韓建博, 王海超, 朱傳芝

(大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024)

1 概述

2021年,全國能源消費(fèi)總量(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)為52.4×108t,比上年增長(比例)5.2%,其中煤炭消費(fèi)量(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)占比56%,比上年下降0.9%;可再生能源消費(fèi)量(折合標(biāo)準(zhǔn)煤)占比25.4%,比上年上漲1.1%,比2012年上漲11%,見表1[1],能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向清潔低碳加速轉(zhuǎn)變。目前我國各地積極推行減煤政策,促進(jìn)可再生能源的高效利用,2021年,單位國內(nèi)生產(chǎn)總值碳排放下降3.8%[1]。國務(wù)院高度重視加快推進(jìn)北方冬季清潔供熱,提出“宜氣則氣,宜電則電”策略,提倡節(jié)約資源,保護(hù)環(huán)境。加速區(qū)域能源系統(tǒng)低碳化、提高能源利用率是實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)的必然選擇。

表1 2012-2021年能源消費(fèi)總量及可再生能源消費(fèi)量[1]

截至2021年底,我國風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá)3.3×108kW,占非化石能源發(fā)電裝機(jī)總量的29.4%,其中棄風(fēng)量占3.6%[1]。北方城鎮(zhèn)供熱形成了以熱電聯(lián)供機(jī)組、燃煤鍋爐為主,其他清潔能源為輔的格局。隨著集中供熱面積的持續(xù)增長,熱電聯(lián)供機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)受制于“以熱定電”的策略,在供出大量熱量的同時(shí),也增大了發(fā)電量,擠壓了風(fēng)電的上網(wǎng)空間,導(dǎo)致熱電聯(lián)供機(jī)組(簡稱機(jī)組)偏離額定工況較頻繁,使系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降。與此同時(shí),熱電比不合理、機(jī)組乏汽余熱利用率低等問題較為嚴(yán)重,不僅影響了機(jī)組的使用壽命,也加重了“三北”地區(qū)的棄風(fēng)問題。

在區(qū)域能源系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的熱電聯(lián)供技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對于清潔供熱的需求,通常采用為機(jī)組配置輔助熱源的方式實(shí)現(xiàn)熱電解耦,提高機(jī)組的靈活性[2]。利用電鍋爐、熱泵、蓄熱器等作為輔助熱源,能夠更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)峰,增強(qiáng)機(jī)組熱功率和電功率的靈活性。利用輔助熱源進(jìn)行調(diào)峰分為集中式調(diào)峰和分布式調(diào)峰,見圖1。集中式調(diào)峰的輔助熱源設(shè)置在集中熱源處,對整個(gè)供熱系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌控制,起到削峰填谷的作用;分布式調(diào)峰的輔助熱源設(shè)置在供熱二級(jí)管網(wǎng)側(cè),用于小范圍的調(diào)峰,能迅速對用戶熱負(fù)荷變化進(jìn)行響應(yīng)并作出調(diào)整,解決供熱不足的問題,降低集中供熱系統(tǒng)能耗,緩解熱電耦合問題[3]。

圖1 集中式和分布式調(diào)峰

此外,供熱管網(wǎng)內(nèi)較大體量的熱水,儲(chǔ)存了大量的熱量,可以利用管網(wǎng)的蓄熱特性,調(diào)節(jié)供回水溫度,有效減少風(fēng)電不穩(wěn)定性和間歇性對機(jī)組熱、電功率造成的影響,緩解熱力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的壓力。

不同調(diào)峰方式對促進(jìn)熱電協(xié)同、實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源綜合利用的效果不盡相同。若要最大限度實(shí)現(xiàn)熱電一體化調(diào)峰,需要對不同方案進(jìn)行模擬分析和評價(jià):在滿足用戶熱需求的同時(shí),是否能夠減少傳統(tǒng)能源的消耗、回收機(jī)組余熱、促進(jìn)可再生能源消納、減少碳排放等。為此,本文將對不同方案的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,分析不同方案存在的問題,尋找適合的熱電一體化調(diào)峰優(yōu)化方案,進(jìn)而推動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱、電功率的綜合優(yōu)化,提高區(qū)域能源的綜合利用效率。

2 集中式調(diào)峰

2.1 電鍋爐與熱電聯(lián)供機(jī)組耦合消納風(fēng)電并供熱

電鍋爐具有調(diào)峰能力穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn),熱電聯(lián)供機(jī)組配備電鍋爐輔助供熱,是進(jìn)行熱電解耦改造、提高機(jī)組調(diào)峰能力、消納棄風(fēng)的重要解決方案之一[4]。Zhang等[5]通過建立風(fēng)力發(fā)電和蓄熱式電鍋爐輔助供熱模型,證明了該方案具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力,可有效減少風(fēng)電波動(dòng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。陳彥秀[6]分析了水電機(jī)組、火電機(jī)組、熱電聯(lián)供機(jī)組的調(diào)峰能力,結(jié)合風(fēng)電功率特征,給出了提高電網(wǎng)調(diào)峰能力的方案。通過建立熱電聯(lián)供機(jī)組在調(diào)峰約束下的風(fēng)電消納模型,提出機(jī)組旁路系統(tǒng)補(bǔ)償供熱、需求側(cè)熱負(fù)荷管理、配置電鍋爐3種熱電解耦方案,通過對比選擇了配置電鍋爐這種方案。

