孫浩程 ，宋民航 ，郭璞維 ，張長永 ，王金星 ,5,?

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.中國科學院 過程工程研究所多相復雜系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100190；3.河北省燃煤電站污染防治技術創(chuàng)新中心(三河發(fā)電有限責任公司)，河北 廊坊 065201；4.威克萊冀東耐磨技術工程(唐山)有限公司，河北 唐山 063200；5.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206）

0 引言

中國能源電力行業(yè)仍以煤炭為主。煤粉的大量燃燒對中國生態(tài)環(huán)境保護造成了巨大壓力[1]。朱明亮[2]預測，在高GDP增長率下，2030年能源需求將達到約45億t標準煤，他通過對能源現(xiàn)狀、消費等因素統(tǒng)籌分析，認為走清潔發(fā)展的道路是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。隨著經(jīng)濟生產(chǎn)的發(fā)展以及“雙碳”政策的有序推進，中國能源電力結(jié)構(gòu)的清潔化轉(zhuǎn)型進程將呈現(xiàn)遞進式發(fā)展趨勢，目前主要是在技術進步等多方面推進清潔能源的穩(wěn)定發(fā)展[3-4]。清潔能源在時空上的不穩(wěn)定性使電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性受到?jīng)_擊。與此同時，燃煤發(fā)電機組承擔了調(diào)峰調(diào)頻重要任務，其在能源轉(zhuǎn)型中的作用已發(fā)生了改變[5-6]。對熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行靈活性改造，提升機組深度調(diào)峰能力，是解決電力系統(tǒng)不穩(wěn)定問題的關鍵[7]。王金星[8]以大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組為依托，提出了提高系統(tǒng)靈活性的必要性，著重研究了運行效率對機組靈活性的影響，并闡述了擴大熱電比、增設電熱轉(zhuǎn)換裝置以及耦合儲能系統(tǒng)等方法來提高機組調(diào)節(jié)靈活性可行性與工程價值。此外，機組自身的運行策略對增加燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的調(diào)峰潛力和節(jié)能減排有著重要意義。同時，由于供熱機組所涉及到的參數(shù)眾多，工況復雜且差異較大，在機組運行中對供熱機組進行策略優(yōu)化具有重大意義[9-10]。印佳敏等[11]就儲能設備與機組聯(lián)合調(diào)頻方面展開仿真模擬，分析儲能相關參數(shù)與機組調(diào)頻能力之間的關系，結(jié)果表明通過仿真模擬對相關參數(shù)進行設計研究與優(yōu)化是可行的，為該方向研究推進指明了道路。此外，熱電聯(lián)產(chǎn)具有很強的耦合性，使得系統(tǒng)滿足熱電負荷需求能力受到了影響[12]，因而對熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行改造使其實現(xiàn)熱電解耦是提高其靈活性的重要措施。Liu等[13]通過對一臺350 MW的機組進行分析，得出蓄熱箱解耦技術是較好的方案。李峻等[14]為了提高機組的靈活性，提出了使用熔融鹽儲熱罐儲熱設備與機組進行耦合的辦法并對此展開研究，結(jié)果表明該措施顯著提高了機組的深度調(diào)峰能力，實現(xiàn)了機組的靈活運行。王金星等[15]為提高機組的靈活性，選擇中間抽汽、電熱泵、電鍋爐與抽汽聯(lián)合等改造方法來實現(xiàn)熱電解耦，通過仿真模擬和案例分析，得到電熱泵對機組靈活性提高起顯著作用的結(jié)論。此外，王金星[16]還詳細評述了當下單一儲熱裝置、電熱轉(zhuǎn)換-儲熱裝置等儲能設備參與燃煤機組調(diào)峰調(diào)頻的現(xiàn)狀，同時強調(diào)了單一儲熱裝置與機組耦合的改造方式在工程中應用的廣泛性與可行性。張翼等[17]以350 MW機組為案例分別對增設儲熱罐、增設蓄熱電鍋爐等方案相較于原供熱方案在消納風電容量、擴大熱電比例等參數(shù)方面的提升情況展開了研究，結(jié)果表明耦合儲熱罐儲熱裝置對相關指標的提升有顯著效果，因此熱電解耦技術在燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的靈活性發(fā)展中具有重要地位。綜上所述，為了以較低成本來實現(xiàn)熱解耦從而提高機組調(diào)節(jié)的靈活性，增設耦合儲熱裝置的措施具有較為廣闊的前景。

本文針對熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電解耦方面提出了耦合儲熱系統(tǒng)輔助調(diào)峰的措施，并以此為基礎對儲熱裝置的儲熱容量以及充放熱速率對機組調(diào)節(jié)效果的影響展開了研究，希望對現(xiàn)有機組的相關參數(shù)進行優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)簡介

