考慮碳交易的凝汽式機組蓄熱調峰方案研究

鄒思宇，鄭莆燕，白天宇，尉清源，姚哲豪，封康，程云瑞

（上海電力大學能源與機械工程學院，上海 200120）

為了實現能源發展的可持續性，落實“碳達峰碳中和”目標，國家加快了新能源的發展腳步，特別是風電和太陽能發電[1-5]。2020 年風力發電裝機容量增長了34.6%，太陽能發電裝機容量增長了24.1%[6]。目前國家經濟轉變為高質量發展，用電量趨于平穩增長，2019 年和2020 年全社會用電量分別增長4.44%、3.10%[6-7]。以上2 點導致火電必須讓出部分發電份額給新能源發電，因此火電調峰成為關鍵[8-10]。為提高火電企業的調峰積極性，2014 年我國首個電力調峰輔助服務市場——東北電力調峰市場正式啟動，標志著市場化補償調峰服務的開始[11-13]。調峰需要機組在非用電高峰時段減少出力，然而機組在低負荷下運行時的煤耗率會增高[14-16]，故單位發電量的碳排放會增多。

為促進CO2等溫室氣體減排，2021 年7 月全國碳排放權交易市場在上海正式開市[17-18]。在電力輔助市場和碳排放權交易雙重作用的條件下，如何找到合理的方案，成為需要研究的問題。王淑云等[19]提出有火電調峰參與的電力系統低碳化方法，考慮深度調峰引起的碳排放增量，以成本最低為目標建立了統籌經濟、低碳2 方面的優化模型。彭元等[20]根據有風電接入帶來的火電調峰需求，在碳交易背景下評估了碳排放對經濟調度的影響，建立了碳交易成本模型。

以上學者的研究并未從根本上改變深度調峰引起的煤耗率增加、碳排放量增多的事實。蓄熱是一種常用的深度調峰技術[21-23]，但多用于熱電聯產機組，凝汽式機組中應用較少[24]。蓄熱與火電調峰相結合可在鍋爐負荷基本不變的情況下蓄存熱力系統的熱能，故機組負荷率下降的同時并沒有引起煤耗率的增加，碳排放量也就不會增多。本文提出“3 級”和“2 級”蓄放結構，將蓄熱技術運用于凝汽式機組調峰，研究不同蓄熱調峰方案下機組的調峰范圍、碳排放和經濟性的變化，尋求深度調峰與低碳運行協調的方案。

1 不同的蓄放熱結構

蓄熱調峰應用于凝汽式機組的方式是：在鍋爐負荷不變的條件下，蓄熱過程降低機組發電負荷，放熱過程增加機組發電負荷，2 個過程形成1 個蓄放周期。在已有研究中，蓄熱結構均采用“單級”結構[21,24]。然而從能量梯級利用方面而言，“單級”蓄熱結構削弱了過熱蒸汽較高的溫度等級的優勢。而“分級”蓄熱充分利用過熱蒸汽過熱段較高的溫度，一部分蓄熱介質被加熱到與過熱蒸汽相近的溫度，所以抽汽在加熱蓄熱介質過程分為過熱段放熱、相變段放熱、過冷段放熱3 級。但是3 級蓄熱結構復雜，可以考慮采用2 級蓄熱的結構。

圖1 給出了蓄熱調峰的幾種不同蓄放結構。“單級”蓄放結構（圖1a)）設置了1 個高溫罐H 和1 個低溫罐L。蓄熱時回熱抽汽在換熱器EX1 與來自L 罐的低溫蓄熱介質換熱，蓄熱介質被加熱后進入H 罐。放熱時高溫罐H 里的蓄熱介質依次在換熱器EX2、EX3、EX4 加熱給水、凝結水，從而減少回熱抽汽，增大汽輪機電負荷輸出。“3 級”蓄放結構（圖1b)）與“單級”蓄放結構流程相似，但設置了3 組高低溫罐。“2 級”蓄放結構（圖1c)）與“單級”蓄放結構不同的是，蓄熱時低溫罐L 的蓄熱介質在換熱器EX2 被加熱后分成2 股，一股在換熱器EX1 里再次被回熱抽汽加熱，另一股直接進入H2 罐。顯然H1 罐蓄熱介質的溫度高于H2 罐。

圖1 不同蓄放熱結構示意Fig.1 Schematic diagram of different storage and discharge structures

實際上“單級”蓄放結構因換熱夾點的存在導致高溫罐的蓄熱介質溫度并不很高，甚至達不到排擠1 號高壓加熱器（高加）抽汽所需要的溫度，而“3 級”“2 級”結構應用了分級蓄熱，均可排擠1 號高加抽汽。

將3 種結構應用于某超超臨界660 MW 一次再熱機組，采用EBSILON 軟件對系統進行仿真模擬，確定不同方案下機組調峰范圍和燃煤消耗量。

2 評價指標

2.1 碳排放量與碳配額

根據質量守恒定律計算CO2排放量，計算式為：

式中：eC為CO2排放量，t；B為燃煤消耗量，t；Car為燃煤收到基碳，%。

機組CO2的配額量[25]為：

式中：Ae為凝汽式機組CO2的配額量，t；Qe為機組供電量，MW·h；Be為機組所屬類別的供電基準值，本文機組取0.877 t/(MW·h)；Fl為機組冷卻方式修正系數，本文機組凝汽器為水冷，故取1；Fr為機組供熱量修正系數，本文機組不供熱，故取1；Ff為機組負荷（出力）系數修正系數。

