何 燁， 李 超， 高佳圣， 周 艷

(青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東青島 266061)

熱電聯(lián)產(chǎn)機組在滿足世界各國采暖季的用熱方面具有不可替代的作用，但也面臨著供熱量與熱負(fù)荷之間峰谷錯位的問題[1-2]。儲能技術(shù)作為一種調(diào)節(jié)和控制能源部署方案中基本的、不可缺少的技術(shù)，被認(rèn)為是解決峰谷錯位問題的有效方法[3-5]，可有效提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱效率。研究表明，儲能系統(tǒng)集成到熱電聯(lián)產(chǎn)機組并同時運行時，通過配備控制系統(tǒng)，使儲能系統(tǒng)在熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供暖過飽和期提取化石能源(如煤或天然氣)燃燒的熱能，并在供暖不飽和期釋放熱能用以抵消該期間內(nèi)超出熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱量的熱負(fù)荷，使熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱量與熱用戶的熱負(fù)荷相匹配[6-7]。該技術(shù)在滿足熱用戶需求的同時[8-9]，可以有效調(diào)節(jié)熱電聯(lián)產(chǎn)中綜合發(fā)電單元和區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)的匹配度，使機組運行更經(jīng)濟[10]，從而更有效地利用熱能，減少燃煤消耗[11]。故儲能輔助系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)的集成耦合日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。

為了深入分析儲能系統(tǒng)集成在熱電聯(lián)產(chǎn)機組中的可行性及可靠性，近年來學(xué)者們開展了廣泛的研究。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域供熱系統(tǒng)中應(yīng)用太陽能蓄熱可將清潔能源的份額提高13%，從而減少熱電聯(lián)產(chǎn)機組的耗煤量。Yan等[13]提出了一種混合儲能容量的分配方法，建立了混合儲能容量與峰谷差之間的數(shù)學(xué)模型，用于分析區(qū)域能源規(guī)劃和能源系統(tǒng)更新。Rosato等[14]將基于土壤地埋管儲能模式的季節(jié)性儲能用于區(qū)域供熱系統(tǒng)或熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，可減少區(qū)域供熱系統(tǒng)對一次能源的消耗，提高熱電聯(lián)產(chǎn)的靈活性。Zhao等[15]研究表明，輔助熱源模型在調(diào)控燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)方面的靈活性更高。Hammer等[16]指出，在用戶終端安裝蓄熱器可以大大減少供熱網(wǎng)絡(luò)的損失，且供熱間歇性運行導(dǎo)致的額外低周疲勞是縮短蓄熱器使用壽命的主要原因。Nuytten等[17]采用理論分析的方法確定了熱電聯(lián)產(chǎn)與儲能結(jié)合的最大靈活性，指出影響系統(tǒng)運行靈活性的主要原因之一是系統(tǒng)延遲。Pagliarini等[18]提出了一個將儲能與熱電聯(lián)產(chǎn)耦合的方案，并用數(shù)值模擬方法分析了該方案用于某一校園供熱的加熱控制方式，結(jié)果表明該方法能有效控制校園的總供熱量。Wang等[19]提出了一種優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)負(fù)荷分配的控制策略，以提高熱電聯(lián)產(chǎn)應(yīng)對負(fù)荷驟變的能力。Sun等[20]利用實驗研究方法，從熱力學(xué)角度分析了可再生能源在短時期內(nèi)與熱電聯(lián)產(chǎn)耦合供熱的靈活性和運行特性，并通過動態(tài)模型定量分析了供熱量的變化對用戶室內(nèi)溫度的影響；結(jié)果表明，該方案可以顯著提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的響應(yīng)時間，且對熱用戶室內(nèi)溫度的影響不大。盡管許多學(xué)者和專家在熱電聯(lián)產(chǎn)與儲能耦合運行方面做了大量工作，但在概念建模的層面來設(shè)計和評估儲能系統(tǒng)方面，大部分研究只分析了儲能裝置的性能，儲能系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)耦合運行時對供熱網(wǎng)絡(luò)運行的影響還鮮有涉及。而在儲能系統(tǒng)與熱電聯(lián)產(chǎn)耦合的控制策略方面，大部分研究僅將儲能系統(tǒng)作為簡單黑盒來進行分析，并未考慮氣溫、供暖區(qū)域、熱用戶使用習(xí)慣以及儲能系統(tǒng)自身變化對運行策略的影響。