熱電聯(lián)供機(jī)組與電鍋爐耦合運(yùn)行區(qū)間見圖2。Pe和Ph分別為熱電聯(lián)供機(jī)組的發(fā)電功率和熱功率,一般抽汽式熱電聯(lián)供機(jī)組可行域?yàn)锳BCDA,與電鍋爐耦合后可行域?yàn)锳BB1C1D1DA。由于電鍋爐消耗部分機(jī)組發(fā)電,當(dāng)熱功率為Φh1時(shí),機(jī)組最小發(fā)電功率點(diǎn)由點(diǎn)F降到點(diǎn)H。其中,線段FG在Pe軸上的投影表示電鍋爐的耗電功率,線段GI在Φh軸上的投影表示電鍋爐的熱功率。運(yùn)行曲線向右下方偏移,擴(kuò)大了熱電聯(lián)供可行域的區(qū)間下限[7]。

圖2 熱電聯(lián)供機(jī)組與電鍋爐耦合運(yùn)行區(qū)間

目前熱電廠改造的關(guān)鍵在于是否具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。配置電鍋爐需要增加額外的設(shè)備投資,熱電廠在提供調(diào)峰服務(wù)的同時(shí),還需要降低機(jī)組的電功率,損失自身效益。因此,合理地確定調(diào)峰電鍋爐額定功率,對方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析必不可少。

呂泉等[8]以東北輔助調(diào)峰服務(wù)市場為背景,建立熱電聯(lián)供機(jī)組與電鍋爐聯(lián)合運(yùn)行模型,得到熱電聯(lián)供機(jī)組配置電鍋爐后的運(yùn)行區(qū)間;建立調(diào)峰收益和成本模型,以靜態(tài)投資回收期為指標(biāo)對模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價(jià)。結(jié)果表明,隨著熱負(fù)荷增大,系統(tǒng)的調(diào)峰凈收益為負(fù)的區(qū)間增大;減小熱電聯(lián)供機(jī)組最小電功率可減小電鍋爐的運(yùn)行熱功率,降低投資風(fēng)險(xiǎn)。由于風(fēng)電反調(diào)峰性、波動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),電鍋爐由風(fēng)電和機(jī)組供電的比例需精確計(jì)算。曹麗華等[9]以風(fēng)電調(diào)峰增量和經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值為目標(biāo)函數(shù),對調(diào)峰鍋爐的最佳熱功率進(jìn)行分析,結(jié)果表明,隨著電鍋爐熱功率增加,經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值先波動(dòng)性上漲再下降,這是由于電鍋爐耗電功率增加,導(dǎo)致并網(wǎng)電量減少,機(jī)組上網(wǎng)收益減少。Nielsen等[10]對電鍋爐、電動(dòng)熱泵耦合熱電聯(lián)供機(jī)組進(jìn)行供熱的方案進(jìn)行分析,證明了投資收益電價(jià)和設(shè)備本身額定熱功率及熱效率有關(guān)。

上述文獻(xiàn)從投資回收期、收益電價(jià)等角度分析了電鍋爐的額定熱功率對系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響,證明了方案的可行性,并確定電鍋爐的最佳額定熱功率。此外,還從熱電聯(lián)供機(jī)組與電鍋爐耦合系統(tǒng)的運(yùn)行角度出發(fā),制定適合的運(yùn)行策略。

Ling等[11]利用可編輯邏輯控制器(PLC)對蓄熱鍋爐的控制策略進(jìn)行研究,優(yōu)化了儲(chǔ)熱器的運(yùn)行模式,實(shí)現(xiàn)基于多智能體的電蓄熱鍋爐的優(yōu)化控制。Cheng等[12]研究了蓄熱式電鍋爐的模型和控制策略,利用蓄熱電鍋爐與熱電聯(lián)供機(jī)組耦合,在降低熱電聯(lián)供機(jī)組發(fā)電功率的同時(shí),提高風(fēng)能利用率。通過MATLAB/Simulink仿真分析,驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制方案的優(yōu)勢。

