陸明媚, 張啟連, 王宏偉, 彭偉杰,丁 敏, 張凱旋, 蔡瓊瑜

(1.建投河北熱力有限公司, 河北 石家莊 050000; 2.石家莊供熱事務(wù)中心, 河北 石家莊 050000; 3.河北科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 河北 石家莊 051018)

1 概述

近年來,中國(guó)努力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),推動(dòng)綠色低碳發(fā)展,持續(xù)優(yōu)化能源生產(chǎn)、消費(fèi)結(jié)構(gòu),取得了較為顯著的效果[1-2]。2017—2021年我國(guó)北方地區(qū)清潔供熱率從43%增加到70%[3],新能源增勢(shì)強(qiáng)勁,清潔化進(jìn)程加快,特別是風(fēng)能、太陽能等可再生能源跨越式增長(zhǎng)。近年來我國(guó)清潔能源發(fā)電裝機(jī)量和并網(wǎng)規(guī)模飛速增長(zhǎng),又因在北方熱需求較大的城市冬天需保證供熱,以熱定電模式致使棄光棄電現(xiàn)象嚴(yán)重,這就要求電力系統(tǒng)必須加強(qiáng)應(yīng)變能力,要求熱電機(jī)組能夠滿足用電尖峰、低谷的負(fù)荷調(diào)節(jié)要求[4-6]。熱電聯(lián)產(chǎn)作為熱電廠主要的運(yùn)行模式,一般采用以熱定電或以電定熱作為運(yùn)行策略。熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定,技術(shù)成熟,比熱電分產(chǎn)模式更加節(jié)省燃料,能源利用率高,能有效減少系統(tǒng)的碳排放。但是由于熱與電的耦合關(guān)系,在熱需求較大的時(shí)期及地區(qū),電網(wǎng)調(diào)峰受到極大的限制。在供熱負(fù)荷達(dá)到最大時(shí),熱電機(jī)組靈活性極小,無法消納可再生能源,也會(huì)阻礙可再生能源上網(wǎng)通道[7]。為了保障基本的供暖,熱電機(jī)組會(huì)承擔(dān)很大的負(fù)荷,造成可再生能源難以并網(wǎng)、棄風(fēng)棄光現(xiàn)象頻發(fā)。為了解決這一問題并充分利用風(fēng)光等可再生能源,熱電解耦是必經(jīng)之路[8]。熱電解耦不僅可以加大新能源消納,還可以有效增加熱電機(jī)組的深度調(diào)峰能力[9]。本文總結(jié)歸納部分熱電解耦的途徑及供熱改造實(shí)際應(yīng)用方案,并對(duì)可再生能源發(fā)電在未來的發(fā)展等進(jìn)行思考與探索。

2 熱電解耦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

針對(duì)目前以熱定電調(diào)峰能力差、新能源消納不完全而產(chǎn)生棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象,世界各國(guó)都在積極探索解決辦法。從研究現(xiàn)狀來看,對(duì)熱電機(jī)組增設(shè)耦合裝備技術(shù)較為成熟[10]。

2.1 蓄熱罐

蓄熱技術(shù)包含顯熱、潛熱和化學(xué)3種蓄熱方式,目前顯熱、潛熱蓄熱方式在熱電網(wǎng)調(diào)峰工程方面應(yīng)用較為廣泛。從蓄熱罐布置位置來看,可分為熱源側(cè)、用戶側(cè)2種蓄熱方式[11]。在熱源側(cè)布置蓄熱罐,當(dāng)熱電廠所負(fù)責(zé)區(qū)域電負(fù)荷需求增大時(shí),熱電廠生產(chǎn)的熱量隨之增長(zhǎng),而末端熱用戶的熱需求保持穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)產(chǎn)熱量大于需熱量,利用水、相變蓄熱材料等介質(zhì)的蓄熱能力將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱罐中,實(shí)現(xiàn)了熱電解耦,明顯提升熱電機(jī)組調(diào)峰能力,能夠維持電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在用戶側(cè)布置蓄熱罐,當(dāng)熱需求降低時(shí),將供熱管網(wǎng)中多余的熱量轉(zhuǎn)移到蓄熱罐中;當(dāng)熱需求升高時(shí),將熱量從蓄熱罐中提取出來,與供熱管網(wǎng)一同向熱用戶供暖,可以在滿足用戶供暖需求的同時(shí)減少熱網(wǎng)供熱的壓力,且用戶側(cè)蓄熱罐可與分布式光伏、空氣源熱泵等技術(shù)相結(jié)合,具有較好的靈活性。

