（河北省电力勘测设计研究院 河北省电力勘测设计工程技术研究中心 河北石家庄 050031）
摘要：东北地区由于调峰条件差，弃风、弃核现象严重，本文通过对电网现有调峰方式的分析，针对大型热电厂供暖期热电耦合问题，提出在大型热电厂侧设置大功率电蓄热锅炉组合的调峰方式，为以后大型热电厂的热电解耦、进行调峰辅助服务改造提供有益的参考。
关键词：大型热电厂；调峰；电蓄热锅炉；组合
1 电网系统调峰困难
东北地区由于燃煤热电比例高，调峰电源建设条件差，冬季供暖期调峰困难，弃风、弃核等问题严重，电力系统的新能源消纳能力成为制约我国可再生能源发展的关键因素。本文以吉林省电力系统为例，2015年，吉林省弃风电量达27亿千瓦时，弃风率为32%，全省风电平均利用小时数为1430小时，电网电力供应依然保持平衡有余，供大于求的局面。采暖期，供热机组占比高，电网调峰能力不足，尖峰时段，月均最大发电能力余额在3230MW左右，按满足供热期最小开机方式安排火电机组运行，低谷时段无下旋备，电力电量平衡十分困难；非采暖期，供热机组大量停备，纯凝、大容量火电机组运行较多，电网调峰能力增强，能够满足迎峰度夏期间电力电量平衡。
2015年吉林省供电负荷持续走低，联络线外送电量同比大幅降低，电源装机进一步增加，电网调峰和风电消纳矛盾愈加突出，同时产生三个严重后果：1、电网低谷电力平衡异常困难，调度压力巨大，增加了电网安全运行风险；2、电网消纳风电、核电等新能源的能力严重不足，弃风问题十分突出，不利于地区节能减排和能源结构转型升级；3、电网调峰与火电机组供热之间矛盾突出，影响居民冬季供暖安全，存在引发民生问题的风险。
2 电网系统现有的调峰服务方式
目前，电网系统现有的主要调峰服务方式有实时深度调峰、可中断负荷调峰、电储能调峰、火电停机备用调峰、火电应急启停调峰等。
实时深度调峰是指火电厂开机机组通过在日内调减出力，使火电厂机组平均负荷率小于或等于调峰基准；可中断负荷调峰暂指具有电蓄热设施并主要在电网低谷时段用电蓄热，能够在负荷侧为电网提供的调峰的方式；电储能调峰是指蓄电设施通过在低谷或弃风、弃核时段储存电力，在其他时段释放电力；火电停机备用调峰是指火电机组通过停机备用将低谷时段电力空间出让给风电、光电、核电，同时将非低谷时段电量出让给其他机组，以缓解电网调峰矛盾，促进清洁能源消纳；火电应急启停调峰是指供热期火电机组根据调度指令，在核定的最小运行方式以下通过应急启停而满足电网调峰需求。
国内现役机组由于存在锅炉低负荷稳燃和低负荷SCR系统运行问题、锅炉水冷壁及汽机进汽系统金属壁厚不能适应负荷快速爬升和变动、DCS系统缺乏深度调峰的控制程序和系统等等问题，现役机组一般最小出力可降低到额定出力的30%左右就到极限了，对于电网核定的最小运行方式来说，调峰能力是很有限的（供热期：有偿调峰补偿第一档纯凝火电机组要求负荷率为40%<负荷率≤48%，热电机组要求40%<负荷率≤50%；非供热期：有偿调峰补偿第一档纯凝火电机组要求40%<负荷率≤50%，热电机组要求40%<负荷率≤48%；全部火电机组第二档要求负荷率≤40%。）；对于热电联产机组以热定电，热电耦合，按满足供热期最小开机方式运行，电力调峰能力更差。可中断负荷、电储能、火电停机备用、火电应急启停等调峰方式虽然可以在一定程度上满足电网调峰的需求，但对于发电供热侧的电厂来说，不能产生直接的经济效益。
3大功率电蓄热调峰服务方式的提出
在热电机组侧设置大功率电蓄热锅炉组合，将发电机组电能转换成热能补充到热网，可以实现燃煤火电机组在不降低出力的情况下，实现对电网的深度调峰，对于提高电力系统可再生能源消纳能力有十分重要的意义。此外，新增的电蓄热炉可增加高峰期热量供应，提高热电厂供热能力，有利于周边地区进一步治理散煤燃烧，降低燃煤污染物排放量，对大气污染防治有积极的意义。
4电蓄热调峰的原理
电蓄热调峰以热电厂为主，是因为热电厂可以将电能转换成热能用于集中供热，纯凝电厂由于没有热负荷，如果将电能储存再转化成电能或者其他能量形式损失较大，因此纯凝电厂参与调峰主要是减负荷。热电厂的运行采取“以热定电”的方式，如果不增加储能设备，热电厂根据供热量决定其发电量，而增加了储能设施后，电厂在不减负荷的情况下可以把电能储存成热能，在其他时段再作为热能供给热网，实现电能的转换。