電鍋爐具有調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)勢,對促進(jìn)棄風(fēng)消納具有重要意義。電鍋爐設(shè)置在集中熱源側(cè),對用戶側(cè)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力并無改善。電鍋爐的額定熱功率、位置以及運(yùn)行方案,直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。上述文獻(xiàn)分析了采用電鍋爐調(diào)峰對系統(tǒng)效能的影響,更多從電能角度分析方案的合理性與經(jīng)濟(jì)性,缺少對供熱過程中的延遲性和衰減性的分析,對于熱負(fù)荷的匹配考慮不夠全面。

2.2 熱泵實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦的同時(shí)供熱

2.2.1吸收式熱泵

利用吸收式熱泵回收電廠余熱,采用部分抽汽驅(qū)動(dòng)或者燃?xì)怛?qū)動(dòng),吸收低品位的余熱用于輔助供熱,減少了余熱的浪費(fèi),降低了系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用,減少了碳排放。趙虎等[13]提出利用吸收式熱泵回收循環(huán)水余熱的方案,通過案例分析證明了該方案可提高熱電廠能效和供熱能力。霍鵬等[14]分析了抽汽式機(jī)組和背壓式機(jī)組分別配置熱泵參與余熱回收的方案,對比改造前后主要參數(shù)變化情況,證明了利用吸收式熱泵回收電廠余熱的可行性。吳佐蓮等[15]通過案例分析證明了利用熱泵技術(shù)回收熱電廠低溫余熱可有效提高熱電廠12%的能源利用率;有效地降低供熱一級(jí)管網(wǎng)回水溫度,減少供熱能耗,彌補(bǔ)新增供熱需求缺口。但在集中熱源處設(shè)置熱泵輔助供熱,其效果受到供熱距離限制。

張抖等[16]以330 MW熱電聯(lián)供機(jī)組為例,分析了機(jī)組運(yùn)行安全區(qū)在增設(shè)吸收式熱泵前后的變化情況,證明了機(jī)組調(diào)峰能力隨熱泵制熱性能系數(shù)提高而增大。隨著機(jī)組抽汽供熱的比例增大,機(jī)組調(diào)峰能力先增大后減小。抽汽式熱電聯(lián)供機(jī)組與吸收式熱泵聯(lián)合運(yùn)行區(qū)間見圖3。熱電聯(lián)供機(jī)組可行域?yàn)锳BCDA,配備吸收式熱泵后熱電聯(lián)供機(jī)組可行域?yàn)锳A1B1C1CDA,吸收式熱泵工作區(qū)域?yàn)锳A1B1C1CBA。對于給定的熱功率Φh1,受機(jī)組最小發(fā)電功率限制,機(jī)組發(fā)電功率在線段FG在Pe軸上的投影范圍內(nèi)波動(dòng);耦合吸收式熱泵后,機(jī)組發(fā)電功率在線段EH在Pe軸上的投影范圍內(nèi)波動(dòng),調(diào)峰能力得到提升。

圖3 抽汽式熱電聯(lián)供機(jī)組與吸收式熱泵聯(lián)合運(yùn)行區(qū)間

此外,在分析吸收式熱泵與熱電聯(lián)供機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí),需要優(yōu)先考慮區(qū)域內(nèi)的驅(qū)動(dòng)熱源種類,并考慮熱泵機(jī)組在運(yùn)行過程中制熱性能系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化,以及對系統(tǒng)的供熱和調(diào)峰能力的影響。當(dāng)使用熱電聯(lián)供機(jī)組抽汽作為驅(qū)動(dòng)熱源時(shí),還應(yīng)考慮售熱、售電對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

2.2.2電動(dòng)熱泵

利用電動(dòng)熱泵直接消耗風(fēng)電進(jìn)行輔助供熱,可有效降低一級(jí)管網(wǎng)回水溫度、提升管網(wǎng)的輸送能力、減少資源的浪費(fèi),并促進(jìn)可再生能源的消納和利用。熱電聯(lián)供機(jī)組與電動(dòng)熱泵聯(lián)合運(yùn)行區(qū)間見圖4。熱電聯(lián)供機(jī)組運(yùn)行區(qū)間為ABCDA,配備電動(dòng)熱泵后機(jī)組特性曲線為ABB1C1CDA,線段B1C1由電動(dòng)熱泵運(yùn)行功率決定。對于給定的熱功率Φh1,機(jī)組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍由原來的線段EF在Pe軸上的投影范圍變?yōu)榫€段EG在Pe軸上的投影范圍。電動(dòng)熱泵消耗了部分機(jī)組發(fā)電量用于供熱,降低了機(jī)組發(fā)電功率下限,點(diǎn)C向右下方移動(dòng)到點(diǎn)C1,提高了調(diào)峰能力。