為改善在熱電聯(lián)產(chǎn)過程中熱用戶對供熱的總體體驗，筆者提出了一種將儲能輔助循環(huán)系統(tǒng)集成于熱電聯(lián)產(chǎn)的新方案。利用儲能輔助循環(huán)系統(tǒng)，將冗余的熱能從過飽和期轉(zhuǎn)移到不飽和期并減少供熱和負(fù)荷的偏差，從而提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。同時基于某600 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組，從熱力學(xué)角度及供熱調(diào)控靈活性方面，定量分析集成了儲能輔助循環(huán)系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱經(jīng)濟性及熱敏感度，為這類熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行提供理論依據(jù)。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

1.1 原始機組簡介

所研究的600 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組模型如圖1所示。系統(tǒng)中從中壓缸抽取的并用于加熱一次網(wǎng)循環(huán)水的抽汽，溫度范圍約為230～280 ℃，壓力范圍約為0.35～0.5 MPa。通常一次網(wǎng)中的回水被加熱到80～100 ℃，然后供應(yīng)到二次網(wǎng)加熱器中加熱二次網(wǎng)的回水，使二次網(wǎng)的供水溫度達到40～65 ℃后供給熱用戶。

圖1 600 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行簡圖

1.2 集成儲能輔助循環(huán)系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組

將儲熱輔助循環(huán)系統(tǒng)集成在原熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，如圖2所示。儲能輔助循環(huán)以導(dǎo)熱油為儲熱材料，主要設(shè)備包括1個高溫儲罐、1個低溫儲罐和2個板式換熱器。儲能輔助循環(huán)系統(tǒng)的運行主要由1個儲存閥和1個釋放閥控制。當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱處于過飽和期時，儲存閥打開，釋放閥關(guān)閉，此時儲熱介質(zhì)通過儲存換熱器獲得一次循環(huán)水中的冗余熱量，儲存到高溫儲罐中；當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱處于不飽和期時，儲存閥關(guān)閉，釋放閥打開，二次網(wǎng)循環(huán)水的一部分在釋放換熱器中吸收熱量后作為補充供暖供給到熱用戶；最終釋放熱量后的儲熱介質(zhì)會儲存至低溫儲罐等待下一次循環(huán)。

圖2 帶儲熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機組

2 系統(tǒng)參數(shù)配置

2.1 機組的參數(shù)配置

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的原則性熱力系統(tǒng)圖和基本參數(shù)如圖3和表1所示。該機組是標(biāo)準(zhǔn)的“三高、四低、一除氧”的回?zé)嵯到y(tǒng)，各級回?zé)崞鲄?shù)見表2。由圖3可知，該系統(tǒng)第5級抽汽的一部分作為第5級回?zé)岢槠硪徊糠诌M入一次網(wǎng)加熱器，用于加熱一次網(wǎng)循環(huán)水的回水。該機組用于中國北方某中型城市，同時根據(jù)該城市冬季平均室外溫度，采暖負(fù)荷率取30 W/m2[21]，室內(nèi)供熱達標(biāo)溫度規(guī)定為18 ℃，參考條件下的室外溫度由參考城市1月份的平均室外溫度決定[22]；為保證低壓缸末級葉片的安全運行，最小蒸汽質(zhì)量流量限制在150 t/h，出口壓力應(yīng)保持在0.4 kPa以上[23]。

圖3 600 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組的原則性熱力系統(tǒng)圖

表1 600 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組的額定參數(shù)

表2 機組各級回?zé)崞鞯膮?shù)

2.2 輔助循環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)配置

表3 輔助循環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)

如圖4所示，在選擇導(dǎo)熱油的儲熱溫度時，分別模擬了儲熱溫度在70～80 ℃下輔助循環(huán)系統(tǒng)的效率。由圖4可知，隨著儲熱溫度的升高輔助循環(huán)系統(tǒng)的效率持續(xù)降低。同時由于導(dǎo)熱油與一、二次網(wǎng)供水溫度的換熱器端差限制，導(dǎo)熱油的儲熱溫度應(yīng)在70～<90 ℃，因此導(dǎo)熱油的儲熱溫度選定為70 ℃。

