黃暢，顏逸賢，白堯，張琪，王衛(wèi)良，李文娜

(1. 暨南大學(xué) 能源電力研究中心，廣東 珠海 519070；2. 珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070；3. 國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750002)

0 引言

新能源的規(guī)?；檬侵袊鴮嵤┕?jié)能減排及碳中和戰(zhàn)略，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重大需求。2020年，中國棄風(fēng)棄光限電問題依然嚴峻，全國棄風(fēng)電量為166 億kW·h，90%以上發(fā)生在三北地區(qū)[1]。風(fēng)資源的波動性、風(fēng)力機調(diào)峰能力弱、風(fēng)電出力的季節(jié)性和時域性反調(diào)峰特性[2]，以及冬季供暖期因熱電沖突帶來的供熱機組調(diào)峰能力受限是造成中國三北地區(qū)出現(xiàn)嚴重棄風(fēng)問題的主要原因[3-4]。

為提高供熱機組調(diào)峰能力，當(dāng)前主要采取2種技術(shù)路徑[5]：擴大機組熱電比或配置蓄熱裝置實現(xiàn)熱電解耦。然而在擴大機組熱電比技術(shù)路徑中，高低旁路改造[6]、高背壓供熱改造[7]降低了機組發(fā)電效率；光軸改造方案[8]、低壓缸切缸運行[9]、汽汽引射技術(shù)[10]等靈活性欠佳。在配置蓄熱等額外熱源的技術(shù)路徑中，電鍋爐等“棄電”熱用熱經(jīng)濟性差[11]；常規(guī)蓄熱投資成本高而且易閑置[12]，太陽能跨季節(jié)蓄熱供能成本較高[13-14]。

三北地區(qū)是中國太陽能資源較為豐富的地區(qū)[15]，利用聚光集熱技術(shù)獲得的太陽能熱量，其溫度可在較大范圍內(nèi)調(diào)整，因而既可用于供熱也可用于發(fā)電[16]。因此，本文借鑒太陽能與燃煤互補發(fā)電系統(tǒng)的集成思路[17]，將太陽能與供熱機組集成形成太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以提高機組的靈活性，并建立系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)學(xué)模型，通過仿真實驗，研究太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行特性，揭示太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)耦合機理，為解決新能源規(guī)模化利用與供熱機組調(diào)峰能力不足之間的矛盾提供新的思路。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，將太陽能槽式集熱場與熱電聯(lián)產(chǎn)機組在給水側(cè)及供熱管網(wǎng)耦合，形成太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于太陽能集熱溫度可在較大范圍內(nèi)調(diào)整，因而可依據(jù)負荷需要靈活用于供熱或發(fā)電。在供熱模式下，引入太陽能熱量供暖可提高供熱機組的調(diào)峰能力，改善由于熱電沖突帶來的棄風(fēng)問題。在發(fā)電模式下，借助供熱機組大型高效蒸汽輪機，在降低太陽能發(fā)電成本的同時，大幅度提高太陽能熱發(fā)電效率。在這2種模式下，機組出力下限均進一步降低，調(diào)峰能力增強，從而促進風(fēng)電的規(guī)?；暇W(wǎng)。

圖1 太陽能與熱電聯(lián)產(chǎn)機組耦合示意Fig. 1 Integrated schematic diagram of solar energy and cogeneration unit

如圖2所示，供熱機組的熱、電功率具有緊耦合性，機組的調(diào)峰能力主要受汽輪機最大進汽量和汽輪機末級安全排汽量的約束，調(diào)峰能力C0可以用供熱負荷Lh表示。

圖2 太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供能區(qū)域Fig. 2 Energy supply zone of solar-coal-fired cogeneration system

式中：Lh為供熱負荷，MW；QCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱功率，MW；Wmax和Wmin分別是在供熱功率為QCHP時熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電功率上、下限，MW。