圖4 熱電聯(lián)供機(jī)組與電動(dòng)熱泵聯(lián)合運(yùn)行區(qū)間

倪龍等[17]分析了電動(dòng)熱泵回收熱電廠余熱的一次能源利用系數(shù),結(jié)果表明,電網(wǎng)保留電量隨電動(dòng)熱泵制熱性能系數(shù)和發(fā)電效率的降低而降低。杜玲玉[18]分析了電動(dòng)熱泵供熱系統(tǒng)單位供熱量的煤耗,對比發(fā)現(xiàn)其煤耗僅次于抽汽、乏汽聯(lián)合供熱方案的煤耗,相對于其他供熱方案有節(jié)能優(yōu)勢。Pezzolaa等[19]采用電動(dòng)熱泵和小型燃?xì)忮仩t聯(lián)合運(yùn)行的方式,制備夏季所需熱水,從一次能耗和二氧化碳產(chǎn)生量角度進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,證明了電動(dòng)熱泵在適中環(huán)境和滿負(fù)荷運(yùn)行下效率極高,具有投資低、回收期短的優(yōu)勢,但其性能受環(huán)境溫度和局部溫度影響較為明顯,且在供熱方面的優(yōu)勢大于供冷。Cho等[20]分析了配備電動(dòng)熱泵的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,以電功率比和電燃料成本比為指標(biāo),對美國10座城市單棟家庭住宅進(jìn)行案例分析,證明了電動(dòng)熱泵耦合熱電聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大,可有效降低輔助熱源煤耗量。

不同的余熱回收方案對于系統(tǒng)的能效有著重要的影響。Kima等[21]研究了余熱來源對電動(dòng)熱泵最佳額定熱功率的影響,以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)提供電力和余熱的系統(tǒng)為例,回收排放管式換熱器和蒸發(fā)器處的余熱,分析兩種余熱回收方式對熱泵額定熱功率和制熱性能系數(shù)的影響,證明了回收蒸發(fā)器處的余熱效果更好。孫健等[22]提出利用溫升高、冷凝溫度高的高溫電動(dòng)熱泵對電廠余熱進(jìn)行回收的方案,用于回收40～50 ℃的余熱。較低的一級(jí)管網(wǎng)回水溫度有利于回收熱電聯(lián)供乏汽余熱。

此外,在諸多研究中,熱電聯(lián)供能耗與余熱回收率是按照月度部分負(fù)荷變化進(jìn)行分析的,缺少對機(jī)組每小時(shí)運(yùn)行效率的分析,故Seo等[23]利用eQUESET的內(nèi)部程序,分析室內(nèi)外溫度以及日照變化對建筑內(nèi)部熱效應(yīng)的影響,每小時(shí)執(zhí)行1次能量分析,證明電動(dòng)熱泵與熱回收熱電聯(lián)供系統(tǒng)聯(lián)合系統(tǒng)的可行性。配備蓄熱器,使系統(tǒng)棄熱量最小化。

在電動(dòng)熱泵耦合熱電聯(lián)供機(jī)組的系統(tǒng)中,電動(dòng)熱泵直接消耗風(fēng)電進(jìn)行供熱,減小了熱電聯(lián)供機(jī)組的熱功率,為風(fēng)電上網(wǎng)提供空間。考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性,電動(dòng)熱泵的額定熱功率需要通過精確計(jì)算獲得,并綜合考慮一級(jí)管網(wǎng)供回水溫度對于系統(tǒng)運(yùn)行的影響,確定合適的供回水溫度,才能起到最優(yōu)的節(jié)能減排效果,實(shí)現(xiàn)熱電一體化調(diào)峰。

2.3 蓄熱器與熱電聯(lián)供機(jī)組耦合

利用蓄熱器在熱負(fù)荷較小、電負(fù)荷較大的時(shí)段進(jìn)行蓄熱;在夜間電負(fù)荷較小、熱負(fù)荷較大時(shí)進(jìn)行放熱,有效降低熱電聯(lián)供機(jī)組的熱功率,配合熱電聯(lián)供機(jī)組的調(diào)峰。通過設(shè)置蓄熱器改善機(jī)組運(yùn)行工況,減小機(jī)組啟停調(diào)峰對電網(wǎng)和熱網(wǎng)的擾動(dòng),不僅能夠延長機(jī)組的使用壽命,還能保持熱網(wǎng)良好的水力條件;在減少運(yùn)行能耗的同時(shí),保障了用戶的熱需求。