本工作研究對象為儲熱裝置(熱水儲罐)與火電廠耦合裝置，其基本原理為利用中壓缸部分蒸汽為儲熱罐提供高品質(zhì)熱量，然后由儲熱罐儲存并以熱交換的形式傳遞給水，增加汽輪機機組蒸汽量，提高效率。儲熱罐耦合機組的具體流程如圖1所示，由中壓缸中抽取部分的高溫過熱蒸汽，通過儲熱罐將部分熱量以熱交換的方式儲存在儲熱介質(zhì)中，之后放熱后的乏汽經(jīng)過除氧器除氧后重新返回主系統(tǒng)參與循環(huán)，完成儲熱過程；儲熱達到要求時，由凝結(jié)水泵支路引入給水，儲熱罐中的儲熱介質(zhì)將熱量傳遞給低溫給水，使其升溫到系統(tǒng)要求溫度，再經(jīng)過除氧器除氧后進入系統(tǒng)，完成釋熱過程。

圖1 儲熱罐耦合機組Fig.1 Heat storage tank coupling unit

2 邏輯運算策略

本文的研究目的是在使用儲熱罐與熱電聯(lián)產(chǎn)機組相耦合工作時，在系統(tǒng)可調(diào)的條件下，利用儲熱罐的儲熱能力，解除熱電負荷之間的強耦合關系。首先通過數(shù)據(jù)采集得到供暖季電熱負荷曲線，如圖2所示，并根據(jù)前期Ebislon軟件模擬得到熱負荷與其對應電負荷的上下限的關系，得到電負荷的可調(diào)范圍[17]。

圖2 區(qū)域電負荷與熱負荷曲線。Fig.2 Regional electric load and heat load curve

儲熱罐與熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤機組相耦合工作的計算邏輯如圖3所示，即計算儲熱罐發(fā)揮最大儲熱能力時系統(tǒng)可達到的最大熱電負荷比。其中X為供暖季熱負荷波動曲線，Y為電負荷波動曲線，M和W分別為儲熱罐的吸放熱效率和容量。二者均以0為初始值參與計算，最終達到儲熱罐的儲熱能力上邊界。

圖3 計算流程圖Fig.3 Calculation flow chart

其中判定過程包括“可調(diào)”和“達邊界”兩個約束。判斷“可調(diào)”的依據(jù)為儲熱罐在充放熱效率和容量共同決定的儲熱能力下調(diào)節(jié)熱負荷，在調(diào)整后的熱負荷下，機組承擔該時刻相應的電負荷，可正常運行。若“可調(diào)”，則進入儲熱罐是否“達邊界”判斷，否則提高電負荷。判斷“達邊界”的依據(jù)為本次循環(huán)中儲熱罐的效率與容量可以達到人為規(guī)定的儲熱罐儲存熱量的上邊界。若不能“達邊界”，則增加儲熱罐的效率與容量。

根據(jù)區(qū)域熱負荷需求，可進行燃煤機組的電負荷調(diào)節(jié)上限和下限的判斷：當滿足燃煤機組調(diào)節(jié)下限時，將各個時間點的電負荷進行調(diào)峰，直至燃煤機組不可調(diào)；當燃煤機組不可調(diào)時，通過儲熱罐滿足部分熱負荷需求，實現(xiàn)部分熱電解耦后，燃煤機組側(cè)又重新達到了滿足調(diào)節(jié)的條件。需要指出的是，初始的熱負荷X和電負荷Y均來自區(qū)域的實際熱電需求。儲熱罐初始參數(shù)設定吸放熱速率M和儲熱容量W均為0，根據(jù)實際調(diào)節(jié)需求，逐次增加M和W的數(shù)值。為確保機組各組件正常工作，調(diào)峰深度應在合理范圍，最后邊界設定為Y的最小數(shù)值為350 MW功率的30%，即最小電負荷降到105 MW時終止。

本計算邏輯的合理性在于是基于優(yōu)先滿足儲熱罐與燃煤機組耦合系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力的前提來實現(xiàn)熱電負荷比最大，且在計算過程中綜合考慮了儲熱罐的充放熱平衡，與工程實際聯(lián)系緊密。

3 結(jié)果與討論

3.1 儲熱罐運行參數(shù)對深度調(diào)峰的影響

在儲熱容量與深度調(diào)峰能力的關系的計算中，不限定儲熱罐與機組之間的充放熱速率，可與儲熱容量進行最佳匹配，因此儲熱容量在某一時刻可釋放全部熱量來對電負荷進行調(diào)峰。就實際熱電負荷曲線通過計算邏輯進行計算，得到結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為控制充放熱速率按照等梯度遞增計算儲熱容量與深度調(diào)峰之間的關系，圖4（b）則為控制儲熱容量梯度增加來得到充放熱速率與深度調(diào)峰之間的關系。

