郭良丹，譚 銳，林寶森，殷 戈，伍仁杰，蔣國安，柯展煌，嚴曉生

(1. 國能南京電力試驗研究有限公司，江蘇 南京 210046; 2. 國能（泉州）熱電有限公司，福建 泉州 362804）)

0 引 言

面對化石能源日漸枯竭的能源問題，人們關注的焦點從傳統(tǒng)能源發(fā)電轉移到了太陽能、潮汐能等新能源發(fā)電上，新能源發(fā)電產業(yè)也因而得到了快速發(fā)展[1-2]。在新能源發(fā)電大規(guī)模并網背景下，本身調峰能力受限的供熱機組不能同時滿足電、熱負荷需求，這給電網調度帶來了極大的負擔[3-6]。國家能源局發(fā)布通知要求加強對供熱機組調峰性能監(jiān)管，鼓勵供熱機組通過增加儲熱裝置提高負荷調節(jié)能力，協(xié)調電力調度機構和熱力調度機構優(yōu)化熱電運行方式[7]。

面對供熱機組靈活性改造的熱潮，張倩男[8]利用Gambit軟件對熱水蓄熱罐進行幾何建模，數(shù)值模擬了熱水蓄熱罐在蓄放熱過程中斜溫層的變化規(guī)律；楊利[9]采用Ebsilon軟件搭建熱電聯(lián)產機組運行優(yōu)化分析模型，對某電廠亞臨界2×330 MW熱電聯(lián)產機組配置儲熱罐后運行方式及優(yōu)化效果進行分析計算；王惠杰等[10]基于Aspen plus軟件搭建了供熱機組配置儲熱裝置的仿真模型，并研究供熱機組配置儲熱裝置后的調峰范圍；Dai等[11]以蒸汽的三級傳熱模型和基于夾帶耗散的熱阻理論為基礎，給出了一個考慮常規(guī)火電機組、VRESs和帶相變TES裝置的熱電聯(lián)產機組的綜合電力熱力調度模型，并提出了求解該非線性規(guī)劃問題的迭代方法。Hu等[12]為提高熱電聯(lián)產系統(tǒng)的可調性，在熱電聯(lián)產系統(tǒng)中安裝相變儲熱裝置，提出用熱阻網絡分析集成系統(tǒng)，用線性規(guī)劃方法優(yōu)化集成系統(tǒng)的運行方式，為供熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供指導儲存設施。

本文提出在熱網側增設熱水儲熱罐的方法以提高供熱機組的調峰靈活性，并基于某地區(qū)的熱負荷、電負荷變化情況提出了兩種儲熱模式、計算了兩種儲熱模式下儲熱罐的儲熱容量。此外為確定最佳調峰調度方案，分析了兩種儲熱模式在調峰范圍、放熱速度和熱經濟性3個方面的差異。由于此深度調峰方法的影響因素復雜多變，目前并沒有具體的應用方案，因此本研究內容在實際應用中具有重要的參考意義。

1 儲熱罐參與供熱機組調峰原理

熱網側在不增設儲熱罐的情況下，供熱抽汽總焓降與熱負荷保持動態(tài)平衡，供熱抽汽傳熱給熱網循環(huán)水，該過程的能量守恒方程如下：

式中：mpipe，mchp——供熱循環(huán)水流量和供熱抽汽量，t/h；

cp——定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；

Ths,out和Ths,in——熱網供回水溫度，℃；

h5，hsh——供熱抽汽焓值，疏水焓值，kJ/kg；

Nh，Nre——熱網負荷和機組供熱負荷，MW。

供熱機組的最大供熱抽汽量即供熱能力是隨著電負荷變化的，也這正是這種制約關系導致機組不能同時滿足一直變化的電、熱負荷需求。而增設儲熱罐可改善這種情況，當機組的供熱能力可滿足熱負荷且有富余時，按機組最大供熱抽汽量抽汽，抽出來的熱蒸汽一部分用來供熱，另一部分用來儲熱；當機組供熱能力不能滿足熱負荷時，儲熱罐則放熱來彌補機組供熱不足[13-14]。其中儲熱罐最小容量mtes可由公式(2)計算出：

以24 h為周期，若儲熱罐儲熱量大于夜間采暖所需且放熱速度足夠快，機組可以在夜間停止供熱，供熱完全由儲熱罐承擔，這時機組可同純凝機組一樣靈活調峰；若儲熱罐儲熱量小于夜間采暖所需，機組可在夜間減少供熱抽汽，與儲熱罐共同供熱，此時儲熱罐用來補充機組因調峰導致的供熱不足。