陳小慧[24]利用費(fèi)留格爾公式對熱力系統(tǒng)變工況進(jìn)行計(jì)算,以典型日和非典型日為例,計(jì)算蓄熱器的最佳蓄熱容量,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析,證明了熱電聯(lián)供機(jī)組配備蓄熱器的方式更適合冬季機(jī)組高參數(shù)工況,能有效減小調(diào)峰過程中工況點(diǎn)波動(dòng)對機(jī)組的影響。熱電聯(lián)供機(jī)組與蓄熱器耦合后運(yùn)行區(qū)間見圖5。蓄熱器的放熱功率可控,熱電聯(lián)供機(jī)組的發(fā)電功率也可連續(xù)調(diào)節(jié),可有效緩解風(fēng)電不確定性帶來的影響[7]。圖5中,熱電聯(lián)供機(jī)組運(yùn)行區(qū)間為ABCDA,配備蓄熱器后機(jī)組可行域?yàn)锳A1B1C1CED1A。假設(shè)蓄熱器最大蓄、放熱功率相等,均為Φtes。蓄熱器放熱時(shí),增加了系統(tǒng)的熱功率,線段AB、BC對應(yīng)的熱功率整體增大Φtes;蓄熱器蓄熱時(shí),電功率最小的點(diǎn)C對應(yīng)的熱功率減小Φtes,到點(diǎn)E。對于給定的熱功率Φh1,機(jī)組電功率調(diào)節(jié)范圍由原來的線段FG在Pe軸上的投影范圍變?yōu)榫€段IH在Pe軸上的投影范圍,可調(diào)節(jié)范圍得到了明顯擴(kuò)大。

圖5 熱電聯(lián)供機(jī)組與蓄熱器耦合后運(yùn)行區(qū)間

蓄熱器與熱電聯(lián)供機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí),需制定詳細(xì)的運(yùn)行策略和評價(jià)方案,確保系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,有效實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的削峰填谷,為可再生能源提供上網(wǎng)空間,解決機(jī)組熱電耦合的問題。董廣彥等[25]對蓄熱技術(shù)提升熱電聯(lián)供機(jī)組的調(diào)峰能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,熱網(wǎng)負(fù)荷、蓄熱容量越大,調(diào)峰能力越強(qiáng)。最后提出“蓄熱時(shí),平荷優(yōu)先,峰荷補(bǔ)充;放熱時(shí),谷荷優(yōu)先,峰荷次之”的蓄放熱模式。李玲[26]建立節(jié)煤效果和經(jīng)濟(jì)性分析模型,對蓄熱、抽水蓄能、風(fēng)電供熱3種消納棄風(fēng)的方案進(jìn)行對比,證明了蓄熱方案投資更少、節(jié)煤率更高。采用風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值法,綜合考慮各種因素,設(shè)計(jì)了一種調(diào)峰定價(jià)機(jī)制,為合理設(shè)定調(diào)峰價(jià)格提供了新的計(jì)算方法。Chen等[27]提出基于兩種線性模型的熱電聯(lián)供和蓄熱調(diào)度方法,第1個(gè)模型用于預(yù)判蓄、放熱的時(shí)間間隔,第2個(gè)模型用于確定機(jī)組輸出功率和蓄熱量,從棄風(fēng)和運(yùn)行成本角度,分析不同棄風(fēng)量和蓄熱量對系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

考慮系統(tǒng)運(yùn)行的可行性及經(jīng)濟(jì)性,蓄熱器的蓄熱容量需要通過精確計(jì)算獲得,Wang等[28]利用當(dāng)量降熱理論提出熱電聯(lián)供機(jī)組新的運(yùn)行模式,安裝蓄熱器以提高風(fēng)電的接收能力。此外,還介紹了基于Shapley值的合作博弈模型,并在此基礎(chǔ)上建立蓄熱容量的二層規(guī)劃模型,通過算例驗(yàn)證了蓄熱容量規(guī)劃模型的有效性。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量增加,最佳蓄熱容量隨之增加,當(dāng)蓄熱容量達(dá)到一定程度時(shí),蓄熱對風(fēng)電的調(diào)節(jié)能力趨于平緩。

采用蓄熱器與熱電聯(lián)供機(jī)組耦合實(shí)現(xiàn)熱電解耦的方法,主要基于國家階梯電價(jià)的政策支持,該方案充分利用分時(shí)電價(jià)的優(yōu)勢,通過削峰填谷,減少機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用。目前,針對蓄熱器蓄熱容量優(yōu)化的研究較為完備,后續(xù)研究重點(diǎn)應(yīng)在蓄熱運(yùn)行策略的制定與模型求解速度的優(yōu)化上。

2.4 蓄熱器與熱泵耦合實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供機(jī)組余熱回收

在用電低谷時(shí)段,利用熱泵制熱,根據(jù)需要向用戶供熱或?qū)崃績?chǔ)存在蓄熱器中。在用電高峰時(shí)段,熱泵停止制熱,根據(jù)需要蓄熱器可向用戶供熱,減少熱電聯(lián)供機(jī)組的熱、電功率,為可再生能源發(fā)電提供上網(wǎng)空間,緩解電網(wǎng)波動(dòng)產(chǎn)生的壓力,蓄熱器與熱泵耦合運(yùn)行流程見圖6。孫健等[29]提出電動(dòng)熱泵與蓄熱器耦合的系統(tǒng),搭建試驗(yàn)臺(tái)對比研究采用單級(jí)熱泵、雙級(jí)熱泵對熱網(wǎng)溫度變化的影響,結(jié)果表明,兩種方案均可有效降低一級(jí)管網(wǎng)回水溫度,提高管網(wǎng)的輸送能力并降低供熱能耗,對充分利用電廠余熱、消納棄風(fēng)、減少碳排放有重要意義,其中雙級(jí)熱泵效果更為顯著。

