（吉林电力股份有限公司四平热电公司 吉林省四平市 136001）
摘要：目前我国北方地区的大中城市采暖仍以污染严重的煤为主要燃料。随着国家环保政策的强化和人民环保意识的增强，调整采暖用能结构，改善环境，将是这些城市面临的重大课题。天然气是一种清洁燃料，以天然气为燃料的热电联产方式采暖的能源利用效率远大于锅炉采暖。燃气热电联产有着较高的发电和供热效率，从能源利用效率的角度看，燃气热电联产是一种更先进的采暖方式。本文从燃气热电联产在采暖应用中面临的困难，燃气热电联产调峰运行方式的提出和实现燃机热电厂电力调峰运行的途径效益几个方面加以分析，得出以电力调峰方式运行的燃气热电厂节能、环保、经济性好的结论。
关键词：天然气；联产；采暖
1 前言
我国北方地区的大中城市采暖仍以污染严重的煤为主要燃料。从环保角度这并不是最佳整采暖用能结构。为此，大批以电、天然气为能源的采暖方式开始出现，如电暖气、电热膜、电热泵、燃气锅炉、家用燃气炉等等。电采暖具有调节灵活、局部无污染的优点，这种采暖形式的应用逐渐增多。但是，将电直接变为热的采暖方式能源浪费是很大。虽然电几乎百分之百地转化为热，但从一次能源的角度，采暖效率却只有30％。这意味着资源的浪费和整体环境污染的加重，因而不符合我国可持续发展战略。天然气是一种清洁燃料，我国储量丰富，以天然气为燃料的热电联产方式采暖符合国家经济和环保政策。热电联产方式的能源利用效率远大于锅炉采暖。
2.燃气热电联产在采暖应用中面临的困难
从经济角度看，由于燃气热电联产系统投资比分散的小燃气锅炉高，燃料成本又比燃煤热电厂贵，往往只有在发电上网电价较高的条件下，才会体现出其相对与燃气锅炉和燃煤热电联产的优势。例如，北京市的几个燃气热电联产工程的可行性论证中上网电价均在0.45元以上。由于北京目前电网并不缺电，又可从内蒙山西等地电网调入大量价格为0.28元/kW.h的用电。因此，燃气热电厂每上网一度电，就要多付出至少0.17元。因此燃气热电联产投资额较高。
3.燃气热电联产调峰运行方式的提出
以北京为例，随着经济的发展，北京的电力负荷增长迅速，2005年最大负荷已达到9000MW。随着第三产业和居民用电的增长，日负荷曲线中峰谷差呈逐年增大趋势，它以高于最大负荷增长速度2个百分点的速度增长，目前最小负荷率已达0. 58。从电力供应侧看，北京供电的基荷主要靠外埠购入，这主要是由于北京以外的山西内蒙煤炭资源丰富，发电成本低廉，同时考虑减轻首都污染等原因。北京电网合理平衡方式是，外埠受电承担北京主要的基荷用电，并具有一定的调峰能力，在北京市及近郊建设一定容量的燃气轮机电厂并配合以抽水蓄能电站来参与电力调峰。
4.实现燃机热电厂电力调峰运行的途径
实现燃气轮机热电厂以电力调峰方式运行的关键是，如何处理电网负荷和供热负荷之间相互耦合的问题。例如，对于采暖用户来讲，全天需要供热，而在电力负荷低谷期燃气轮机组因停机而无法供热，如何满足这段时间供热负荷的要求呢？为此，解决燃气轮机热电厂电力调峰问题可通过以下方式：
1）利用房间和建筑物的热惯性。在采暖供热系统的实际运行中，由于建筑物具有蓄热性，一天中某一时段供热量的改变对室温的影响并不显著。因此，利用这种热惯性，则可以在不影响用户采暖效果的前提下，改变一天之中不同时段的热网供热量，从而使热电厂参与电力调峰成为可能。
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2）增设蓄热装置。当采暖负荷的变化与电力负荷不一致时，要实现更好的调峰目的，更彻底的方法是增设蓄能装置。在电力负荷高峰时段，燃气轮机组除了满足采暖负荷外，向蓄热器蓄热。在电力负荷低谷期，燃气轮机组停运，这时的采暖负荷可由蓄热装置放热来承担。这样，通过改变蓄热装置热量的蓄放量来调整供热机组工况，从而改变机组不同时间的发电量，最终实现电力调峰优化运行。
3）配置适当容量的燃气锅炉。一般热电联产系统中的锅炉是在严寒期作为尖峰锅炉使用的。而当热电厂参与电力调峰时，热电联产机组供热量无法满足采暖负荷要求时，则可以投入锅炉补充热量来满足该时段采暖负荷的要求。
以下结合一个燃气轮机热电联产采暖系统的例子对上述电力调峰方式运行加以分析。
