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近年來(lái)，固體電蓄熱裝置在中國(guó)北方地區(qū)火電廠調(diào)峰中得到了廣泛應(yīng)用，但這些應(yīng)用都是以提供冬季供熱為前提，在非暖熱季節(jié)則基本處于閑置狀態(tài)。這種情況既降低了固體電蓄熱儲(chǔ)能調(diào)峰設(shè)備的利用率，又使其應(yīng)用范圍也受到很大的限制。通過(guò)本項(xiàng)研究，提出了由固體電蓄熱裝置向310MW火電機(jī)組除氧器提供汽源，以替代原有的汽輪機(jī)抽汽。這一技術(shù)方案，既降低了汽輪機(jī)熱耗，又使得固體電蓄熱裝置在非供熱季節(jié)發(fā)揮調(diào)峰作用變?yōu)榭赡堋?/p>

關(guān)鍵詞：固體電蓄熱裝置，調(diào)峰，非供暖季節(jié),除氧器

作者簡(jiǎn)介：

朱建新，男，1953年1月出生，遼寧省沈陽(yáng)市人，高級(jí)工程師，電氣工程專業(yè)。

劉東明，男，1961年1月出生，遼寧省沈陽(yáng)市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，熱能動(dòng)力專業(yè)。

0 引言

2016年以來(lái)，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局等政府部門先后出臺(tái)了一系列以促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整為目標(biāo)、以市場(chǎng)導(dǎo)向?yàn)楦軛U的政策和措施，鼓勵(lì)火力發(fā)電企業(yè)采取對(duì)機(jī)組進(jìn)行靈活性改造等技術(shù)措施以提高其深度調(diào)峰能力，促進(jìn)電網(wǎng)提高對(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的接納能力。在上述背景下，大功率固體電蓄熱技術(shù)以其獨(dú)特的熱電解耦能力受到人們的普遍關(guān)注，并被列為提高熱電機(jī)組運(yùn)行靈活性的重要手段之一。截止到2019年末，遼寧、吉林、黑龍江三省六個(gè)電廠共建設(shè)了大功率固體電蓄熱設(shè)備1600MW，增加儲(chǔ)熱能力6400MWh。這些設(shè)備在2016年至2018年期間共完成調(diào)峰電量18億千瓦時(shí)，所涉及的供暖面積達(dá)三千多萬(wàn)平方米。從設(shè)備所在區(qū)域電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況來(lái)看，這些設(shè)備的投運(yùn)使風(fēng)電上網(wǎng)率得到改善，供熱電廠調(diào)峰期間的供暖能力也明顯提升。然而，上述項(xiàng)目絕大多數(shù)以提供冬季供熱為前提，在非供熱季節(jié)則基本處于閑置狀態(tài)。這種情況一方面降低了電蓄熱儲(chǔ)能調(diào)峰設(shè)備的利用率，另一方面其應(yīng)用范圍也受到很大的限制。因此，有必要對(duì)固體電蓄熱裝置在非供熱季節(jié)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能調(diào)峰功能的相關(guān)技術(shù)開展應(yīng)用研究。

01 固體電蓄熱裝置

固體電蓄熱技術(shù)是將電熱轉(zhuǎn)換和熱能存儲(chǔ)及釋放有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，它是一種可以將電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)于固體蓄熱材料中，在需要熱量時(shí)通過(guò)特定的換熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)熱能釋放的電蓄熱方式。

一般情況下，固體電蓄熱裝置（見圖1.1）由配電系統(tǒng)、電熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、固體蓄熱系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)等若干子系統(tǒng)構(gòu)成。裝置工作時(shí)，由配電系統(tǒng)提供電力，電熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成熱能傳遞給固體蓄熱系統(tǒng)吸收存儲(chǔ)，當(dāng)需要輸出熱能時(shí)，熱交換系統(tǒng)通過(guò)換熱風(fēng)機(jī)將爐腔內(nèi)的熱空氣送入換熱器，換熱器將熱空氣的熱能傳遞給供熱工質(zhì)并由供熱工質(zhì)帶走。

圖1.1 固體電蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

02 固體電蓄熱裝置參與熱電機(jī)組調(diào)峰的工作原理

圖2.1給出的是固體電蓄熱裝置與熱電機(jī)組聯(lián)合生產(chǎn)的一種運(yùn)行模式。在這種模式下，熱電機(jī)組可保持在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的負(fù)荷下運(yùn)行，固體電蓄熱裝置從關(guān)口表前引接一路電源，以消耗熱電機(jī)組實(shí)時(shí)發(fā)電功率高出調(diào)度指令的那部分電量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰的功能。