图-1 热电厂配置储能示意图
图-1为各种能源形式运行上网的示意图，各电厂均发电通过电网向用户输送，在电负荷和热负荷一定的情况下，各种能源方式根据需要，通过电网调度进行分配，如果燃煤电厂上网电量大，势必要减少风电、光电、核电等清洁能源的上网电量。从图中可以看出，光电、风电、核电、纯凝电厂没有自主调节能力，由于电无法直接储存，只能上网，因此当电负荷发生变化时，这几类电厂只能调整发电量；而供热电厂由于输出的有热能和电能两种形式，如果增加储能设施，可以将多余的电能通过储能设施转变成热能储存起来。因此供热电厂在用电低谷时，可以通过减少上网电量，增加光电、风电、核电等清洁能源的上网电量（也可直接从网上受电），变相的通过储能设施增加了光电、风电、核电等清洁能源的上网电量，以达到电网深度调峰的目的。
5 电蓄热锅炉组合调峰技术
目前国内主要的电蓄热调峰技术有高压固体电蓄热锅炉调峰技术（以下简称“固体蓄热技术”）和高电压水蓄热锅炉调峰技术（以下简称“水蓄热技术”）。
1）固体蓄热技术
固体蓄热是一种利用电作为动力的新型技术设备，属于国家863项目，是利用低谷电或弃光、弃风、弃核等清洁电采取固体储热方式的一种大功率新型热源。该设备可以直接在66KV（或更高的220KV）电压等级下工作，设备可以大量消纳弃光、弃风、弃核等电，实现了大规模和超大规模城市区域24小时连续供热能力，可以替代目前广泛使用的燃煤、燃气、燃油锅炉，使用过程中没有任何废气、废水、废渣产生，实现了二氧化碳零排放，是供热领域环保升级换代产品。
固体蓄热设备由高压电发热体、高温蓄能体、高温热交换器、热输出控制器、耐高温保温外壳和自动控制系统等组成。
工作原理是：在预设的电网低谷时间段或弃光、弃风、弃核等时段，自动控制系统接通高压开关，高压电网为高压电发热体供电，高压电发热体将电能转换为热能同时被高温蓄能体不断吸收，当高温蓄热体的温度达到设定的上限温度或电网低谷时段结束或弃光、弃风、弃核等时段结束时，自动控制系统切断高压开关，高压电网停止供电，高压电发热体停止工作。高温蓄热体通过热输出控制器与高温热交换器连接，高温热交换器将高温蓄热体储存的高温热能转换为热水、热风或蒸汽输出。
工作原理图：
2）水蓄热技术
水蓄热系统主要由：电极式锅炉、蓄热水罐、循环水泵、定压补水设备、换热器等设备组成。它的工作过程是将电能转化热能，并将热能传递给介质的能量转换装置，它由两个环节组成：将电能转化热能：电极式锅炉通过电极与水接触产生热量；将热能传递给介质：电极通电后，不断地产生热量，并被介质（水）不断地吸收带走，介质（水）由低温升至高温，再由循环水泵送到热用户，释放能量，介质（水）再由高温降至低温，进入电极锅炉，以此往复保持热量平衡。
4）电蓄热锅炉组合技术
通过以上两种电蓄热技术的综合比较，可以看出两种电蓄热技术各有优缺点。固体蓄热具有较大的技术优势：更高的高压电直供，可以减少变压器的初投资；加热储热一体，储热温度高、储热能力强，系统具有体积小、热容量大等特点；操作简单，无需专人值守；系统在无压状态下运行，安全可靠，运行无耗材、无需安评、环评等等。水蓄热也有其独特的技术优势：无极调速，可不对电网产生任何冲击影响。因此，在将来的实施中可以根据电厂实际情况灵活采取两种电蓄热的组合方式。
6 结束语
目前，电蓄热设备已在各地多个项目供暖使用，效果良好。特别是电蓄热组合技术可以更好的大量消纳弃光、弃风、弃核等电，提高电力系统可再生能源消纳能力，增加供热期高峰期热量供应，提高热电厂供热能力，对改善我国的大气环境，解决雾霾污染，提高可再生能源利用率，提升我国的环保形象有着重要的现实意义。
参考文献：
[1]《东北电力辅助服务市场运营规则（试行）》[2016]252号；
[2]《东北电力辅助服务市场专项改革试点方案》[2016]251号；
[3]《2015年风电产业发展统计数据》。
论文作者:董云风
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/4/11
标签：蓄热论文; 电网论文; 机组论文; 负荷论文; 火电论文; 热电厂论文; 热能论文; 《电力设备》2017年第29期论文;