摘要：熱電聯(lián)產(chǎn)機組在發(fā)電負荷降低時供熱出力相應(yīng)降低，在電網(wǎng)消納風電時需要壓減常規(guī)能源電廠發(fā)電出力保持電力供需平衡。當熱電機組減少發(fā)電時，供熱出力隨之降低，城市熱網(wǎng)供應(yīng)受到影響。所以，北京燃氣電廠熱、電解耦方式研究工作勢在必行。本文將通過對燃氣熱水爐、固體電蓄熱鍋爐、蓄熱罐、電極蓄熱系統(tǒng)四種熱電解耦技術(shù)案例進行經(jīng)濟性、優(yōu)缺點分析。
關(guān)鍵詞： 燃氣電廠；熱電解耦；案例分析
引言
供熱是冬季最大民生工程，在確保供熱資源可靠、保障供熱系統(tǒng)韌性的基礎(chǔ)上，逐步推進供熱系統(tǒng)重構(gòu)。在北京市2025年“碳達峰后穩(wěn)中有降”和2050年“率先實現(xiàn)碳中和”的總體目標之間，合理設(shè)置供熱系統(tǒng)重構(gòu)的三級臺階。2021年至2025年，作為供熱系統(tǒng)重構(gòu)的準備階段，以智能化供熱、供熱資源整合和熱網(wǎng)系統(tǒng)重組為主要抓手，統(tǒng)籌布局供熱系統(tǒng)重構(gòu)，探索新能源和可再生能源供熱技術(shù)路徑，開展試點示范。
1北京燃氣電廠熱、電解耦研究思路
在供熱季，當出現(xiàn)用電需求降低的情況時，各燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱能力降低，將會造成城市熱力管網(wǎng)的供熱缺口。
解決北京市城市熱電矛盾的主要思路為：
圖1 由電力調(diào)峰導致的熱網(wǎng)調(diào)峰缺口計算思路圖
2北京燃氣電廠熱、電解耦實施方向
熱電機組的發(fā)電量與供熱量有一定關(guān)系：發(fā)電量較大的時候，可以提供較大的供熱量，反之如果發(fā)電量較小，則只能提供較小的供熱量。發(fā)電機組發(fā)電量、供熱量、時間等幾個變量存在一定的關(guān)聯(lián)，即“耦合關(guān)系”。熱電解耦技術(shù)的外部改造的主要方式包括燃氣鍋爐、固體電蓄熱鍋爐、電極鍋爐、蓄熱罐。下面就各熱電解耦方式開展方案比較。
3北京燃氣電廠熱、電解耦方案對比
3.1燃氣熱水爐
天然氣熱水鍋爐是以天然氣為燃料進行燃燒加熱，將溫度升高后的熱網(wǎng)循環(huán)水通過水泵升壓后送入市政熱力管網(wǎng)。天然氣作為清潔燃料，與其他燃料相比有著無法比擬的優(yōu)點。同時天然氣熱水鍋爐還有自動化程度高、啟停迅速、升溫速度快、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點。
3.2高壓固體電蓄熱鍋爐方案
高壓固體電蓄熱設(shè)備組成：高壓電發(fā)熱體；高溫蓄能體；高溫熱交換器；熱輸出控制器；耐高溫保溫外殼和自動控制系統(tǒng)等組成。
在預設(shè)的電網(wǎng)低谷時間段或風力發(fā)電的棄風電時段，自動控制系統(tǒng)接通高壓開關(guān)，高壓電網(wǎng)為高壓電發(fā)熱體供電，高壓電發(fā)熱體將電能轉(zhuǎn)換為熱能同時被高溫蓄能體不斷吸收，當高溫蓄熱體的溫度達到設(shè)定的上限溫度或電網(wǎng)低谷時段結(jié)束或風力發(fā)電棄風電時段結(jié)束時，自動控制系統(tǒng)切斷高壓開關(guān)，高壓電網(wǎng)停止供電，高壓電發(fā)熱體停止工作。高溫蓄熱體通過熱輸出控制器與高溫熱交換器連接，高溫熱交換器將高溫蓄熱體儲存的高溫熱能轉(zhuǎn)換為熱水、熱風或蒸汽輸出。
3.3熱水蓄熱罐
