王永旭,王 卓

(1.通遼發(fā)電總廠有限責任公司，內蒙古 通遼 028011；2.通遼熱電有限責任公司，內蒙古 通遼 028000)

0 引言

隨著“雙碳”目標的制定，大力發(fā)展風光等新能源電力已成為行業(yè)共識，但發(fā)展同時也面臨大規(guī)模棄風棄光現(xiàn)象的發(fā)生[1]。如何有效消納新能源是當前亟待解決的難題，因此利用煤電調峰成為了最佳選擇[2]。然而，對于我國北方地區(qū)的多數(shù)供熱機組在采暖期基本采用“以熱定電”的運行方式，極大的限制了熱電機組的深度調峰能力。因此，提升熱電機組靈活性改造的關鍵問題在于使熱電機組實現(xiàn)熱電解耦，而利用蓄熱技術實現(xiàn)解耦，在保證機組供暖負荷且發(fā)電負荷靈活可調的同時具有較高的經(jīng)濟特性，受到廣泛關注[3]。

章艷等利用數(shù)學模型分析了4種熱電解耦方案的適用場景，結果表明蓄熱方案效率較高[4]。呂泉等通過建模方法研究了配置儲熱對機組調峰能力的影響，結論表明，配置儲熱后機組調峰能力都得到了提高，但仍受機組自身熱負荷需求的影響[5]。楊海生等研究了蓄熱罐儲熱技術對300 MW機組調峰能力的影響，并分析了調峰補償成本與煤、電價格之間的關系，結論表明蓄熱系統(tǒng)蓄熱能力的增加會降低調峰補償成本[6]。曹麗華等通過建立綜合評價體系對比了不同蓄熱方式的優(yōu)劣性，并指出相比固體蓄熱式電鍋爐，采樣蓄熱水罐的方法能具有更好的適用性[7]。在蓄熱系統(tǒng)設計方面，周任軍等通過建立了虛擬電廠模型，并以此來獲得最佳的蓄熱罐容量[8]。戈志華探究了某型蓄熱水罐布水器設計參數(shù)對蓄放熱過程的影響，指出高徑比越大的蓄熱罐放熱性能更好[9]。宋獻等基于實際案例詳細闡述了蓄熱罐設計選型過程中需要注意的關鍵問題[10]。在蓄熱系統(tǒng)的運行方面，王小惠等分析了同時蓄放熱過程中蓄熱罐內冷/熱水的溫度動態(tài)特性，結論表明斜溫層厚度與斜溫層所處位置和初始厚度有關[11]。王智等基于實際案例定量分析了蓄熱罐對機組在低負荷工況下運行的影響[12]。然而，上述國內研究多針對小型蓄熱罐，對容積超過1萬m3的蓄熱罐的研究仍然較為匱乏，并且已有投運項目基本上由國外技術支持，但我國與北歐的能源結構，能源調配方式差別很大，不能夠完全照搬國外經(jīng)驗。

綜合上述分析，本文研究了基于大型蓄熱罐的蓄熱技術在600 MW機組上的應用，探索大型蓄熱罐的設計建造方法，通過大型蓄熱罐的蓄/放熱能力在保障機組熱負荷的同時使其具備了在部分時間段參與調峰的能力。實際運行效果顯示該改造方法具有較高的應用價值。

1 應用背景分析

內蒙古通遼地區(qū)某測風站數(shù)據(jù)(70 m高度)風功率變化規(guī)律如圖1所示，從圖1(a)可以看出10月至次年5月(冬春季)平均風速與平均風功率密度較大，是風電場的高發(fā)時段。圖1(b)顯示當?shù)匾雇盹L速較大，最大風速出現(xiàn)在20～24時附近。

該廠600 MW亞臨界供熱機組供熱期為10月15日～次年4月20日，采暖期間機組按照以熱定電的模式運行。根據(jù)東北能源監(jiān)管局核定的最小運行方式，機組在供暖初末期(采暖期前后各一個月的時間)的發(fā)電負荷為380 MW(負荷率63%)；在供暖中期的發(fā)電負荷為420 MW(負荷率70%)。設計采暖面積為640萬m2，供熱季運行數(shù)據(jù)如表1所示。而在日周期方面，夜晚供暖強度高，相應發(fā)電負荷高。

