郭容赫，潘宏剛，董思宇

(1.沈陽理工大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110159;2.沈陽工程學院能源與動力學院，遼寧沈陽110136)

1 我國風力發(fā)電現(xiàn)狀及棄風現(xiàn)象

隨著現(xiàn)代風力發(fā)電技術不斷更新，風力發(fā)電單機容量不斷增大，兆瓦級風力發(fā)電機逐漸成為風力發(fā)電的主力機組.風力發(fā)電具有技術成熟、建設周期短、運行和維護成本低以及不產(chǎn)生任何污染等諸多優(yōu)勢，已成為我國當今發(fā)展最快的可再生清潔能源之一［1］.2013年新增風電并網(wǎng)容量1 449萬kW，風電年發(fā)電量1 349億kWh，成為我國繼火電、水電之后的第三大能源來源.

受電網(wǎng)調(diào)峰能力不足的約束，限制風電上網(wǎng)的問題日益突出.根據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:2013年全國棄風電量162.31億kWh，平均棄風率11%，限制風電出力主要集中在甘肅、河北、蒙東、蒙西及吉林等地區(qū)，風電消納問題仍集中“三北”(西北、華北及東北)地區(qū).在我國北方，棄風主要發(fā)生在冬季供熱期以及夜間低谷負荷期.在冬季供熱期間，供熱機組負荷已降到最低值，電網(wǎng)無從消納過剩電力供應，被迫限制風電出力，特別是在夜間低谷負荷期間，電力負荷很低，風電出力較大，更要限制風電出力.風電的這種反調(diào)峰特性，導致區(qū)域中大量風電不能上網(wǎng)、產(chǎn)生嚴重的棄風問題，特別是內(nèi)蒙和東北地區(qū)受風能資源豐富，電力負荷需求低，供熱周期長等不利因素影響，冬季棄風現(xiàn)象更加嚴重［2］.

2 抽汽回熱系統(tǒng)消納風電

2.1 抽汽回熱系統(tǒng)的組成及作用

抽汽回熱系統(tǒng)由加熱器、抽汽管道、疏水管道、給水管道、閥門等設備組成，是電廠熱力系統(tǒng)中重要的組成部分.抽汽回熱是從汽輪機數(shù)個中間級抽出一部分蒸汽，引入加熱器，對凝結(jié)水或者給水進行加熱.抽出的蒸汽做了部分功后不再送至凝汽器，使蒸汽熱量得到充分利用，同時利用蒸汽加熱給水，提高了給水溫度，減少了鍋爐受熱面的傳熱溫差，從而減少了給水加熱工程中的不可逆損失.抽汽回熱系統(tǒng)是影響電廠熱效率最大的系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)的利用減少了汽輪機的冷源損失，大大提高了機組循環(huán)熱效率.

2.2 電鍋爐加熱凝結(jié)水

電鍋爐加熱凝結(jié)水，使水溫達到某個加熱器出口溫度時，就可以替代該加熱器的抽汽量，不需要抽汽加熱凝結(jié)水，省下的這部分蒸汽繼續(xù)在汽輪機內(nèi)做功.該方法可以消納棄風電量，同時也提高了電廠經(jīng)濟性.

2.3 電鍋爐替代抽汽方式

電鍋爐加熱凝結(jié)水后，由于引入回熱系統(tǒng)地點不同，替代加熱器的抽汽量是不同的.引入4#低加入口處，只能替代4#低加抽汽量;引入3#低加入口處，可以替代3#低加抽汽量，或者替代3#、4#低加抽汽量.依此類推，引入2#低加入口處，有3種替代方式，引入1#低加入口處，有4種替代方式.電鍋爐加熱凝結(jié)水后，分別引入4臺低加的入口處，可有10種替代加熱器抽汽方式［3］.

2.4 經(jīng)濟性分析

以某熱電廠300 MW機組為例，該機組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽，機組設有8段回熱抽汽，依次供給3臺高壓加熱器、1臺除氧器和4臺低壓加熱器，并在中低壓導管上設有采暖抽汽(5段抽汽)，機組原則性熱力系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 機組原則性熱力系統(tǒng)

以額定工況平衡圖的數(shù)據(jù)為基礎，以電鍋爐加熱凝結(jié)水替代1#低加抽汽量為例說明，應用等效熱降法分析各項經(jīng)濟指標.

1 kg主蒸汽的等效熱降為

式中，h0—主蒸汽的焓，kJ·(kg)－1;hn—排汽焓，kJ·(kg)－1;σ—再熱器吸熱量，kJ·(kg)－1;τr—加熱器焓升，kJ·(kg)－1;ηr—抽汽效率.

電鍋爐加熱凝結(jié)水，水溫等于1#低加出口水溫時，可以替代1#低加的抽汽量，此時1 kg主蒸汽等效熱降為

被排擠的1#低加抽汽回到汽輪機內(nèi)繼續(xù)做功，在主蒸汽流量不變時，機組功率增加.為保持機組功率不變，則主蒸汽流量減少，主蒸汽流量減少量為

式中，ΔG—主蒸汽流量減少量，kg·h－1;G0—額定工況主蒸汽流量，kg·h－1.

主蒸汽流量減少的同時再熱器流量也減少，2者使鍋爐耗煤量減少為

式中，ΔB—鍋爐耗煤減少量，kg·h－1;ΔQ1—鍋爐過熱器吸熱量減少值，kg·h－1;ΔQ2—鍋爐再熱器吸熱量減少值，kg·h－1.

電鍋爐加熱凝結(jié)水機組煤耗降低為

式中，Δb—鍋爐耗煤減少量，g·(kWh)－1;Pel—額定功率，kW.