采用熱水儲熱方式進行熱電解耦，建設(shè)一個容積足夠大的熱水儲熱罐，儲存熱網(wǎng)水，在汽輪機承擔較高的發(fā)電負荷時，汽輪機抽汽可以提供足夠多的熱量，同時向熱網(wǎng)供熱和加熱熱水儲熱罐中的水；當由于調(diào)峰需要，汽輪機發(fā)電負荷降低時，汽輪機抽汽量減少，從汽輪機抽取的熱量低至不足以滿足向熱網(wǎng)的供熱需求，此時從熱水儲熱罐抽出熱水向熱網(wǎng)供熱以補充汽輪機抽汽向熱網(wǎng)供熱的不足，實現(xiàn)了熱電解耦。
3.4電極蓄熱系統(tǒng)
電極蓄熱系統(tǒng)由電極鍋爐和蓄熱罐組成。蓄熱罐的熱量由機組和電極鍋爐兩部分組成。當熱電機組長期低負荷或者極端寒冷天氣情況下機組沒有多余熱量進行儲存時，用電低谷期利用電極鍋爐給蓄熱罐補充。
高壓電極鍋爐將電能轉(zhuǎn)化熱能，并將熱能傳遞給介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換裝置，它由兩個環(huán)節(jié)組成：將電能轉(zhuǎn)化熱能：電極式—電流通過電極與水接觸產(chǎn)生熱量；將熱能傳遞給介質(zhì)：電極通電后，不斷地產(chǎn)生熱量，并被介質(zhì)（水）不斷地吸收帶走，介質(zhì)（水）由低溫升至高溫，再由循環(huán)水泵送到熱用戶，釋放能量，介質(zhì)（水）再由高溫降至低溫，進入電極鍋爐，以此往復保持熱量平衡。
電極式水蓄熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)點：運行方式靈活，有利于電網(wǎng)、熱網(wǎng)調(diào)峰，增加熱電機組運行效率，有利于熱網(wǎng)運行安全。
4北京市對熱電解耦項目的探索
4.1大唐高井電廠電蓄熱項目
2017年大唐高井電廠對電蓄熱項目進行了可行性研究，提出建設(shè)規(guī)模6臺40兆瓦電極式鍋爐及2座2萬立方米蓄熱罐，蓄熱量為1280兆瓦時�？紤]電廠負荷上升時導致的供熱負荷加大，同時考慮夜間低谷電蓄熱；平時兼用作應(yīng)急補水使用。總占地面積為約5920㎡，建設(shè)投資約2.26千萬元。
4.2華能高碑店電蓄熱項目
2016年華能國際北方公司委托華北電力設(shè)計院對電蓄熱項目進行了可行性研究，提出在高碑店地區(qū)建設(shè)規(guī)模4臺40兆瓦電極式鍋爐+2座1.7萬立方米蓄熱罐�？傉嫉孛娣e為約2萬㎡，建設(shè)投資約1.72千萬元。
4.3京能石景山熱電廠160兆儲能供熱示范項目
北京市熱力集團在石景山熱電廠主廠房南側(cè)及脫硝工藝樓西側(cè)擬新建4臺40兆瓦電極式熱水鍋爐，配套建設(shè)3萬立方米蓄熱水罐及其附屬設(shè)備，總供熱能力為160兆瓦，年供熱量63.8萬吉焦，可替代供熱面積約212萬㎡。估算項目建設(shè)投資1.59億元，占地面積5800㎡。
結(jié)語
通過對燃氣熱水爐、固體電蓄熱鍋爐、蓄熱罐、電極蓄熱系統(tǒng)四種熱電解耦技術(shù)方案經(jīng)濟性、優(yōu)缺點進行對比可以得出，蓄熱罐可作為近期北京市燃氣電廠熱電解耦措施；待電價、設(shè)備造價進一步降低，華北電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場進一步成熟后，電極蓄熱可作為燃氣電廠熱電解耦措施。
參考文獻
[1] 劉圣冠,喬磊,翟鵬程,等. 蓄熱電鍋爐供熱技術(shù)及工程應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電,2020,49(8):91-96
[2] 羅勇,陳鵬. 固體蓄熱電鍋爐放熱過程蓄熱體組溫降一致性研究[J]. 石家莊鐵道大學學報（自然科學版）,2020,33(1):116-121
[3] 王鋒,李大勇,方勁宇,等. 基于儲能協(xié)調(diào)蓄熱式電鍋爐消納風電供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性評估[J]. 電工電能新技術(shù),2019,38(6):50-56