表1 640萬m2年供熱季運行數(shù)據(jù)一覽表

綜合上述分析，可以看出風電負荷的季節(jié)性和日周期特性，均與供熱機組的運行特點沖突，這直接導致了供熱機組“搶占”風電負荷，棄風率居高不下。因此，可以通過采用增加蓄熱裝置改善機組調峰能力：在機組非調峰時間段，增加機組抽汽量加熱熱網(wǎng)循環(huán)水并部分蓄存在大型蓄熱裝置內；在機組需要調峰時間段，利用蓄存的熱水進行供暖，避免了因機組低負荷抽汽能力不足而無法正常供暖。此外，在需要機組最大負荷發(fā)電時，該方法還可以減少采暖抽汽，提升發(fā)電能力。

2 設計方案

2.1 蓄熱/放熱系統(tǒng)的設計

電廠原有供熱系統(tǒng)以水為介質，整個供熱系統(tǒng)由一級高溫水系統(tǒng)和二級低溫水系統(tǒng)組成。一級高溫水系統(tǒng)供/回水參數(shù)為115/55℃。在廠內一級高溫水系統(tǒng)中，一級高溫水系統(tǒng)回水依次經(jīng)過余熱回收熱泵機組和熱網(wǎng)加熱器，溫度分別升至95℃和115℃，供熱系統(tǒng)流程如圖2所示。

在蓄熱系統(tǒng)項目設計中，以55℃一級熱水網(wǎng)回水作為冷水，以115℃熱網(wǎng)供水為熱水，由于是常壓罐設計，在蓄熱過程中，用55℃的熱網(wǎng)回水將115℃熱網(wǎng)供水摻?jīng)?，使進入蓄熱水罐的熱水溫度維持在98℃以下。放熱時，罐體中的熱水自流至熱泵機組前的回水母管中，與熱網(wǎng)回水混合后進入熱泵機組進一步加熱，蓄熱整體設計方案如圖3所示。蓄熱系統(tǒng)包括1座蓄熱水罐、3臺增壓水泵(兩用一備)、1臺摻?jīng)鏊谩?臺過濾器以及相關的閥門和管道。其中，蓄熱罐本體包括布水系統(tǒng)、氮封系統(tǒng)等。蓄熱水罐系統(tǒng)中常壓熱水蓄熱罐的容積為30 000 m3，蓄熱水罐系統(tǒng)中所有管道的管徑均按機組供熱面積為640萬m2時預測的最大熱負荷371.7 MW進行計算選擇。

2.2 布水器工藝設計

作為蓄熱罐內的布水器是布水系統(tǒng)中的主要裝置，用于實現(xiàn)冷/熱水的水分配功能，以保證不出現(xiàn)冷熱水混流現(xiàn)象破壞蓄水罐內的斜溫層。綜合分析各種布水器的優(yōu)缺點，本項目最終選擇采用徑向圓盤型。評價布水器性能的標準之一是蓄熱水罐中斜溫層的厚度，斜溫層厚度越小則蓄熱熱損失量越小。影響斜溫層厚度的主要參數(shù)是雷諾數(shù)Re和弗洛德數(shù)Fr，而這兩個參數(shù)又根據(jù)布水器的結構設計息息相關。

在設計過程中，通過調整布水器上下圓盤間的距離來滿足一定的流量下的Re指標。Re越小則布水器能使水的混合減弱到最小程度，流動越接近于重力流，保證蓄熱熱損失最小。目前已有研究表明對于深度12 m以上的水罐，推薦的Re最大值為2 000。但本項目的蓄熱水罐體積為30 000 m3，流量達到了4 000 m3/h。若按Re=2 000來進行設計是不合理的，上下圓盤間的距離將會非常大。