圖4 不同儲熱溫度下輔助循環(huán)系統(tǒng)的效率

3 研究方法

3.1 系統(tǒng)模型與比較方案

采用Ebsilon Professional軟件搭建了上述綜合儲能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的物理模型?；谀繕?biāo)機組的熱設(shè)計參數(shù)由表1和表2給出。比較方案設(shè)計如下：(1) 原始機組方案;(2) 以增加燃煤的方法確保供熱飽和的增加燃煤供熱方案(方案一)；(3) 增設(shè)儲能循環(huán)系統(tǒng)的供熱方案(方案二)。表4給出了Ebsilon Professional中主要組件的詳細(xì)信息。

為了驗證Ebsilon模型的可行性，采用汽輪機額定工況條件下，計算無儲熱參考機組供電輸出的方式，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，與相關(guān)設(shè)備設(shè)計部門提供的測算參數(shù)相比，參數(shù)的計算值與設(shè)計值之間的相對誤差均低于0.25%，說明該模型相對準(zhǔn)確，可以用來確定熱電聯(lián)產(chǎn)機組的非設(shè)計運行參數(shù)。

表4 Ebsilon Professional主要組件的詳細(xì)信息

表5 誤差表

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

燃料利用系數(shù)(ηtp)是用來評估熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)供熱和供電效率的常用指標(biāo)，其表達式如下：

(1)

式中：Qfuel為燃料量，MW；Pe為發(fā)電量，MW；Qtp為熱化供熱量，MW。

需要注意的是，ηtp是一個定量指標(biāo)，不能表示熱能和電能的品級差異，而只能表示燃料在定量方面的有效利用程度，因此將其作為估算熱電聯(lián)產(chǎn)燃料消耗的指標(biāo)。另一個衡量熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備本身的利用率或節(jié)能的經(jīng)濟效果的指標(biāo)是熱電比Rtp。熱電比是衡量加熱裝置的熱化供熱量與發(fā)電量的比值：

(2)

熱飽和度ζ是用來評價熱電廠或供熱站對熱用戶供熱質(zhì)量的指標(biāo)，定義式如下：

HPLC指紋圖譜法評價知柏地黃丸（濃縮丸）的質(zhì)量…………………………………………………… 李雅靜等（20）：2747

(3)

式中：Qload為供熱負(fù)荷，MW；Qsup為供熱量，MW；ki為加權(quán)值，取值范圍為0～1；i為時間計數(shù)，取自然數(shù)0～23，即從0:00到當(dāng)日23:00的取值。在本研究中，工作時間6:00—17:00的權(quán)重被設(shè)定為0.2，非工作時間18:00—次日5:00的權(quán)重被設(shè)定為0.8。

供熱偏差s2是用來評價實際熱飽和度與理想熱飽和度偏差量的指標(biāo)，定義式如下：

(4)

(5)

式中：ηex為系統(tǒng)效率；Ec,in和Ec,out為冷流體進、出系統(tǒng)的，MW；Eh,in和Eh,out為熱流體進、出系統(tǒng)的，MW。

熱流體是指在熱交換中溫度下降的流體，而冷流體是指溫度上升的流體。其中Therminol VP-1導(dǎo)熱油的熱力參數(shù)可用經(jīng)驗公式來表征。

(6)

式中：T為流體溫度，K；ρ為油的密度，kg/m3；cp為比熱容，kJ/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ν為運動黏度，mm2/s；ps為飽和蒸氣壓，kPa；h為比焓，kJ/kg；s為比熵，kJ/(kg·K)。其中，h和s的液相流體零點標(biāo)準(zhǔn)是0 ℃。

相對誤差由公式(7)確定：

(7)