隨著供熱功率增大、供暖抽汽增多，在最大進汽工況下機組的做功量減小，因此機組調(diào)峰上限Wmax隨之減??；在保持汽輪機排汽流量安全/最小的情況下，汽輪機進汽流量也隨之增大，機組的發(fā)電功率提高，因此機組調(diào)峰下限Wmin隨著增大，進而導(dǎo)致機組調(diào)峰能力降低。冬季供暖期內(nèi)，供熱機組運行在“以熱定電”模式下，機組的調(diào)峰能力嚴重受限，因而難以為風(fēng)電騰出上網(wǎng)空間，這是三北地區(qū)出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象的主要原因。

在太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，太陽能提供熱功率Qsol,h輔助供暖，因此系統(tǒng)的調(diào)峰能力可表示為

式中：Qsol,h為太陽能的供熱功率，MW。相比于原機組，熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱功率QCHP減小，機組的調(diào)峰能力提高，從而為風(fēng)電上網(wǎng)騰出空間。在非供暖期，利用太陽能集熱取代高加抽汽，被取代的高加抽汽繼續(xù)在汽輪機中膨脹做功，從而減少燃煤消耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 風(fēng)電出力模型

相比于太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，風(fēng)電系統(tǒng)出力響應(yīng)時間短，本文以FD77 B型風(fēng)力機為研究對象，通過擬合風(fēng)力機功率曲線建立風(fēng)速與風(fēng)電出力的靜態(tài)關(guān)系模型，如圖3所示。

圖3 FD77 B型風(fēng)力機功率曲線Fig. 3 Power curve of FD77 B wind turbine

通常風(fēng)速氣象數(shù)據(jù)是在地面以上10 m處采集，可通過式（3）估算輪轂高度處的風(fēng)速，進而結(jié)合功率曲線獲得風(fēng)機功率輸出。

式中：v1為距地面高度h1=10 m處的風(fēng)速，m/s；v2為距地面高度h2=70 m 處的風(fēng)速，m/s；α為風(fēng)切變系數(shù)，取0.14。

2.2 槽式集熱場模型

傳熱流體流經(jīng)集熱場獲得的太陽輻射能[18-19]為

式中：Qabs為集熱管中工質(zhì)的吸熱量，W/m2；Qloss為集熱管熱損失，W/m2；Qpipe為集熱場管路熱損失，W/m2。

集熱管中熱載體吸熱量[20-21]為

式中：DDNI為太陽法向直射輻照度，W/m2；θ為入射角，°；I為入射角修正系數(shù)；ηs為集熱器遮蔭系數(shù)；ηel為末端損失因子；ηfce為集熱場效率光學(xué)修正因子；ηhce為集熱裝置效率光學(xué)修正因子。

2.3 供熱機組模型

本文采用改進型Flügel公式[22]進行汽輪機的變工況計算，即

式中：i為汽輪機級組數(shù)；分別為汽輪機設(shè)計工況、變工況下第i級蒸汽流量，kg/s；分別為汽輪機設(shè)計工況、變工況下第i級級組出口壓力，MPa。

式中：Wi為汽輪機級組i做功，MW；We為汽輪機整體的電功率輸出，MW；ΔHi,i為汽輪機級組i內(nèi)蒸汽理想焓降，kJ/kg；ηi為汽輪機級組i的內(nèi)效率；n為汽輪機級組數(shù)量。

供熱機組熱功率輸出QCHP可表示為

式中：Ggr為供熱抽汽流量，kg/s；Hgr為供熱抽汽焓值，kJ/kg；Hhs為回水焓值，kJ/kg。

2.4 多能協(xié)同運行模型

太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與風(fēng)電場協(xié)同運行以滿足電、熱負荷需求平衡，其中多能協(xié)同模型如式（9）、（10）所示。

式中：QTES′、QTES分別為蓄熱罐上一時刻及當(dāng)前時刻的儲熱量，MW·h；Ajrc為集熱場面積，m2；WCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱功率，MW；Qlim為太陽能供熱功率上限值， MW。