圖6 蓄熱器與熱泵耦合運(yùn)行流程

系統(tǒng)運(yùn)行過程是動(dòng)態(tài)變化的過程,談?wù)30]利用工程方程求解軟件EES建立熱力站的數(shù)學(xué)模型,在電網(wǎng)峰谷期切換蓄放熱模式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)熱泵的間歇運(yùn)行,進(jìn)行變工況分析,結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以有效降低一級(jí)管網(wǎng)回水溫度。證明了電動(dòng)熱泵和蓄熱器聯(lián)合運(yùn)行方案對實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供一體調(diào)峰、實(shí)現(xiàn)熱電廠余熱回收利用的可行性。若該方案以熱電聯(lián)供機(jī)組為集中熱源,需考慮電動(dòng)熱泵由機(jī)組和風(fēng)電供能的比例,提出最佳的運(yùn)行策略。

在蓄熱器與熱泵耦合實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供機(jī)組余熱回收系統(tǒng)中,熱泵的種類不同,系統(tǒng)的運(yùn)行效果也不盡相同。Wang等[31]提出基于效率因子的熱電聯(lián)供動(dòng)態(tài)模型,分析了不同熱電比下熱電聯(lián)供機(jī)組和電動(dòng)熱泵聯(lián)合運(yùn)行的解耦能力,對吸收式熱泵和電動(dòng)熱泵余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行比較,結(jié)果表明,當(dāng)熱負(fù)荷需求大、電負(fù)荷需求小時(shí),電動(dòng)熱泵效果更好。

在分析蓄熱器和熱泵耦合實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供機(jī)組余熱回收方案時(shí),還應(yīng)考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程,即設(shè)備變工況、部分負(fù)荷率運(yùn)行對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。考慮風(fēng)電的不確定性對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,考慮電產(chǎn)出和需求的平衡以及輸電線路的約束問題,制定系統(tǒng)的運(yùn)行策略,進(jìn)行一體化調(diào)峰。

3 分布式調(diào)峰方法研究

在諸多文獻(xiàn)中,分布式調(diào)峰技術(shù)一般是指在小區(qū)熱力站內(nèi)將燃?xì)忮仩t作為輔助熱源進(jìn)行調(diào)峰;此外,還可以用蓄熱器、電動(dòng)熱泵等輔助熱源設(shè)備,利用蓄熱或直接加熱的方式,對二級(jí)管網(wǎng)回水進(jìn)行二次加熱;以及設(shè)置變頻泵對二級(jí)管網(wǎng)側(cè)流量進(jìn)行調(diào)節(jié),緩解水力失調(diào)現(xiàn)象。分布式與集中式調(diào)峰的區(qū)別主要在于:分布式調(diào)峰設(shè)備位于小區(qū)熱力站內(nèi),與熱用戶相連接,距離熱用戶更近,調(diào)節(jié)更加靈活,彌補(bǔ)了集中式調(diào)峰針對性差的不足。目前我國對于分布式調(diào)峰方法的研究較少,趙璽靈等[32]建立了吸收式補(bǔ)燃型換熱機(jī)組的二級(jí)管網(wǎng)調(diào)峰模型,分析供暖期系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),證明了新系統(tǒng)能夠增強(qiáng)供熱能力,且有利于回收更多的煙氣余熱。

利用分布式調(diào)峰實(shí)現(xiàn)熱電解耦,由于距集中熱源較遠(yuǎn),需要制定精確的運(yùn)行調(diào)度方案,李佳佳等[33]用二級(jí)管網(wǎng)熱平衡方程作為調(diào)峰電鍋爐的啟?？刂埔罁?jù),以煤耗量為目標(biāo)函數(shù),風(fēng)電平衡作為約束條件,建立熱電聯(lián)合調(diào)度模型,應(yīng)用粒子群算法計(jì)算。結(jié)果表明,隨著電鍋爐的調(diào)峰比和電鍋爐額定熱功率增加,系統(tǒng)煤耗量呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢,而棄風(fēng)量則一直降低,最后趨于零。鄧佳樂等[34]優(yōu)化了調(diào)峰電鍋爐啟?？刂撇呗?通過模型的經(jīng)濟(jì)性分析,得出在二級(jí)管網(wǎng)側(cè)設(shè)置調(diào)峰電鍋爐可以降低系統(tǒng)的煤耗量,具有經(jīng)濟(jì)可行性。最后結(jié)合一級(jí)管網(wǎng)、二級(jí)管網(wǎng)熱平衡方程,分析蓄熱式電鍋爐作為輔助熱源在日調(diào)峰過程中的重要作用。