圖4 儲熱罐參數(shù)對深度調(diào)峰的影響Fig.4 Effect of heat storage tank parameters on depth peak regulation

由圖4（a）可知，隨著儲熱容量的增加，調(diào)峰能力呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢，并且隨著充放熱速率的梯度增加，可達到的最大深度調(diào)峰能力逐漸上升；而當充放熱速率大于112 MW時，再提升儲熱容量，最大深度調(diào)峰能力將不再發(fā)生變化，此處認為儲熱罐提升深度調(diào)峰能力達到上限。主要原因是隨著儲熱罐儲熱容量的增加，可保證釋放的熱量逐漸增加，深度調(diào)峰能力也隨之增加；而當儲熱容量增加到一定量時，儲熱罐充放熱量將達到平衡，使得調(diào)節(jié)能力達到上限；此外，當儲熱容量足夠時，充放熱速率也會對深度調(diào)峰能力的提升起限制作用，當儲熱容量在與充放熱速率相匹配時，其深度調(diào)峰能力將不再發(fā)生變化。充放熱速率對深度調(diào)峰的影響則如圖4（b）所示，儲熱罐的容量在每組計算中不變且在各組計算遞增。當需要對電負荷進行調(diào)節(jié)時，只有充放熱速率對其有所影響。需要說明的是，這里的充放熱速率所代表的是1 min內(nèi)的平均速率。由圖4可以看出，充放熱速率與儲熱容量對深度調(diào)峰的影響效果類似，即均呈現(xiàn)先上升后平緩的趨勢，且當充放熱速率為112 MW時取得最大值。主要原因與儲熱容量類似，即當充放熱速率達到112 MW時，在該時刻儲熱系統(tǒng)所能釋放的熱量達到機組調(diào)峰的頂點，當再對其進行提升，在合理的儲熱容量配合下，機組深度調(diào)峰能力將基本不會發(fā)生變化。

綜上所述，深度調(diào)峰能力不僅與儲熱罐的性能參數(shù)有關還與其參數(shù)之間的匹配性有緊密聯(lián)系。

3.2 儲熱參數(shù)匹配性對深度調(diào)峰的關系

儲熱參數(shù)匹配性對深度調(diào)峰能力的影響不可忽視。在對儲熱參數(shù)匹配性進行研究時，首先應考慮二者對深度調(diào)峰能力的獨立影響及之間的相互作用。計算得到儲熱參數(shù)與深度調(diào)峰的關系如圖5所示。為便于案例計算，本文將圖5曲面上任意點所涉及的儲熱容量與充放熱速率兩參數(shù)稱為一個參數(shù)組，設定了參數(shù)組一(A點)、參數(shù)組二（B點）、參數(shù)組三（C點）以及參數(shù)組四（D點）。

圖5 儲熱參數(shù)與深度調(diào)峰能力關聯(lián)Fig.5 Correlation between heat storage parameters and deep peak shaving capacity

可以看出，當單位時間內(nèi)的充放熱速率與儲熱容量相匹配時，二者調(diào)節(jié)效果最佳且機組運行最經(jīng)濟，不會抑制其中某一參數(shù)發(fā)揮作用；當只觀察某一參數(shù)時，在該參數(shù)未達到臨界點時，兩參數(shù)匹配時，可取得局部最大值；圖像最大值出現(xiàn)在儲熱容量為129 37 MW·min且充放熱速率為112.75 MW時。

3.3 案例分析與技術評價

由3.2中結(jié)果可知，當使用案例中的實際熱負荷與電負荷的平均值計算時，儲熱罐的儲熱容量達到129 37 MW·min且充放熱速率達到112.75 MW時，深度調(diào)峰以及熱負荷的調(diào)節(jié)效果最好，即當儲熱罐的儲熱容量與充放熱速率相匹配時，調(diào)節(jié)效果最好。因而本小節(jié)首先在該參數(shù)下對儲熱罐在1 440 min內(nèi)對熱負荷的實際調(diào)節(jié)能力展開計算，得到熱負荷波動調(diào)節(jié)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在該參數(shù)下，儲熱罐儲熱裝置分擔熱負荷以及調(diào)節(jié)熱負荷的能力顯著，可有效提高系統(tǒng)電負荷的跟隨能力。