[4] 張勇. 高壓電極蓄熱鍋爐工作原理、應(yīng)用前景及示范效應(yīng)[J]. 山東工業(yè)技術(shù),2017(17):4,42
[5] 汪喆,陳衛(wèi)波,葉元華. 蓄熱式電極鍋爐在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導報,2018,15(27):88-89
關(guān)鍵詞： 燃氣電廠；熱電解耦；案例分析
引言
供熱是冬季最大民生工程，在確保供熱資源可靠、保障供熱系統(tǒng)韌性的基礎(chǔ)上，逐步推進供熱系統(tǒng)重構(gòu)。在北京市2025年“碳達峰后穩(wěn)中有降”和2050年“率先實現(xiàn)碳中和”的總體目標之間，合理設(shè)置供熱系統(tǒng)重構(gòu)的三級臺階。2021年至2025年，作為供熱系統(tǒng)重構(gòu)的準備階段，以智能化供熱、供熱資源整合和熱網(wǎng)系統(tǒng)重組為主要抓手，統(tǒng)籌布局供熱系統(tǒng)重構(gòu)，探索新能源和可再生能源供熱技術(shù)路徑，開展試點示范。
1北京燃氣電廠熱、電解耦研究思路
在供熱季，當出現(xiàn)用電需求降低的情況時，各燃氣熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱能力降低，將會造成城市熱力管網(wǎng)的供熱缺口。
解決北京市城市熱電矛盾的主要思路為：
圖1 由電力調(diào)峰導致的熱網(wǎng)調(diào)峰缺口計算思路圖
熱電機組的發(fā)電量與供熱量有一定關(guān)系：發(fā)電量較大的時候，可以提供較大的供熱量，反之如果發(fā)電量較小，則只能提供較小的供熱量。發(fā)電機組發(fā)電量、供熱量、時間等幾個變量存在一定的關(guān)聯(lián)，即“耦合關(guān)系”。熱電解耦技術(shù)的外部改造的主要方式包括燃氣鍋爐、固體電蓄熱鍋爐、電極鍋爐、蓄熱罐。下面就各熱電解耦方式開展方案比較。
3北京燃氣電廠熱、電解耦方案對比
3.1燃氣熱水爐
天然氣熱水鍋爐是以天然氣為燃料進行燃燒加熱，將溫度升高后的熱網(wǎng)循環(huán)水通過水泵升壓后送入市政熱力管網(wǎng)。天然氣作為清潔燃料，與其他燃料相比有著無法比擬的優(yōu)點。同時天然氣熱水鍋爐還有自動化程度高、啟停迅速、升溫速度快、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點。
3.2高壓固體電蓄熱鍋爐方案
高壓固體電蓄熱設(shè)備組成：高壓電發(fā)熱體；高溫蓄能體；高溫熱交換器；熱輸出控制器；耐高溫保溫外殼和自動控制系統(tǒng)等組成。
在預設(shè)的電網(wǎng)低谷時間段或風力發(fā)電的棄風電時段，自動控制系統(tǒng)接通高壓開關(guān)，高壓電網(wǎng)為高壓電發(fā)熱體供電，高壓電發(fā)熱體將電能轉(zhuǎn)換為熱能同時被高溫蓄能體不斷吸收，當高溫蓄熱體的溫度達到設(shè)定的上限溫度或電網(wǎng)低谷時段結(jié)束或風力發(fā)電棄風電時段結(jié)束時，自動控制系統(tǒng)切斷高壓開關(guān)，高壓電網(wǎng)停止供電，高壓電發(fā)熱體停止工作。高溫蓄熱體通過熱輸出控制器與高溫熱交換器連接，高溫熱交換器將高溫蓄熱體儲存的高溫熱能轉(zhuǎn)換為熱水、熱風或蒸汽輸出。
3.3熱水蓄熱罐
采用熱水儲熱方式進行熱電解耦，建設(shè)一個容積足夠大的熱水儲熱罐，儲存熱網(wǎng)水，在汽輪機承擔較高的發(fā)電負荷時，汽輪機抽汽可以提供足夠多的熱量，同時向熱網(wǎng)供熱和加熱熱水儲熱罐中的水；當由于調(diào)峰需要，汽輪機發(fā)電負荷降低時，汽輪機抽汽量減少，從汽輪機抽取的熱量低至不足以滿足向熱網(wǎng)的供熱需求，此時從熱水儲熱罐抽出熱水向熱網(wǎng)供熱以補充汽輪機抽汽向熱網(wǎng)供熱的不足，實現(xiàn)了熱電解耦。