2 供熱機組耦合儲熱罐模型

該供熱系統(tǒng)分為供熱機組、換熱站、儲熱罐三個部分，其中熱水儲熱罐是與熱網循環(huán)水聯(lián)通的。機組供熱抽汽mstm,hs經過熱網換熱器將熱網循環(huán)水從Ths,in加熱到Ths,out，當機組的供熱能力大于熱網負荷時，Ths,out會過高超出熱網的采暖需求，將該溫度過高的熱網水分成兩部分：一部分與儲熱罐釋放的冷水混合供熱，另一部分存儲在儲熱罐中；當機組的供熱能力小于熱網負荷時，供熱抽汽量不足以滿足熱負荷需求時，將熱網回水分成兩部分：一部分進入熱網加熱器加熱，而后與儲熱罐釋放的熱水混合供熱，另一部分存儲在儲熱罐中。

為分析供熱機組耦合儲熱罐后的調峰能力變化、儲熱罐的響應情況及等效煤耗率的變化情況，使用EBSILON軟件搭建了供熱機組耦合熱水儲熱罐的仿真模型，如圖1所示，并添加了time series序列，以便于分析儲熱罐的放熱特性。

圖1 供熱機組耦合儲熱罐的EBSILON模型

3 利用儲熱優(yōu)化電熱調度

3.1 日運行電熱調度分析

某地區(qū)采暖期某一天的熱負荷需求變化情況見表1，電負荷需求變化情況如圖2所示。

表1 熱負荷折算的供熱抽汽量

圖2 某地區(qū)某一天的電負荷變化圖

現(xiàn)已知一天中各時刻所需的電量和供熱抽汽量，供熱機組的調峰能力卻不能一直滿足需求。本文通過儲熱解決該問題，需先確定具體哪些時刻電網負荷超出了供熱機組的調峰能力。

首先通過EBSILON軟件搭建的供熱機組仿真模型，計算出機組的安全運行區(qū)域，即圖3點ABCDE圍成的區(qū)域。

圖3 某供熱機組安全運行區(qū)域

具體地講，首先確定最大鍋爐出力負荷線AB，該線代表的各工況主蒸汽流量均為1180.007 t/h，其中A點為最大發(fā)電負荷工況（0，366.7 MW），B點為額定供熱負荷工況（550 t/h，266.7 MW）。其次確定額定供熱工況下的最小發(fā)電負荷，經過迭代計算可以得到額定供熱工況下的最小發(fā)電負荷工況C點(550 t/h，255.6 MW）。接下來確定最小鍋爐出力負荷曲線ED，其中E點是機組穩(wěn)態(tài)運行最小凝氣工況點（0 t/h，153.13 MW），點D是鍋爐穩(wěn)定在最小出力情況下的最大供熱抽汽工況，為（200 t/h，116.66 MW），此時不能再增加供熱抽汽流量，這是因為要保障低壓缸最小進汽流量。

機組的安全運行區(qū)域確定后可以得到機組各供熱工況下的調峰范圍，如圖4所示。

圖4 “以熱定電”模式下供熱機組調峰范圍

由圖4可以看出，當供熱抽汽流量減小時，機組最大發(fā)電功率增大，最小發(fā)電功率減小，即調峰范圍增大，反之當供熱抽汽流量增大時，調峰范圍減小。但14:00左右最小發(fā)電功率有微小上升，這是因為限制機組最小發(fā)電功率的因素發(fā)生改變，從低壓缸最小進汽流量限制轉為最小主蒸汽流量限制。

為確定具體哪些時段內供熱機組無法完成電網調峰，將同一時間電網負荷變化曲線和供熱機組調峰范圍曲線在同一圖中繪出，見圖5。

圖5 電負荷與調峰范圍曲線

由圖5可以看出，電網負荷曲線不是一直介于代表調峰范圍的兩條紅線之間，23:30至4:30時段供熱機組最小發(fā)電功率大于電網負荷，在16:30至19:30時段供熱機組最大發(fā)電功率小于電網負荷，無法滿足電用戶需求。這兩時段的情況均是由機組供熱調峰范圍變小導致的。若這兩時段內機組減少抽汽供熱或者不抽汽供熱，用儲熱罐替代機組供熱，機組便可滿足電網調峰要求。

3.2 儲熱調節(jié)方案

機組的安全運行區(qū)域確定后還可求出各工況下的調峰抽汽余量。計算公式如下所示：

若ΔG＞0，說明此時機組在滿足熱用戶、電網需求的情況下還可以抽出更多的蒸汽用來儲熱，若ΔG＜0或ΔG=0，說明此時機組已經達到了調節(jié)上限，無法抽出多余的蒸汽用來儲熱。另外使用式(3)對時間積分還可得到總抽汽余量。而總抽汽余量是否足夠填補上述兩個時段機組為滿足電網調峰減少的供熱蒸汽量，關系到使用儲熱罐調峰的可行性。