圖6 儲熱極值下的熱負荷Fig.6 Heat load under extreme value of heat storage

為進一步驗證分析儲熱參數(shù)對熱負荷調(diào)節(jié)能力的影響規(guī)律，針對圖5所顯示的針對不同梯度的參數(shù)，代入模型展開計算。以B點與C點為例，兩點的充放熱速率與儲熱容量均處于匹配狀態(tài)。得到計算結(jié)果如圖7所示，各組儲熱參數(shù)對熱負荷的調(diào)節(jié)都有明顯效果，且隨著參數(shù)的提升，熱負荷調(diào)節(jié)效果逐漸提升。結(jié)合圖6進一步驗證可得：儲熱罐充放熱速率達到平衡時的參數(shù)所對應的調(diào)節(jié)能力最強。

圖7 不同儲熱參數(shù)設定下的熱負荷Fig.7 Heat load under different heat storage parameter settings

綜上所述，儲熱罐的放熱對于機組的調(diào)節(jié)效果顯著，可有效對電負荷進行調(diào)峰從而增加新能源電力的消納比例，并且還可調(diào)節(jié)熱負荷。而對于儲熱罐總體而言，由于在放熱的同時進行充熱，大大降低了儲熱罐儲熱容量需求，因而還需對其充熱過程、充熱量及其時間分配展開研究。

對案例中1 440 min內(nèi)的電熱負荷展開計算，得到結(jié)果如圖8與圖9所示。充熱熱量與吸熱熱量積分曲線均呈上升趨勢，在該時間段末期，充熱的熱量略大于吸熱熱量；在該條件下，當電負荷整體下調(diào)一個數(shù)值，實現(xiàn)深度調(diào)峰時，儲熱罐的充熱與放熱可達到基本平衡狀態(tài)，即儲熱罐在該時間內(nèi)充熱量略大于放熱量，既保證了儲熱罐的正常工作與電負荷調(diào)峰效果又大大降低了對儲熱罐的儲熱容量要求。

圖8 儲熱罐熱交換量Fig.8 Heat exchange capacity of heat storage tank

圖9 儲熱罐熱量交換積分Fig.9 Heat exchange integral of heat storage tank

由以上結(jié)果可以看出，通過儲熱系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)機組的耦合，實現(xiàn)了對電負荷的深度調(diào)峰和熱電解耦，提高了機組調(diào)節(jié)的靈活性，進而可以提高對新能源電力的消納能力和燃煤機組自身的效率，實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。以圖8所示電負荷調(diào)峰結(jié)果為案例可算出在儲熱罐與燃煤機組耦合時，根據(jù)在該模型中計算熱負荷以及熱負荷所折合的電負荷相關公式，可得每天節(jié)省燃煤量約809 t，即降低了約20.91g/kWh。根據(jù)馬大衛(wèi)等[18]的研究并實地調(diào)研安徽煤電廠的生產(chǎn)情況，得出煤耗與硫氮污染物及顆粒物之間的關系如表1所示。由于本文案例為350 MW機組，將煤耗與污染物之間的關系近似為線性，可知在本案例中，由于使用儲熱裝置對熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行耦合，可大約減少二氧化硫0.023 g/kWh，氮氧化物0.045 5 g/kWh以及顆粒物0.011 g/kWh。

表1 燃煤機組煤耗與污染物的關系Tab.1 Relationship between coal consumption and pollutants of coal-fired units

4 結(jié)論

本文以某350 MW火電機組為研究對象，對其耦合儲熱罐參數(shù)進行了系統(tǒng)分析，重點分析了儲熱容量和充放熱速率的影響，并結(jié)合實例分析了儲熱罐充熱和放熱積分情況。具體結(jié)論如下：

1）在儲熱罐與火電廠耦合工作時，隨著儲熱容量或充放熱速率參數(shù)的升高，深度調(diào)峰能力逐漸提高；在兩參數(shù)分別達到 129 37 MW·min與112.75 MW時達到深度調(diào)峰能力上限約77 MW后趨于平穩(wěn)。此外，兩參數(shù)對其深度調(diào)峰能力共同影響，參數(shù)間的匹配可使約束達到平衡。

2）案例分析顯示，儲熱設備與機組耦合實現(xiàn)一定程度熱電解耦后儲熱罐熱交換量的變化，儲熱罐在完成1 440 min的吸放熱過程后，可知其凈吸熱約2 400 MW·min，該邊界情景下儲熱裝置可正常運行，因而可知耦合儲熱系統(tǒng)調(diào)峰的可行性。

3）供暖季的節(jié)煤量為20.91 g/kWh，相應地，可減少污染物排放。其中具體種類下降數(shù)值為：二氧化硫0.023 g/kWh、氮氧化物0.045 5 g/kWh以及顆粒物0.011 g/kWh。