圖2.1固體電蓄熱裝置參與熱電機(jī)組調(diào)峰原理

圖2.2給出的是熱電機(jī)組加裝電蓄熱裝置前后電熱關(guān)系變化的對(duì)比，其中虛線部分為加裝電蓄裝置后的關(guān)系曲線。從中可以看出：加裝電蓄熱裝置后，最大供熱功率比原來(lái)增加了ΔQ，調(diào)峰幅度比原來(lái)增加了ΔP’。而ΔP’是根據(jù)需要選取的，ΔQ則等于ΔP’×η。

圖2.2熱電機(jī)組加裝固體電蓄熱裝置前后熱電關(guān)系對(duì)比

03 固體電蓄熱裝置熱電功率的周期性平衡關(guān)系

固體電蓄熱裝置屬于三類用電負(fù)荷，除特殊情況外，其用電負(fù)荷特性是斷續(xù)周期性的，這一特性可用負(fù)荷持續(xù)率來(lái)表達(dá)：

式中：ε—負(fù)荷持續(xù)率；

tg—一個(gè)工作周期內(nèi)的用電時(shí)間，小時(shí)；

t0—一個(gè)工作周期內(nèi)的非用電時(shí)間，小時(shí)；

T—工作周期，小時(shí)。

在對(duì)固體電蓄熱裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)選型計(jì)算時(shí)，可先根據(jù)用電原則確定負(fù)荷持續(xù)率，然后通過(guò)熱平衡計(jì)算或者是電平衡計(jì)算確定設(shè)備的額定功率。

固體電蓄熱裝置的熱平衡可按下列方法計(jì)算：

式中：

Qr—一個(gè)工作周期內(nèi)的輸入熱量，kJ；

Qc—一個(gè)工作周期內(nèi)的輸出熱量，kJ；

P—設(shè)備額定功率，kW；

P'—設(shè)備輸出功率，kW；

t'g—一個(gè)工作周期內(nèi)的放熱工作時(shí)間，小時(shí)。

顯而易見的是，固體電蓄熱裝置在熱電機(jī)組上的應(yīng)用是受一個(gè)工作周期內(nèi)的輸出熱量制約的，也就是說(shuō)，必須以相適應(yīng)的熱負(fù)荷為前提。這就為在沒有熱負(fù)荷的情況下，如何發(fā)揮固體電蓄熱裝置的調(diào)峰作用提出了一個(gè)新的課題。

04 非供熱季節(jié)的調(diào)峰應(yīng)用

4.1 基本技術(shù)路線

選擇一臺(tái)熱電機(jī)組作為研究對(duì)象，將其調(diào)峰電量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟虺跗魈峁┱羝麩嵩?，以?shí)現(xiàn)在非供熱季節(jié)使機(jī)組具備深度調(diào)峰的能力的同時(shí)降低機(jī)組發(fā)電熱耗。

4.2 熱電機(jī)組概況

本項(xiàng)目選擇某電廠配備的310MW直接空冷抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象，其鍋爐為哈鍋生產(chǎn)的HG-1038/18.34-HM35型亞臨界、一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐，汽輪機(jī)為北重生產(chǎn)的NCK310-17.75/540/1.0/0.45三缸雙排汽直接空冷抽凝式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為北重生產(chǎn)的T225-460/310型發(fā)電機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量：1038 t/h

鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽溫度：548 ℃

鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽壓力：19.26 MPa

鍋爐再熱器出口蒸汽溫度：547 ℃

鍋爐再熱器出口蒸汽壓力：4.44 MPa

鍋爐再熱器進(jìn)口蒸汽溫度：354 ℃

鍋爐再熱器進(jìn)口蒸汽壓力：4.82 MPa

鍋爐給水溫度：246.3 ℃

鍋爐給水壓力：18 MPa

汽輪機(jī)排汽溫度：54 ℃

汽輪機(jī)排汽壓力：0.015 MPa

發(fā)電機(jī)額定功率：310 MW

定子電壓：24 kV

定子電流：2773.5 A

變壓器額定電壓：110/24 kV

汽輪機(jī)本體由高壓、中壓、低壓三個(gè)汽缸構(gòu)成，鍋爐主蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸做功后經(jīng)中間再熱送入中壓缸和低壓缸繼續(xù)做功，低壓缸排汽經(jīng)空冷系統(tǒng)凝結(jié)，凝結(jié)水送入汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)加熱后回到鍋爐。汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)由三臺(tái)高壓加熱器、四臺(tái)低壓加熱器和除氧器構(gòu)成，汽輪機(jī)分七段抽汽向回?zé)嵯到y(tǒng)提供熱源。該機(jī)組的原則性熱力系統(tǒng)及THA工況的熱力平衡見圖4.1，典型運(yùn)行工況的熱力參數(shù)見表4.1

圖4.1原則性熱力系統(tǒng)及THA工況的熱力平衡圖

表4.1典型運(yùn)行工況的熱力參數(shù)

