰投入

4.1.2 熱力特性

系統(tǒng)啟動(dòng)順序：一次系統(tǒng)優(yōu)先注水啟動(dòng)循環(huán)，然后啟動(dòng)二次循環(huán)水接入熱網(wǎng)系統(tǒng)，最后依次啟動(dòng)4臺(tái)電鍋爐，調(diào)整各電鍋爐負(fù)荷至65%左右。截取2021-02-20調(diào)峰市場(chǎng)開(kāi)啟電蓄熱數(shù)據(jù)，同樣4臺(tái)電鍋爐出力105 MW，上網(wǎng)電量70 MW。對(duì)當(dāng)日12：00—14：00平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)時(shí)4臺(tái)電鍋爐循環(huán)水流量均保持在930 t/h，一次循環(huán)水總流量為3700 t/h左右；電鍋爐進(jìn)出水平均溫度為88.2℃和112.5℃，一次循環(huán)水供回水壓力為0.335 MPa和0.282 MPa，與熱力主網(wǎng)連接的二次循環(huán)水泵兩臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用，流量3 731.1 t/h，板式換熱器進(jìn)出水平均溫度為62.37℃和86.2℃，電蓄熱各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。期間對(duì)供熱量進(jìn)行換算，結(jié)果為370.76 GJ/h，約占該熱電廠對(duì)外供熱量的18%，按照呼和浩特市19元/GJ的供熱價(jià)格，蓄熱式電鍋爐供熱收益折合為0.068 4元/kWh。

綜上，啟動(dòng)蓄熱式電鍋爐參與內(nèi)蒙古電網(wǎng)深度調(diào)峰，既增加了清潔能源上網(wǎng)空間，減少了棄風(fēng)棄光率，同時(shí)可獲得地方調(diào)峰補(bǔ)償；疊加供熱折合收益，將獲得0.448 4元/kWh綜合收益（能量轉(zhuǎn)換過(guò)程損失忽略不計(jì)），相比目前0.26元/kWh左右的上網(wǎng)電價(jià)，收益可觀。

4.2 參與調(diào)頻

熱電廠電蓄熱項(xiàng)目投運(yùn)前，兩臺(tái)機(jī)組AGC調(diào)頻性能在內(nèi)蒙古電網(wǎng)排名靠后。該廠利用電鍋爐具有1%~100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快且調(diào)節(jié)精度高的特性，搭建并完善邏輯框架，實(shí)現(xiàn)了電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻。

2020年10月上旬進(jìn)行了電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻試驗(yàn)，期間不斷梳理數(shù)據(jù)，完善調(diào)整電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻邏輯，配置完備各種邊界條件；兩臺(tái)機(jī)組各配置兩臺(tái)電鍋爐參與調(diào)頻，調(diào)頻功能開(kāi)啟后電鍋爐各保持一定基礎(chǔ)負(fù)荷以備調(diào)頻所需。

10月中旬電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻，調(diào)節(jié)速率均值保持在15 MW/min，響應(yīng)時(shí)間最低為10 s，表6為蓄熱電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻前后日綜合性能數(shù)據(jù)，表7為蓄熱電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻性能數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可知，10月16日至19日2號(hào)機(jī)組投運(yùn)前，調(diào)節(jié)精度仍不太穩(wěn)定，需要繼續(xù)完善；10月20日2號(hào)機(jī)組電鍋爐調(diào)頻投運(yùn)后，其調(diào)節(jié)性能、調(diào)節(jié)里程明顯增強(qiáng)，與16日相比，綜合調(diào)頻性能系數(shù)由2.549 4上漲至5.603 9。兩臺(tái)機(jī)組參與調(diào)頻時(shí)蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)所帶熱負(fù)荷較低，調(diào)整過(guò)程對(duì)整個(gè)供熱不構(gòu)成沖擊，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)均正常。

表6 蓄熱電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻前后日綜合性能數(shù)據(jù)

表7 蓄熱電鍋爐參與機(jī)組調(diào)頻性能數(shù)據(jù)1）

5 結(jié)論

（1）采用蓄熱式電鍋爐優(yōu)化方案實(shí)現(xiàn)了熱電解耦，可額外增加計(jì)劃電量；投運(yùn)電鍋爐可提高機(jī)組供熱能力，增加清潔能源上網(wǎng)電量，降低棄風(fēng)、棄光率；儲(chǔ)熱罐可確保供熱中斷后的連續(xù)熱量輸出。

（2）采用蓄熱式電鍋爐優(yōu)化組合方案實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，若容量選擇適當(dāng)，理論上可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組電量“零出力”外送。

（3）蓄熱式電鍋爐能實(shí)現(xiàn)1%~100%負(fù)荷無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快且調(diào)節(jié)精度高，與發(fā)電機(jī)組配合可提升機(jī)組調(diào)頻能力。

（4）采用電鍋爐作為熱源供暖，相對(duì)于抽汽供熱經(jīng)濟(jì)性較差，但作為一種熱電解耦方案，其效益來(lái)自多個(gè)方面，還需結(jié)合當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)政策，綜合深度調(diào)峰補(bǔ)償、AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)補(bǔ)償、政策支持下的計(jì)劃電量爭(zhēng)取、風(fēng)火替代交易補(bǔ)償?shù)纫蛩鼐C合分析。