太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)與風(fēng)電場的協(xié)同運行，應(yīng)首先保障電、熱負荷的供需平衡。因此以電負荷供需偏差最小值min(ΔW)為主要目標(biāo)函數(shù)，通過調(diào)節(jié)太陽能供熱功率Qsol,h以相應(yīng)地改變熱電聯(lián)產(chǎn)機組的調(diào)峰區(qū)間，進而在調(diào)峰區(qū)間內(nèi)選取WCHP使得電負荷供需偏差ΔW盡可能小。

當(dāng)供暖期內(nèi)出現(xiàn)太陽能供熱功率在[Qsol,hmin,Qsol,hmax]內(nèi)電負荷供需偏差值ΔW為0時，如圖2中斜紋條所示，此時太陽能供熱功率的選取有無數(shù)解。計及冬季太陽能資源相對較弱且供暖期需要大量太陽能集熱以實現(xiàn)熱電解耦，因此以太陽能供熱功率min(Qsol,hmin)為次要目標(biāo)函數(shù)，以延長太陽能熱電解耦的作用時長。

結(jié)合數(shù)學(xué)學(xué)科特點，旨在探析數(shù)學(xué)課堂留白的內(nèi)涵、理論基礎(chǔ)與教學(xué)價值，并對當(dāng)下數(shù)學(xué)教學(xué)實踐中存在的問題進行反思，以期提升數(shù)學(xué)課堂教學(xué)的效能，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．

而在非供暖期，計及供熱機組的調(diào)峰壓力較小，在保證電負荷供需偏差ΔW為0的前提下，以獲取最大太陽能熱發(fā)電功率max(Wsol,e)為次要目標(biāo)函數(shù)。其中，太陽能發(fā)電功率Wsol,e可表示為

式中：Qcoal,e為燃煤輸入熱力循環(huán)中的熱功率，MW。

3 案例分析

以錫林浩特某600 MW供熱機組（主要參數(shù)見表1）與100 MW風(fēng)電場協(xié)同供能為對象展開分析，供暖期為每年的11月15日至次年3月15日。當(dāng)?shù)氐湫湍晏栞椪諒姸菵NI、環(huán)境溫度和風(fēng)資源(10 m處)條件如圖4所示。圖5是該熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電場的年電負荷、熱負荷曲線，全年熱負荷量為 3 387.6 TJ，電負荷量為 42.58 億 kW·h?；诋?dāng)?shù)氐湫湍觑L(fēng)力資源條件，利用風(fēng)電功率模型可獲得年風(fēng)力發(fā)電量為2.72 億kW·h，風(fēng)力發(fā)電場年利用小時數(shù)為 2704 h。

表1 100%THA工況下供熱機組主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the 600 MW CHP unit operated at 100% THA condition

圖4 典型年太陽輻照強度、環(huán)境溫度和10 m高空風(fēng)速數(shù)據(jù)Fig. 4 DNI, ambient temperature and 10 meter’s wind speed data in the typical year

圖5 年電負荷和年熱負荷曲線Fig. 5 Curves of annual electric load and heat load

3.1 供暖期系統(tǒng)性能分析

原熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電場協(xié)同運行特性如圖6所示，由于在冬季供暖期，供熱機組以熱定電，調(diào)峰性能減弱，從而出現(xiàn)嚴重棄風(fēng)現(xiàn)象，全年棄風(fēng)量達0.21 億kW·h，棄風(fēng)率為7.91%。如圖6 b)所示，以第326～330天（11月底，供暖期內(nèi)）連續(xù)120 h為例進行分析：在凌晨電負荷低谷時段，恰好是風(fēng)電發(fā)電功率的頂峰期，因此也是頻繁出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象的時段。

圖6 原熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電場協(xié)同運行特性Fig. 6 Operating characteristics of the integrated original CHP unit and wind plant