3.4電極蓄熱系統(tǒng)
電極蓄熱系統(tǒng)由電極鍋爐和蓄熱罐組成。蓄熱罐的熱量由機組和電極鍋爐兩部分組成。當熱電機組長期低負荷或者極端寒冷天氣情況下機組沒有多余熱量進行儲存時，用電低谷期利用電極鍋爐給蓄熱罐補充。
高壓電極鍋爐將電能轉(zhuǎn)化熱能，并將熱能傳遞給介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換裝置，它由兩個環(huán)節(jié)組成：將電能轉(zhuǎn)化熱能：電極式—電流通過電極與水接觸產(chǎn)生熱量；將熱能傳遞給介質(zhì)：電極通電后，不斷地產(chǎn)生熱量，并被介質(zhì)（水）不斷地吸收帶走，介質(zhì)（水）由低溫升至高溫，再由循環(huán)水泵送到熱用戶，釋放能量，介質(zhì)（水）再由高溫降至低溫，進入電極鍋爐，以此往復保持熱量平衡。
電極式水蓄熱鍋爐系統(tǒng)優(yōu)點：運行方式靈活，有利于電網(wǎng)、熱網(wǎng)調(diào)峰，增加熱電機組運行效率，有利于熱網(wǎng)運行安全。
4北京市對熱電解耦項目的探索
4.1大唐高井電廠電蓄熱項目
2017年大唐高井電廠對電蓄熱項目進行了可行性研究，提出建設(shè)規(guī)模6臺40兆瓦電極式鍋爐及2座2萬立方米蓄熱罐，蓄熱量為1280兆瓦時�？紤]電廠負荷上升時導致的供熱負荷加大，同時考慮夜間低谷電蓄熱；平時兼用作應(yīng)急補水使用。總占地面積為約5920㎡，建設(shè)投資約2.26千萬元。
4.2華能高碑店電蓄熱項目
2016年華能國際北方公司委托華北電力設(shè)計院對電蓄熱項目進行了可行性研究，提出在高碑店地區(qū)建設(shè)規(guī)模4臺40兆瓦電極式鍋爐+2座1.7萬立方米蓄熱罐�？傉嫉孛娣e為約2萬㎡，建設(shè)投資約1.72千萬元。
4.3京能石景山熱電廠160兆儲能供熱示范項目
北京市熱力集團在石景山熱電廠主廠房南側(cè)及脫硝工藝樓西側(cè)擬新建4臺40兆瓦電極式熱水鍋爐，配套建設(shè)3萬立方米蓄熱水罐及其附屬設(shè)備，總供熱能力為160兆瓦，年供熱量63.8萬吉焦，可替代供熱面積約212萬㎡。估算項目建設(shè)投資1.59億元，占地面積5800㎡。
結(jié)語
通過對燃氣熱水爐、固體電蓄熱鍋爐、蓄熱罐、電極蓄熱系統(tǒng)四種熱電解耦技術(shù)方案經(jīng)濟性、優(yōu)缺點進行對比可以得出，蓄熱罐可作為近期北京市燃氣電廠熱電解耦措施；待電價、設(shè)備造價進一步降低，華北電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場進一步成熟后，電極蓄熱可作為燃氣電廠熱電解耦措施。
參考文獻
[1] 劉圣冠,喬磊,翟鵬程,等. 蓄熱電鍋爐供熱技術(shù)及工程應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電,2020,49(8):91-96
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[3] 王鋒,李大勇,方勁宇,等. 基于儲能協(xié)調(diào)蓄熱式電鍋爐消納風電供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟性評估[J]. 電工電能新技術(shù),2019,38(6):50-56
[4] 張勇. 高壓電極蓄熱鍋爐工作原理、應(yīng)用前景及示范效應(yīng)[J]. 山東工業(yè)技術(shù),2017(17):4,42
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