經(jīng)濟(jì)性作為評價(jià)方案可行性的重要指標(biāo),對方案的運(yùn)行優(yōu)化有著重要的指導(dǎo)意義。郭豐慧[35]建立電鍋爐設(shè)置在集中熱源處和小區(qū)熱力站處的熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化模型,通過調(diào)度優(yōu)化算法,分析兩種方案消納棄風(fēng)的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明,電鍋爐設(shè)置在二級(jí)管網(wǎng)側(cè)具有供熱系統(tǒng)水力條件好、煤耗量少和消納棄風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法,分析蓄熱式電鍋爐的額定熱功率和風(fēng)電滲透率對棄風(fēng)消納的影響。考慮了熱網(wǎng)的延遲性和衰減性,對二級(jí)管網(wǎng)日調(diào)峰模型進(jìn)行分析,更加精確。孫春華等[36]建立輔助熱源設(shè)置在二級(jí)管網(wǎng)側(cè)的壽命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用年值模型,求出基礎(chǔ)熱源和輔助熱源的最佳熱容量,提出基礎(chǔ)熱容量系數(shù),并結(jié)合多地實(shí)際情況進(jìn)行算例分析,得到基礎(chǔ)熱容量系數(shù)隨低谷電價(jià)降低而減小的結(jié)論。

此外,分布式調(diào)峰法對用戶熱負(fù)荷的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,能夠及時(shí)做出調(diào)整。為確保用戶熱需求,需要充分考慮二級(jí)管網(wǎng)的水力和熱力平衡。朱應(yīng)杰等[37]提出蓄熱與變頻泵聯(lián)合實(shí)現(xiàn)二級(jí)管網(wǎng)流量優(yōu)化調(diào)節(jié)的方案,在確定蓄熱器最佳熱容量后,對分布式變頻泵布置位置進(jìn)行分析,明確了系統(tǒng)的調(diào)度策略。

目前,我國針對集中式調(diào)峰的方法研究較多,對于分布式調(diào)峰的研究較少,分布式調(diào)峰相較于集中式調(diào)峰,設(shè)置位置更加靈活,對一級(jí)管網(wǎng)水力運(yùn)行工況的影響較小,有較好的水力條件,穩(wěn)定性更優(yōu),能更加高效地對熱負(fù)荷波動(dòng)做出相應(yīng)調(diào)控。但需要確定更加精確的調(diào)度方案,實(shí)現(xiàn)更加精確的調(diào)控,減少主熱源的能耗,減少碳排放。

4 供熱管網(wǎng)蓄熱特性研究

供熱管網(wǎng)作為集中供熱系統(tǒng)中連接熱源和熱用戶的重要組成部分,由于管網(wǎng)老化導(dǎo)致的熱損失嚴(yán)重[38],具有龐大的管道規(guī)模和水容量,具有一定的熱慣性,在系統(tǒng)中能夠充當(dāng)集中供熱系統(tǒng)的蓄熱容器。目前集中供熱系統(tǒng)的調(diào)控中,制定運(yùn)行策略時(shí)大多沒有考慮管網(wǎng)的蓄熱能力,缺少對管網(wǎng)蓄熱自動(dòng)調(diào)控能力的研究。如何利用熱網(wǎng)熱慣性來提高熱電聯(lián)供機(jī)組的調(diào)峰性能、實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的精細(xì)化,制定合適的運(yùn)行控制策略,是實(shí)現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)節(jié)能化、低碳化的重要研究方向。

張斌[39]通過圖論法建立了供熱管網(wǎng)水力和熱力模型,研究供熱管網(wǎng)出口參數(shù)和室內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)特性,得出結(jié)論:熱慣性的滯后時(shí)間和管段長度成正比、和流速成反比;室內(nèi)溫度變化情況與管段溫度變化情況相同。證明了考慮熱慣性的情況下,典型日運(yùn)行時(shí),比忽略熱慣性多消耗30%的風(fēng)電。趙永攀[40]用供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)公式和水力計(jì)算公式,求出用戶所需熱負(fù)荷,利用自動(dòng)控制系統(tǒng),對供熱系統(tǒng)流量進(jìn)行調(diào)節(jié),確保用戶室內(nèi)溫度穩(wěn)定。利用管網(wǎng)蓄熱,管道需要具備良好的保溫特性,對于管道散熱以及局部熱損失還需精確考慮。