選擇合適的Fr數(shù)是保證水通過布水器后的流動屬于重力流而非慣性流動的關鍵，因此一般只要保證Fr=1，即可確保水流動屬于密度流。影響Fr數(shù)的主要因素為布水器的入口長度h。這在布水器設計時也需綜合考慮。本項目設計的入口長度為0.3 m，對應的Fr=0.4，滿足Fr數(shù)的要求。在滿足Re數(shù)和Fr數(shù)的基礎上，一般需保證布水器出口流速<0.3 m/s，出口流速越小，則產生的流動擾動越小，有利于斜溫層保持穩(wěn)定。本項目布水器上下圓盤的間距為0.312 m，設計流量為4 000 m3/h，布水器的直徑為10 m，通過計算可得布水器出口水的流速為0.11 m/s。數(shù)值模擬結果顯示該設計能保證蓄熱水罐中的斜溫層高度在蓄熱過程始終小于1 m，滿足設計目標。

2.3 保溫方案

蓄熱水罐的主要功能是蓄存熱水，保證內部熱水在較長時間內維持較高溫度。常規(guī)的保溫一般采用巖棉或硅酸鋁的材料，采用高性能的保溫材料有利于提高蓄熱能。本工程罐壁保溫采用多腔孔陶瓷復合絕熱材料(CNT)，具有保障設備全壽命周期安全、長效節(jié)能減排效果。由于多腔孔陶瓷復合絕熱材料(CNT)為硬質可卷曲產品，施工快速便捷。在施工、使用過程中無任何粉塵、纖維溢出，對作業(yè)人員無傷害，環(huán)境友好。產品使用壽命在無人為破壞的前提下，將伴隨設備終身。

3 蓄熱系統(tǒng)運行方式設計

3.1 蓄/放熱系統(tǒng)運行方式

(1)蓄熱過程

如圖3(a)所示，系統(tǒng)蓄熱時，將115℃熱網(wǎng)供水接至蓄熱水罐，通過調節(jié)閥調節(jié)進水流量；罐內冷水則回流至熱網(wǎng)回水管路。此時根據(jù)熱網(wǎng)回水母管中的壓力對回水管道上的調節(jié)閥進行調節(jié)，若回水壓力低于罐體高度與回水管道的高差時，則調閥全開不調節(jié)；若回水壓力高于罐體高度與回水管道的高差時，則需通過調節(jié)閥將閥后的壓力調至0.2～0.3 MPa左右，保證罐體的冷水能自流至回水母管。為了防止溫度超過當?shù)卮髿鈮核鶎娘柡蜏囟?約99.5℃)的熱網(wǎng)供水進入蓄熱水罐，設一臺摻?jīng)鏊?，并利用調節(jié)閥調整摻?jīng)鏊?，保證熱水溫度低于飽和溫度。

(2)放熱過程

放熱時，利用增壓水泵將部分熱網(wǎng)回水送入蓄熱罐，蓄熱罐內的熱水通過自流方式流至熱泵機組前的供熱回水管道內，并與供熱回水混合，隨后進入熱泵機組和熱網(wǎng)加熱器加熱回水。

3.2 蓄/放熱周期運行方式

(1)蓄熱罐在采暖中期運行方式

通過向當?shù)毓╇姴块T了解，本地區(qū)采暖季1～4月和10～12月的典型日用電負荷情況為6:00～10:00、16:00～22:00是用電較高的時段；10:00～16:00、22:00～次日6:00是用電較低的時段，連續(xù)用電高峰時間最長為6 h，連續(xù)用電低谷時間為8 h。根據(jù)以上分析，本次靈活性改造機組調峰時間按7 h考慮，因此每日蓄熱時長為17 h。綜合考慮當前發(fā)電情況與運行經(jīng)濟性，在夜晚23:00～次日6:00的用電低谷階段時，使機組在30%～100%負荷區(qū)間內參與調峰；在6:00～23:00按原始運行方式進行發(fā)電并抽汽供熱。因此，蓄熱系統(tǒng)蓄熱時長為17 h，放熱時長為7 h。