現(xiàn)將各時刻的供熱抽汽量和最大供熱抽汽量在同一圖中繪出，見圖6。紅色曲線低于黑色曲線時，意味著機組此時的供熱抽汽量已經達到了該發(fā)電負荷下的最大供熱抽汽量，若再強行增大供熱抽汽，低壓缸進汽流量將小于臨界值，影響機組安全運行。

圖6 供熱抽汽量和最大供熱抽汽量變化

在機組可以同時滿足電網調峰和供熱的時段內，機組還能抽出比采暖需求更多的高溫蒸汽，抽汽余量總量Q1在圖6中表示為藍色陰影區(qū)域面積，求解公式如下：

通過積分公式求解出圖6中藍色陰影區(qū)域面積Q1≈2 600 t。機組不能滿足電網調峰的兩個時段，可使用儲熱罐移峰填谷來滿足電網調峰。其中儲熱罐有兩種調節(jié)模式可采用，一種是儲熱罐提供部分供熱負荷模式，即在滿足電網調峰的條件下，儲熱罐放熱填補機組為滿足電網調峰減少的供熱。在這種模式下，需要求出該時段內出各發(fā)電負荷下的最大供熱抽汽量，再用各時刻所需的采暖抽汽量減去最大供熱抽汽量，得到各時刻采暖所缺的抽汽量，將其對時間積分，便可得到該模式下儲熱罐的最小容量Q2；另一種是儲熱罐提供全部供熱負荷模式，即該時段內機組直接中斷供熱，供熱完全由儲熱罐承擔。在這種模式下，將各時刻采暖所需的供熱抽汽量對時間求積分，可得到供熱機組中斷供應情況下儲熱罐的最小容量Q3。計算公式如下：

式中：G0—各時刻采暖所需的供熱抽汽量；

Gmax—各時刻發(fā)電負荷下的最大供熱抽汽量。

通過積分可以求出圖中各陰影區(qū)域面積：Q2=S1+S3=401.51 t，Q3=S1+S3+S5+S6= 2 352.45 t。Q1大于Q2和Q3，這說明總抽汽余量足夠補充為電網調峰減少的供熱，且兩種儲熱調節(jié)模式均可行。

4 儲熱調節(jié)方案對比分析

從總抽汽余量上看兩種儲熱調節(jié)模式都能滿足電網和熱網的需求，但具體采用哪種模式還需對調峰范圍、供熱響應和熱經濟性進行對比。

4.1 調峰區(qū)間對比

根據兩種儲熱調節(jié)模式的設計思路求出各時刻的抽汽流量并作圖7，其中4:30到16:00時段機組供熱抽汽較多，超出采暖所需，超出部分儲存在儲熱罐中。在儲熱罐提供部分供熱負荷模式中不需要這么多的熱量，到9:30時儲熱罐已儲有500 t，大于Q1足以供熱，可停止儲熱過程。現(xiàn)已知兩種模式下機組各時刻的供熱抽汽流量，將相關數(shù)據代入機組仿真模型中，可計算出供熱機組對應的調峰范圍，并將其與電網負荷比較作圖8。

圖7 兩種儲熱調節(jié)模式中抽汽量變化

圖8 兩種儲熱調節(jié)模式中調峰能力變化

通過圖7(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)兩種儲熱調節(jié)模式的供熱抽汽量瞬時值是不同的，儲熱罐提供部分供熱負荷模式中抽汽量變化曲線比較平滑，07:17時抽汽量瞬時值達到最大514.3 t/h，17:07時抽汽量瞬時值達到最小128 t/h。儲熱罐提供全部供熱負荷模式中抽汽量變化曲線出現(xiàn)兩次突變，第一次突變在04:18時抽汽量瞬時值從0 t/h跳躍到327.5 t/h，第二次突變是在16:36時抽汽量瞬時值降低到0 t/h，并在0抽汽狀態(tài)持續(xù)了3 h。另外圖7(a)、(b)圖中兩曲線與x軸圍成的面積基本相同，說明供熱抽汽總量相等，與采用哪種模式無關。根據圖8(a)、(b)可知，兩種儲熱調節(jié)模式下紅線始終位于兩條藍線之間，這說明使用儲熱罐供熱后機組各時刻的調峰范圍均可滿足電網調峰。

4.2 儲熱罐放熱速度對比

依照兩種儲熱調節(jié)模式中的設計參數(shù)，在EBSILON耦合儲熱罐模型上增加時間序列，模擬儲熱罐放熱過程，并將儲熱罐各時刻的平均放熱速度變化情況列在表2中。由于機組聯(lián)合儲熱罐供熱屬于水側聯(lián)動，因此傳熱過程很快，熱負荷變化時響應也很快，不影響熱用戶感受。MJ/s