一个燃气热电厂主要由燃气轮机组、燃气锅炉和蓄热罐组成。燃气轮机组的形式为燃气－蒸汽联合循环。最大抽汽工况下发电和供热容量均为100MW。燃气锅炉的容量为60MW（80T/H）。蓄热形式为分层水蓄热。蓄热罐容积为8000M3。取蓄热效率为85％，蓄热温差为40℃（55℃～95℃），则蓄热容量可达1140GJ。本例所取的蓄热罐容量，仅是为了说明问题。实际上，在热网和建筑物热惯性大的热力系统中，蓄热器的容量还可更小，甚至不设置蓄热器。
这个热电厂拟承担面积为200×104m2的用户采暖，热电厂采取两班制调峰运行方式。根据北京电力负荷日分布情况，从晚21：00至第二天早7：00的夜间共10个小时是电力负荷低谷期，燃气轮发电机组停运。其它时间，即从早7：00至晚21：00共14个小时认为是电力负荷高峰期，燃气轮机组满负荷发电运行。停运的这段时间的供热由蓄热罐放热和锅炉出力完成。根据蓄热罐的蓄热容量可知，在这10个小时连续放热能力可达32MW。针对燃气锅炉运行工况的特点，整个采暖季热电厂的运行可以简化为三种情况描述。
第一种情况是在严寒期，由于这是采暖负荷最大的一段时期，在电力负荷低谷的燃气轮机组停运时段，燃气锅炉满负荷运行。在电力高峰时段，燃气轮机组满负荷供热，同时燃气锅炉也要投入使用以满足采暖负荷的要求。电力峰谷期之间供热量差别较大，可以靠热网、采暖建筑物热惯性以及蓄热罐对热量的蓄放来保证采暖效果。蓄热罐白天吸热，夜间放热来实现热网一天中均匀供热，即在电力高峰期蓄热，低谷期放热。
第二种情况是，随着采暖负荷的降低，燃气锅炉只在电力负荷低谷的夜间运行，而在电力负荷高峰时段燃气轮机组仍满负荷供热。如果要保持一天中均匀供热，则蓄热罐的蓄热能力已达不到了。因此，可利用供热系统的热惯性，适当改变一天中的供热量，而不影响采暖效果。
第三种情况是，在采暖负荷更小的初末寒期，燃气锅炉停止使用，全天供热均由燃气轮机组在电力负荷高峰期提供。要保持一天中均匀供热，显然蓄热罐的蓄放能力也不够，需要利用热网和建筑物的热惯性，采取一天中的非均匀供热。
经计算，整个采暖季上述热电厂采暖供热量8.63×105GJ，其中燃气轮机组供热6.49×105GJ，燃气锅炉供热2.14×105GJ。如果燃气－蒸汽联合循环装置在最大供热工况下的发电效率为40％，能源利用效率为82％，凝汽工况下发电效率为50％，燃气锅炉效率为90％（考虑管道损失），则整个采暖季发电量1.89×108Kw.h，热电厂热耗为1.93×106GJ，折合天然气5.52×107Nm3（取1Nm3天然气热值为0.035GJ）。整个采暖季全厂能源利用效率为80.5%，热电比为1.27。
5.效益分析
将燃气热电厂供热方案与热电分产方案，即以燃气锅炉供热和以纯燃气电厂调峰发电作比较。
1）节能和环保 对于上述举例中一个采暖期热电厂的发电量和供热量，如果采用热电分产，则需要分别耗天然气3.90×107Nm3和2.74×107 Nm3。热电联产比热电分产节约天然气1.12×107 Nm3，即采用燃气热电厂供热比燃气锅炉供热节约天然气41％，热电联产比热电分产节能17％。
2）经济性 从初投资方面看，燃气热电联产明显比热电分产方案投资低，主要原因是热电厂增加的供热系统投资比单独建设供热厂的投资要低的多。在运行费方面，由于热电联产的能耗明显低于热电分产，因而造成运行成本也会明显降低。在上例中，对于一个200万m2采暖面积的燃气热电联产系统，仅能耗费每采暖季就相对于热电分产节省1.57×107元（取天然气价格为1.4元/Nm3）。
6.结论
1）由于天然气燃料昂贵和北京外埠购电的低廉，燃气锅炉和常规燃气热电联产运行方式经济性差。
2）提出燃气热电联产系统电力调峰的采暖运行方式，该方式可通过利用热网和建筑物热惯性、增设蓄热罐和适当容量的燃气锅炉等方法实现。
3）以电力调峰方式运行的燃气热电厂节能、环保、经济性好，值得推广。
燃气热电厂在非采暖季可根据电网的要求，和其他调峰电厂一样，参与电力调峰。尤其在夏季，在条件允许的情况下，除满足调峰要求外，还可承担供冷负荷，形成热电冷三联供的电力调峰运行方式。
论文作者:王吏
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/19
标签：采暖论文; 蓄热论文; 热电论文; 负荷论文; 热电厂论文; 燃气轮机论文; 电力论文; 《电力设备》2017年第31期论文;