式中：δ為測算參數(shù)的相對誤差，%；Pe,d為測算參數(shù)的設(shè)計值；Pe,c為測算參數(shù)的計算值。

4 結(jié)果與討論

4.1 總體參數(shù)結(jié)果

從建模結(jié)果中得到方案一、方案二和原始方案的總體運行參數(shù)，如表6所示。從表6可以看出，方案一的煤耗、汽耗以及熱耗從原始方案的270.4 g/(kW·h)、3.07 kg/(kW·h)和7 923.8 kJ/(kW·h)增加到282.4 g/(kW·h)、3.12 kg/(kW·h)和8 277.4 kJ/(kW·h)，煤耗增加了12 g/(kW·h)，抽汽質(zhì)量流量從原始方案的208.8 t/h提高至265.7 t/h，平均凈熱力輸出則從原始方案的138.0 MW提高至154.5 MW，提升了11.96%，說明方案一在大幅提高供熱總量的同時增大了汽耗和煤耗。在方案二中，由于供熱網(wǎng)耦合儲能系統(tǒng)的過程沒有對機組本身進行改造，所以方案二的汽耗、煤耗和抽汽質(zhì)量流量等參數(shù)都與原始方案相同，而平均凈熱力輸出由于儲能系統(tǒng)的散熱損失從原始方案的138 MW下降至135.5 MW，下降了1.81%。說明方案二可以在不改變原機組運行的前提下，僅損失1.81%的供暖總量。

表6 3種方案的總體性能

3種方案的熱飽和度ζ、供熱偏差s2以及其他常規(guī)熱經(jīng)濟性參數(shù)結(jié)果如表7所示?？梢钥闯觯谙嗤碾娏ω?fù)荷(600 MW)條件下，方案一的燃料利用系數(shù)ηtp和熱電比Rtp從原始方案的0.510%和0.231%增加到了0.513%和0.258%。分析方案二的常規(guī)性能參數(shù)，因其儲存過程和釋放過程不可同時進行，需將方案二拆分成2個部分：儲存過程的燃料利用系數(shù)和熱電比為0.487%和0.175%；釋放過程的燃料利用系數(shù)和熱電比為0.530%和0.280%。顯然，由于方案二的2個過程能在不同時間段對總體性能產(chǎn)生不同影響，燃料利用系數(shù)ηtp、熱電比Rtp不恒定，因此其不能完整描述儲能方案的熱經(jīng)濟性。

表7 3種方案的熱經(jīng)濟性 Tab.7 Thermal economy of three schemes 單位：%

為了彌補常規(guī)熱經(jīng)濟性參數(shù)的不足，使用熱飽和度和供熱偏差來進一步說明方案二的性能。當(dāng)?shù)?4 h內(nèi)方案一與方案二的供熱-負(fù)荷曲線圖如圖5所示。從圖5可以看出，早上6:00到下午17:00的冗余熱量被補充到晚上18:00到第二天早上5:00，從而得出沒有經(jīng)過改造的原始方案熱飽和度ζ為88.8%，供熱偏差為5.32%。方案一與方案二的熱飽和度都提高至100%，方案一的供熱偏差達到6.37%，而方案二的供熱偏差降低至4.34%，相比原始方案降低了0.98%。這是由于方案一提高的供熱總量是全局性的，即不僅在夜間提高供熱量，白天也同樣被提高了，這在白天和夜間具有不同價值權(quán)重(ki)的指標(biāo)(熱飽和度和供暖偏差)下，極大地放大了方案一的不合理性。而方案二充分考慮了白天和夜間供熱需求的差異性，并針對這種差異性適當(dāng)增設(shè)了相應(yīng)的儲存和釋放冗余熱量的循環(huán)，從而在不增加燃煤消耗的基礎(chǔ)上，大幅降低了供熱偏差。因而，在熱電聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)上增設(shè)輔助的儲能系統(tǒng)在確保電網(wǎng)需求的基礎(chǔ)上，方案二可以有效地提高住宅熱用戶的供熱質(zhì)量。

圖5 供熱與負(fù)荷的24 h 曲線圖

4.2 熱力學(xué)分析

為了說明方案一和方案二的熱力學(xué)機制，對2種方案進行能流分析和分析。能流分析的結(jié)果如圖6和圖7所示。對于熱用戶與區(qū)域供暖系統(tǒng)之間的局部過程的分析，結(jié)果見圖8和圖9。