表2 儲熱罐在各時刻的平均放熱速度

由表2可以看出，儲熱罐提供部分供熱負荷模式中儲熱罐的放熱速度小于儲熱罐提供全部供熱負荷模式，這是因為儲熱罐提供全部供熱負荷模式是直接由儲熱罐熱水和熱網回水直接混合換熱，換熱溫差大，而儲熱罐提供部分供熱負荷模式則是儲熱罐熱水與與熱網加熱器加熱后的熱網回水混合換熱，換熱溫差小。但儲熱罐提供全部供熱負荷模式對儲熱罐參數(shù)要求更高。

4.3 等效煤耗對比

等價煤耗法是將供熱獲得的效益折合成發(fā)電后，與實際發(fā)電量相加，便得到機組等價發(fā)電量，從而算出機組的等價煤耗率。該方法既能算出等價煤耗率，又可體現(xiàn)出供熱機組的熱分攤比[15]。等價發(fā)電量計算公式如下：

式中：Pe1——供熱機組實際發(fā)電量，kW；

Pe2——供熱機組供熱量效益轉化的發(fā)電量，kW。

其中，Qr為供熱機組供熱量，GJ/h；sr為單位熱量的熱價，元/GJ；sw為單位電價，元/GJ；Dr為機組供熱抽汽流量，t/h；ir為機組供熱抽汽焓，kJ/kg；ih為機組供熱抽汽經換熱后的焓值，kJ/kg。機組煤耗可由下式算出：

其中，ηb和ηp為鍋爐和管道效率；Qnet為標準煤熱值，kJ/kg；Btp為供熱機組煤耗量，t/h；D0和Dz為主蒸汽和再熱蒸汽流量，t/h；i0和ifw是主蒸汽焓和給水焓，kJ/kg；iz1和iz2為熱、冷段再熱蒸汽焓，kJ/kg。等價煤耗率為：

通過EBSILON機組耦合儲熱罐仿真模型模擬兩種儲熱調節(jié)模式，可以得到計算等效煤耗所需參數(shù)，進而可計算出煤耗率隨供熱抽汽量的變化情況，如圖9所示。

圖9 等價煤耗率變化

對比圖9中兩種模式下的等價煤耗率變化曲線，前9個小時紅線在藍線下方，儲熱罐提供部分供熱負荷模式下等價煤耗率更低，熱經濟性更好，09:00到15:42時段藍線在紅線下方，儲熱罐提供全部供熱負荷模式下等價煤耗率更低，熱經濟性更好，15:42時之后紅線基本位于藍線下方。盡管如此卻不能從總時長上判定采用哪種模式，而是將兩條曲線對橫坐標時間積分再比較大小來確定采用方案。即：

其中btp1(t)，btp2(t)分別為儲熱罐提供部分供熱負荷模式，儲熱罐提供全部供熱負荷模式中t時的等價煤耗率。

若Δb＞0，說明儲熱罐提供部分供熱負荷模式下煤耗量更多，采用儲熱罐提供全部供熱負荷模式更經濟；若Δb＜0，說明儲熱罐提供全部供熱負荷模式下煤耗量更多，采用儲熱罐提供部分供熱負荷模式更經濟。經積分求解儲熱罐提供部分供熱負荷模式平均等價煤耗為370.42 g/kWh，儲熱罐提供全部供熱負荷模式平均等價煤耗為357.17 g/kWh，Δb=13.25＞0，說明儲熱罐提供全部供熱負荷模式更經濟。

5 結束語

1) 兩種模式下的供熱抽汽量瞬時值是不同的，儲熱罐提供部分供熱負荷模式中供熱抽汽量變化曲線比較平滑，供熱抽汽量瞬時值最大為514.3 t/h，最小為128 t/h。儲熱罐提供全部供熱負荷模式中供熱抽汽量變化曲線有兩次突變，一次是在04:18時抽汽量瞬時值從0突增到327.5 t/h，另外一次是在16:36時抽汽量瞬時值降低到0 t/h，并在0抽汽狀態(tài)持續(xù)了3 h。

2) 在相同電、熱負荷條件下，儲熱罐提供部分供熱負荷模式下的儲熱罐最小容量為401.51 t，儲熱罐提供全部供熱負荷模式下的儲熱罐最小容量2 352.45 t。

3) 相對于儲熱罐提供部分供熱負荷模式，儲熱罐提供全部供熱負荷模式中儲熱罐的平均放熱速度較大，但對儲熱罐參數(shù)要求也更高。

4)在相同電、熱負荷條件下，儲熱罐提供部分供熱負荷模式的平均等價煤耗為370.42 g/kWh，儲熱罐提供全部供熱負荷模式的平均等價煤耗為357.17 g/kWh，儲熱罐提供全部供熱負荷模式熱經濟性更好。