4.3 除氧器設(shè)備概況

該機(jī)組配備一臺(tái)臥式除氧器，其加熱汽源來(lái)至中壓缸三（C）段抽汽，在THA工況下，其主要運(yùn)行參數(shù)如下：

抽汽壓力：1.1172 MPa

抽汽溫度：376.3 ℃

抽汽量：44.2 t/h

進(jìn)口水溫：148.7 ℃

進(jìn)口水焓：627.5 kJ/kg

進(jìn)口水量：771.6 t/h

進(jìn)口上級(jí)疏水溫度：194 ℃

進(jìn)口上級(jí)疏水焓：829.4 kJ/kg

進(jìn)口上級(jí)疏水量：108.2 t/h

出口水溫：182.5 ℃

出口水量：924 t/h

出口水焓：774.8 kJ/kg

4.4 除氧器汽源替代方案

如圖4.2所示，在廠變與關(guān)口表之間“T”接一路電源，直接送入固體電蓄熱裝置。在電網(wǎng)低谷調(diào)峰期間，固體電蓄熱裝置將機(jī)組最低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所發(fā)電量全部或部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軆?chǔ)存下來(lái)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組上網(wǎng)功率在原來(lái)50%負(fù)荷的基礎(chǔ)上降到更低的深度調(diào)峰目標(biāo)。

從4號(hào)低加出口引出一路給水經(jīng)減壓閥減壓后送入電蓄熱裝置所配備的風(fēng)水換熱器，將所儲(chǔ)存熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝ｏL(fēng)水換熱器出口蒸汽通過(guò)流量分配閥門與C段抽汽管道相連，用以替代（或部分替代）汽輪機(jī)中壓缸C段抽汽向除氧器提供熱源。

圖4.2除氧器汽源替代系統(tǒng)示意圖

由汽輪機(jī)抽汽作為除氧器汽源時(shí)，抽汽壓力是隨著機(jī)組負(fù)荷變化的，為避免自沸騰及節(jié)流損失，一般情況下，除氧器都采用滑壓運(yùn)行方式。由固體電蓄熱裝置向除氧器提供的汽源則可以可以保持穩(wěn)定的蒸汽參數(shù)。因此，除氧器可以采用定壓運(yùn)行方式，既可以避免自沸騰和節(jié)流損失，低負(fù)荷時(shí)，也不必切換汽源。

4.5 系統(tǒng)能量平衡分析

4.5.1 機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)的日負(fù)荷分配

為便于研究，根據(jù)我國(guó)310MW機(jī)組目前的總體運(yùn)行水平，假定研究對(duì)象的負(fù)荷率為75%、機(jī)組最小運(yùn)行負(fù)荷為50%、廠用電率為5.5%、低負(fù)荷調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)為6小時(shí)，將機(jī)組發(fā)電機(jī)出口發(fā)電功率按以下方式分配：

0-5時(shí)：155MW

5-23時(shí)：310MW

23-24時(shí)：155MW

4.5.2 除氧器熱能需求分析

表4.2給出的是除氧器在THA工況和50%THA工況運(yùn)行時(shí)對(duì)電蓄熱裝置的熱能需求的分析結(jié)果。

表4.2除氧器對(duì)電蓄熱裝置的熱需求

4.5.3 系統(tǒng)調(diào)峰時(shí)段電熱平衡分析

表4.3給出的是調(diào)峰時(shí)段機(jī)組以155MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的熱電平衡計(jì)算結(jié)果，由此可以看出，如果調(diào)峰時(shí)段發(fā)電機(jī)出口發(fā)電功率為155MW，扣除廠用電關(guān)口表前的發(fā)電功率為146.5MW，如果將其中的121.5MW轉(zhuǎn)換為熱能，可將調(diào)峰期間上網(wǎng)功率降至25MW（8%），同時(shí)存儲(chǔ)2492.7GJ熱量，供除氧器全天使用。

表4.3除氧器熱平衡計(jì)算結(jié)果

05 結(jié)論

1）用固體電蓄熱裝置所儲(chǔ)存的熱量替代汽輪機(jī)抽汽向除氧器提供熱源的技術(shù)方案，從根本上突破了外部熱負(fù)荷對(duì)固體電蓄熱裝置用電功率的制約，從而可以使熱電機(jī)組在非供熱季節(jié)仍然具有深度調(diào)峰的能力，同時(shí)也降低了機(jī)組的發(fā)電熱耗。

2）如果除氧器采用定壓運(yùn)行方式，可以避免節(jié)流損失，低負(fù)荷時(shí)，也不必切換汽源。

3）用固體電蓄熱裝置所儲(chǔ)存的熱量不僅可以向除氧器提供熱源，還可以向中低壓缸、低壓加熱器、汽動(dòng)給水泵、廠用其他熱力設(shè)備提供熱源。因此，熱電機(jī)組配備固體電蓄熱裝置后，即使在非供熱季節(jié)，仍然可以發(fā)揮其深度調(diào)峰作用。