歐洲部分熱電廠引入蓄熱水罐,提高了燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的利潤(rùn)和熱生產(chǎn)能力,提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和靈活性。對(duì)蓄熱罐體積進(jìn)行模擬運(yùn)算,可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)熱需求,并協(xié)助熱電廠計(jì)劃下一個(gè)工作周期的運(yùn)行模式[12]。Streckiene等人[13]對(duì)熱電廠蓄熱罐最佳尺寸的計(jì)算展開了研究,并對(duì)安裝了蓄熱罐的熱電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益展開調(diào)查,發(fā)現(xiàn)具有蓄熱功能的熱電機(jī)組有較高的經(jīng)濟(jì)效益與可靠性。Nuytten等人[14]對(duì)比了集中式和分散式儲(chǔ)熱對(duì)熱電機(jī)組最大靈活性的影響程度,以及在傳統(tǒng)集中供暖模式下對(duì)熱負(fù)荷高峰的保證情況。學(xué)者們[15-17]針對(duì)增設(shè)蓄熱罐的熱電機(jī)組的有效性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性展開了大量的研究,首先開發(fā)考慮可再生能源調(diào)節(jié)的解耦技術(shù)的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)分析模型,從峰值節(jié)能率和回收率等方面定義新的性能指標(biāo),研發(fā)熱力學(xué)分析模型驗(yàn)證熱電機(jī)組靈活性和熱力學(xué)性能,對(duì)熱電機(jī)組進(jìn)行定量分析,并考慮多技術(shù)整合,將電鍋爐、儲(chǔ)熱裝置、電儲(chǔ)能和旁路補(bǔ)償技術(shù)集成應(yīng)用到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的整體靈活性。

2.2 電鍋爐

電鍋爐的工作原理為:通過電加熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能,加熱鍋爐中的水產(chǎn)生熱水或蒸汽。這種運(yùn)行模式需要電能供應(yīng),在用熱高峰期或熱電機(jī)組供熱不足時(shí)向熱網(wǎng)補(bǔ)充熱能,能夠在不改變熱電機(jī)組工作狀態(tài)下使用過剩的電能,消納新能源電能的并網(wǎng)壓力或者分擔(dān)集中供暖的熱負(fù)荷,從而實(shí)現(xiàn)熱電解耦[18-19]。按照工作原理可將電鍋爐分為電極式、電阻式、電感式3類。其中電極式鍋爐將水作為電阻進(jìn)行生熱,電阻式鍋爐使用鎳鉻合金、鉻鋁合金等電阻絲生熱,電感式鍋爐利用電磁感應(yīng)原理加熱金屬材料生熱。不同的生熱方法導(dǎo)致鍋爐的效果不同,因運(yùn)行維護(hù)、產(chǎn)熱效率及控制精度等因素,電極式鍋爐相較其他2種類型電鍋爐得到了更廣泛的應(yīng)用[20]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)增設(shè)電鍋爐的技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。德國(guó)學(xué)者在區(qū)域供熱管網(wǎng)中增設(shè)電鍋爐,解決了電網(wǎng)在低剩余負(fù)荷時(shí)與熱電廠發(fā)電功率沖突的問題,且節(jié)約成本遠(yuǎn)大于電鍋爐的投資成本[21]。我國(guó)學(xué)者在廠級(jí)AGC(Automatic Generation Control,自動(dòng)發(fā)電控制)調(diào)度控制模式下對(duì)電鍋爐熱電廠多運(yùn)行組合模式的策略進(jìn)行了優(yōu)化,分析電廠設(shè)備和全廠電熱特性,結(jié)合電力、熱力、出力與變負(fù)荷上下限等約束條件,以供能成本和供能煤耗為目標(biāo)函數(shù)建立了優(yōu)化模型[22]。

雖然電鍋爐技術(shù)存在明顯的高品低用現(xiàn)象,但在實(shí)際應(yīng)用過程中擴(kuò)展了熱電機(jī)組的消納能力,蓄熱裝置與電廠內(nèi)的電鍋爐相結(jié)合,保障了供暖供電過程的穩(wěn)定持續(xù)[23],因此在供熱體系改進(jìn)中電鍋爐仍然發(fā)揮著不可忽視的作用。

2.3 熱泵

熱泵能夠分擔(dān)熱電機(jī)組部分熱負(fù)荷,充分利用低品位熱能,吸熱后將熱量轉(zhuǎn)移至負(fù)荷側(cè)散熱,促使熱量逆向傳遞,將常見的低品位熱量(空氣、土壤中的熱量)利用起來,消耗較少的電能產(chǎn)生較大的熱量。熱泵與電鍋爐類似,在調(diào)峰過程中都是將電能轉(zhuǎn)化為熱能,減小熱電機(jī)組的熱負(fù)荷,進(jìn)而擺脫以熱定電的局面[10]。集成熱泵的熱電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。常見的熱泵分為集中式熱泵和分布式熱泵。集中式熱泵主要應(yīng)用于發(fā)電廠,分布式熱泵主要應(yīng)用于末端用戶。增設(shè)熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng),熱電出力發(fā)生了改變:電出力減少,成本較低的風(fēng)電等可再生能源可以上網(wǎng)使用,緩解了棄風(fēng)現(xiàn)象。在熱電解耦技術(shù)消納能力方面,有學(xué)者提出采用水源熱泵將熱電機(jī)組冷卻循環(huán)水中低溫余熱提取至供暖管網(wǎng)中,既提高了供熱量,又增加了風(fēng)電的消納能力[24]。張宇等人[10]對(duì)搭載吸收式熱泵的熱電機(jī)組進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)集成熱泵后的機(jī)組電熱特性圖中安全運(yùn)行區(qū)間擴(kuò)大,電功率上調(diào)和下調(diào)能力分別增加了40.53%、84.76%。當(dāng)今多能源聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)被廣泛關(guān)注,研究表明,集成可逆吸收式熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與傳統(tǒng)機(jī)組相比,其節(jié)能效率可達(dá)43%,節(jié)約成本約5%[25]。