加熱凝結(jié)水電鍋爐需要的熱量為

式中，Q—電鍋爐需要熱量，kJ·s－1;c—凝結(jié)水比熱容，kJ·(kg·℃)－1;m—凝結(jié)水流量，kg·s－1;Δt—加熱器溫升，℃.

電鍋爐消耗功率為

式中，Ped—電鍋爐消耗功率，kW;ηed—電鍋爐效率，%.

機組標準煤按700元·t－1計算，煤耗降低每小時收益為

每度棄風電量每小時收益為

根據(jù)以上算法［4］，計算結(jié)果，如表1所示.

①在300MW負荷時，電鍋爐加熱凝結(jié)水替代1#至4#低加的抽汽量，煤耗降低最多為7.52 g·(kWh)－1，此時電鍋爐消耗功率也最多，為90.6 MW;②只替代4#低加的抽汽量，每度棄風電量收益最大為0.034元;③替代3#、4#低加的抽汽量，煤耗降低為7.0 g·(kWh)－1，此時電鍋爐消耗功率為54.4 MW，每度棄風電量收益為0.027元，綜合考慮投資與收益，該方案為最佳.

表1 電鍋爐加熱凝結(jié)水替代抽汽經(jīng)濟性比較

電鍋爐加熱與抽汽加熱運行方式相比，由于抽汽量的減少，在主蒸汽流量相同時，機組功率增加;或者在同樣功率時，主蒸汽流量減少，耗煤量減少.主蒸汽流量的減少，使汽輪機各級后壓力降低，抽汽壓力降低，各加熱器出口水溫有所降低(端差不變的條件下);抽汽量繼續(xù)在汽輪機內(nèi)做功，最終到達凝汽器，增加了冷源損失.這些變化會使機組熱經(jīng)濟性略有降低，但整體經(jīng)濟性是提高的.通過表1可看出，電鍋爐加熱凝結(jié)水，引入1#低加入口處，替代4臺加熱器的抽汽量，機組煤耗降低最多，但消耗的風電也最多.引入4#低加入口處，只替代4#低加抽汽量，每度棄風電量收益最高.

2.5 安全性分析

在電鍋爐并入回熱系統(tǒng)之后，若電鍋爐出現(xiàn)故障，可以恢復原系統(tǒng)運行，不影響機組安全運行.有風電時，電鍋爐加熱回熱系統(tǒng)中的凝結(jié)水，凝結(jié)水溫度提高，相應排擠加熱器的抽汽，對于有抽汽調(diào)整門的加熱器，調(diào)整門需要參與調(diào)節(jié)，由于調(diào)整門參與調(diào)整次數(shù)增加，對其壽命的影響有待評估，而對于末2級沒有抽汽調(diào)整門的加熱器沒有任何影響.沒有風電時，電鍋爐不加熱回熱系統(tǒng)中的凝結(jié)水，與原運行系統(tǒng)一樣.

2.6 對機組調(diào)峰的影響

由于采用電鍋爐加熱凝結(jié)水，替代加熱器抽汽加熱，增加了汽輪機做功能力.為了保持汽輪機負荷不變，需要減少主蒸汽流量.機組調(diào)峰時，當汽輪機負荷調(diào)到最低，與之匹配的鍋爐蒸發(fā)量不一定是最低值，特別是在冬季供熱期間，此時鍋爐蒸發(fā)量還有減少空間.因此汽輪機和鍋爐出力都能夠滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求，該方法對機組調(diào)峰沒有影響.

2.7 對凝結(jié)水泵出力的影響

電鍋爐最好布置在凝結(jié)水泵附近，若遠離凝結(jié)水泵，由于管道的加長而導致沿程阻力增加，凝結(jié)水泵出口壓力會有所增大，也會增加泵的耗功.

3 電鍋爐替代抽汽的可行性

電鍋爐布置不受場地限制，系統(tǒng)接入簡單，不影響原運行方式，不影響系統(tǒng)及設備安全.消納風電加熱凝結(jié)水時，電廠經(jīng)濟性大大提高，沒有風電時，與原運行系統(tǒng)一樣.采用第9種方案后，1臺300 MW級的火電機組每年(按4 000 h計算)可接納21.8億度棄風電量，煤耗下降7.0 g·(kWh)－1，減少2.1萬t CO2的排放量.因此，在火電廠回熱系統(tǒng)中加裝電鍋爐來消納棄風的方法具有可行性［5］.

4 結(jié)論

用電鍋爐替代抽汽來加熱回熱系統(tǒng)的凝結(jié)水來消納風電的方法，具有投資少、適應性強、安全性高及經(jīng)

濟效益好等優(yōu)點，在技術上具有可行性.該方法的實施對于火電廠而言，可以降低機組煤耗，提高機組經(jīng)濟性;對于風電廠而言，棄風的電量得到了利用，增加了企業(yè)收益;對社會而言，CO2等污染物排放的減少，改善了生活環(huán)境質(zhì)量.

［1］ 張運洲，白建華，辛頌旭.我國風電開發(fā)及消納相關重大問題研究［J］.能源技術經(jīng)濟，2010，22(1):1－6.

［2］ 許睿超，羅衛(wèi)華.大規(guī)模風電并網(wǎng)對電網(wǎng)的不利影響及抑制措施研究［J］.東北電力技術，2011(2):1－4.

［3］ 王乃寧，張志剛.汽輪機熱力設計［M］.北京:水利電力出版社，1987:45－46.

［4］ 林萬超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安:西安交通大學出版社，1994.

［5］ 李巖，武慶源，王鵬.汽輪機進汽參數(shù)改變對機組經(jīng)濟性的影響［J］.東北電力技術，2010(7):4－8.