為充分利用管網(wǎng)的蓄熱能力,需要通過計(jì)算確定系統(tǒng)的運(yùn)行模式。王晉達(dá)等[41]對利用管網(wǎng)蓄熱的兩種模式--溫度提升式蓄熱和流量增加式蓄熱進(jìn)行建模分析;將兩種模式結(jié)合,提出新的管網(wǎng)綜合能力的計(jì)算公式,求出管網(wǎng)蓄熱能力與管網(wǎng)最高輸送溫度、供回水溫差和最大循環(huán)流量的關(guān)系式,得出管網(wǎng)總蓄熱能力隨室外溫度升高顯著增大的結(jié)論。栗海潤等[38]提出考慮供熱管網(wǎng)蓄熱特性的多區(qū)域調(diào)度方案,提出供熱系統(tǒng)蓄能狀態(tài)指標(biāo),通過算例分析證明了利用管網(wǎng)蓄熱可以提高多區(qū)域熱電綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與靈活性。張赟綱等[42]提出在利用供熱管網(wǎng)蓄熱時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制長輸管網(wǎng)供、回水溫度不超過130 ℃、70 ℃的設(shè)計(jì)參數(shù),并預(yù)留3～5 ℃的安全余量。

長輸供熱管網(wǎng)具有平均管徑大、水容量大等優(yōu)點(diǎn),更具開發(fā)潛力。利用管網(wǎng)蓄熱,在不新增設(shè)備的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)熱源供熱量的日內(nèi)轉(zhuǎn)移,可有效降低熱負(fù)荷的尖峰負(fù)荷、降低電負(fù)荷對熱負(fù)荷的影響,有效減小管網(wǎng)輸送熱損失。

5 結(jié)論

① 目前國內(nèi)外研究主要從增設(shè)輔助熱源設(shè)備提升熱電聯(lián)供機(jī)組調(diào)峰能力和系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行熱電一體化調(diào)峰的研究。

a.電鍋爐具有調(diào)節(jié)能力靈活、啟停和調(diào)整方便、供熱效率受系統(tǒng)熱負(fù)荷波動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn),不受風(fēng)電比影響,適用于整個(gè)供暖期。但對于風(fēng)力發(fā)電量不足的地區(qū),采用電鍋爐則會(huì)增加煤耗量,導(dǎo)致電廠發(fā)電量增加,產(chǎn)生不良影響。

b.利用熱泵進(jìn)行輔助供熱,實(shí)現(xiàn)熱電廠的余熱回收利用,同時(shí)降低供熱回水溫度,改善供熱系統(tǒng)的熱力工況和管網(wǎng)的輸送能力,通過分?jǐn)偀犭娐?lián)供機(jī)組供熱負(fù)荷,增強(qiáng)機(jī)組調(diào)峰能力。對于吸收式熱泵,適用于區(qū)域內(nèi)有驅(qū)動(dòng)熱源的場景,對于電動(dòng)熱泵,適用于風(fēng)力發(fā)電量較大的地區(qū)。

c.蓄熱器實(shí)現(xiàn)熱電解耦,能有效減小風(fēng)電不確定性對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響,但存在類似蓄熱量的耦合約束階段,適用于棄風(fēng)時(shí)段較短、風(fēng)電發(fā)電量較少、峰谷電負(fù)荷相差較大的場景。我國供熱面積大、供熱負(fù)荷大,對于蓄熱器的熱容量需嚴(yán)格控制。

d.分布式調(diào)峰能對熱負(fù)荷波動(dòng)做出迅速調(diào)整,有效降低熱電聯(lián)供機(jī)組能耗,提高供熱效率,增強(qiáng)一級(jí)管網(wǎng)的輸送能力,解決因供熱面積擴(kuò)大引起的供熱不足問題,但需要制定詳細(xì)的運(yùn)行調(diào)度方案。

e.利用供熱管網(wǎng)蓄熱特性,在不額外增加設(shè)備的前提下,實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷的削峰填谷,在長輸供熱管網(wǎng)中優(yōu)勢更為顯著,但在供熱中期供回水溫度較高時(shí),管網(wǎng)蓄熱能力較低,更適用于供熱前期和后期。此外,供熱管網(wǎng)蓄熱能力受供回水溫差、天氣等因素影響,供熱管網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行具有極大的不確定性,對管網(wǎng)運(yùn)行控制策略的要求較高。

② 通過上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供的一體化調(diào)峰的優(yōu)化效果不盡相同,面對復(fù)雜的區(qū)域能源系統(tǒng),確定最佳的能源綜合利用方案,制定合理的運(yùn)行調(diào)度策略和評價(jià)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)資源綜合利用是目前有待解決的問題。合理利用可再生能源,減少傳統(tǒng)能源的使用,對于降低供熱能耗、提高供熱效率、減少碳排放具有重要的指導(dǎo)意義。