圖1 集成熱泵的熱電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 熱電解耦技術(shù)的應(yīng)用

我國(guó)黑龍江省某熱電廠原有機(jī)組為兩臺(tái)330 MW供熱式汽輪發(fā)電機(jī)組,供熱最大熱負(fù)荷為648.97 MW,增加電鍋爐后機(jī)組負(fù)荷率約為47.3%,可以實(shí)現(xiàn)熱電解耦生產(chǎn)運(yùn)行[26]。華電丹東金山熱電廠原有300 MW熱電機(jī)組2臺(tái),設(shè)計(jì)年發(fā)電量為3 300 GW·h,年供熱量7 000 TJ,增設(shè)260 MW電蓄熱鍋爐,供熱能力為72 MW,利用夜間低谷電蓄熱7 h,年調(diào)峰電量增幅32.4%。大唐遼源發(fā)電廠原有330 MW熱電機(jī)組2臺(tái),增設(shè)26 000 m3蓄熱水罐后具備1 188 MW·h的蓄熱能力,在保證供暖熱負(fù)荷的前提下最小電出力為額定量的70%。吉林江南熱電廠原設(shè)300 MW熱電機(jī)組2臺(tái),增設(shè)吸收式余熱回收熱泵,增加裝機(jī)量80 MW,可回收余熱152 MW。呼和浩特?zé)犭姀S原有350 MW熱電機(jī)組2臺(tái),增設(shè)吸收式余熱回收熱泵后供熱能力提高50.24%[27]。

西班牙某地利用污水處理廠的生物甲烷,采用集成熱泵的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)50 000人的社區(qū)進(jìn)行供暖,在盡可能滿足熱需求條件下降低了供暖成本[28]。瑞典斯德哥爾摩地區(qū)增設(shè)660 MW和300 MW的大型熱泵,以此來減小可再生能源入網(wǎng)帶來的波動(dòng)[29]。丹麥風(fēng)電發(fā)電量占總發(fā)電量的20%以上,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量占火力發(fā)電量的90%,且預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中葉將風(fēng)電比例提升至60%～80%,這些指標(biāo)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前我國(guó)北方大部分地區(qū)[30]。

4 我國(guó)熱電解耦技術(shù)發(fā)展面臨的問題

供暖期電熱矛盾突出及新能源上網(wǎng)電量飛速上漲問題使熱電解耦技術(shù)成為提高電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性的主要手段。筆者認(rèn)為未來熱電解耦技術(shù)可能存在的問題有以下幾點(diǎn)。

① 不同熱電解耦技術(shù)對(duì)熱電機(jī)組增益效果不同,當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究聚焦于各種手段對(duì)熱電機(jī)組調(diào)峰的影響,未從社會(huì)整體的角度多方面綜合看待不同熱電解耦技術(shù)所帶來的增益效果。

② 當(dāng)前研究并未深入分析改造對(duì)機(jī)組的維修和壽命的影響及經(jīng)濟(jì)效益的變化。

③ 國(guó)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域缺乏合理激勵(lì)、補(bǔ)助政策,企業(yè)參加調(diào)峰意識(shí)較薄弱,政府還需積極引導(dǎo),實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

5 建議

① 整合各種儲(chǔ)熱技術(shù),電力、供熱部門聯(lián)合推動(dòng),實(shí)施更廣泛、更靈活的耦合方案,綜合利用供應(yīng)側(cè)、輸電配電側(cè)和需求側(cè)儲(chǔ)熱,因地制宜,形成符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的特色熱電解耦項(xiàng)目。

② 建立規(guī)范的蓄熱價(jià)格體系。支持電力、供熱行業(yè)根據(jù)自身特點(diǎn)開展蓄熱研究和應(yīng)用,加快大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新型技術(shù)在蓄熱技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,建立健全蓄熱價(jià)格體系。

③ 在具備充足的電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源前提下,建立健全保障機(jī)制。各地主管部門應(yīng)明確企業(yè)辦理并網(wǎng)手續(xù)的辦法,鼓勵(lì)蓄熱技術(shù)在熱電企業(yè)的應(yīng)用,盡量向用戶提供一站式的蓄熱服務(wù)。

④ 健全蓄熱法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),完善經(jīng)濟(jì)政策。建議在滿足電負(fù)荷要求的前提下,充分發(fā)揮蓄熱的效率和作用,制定和完善各地設(shè)立發(fā)電機(jī)組配套蓄熱裝置的政策,推動(dòng)建立蓄熱設(shè)備制造、建設(shè)安裝、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等環(huán)節(jié)的安全標(biāo)準(zhǔn)及管理體系,加大支持新型蓄熱技術(shù)發(fā)展的財(cái)政、金融、稅收、土地等政策力度。