圖6 方案一的整體能流圖

圖7 方案二的整體能流圖

圖8 方案一的區(qū)域供暖局部流圖

圖6中，在不改變發(fā)電量的情況下，方案一中的煤耗增量使得主蒸汽和再熱蒸汽的總焓從1 956.3 MW提升至1 988.6 MW，焓增達到32.3 MW，這些額外焓增將全部用于供熱而非發(fā)電。方案二中，主蒸汽和再熱蒸汽的總能量與原方案保持一致，即1 956.3 MW，發(fā)電功率保持與另2個方案一致的600 MW。此外，從區(qū)域供熱網(wǎng)的能量分布來看，方案一比方案二多消耗了40.3 MW的熱量，管道中的熱損失也增加了27.6 MW，方案一增加的耗能均來自于多燃燒的煤。因此表明在方案二調(diào)節(jié)供熱網(wǎng)的質(zhì)量達到和方案一相同效果的情況下，不會增加煤耗。

圖9 方案二的區(qū)域供暖局部流圖

4.3 敏感性分析

輔助循環(huán)系統(tǒng)的敏感性分析主要包括二次網(wǎng)供水、回水溫度的波動對該系統(tǒng)的影響。各工況所對應(yīng)供、回水溫度如表8所示。儲能總量、供暖偏差、儲罐溫度和輔助循環(huán)系統(tǒng)的效率結(jié)果如圖10所示。

表8 各工況下的供、回水溫度

(a) 儲能溫度和室外溫度的變化

如圖10(a)所示，在區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)中，二次網(wǎng)供水及回水的溫度與室外溫度成反比，即室外溫度越高則供水、回水的溫度越低，這會顯著影響輔助循環(huán)系統(tǒng)與區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同。同時由于二次網(wǎng)循環(huán)水溫的變化，與之進行熱交換的導(dǎo)熱油溫度也會發(fā)生變化，從而儲罐的儲能溫度也發(fā)生變化。需要注意的是，隨著二次網(wǎng)循環(huán)水溫的下降，高溫儲罐中的溫度保持在70 ℃不變，而低溫儲罐中的溫度則如圖10(a)所示發(fā)生變化，以保證熱網(wǎng)中的水與導(dǎo)熱油的換熱能正常進行。

這種情況下，儲熱總量將隨著水溫的升高而減少，而供熱偏差將逐漸增加，如圖10(b)所示。同時，如圖10(c)所示，當(dāng)二次網(wǎng)的供水溫度高于60 ℃時，輔助循環(huán)系統(tǒng)的效率平穩(wěn)下降，但在低于60 ℃時由于輔助循環(huán)系統(tǒng)的冷端溫度(低溫儲罐的溫度)已開始持續(xù)下降，所以效率出現(xiàn)了急劇下降。因此，方案二在室外溫度較低時優(yōu)勢更明顯。

5 結(jié) 論

(1) 通過熱力學(xué)分析，與增加燃煤方案相比，儲能方案的煤耗減少了12 g/(kW·h)，熱損失減少了27.6 MW。在此基礎(chǔ)上，儲能方案的效率比增加燃煤方案提高了2.22百分點，這表明儲能方案能夠更高效地利用從蒸汽輪機中低壓段抽汽的熱量。

(2) 方案二的熱飽和度從原始方案的88.8%提高到100%，相比原始方案供熱偏差降低0.98百分點。方案一雖然也提高了熱飽和度，但供熱偏差相比原始方案升高1.05百分點。通過使用這2個指標(biāo)，可以更完整地描述儲能方案的熱經(jīng)濟性，彌補常規(guī)熱經(jīng)濟性參數(shù)不足的問題。

(3) 通過進行輔助循環(huán)系統(tǒng)的敏感性分析，發(fā)現(xiàn)隨著室外溫度的升高，供熱偏差也隨之升高，而儲能方案下的儲熱總量逐漸減少。輔助循環(huán)系統(tǒng)的效率會隨著室外溫度的升高而下降，這說明室外溫度越低，儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢更明顯。