(2)蓄熱罐在采暖初末期的運行方式

在采暖期的初末期，機組供熱需求相對較低，在供熱面積基本不變的條件下，蓄熱系統(tǒng)的供熱時長將進一步延長。按系統(tǒng)設計要求，蓄熱罐內熱水能滿足203 MW連續(xù)7 h的供熱需求，而供熱初末期的兩個月內熱負荷低于200 MW。因此利用試驗方法驗證了蓄熱系統(tǒng)在不同熱負荷下的供熱時長，試驗結果如表2所示。可以看出，隨著熱負荷減小，蓄熱系統(tǒng)放熱時長進一步延長，使得機組的調峰時長增加。

表2 不同熱負荷下放熱時長

4 項目應用情況

4.1 項目實施情況

本項目2018年3月開始施工，至2018年11月開始系統(tǒng)總體試運，總耗時7個月，項目實施情況如圖4所示。

項目完成后，對整個系統(tǒng)關鍵參數(shù)進行測試，測試結果如表3所示?？梢钥闯?，蓄熱水箱的保溫效果驗證：日溫降為0.42℃，達到≤0.5℃的設計要求。

表3 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

圖5所示為現(xiàn)場蓄熱過程中某一時刻蓄水罐內沿高度方向上的溫度分布情況，圖中每個點的距離為0.5 m。從圖中可以看出，斜溫層出現(xiàn)在水罐高10 m左右，此處溫度變化的斜率最大，斜溫層的范圍在斜率最大點的前后兩點之間，且溫度變化的斜率至少要大于一定值才能判斷為斜溫層的開始，因此斜溫層的厚度由圖中可知是0.53 m<1 m，符合設計要求。

4.2 實際蓄/放熱時間分析

按設計指標要求，試驗一臺蓄熱水泵最大出力可達2 277 t/h，罐體最大容積為30 000 m3，則蓄熱時間約為13.3 h，優(yōu)于設計值14 h蓄熱完成的要求。放熱時兩臺水泵同時運行實驗中實際流量為4 285 t/h，罐體最大容積為30 000 m3，則放熱時間7 h，于設計值7 h持平，則能滿足設計值7 h放熱完成的要求。

放熱試驗過程中，兩臺增壓水泵同時運行，運行流量可達到4 285 t/h，試驗水溫為86℃，但設計值水溫為98℃，由于原熱網(wǎng)水溫度(不在本次調試范圍內)限制，故對蓄熱罐水溫進行修正，最大供熱功率約為1 767 MW/h，優(yōu)于設計值1 590 MW/h。蓄熱罐最大蓄熱能力6 073 GJ，優(yōu)于設計值5 220 GJ。

4.3 機組調頻能力及效益分析

發(fā)電廠的靈活性改造技術應用后，機組在部分時間段能參與深度調峰，負荷最低達到180 MW。蓄熱系統(tǒng)能提供7 h熱負荷，給市區(qū)提供供熱保障。靈活性改造項目投運后，保障了通遼發(fā)電機組在低負荷(特別是50%～20%區(qū)間)的供熱。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，增加蓄熱系統(tǒng)后，該廠一個采暖季共獲得4 175萬元調峰補償，預測整套系統(tǒng)2年可收回成本。

5 結論

本文結合實際案例詳細論述了蓄熱技術在600 MW機組上的改造運用流程，即設置大型蓄熱水罐供熱系統(tǒng)與原系統(tǒng)耦合運行參與供熱，重點分析了大型蓄熱罐的設計難點，得出如下結論：

(1)設置大型蓄熱水罐供熱系統(tǒng)與原系統(tǒng)耦合運行參與供熱，在滿足熱負荷的同時可以降低機組發(fā)電負荷，參與電網(wǎng)調峰。

(2)獲得了大型蓄熱水罐中布水器設計參數(shù)，在此基礎上對布水器設計準則數(shù)進行了修正，得到了設計準則數(shù)的適用范圍，與實際工程的運行情況進行對比驗證了修正后準則數(shù)的正確性。