在太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組中，機組在THA工況時完全取代三級高加抽汽所需的熱功率（約270 MW），以錫林浩特夏至日正午、DNI為1 000 W/m2為設(shè)計點設(shè)計集熱場，太陽能倍數(shù)取值1.3[23]。集熱器采用LS-2典型槽式集熱器，總面積為 515 700 m2，共包括 2 190 個回路，每個回路包含6個集熱器模塊，模塊規(guī)格為5×47.1 m2。集熱器采用南北水平軸單軸跟蹤布置，列間距取12.5 m，傳熱工質(zhì)為VP-1導(dǎo)熱油，并配置有3 h(3×270 MW·h)的蓄熱罐。

太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電場協(xié)同運行特性如圖7所示。由圖7 a)可見，在供暖期利用太陽能集熱供熱實現(xiàn)熱電解耦，可以有效提高機組調(diào)峰能力從而減小棄風(fēng)電量，仿真結(jié)果表明，全年棄風(fēng)量減少至0.07 億kW·h，棄風(fēng)率為2.7%，下降幅度達到62.2%。由圖7 b)可見，仍以第326～330天為例進行分析：供暖期內(nèi)，太陽能集熱優(yōu)先用于供熱模式，從而減少棄風(fēng)，如圖中1～60 h所示；當(dāng)蓄熱量不足時，仍存在棄風(fēng)現(xiàn)象。

圖7 太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組與風(fēng)電場聯(lián)動協(xié)同運行特性Fig. 7 Operating characteristics of the integrated solar-CHP unit and wind plant

3.2 非供暖期系統(tǒng)性能分析

在非供暖期，太陽能集熱用于發(fā)電以提高系統(tǒng)效益。利用太陽能集熱加熱給水，被取代的三級高加抽汽回到汽輪機中繼續(xù)膨脹做功，在特定的電負荷需求下，主蒸汽流量隨之減小，進而節(jié)約燃煤消耗。

太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的太陽能發(fā)電狀況如圖8所示。由圖8 a)可見，全年太陽能發(fā)電量為 1.5 億 kW·h。由圖 8 b)可見，以第 226～230 天（8月份，非供暖期）5 天為例進行分析：太陽能集熱通過加熱給水取代高加抽汽的方式進行發(fā)電，其發(fā)電功率峰值可達77 MW，約為太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)總發(fā)電功率的1/6。

圖8 太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的太陽能發(fā)電功率Fig. 8 Solar generation of the solar-coal CHP unit

將太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的年運行性能總結(jié)于表2中。相比于原機組，太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)每年可促進0.13 億kW·h風(fēng)電上網(wǎng)，新增太陽能發(fā)電 1.5 億 kW·h，同時供暖 97.2 TJ，共計可節(jié)煤4.9 萬t/年，減少二氧化碳排放13.2 萬t/年。

表2 太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年性能概況Table 2 Annual performance of solar aided CCHP system

4 結(jié)論

三北地區(qū)是中國風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源電力發(fā)展的主要陣地，然而受限于當(dāng)?shù)匾怨釞C組為主體的電源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了嚴重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。基于三北地區(qū)的資源稟賦條件，將太陽能與燃煤供熱機組耦合形成太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，既可以利用太陽能集熱量供熱實現(xiàn)熱電解耦，大幅提高系統(tǒng)的調(diào)峰性能，同時又能借助太陽能熱發(fā)電，提高新能源滲透率，實現(xiàn)節(jié)能減排。主要研究結(jié)論如下。

（1）供熱模式下系統(tǒng)調(diào)峰能力可提高150 MW以上；

（2）年棄風(fēng)電量從0.21 億kW·h下降至0.07億kW·h，棄風(fēng)率從7.91%下降至2.70%；

（3）太陽能供熱量為97.2 TJ，太陽能熱發(fā)電量為1.5 億kW·h，可節(jié)省標(biāo)煤4.9萬t/年，二氧化碳減排 13.2 萬 t/年。

（4）太陽能-燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為解決新能源大規(guī)模消納的高彈性需求與燃煤供熱機組調(diào)峰能力不足之間的矛盾提供了新思路，為實現(xiàn)碳達峰和碳中和國家戰(zhàn)略提供助力。