2.2 碳交易收益

當機組的CO2排放量低于機組CO2配額量時，可以通過碳交易市場獲得收益。計算公式為：

式中：GC為碳交易收益，元；pC為碳交易單價，本文取40 元/t。

2.3 調峰收益

調峰收益由調峰補貼、蓄放熱期間的售電收益確定：

式中：Sd為調峰補貼，調峰補貼的大小取決于電力市場輔助服務規則，不同地區的規則并不相同，本文參考《甘肅電力調峰輔助服務市場運營規則》[26]來計算調峰補貼，元；Gs-r為蓄放熱期間的售電收益，元。Gs-r可以表示為：

式中：pnet為上網電價，元/(kW·h)，取0.4；Pchg、Pdischg為蓄熱、放熱時機組發電功率，MW；tchg、tdischg為蓄熱、放熱時間，h，tchg取為1 h，tchg與tdischg之和構成1 個蓄放周期。

3 結果與討論

3.1 蓄熱調峰范圍

抽汽位置分別在1 號、2 號、3 號高加回熱抽汽處，對應的蓄熱方案分別命名為“蓄一抽”“蓄二抽”“蓄三抽”方案。本文分析均以40.0%THA 作為蓄熱調峰的起始工況，蓄放熱均在此基礎上進行。不同抽汽位置會對機組負荷升降產生不同的影響，具體如圖2 所示。

圖2 “單級”“3 級”“2 級”結構的機組負荷率隨蓄熱抽汽量變化Fig.2 Variations of unit load rate with heat storage and steam extraction capacity in “single-stage”,“three-stage”and “two-stage” structures

由圖2 可見，蓄熱過程中，機組負荷率均隨著蓄熱抽汽量的增加而下降。同一蓄熱方案下“單級”“3 級”“2 級”結構在相同抽汽量下的機組負荷率相等，如圖2 中虛線所示。其中“蓄一抽”方案的抽汽量為207 t/h 時，機組調峰深度最低可降到31.5%；“蓄二抽”“蓄三抽”方案下，機組調峰深度最低可分別降到32.3%、33.9%。

放熱過程中，“單級”蓄放結構的機組負荷率隨著蓄熱方案的改變而發生變化。“單級”結構在“蓄一抽”方案負荷率為43.6%（圖2a)），“蓄二抽”方案為41.8%（圖2b)），“蓄三抽”方案為41.1%（圖2c)）。因為1 號—3 號高加抽汽壓力依次降低，故抽汽的飽和溫度依次降低。而“單級”蓄放結構因為換熱夾點的存在，使蓄熱過程蓄熱介質最高只能被加熱到接近相應高加抽汽壓力下的飽和溫度，所以1 號—3 號高加抽汽位置蓄熱介質的最高溫度依次降低。由此導致放熱過程“蓄一抽”方案的蓄熱介質可旁路2 號—8 號（第4 級除氧器除外）回熱加熱器；“蓄二抽”方案的蓄熱介質可旁路3 號—8 號（第4 級除氧器除外)回熱加熱器；而“蓄三抽”方案的蓄熱介質只能旁路整個低壓加熱器。所以“蓄一抽”“蓄二抽”“蓄三抽”方案的放熱過程機組負荷率逐漸降低。“3 級”和“2 級”蓄放結構因擺脫了換熱夾點的束縛，所以蓄熱過程蓄熱介質的最高溫度高于相應高加抽汽的飽和溫度，故放熱過程機組負荷率高于“單級”結構。“3 級”“2 級”結構在“蓄一抽”方案負荷率為45.2%（圖2a)），“蓄二抽”方案為45.2%（圖2b)），“蓄三抽”方案分別為率為44.5%、45.2%（圖2c)）。

3.2 蓄熱調峰CO2 的排放量、配額量

圖3 為蓄熱調峰不同蓄放結構在不同負荷率下CO2排放量與對照方案的比較。對照方案是指機組不采用蓄熱調峰的方案。為便于比較各項指標，計算中對照方案均在40.0%THA 工況下運行，運行時間為蓄熱調峰方案的1 個蓄放周期。由圖3 可見，不同蓄放結構的各蓄熱方案碳排放量相比對照方案的增加值不大，在0 上下浮動。其中“蓄二抽”方案的碳排放量均比對照方案少，這是因為“蓄二抽”方案蓄熱時抽取的是2 號高加抽汽，所以最終進入鍋爐再熱的蒸汽量減少，導致汽輪機熱耗略微降低，煤耗減少，使得碳排放量降低。

圖3 蓄熱調峰增加的CO2 排放量隨機組負荷率變化Fig.3 Variations of CO2 emission increased by heat storage peak shaving with unit load rate

圖4 給出了蓄熱調峰碳配額在不同機組負荷率下與對照方案的比較。不同蓄放結構的各蓄熱方案的CO2配額量均比對照方案減少，并且機組負荷率越低，調峰深度越大，減少量越大。由式(2)可知：發電量越大，碳配額量則越大。消耗等量的燃煤，蓄熱調峰因為中間各種損耗加大，導致整個蓄放熱過程的發電量小于對照方案，所以蓄放熱過程的碳配額小于對照方案。“3 級”蓄放結構的碳配額減少量低于另2 種蓄放結構，是因為在同等調峰深度下，“3 級”蓄放結構中低溫蓄熱介質的放熱時間遠高于另2 種蓄放結構，如“3 級”結構“蓄一抽”方案的機組負荷率為35.8%時的總放熱時間為4.14 h，而“單級”“2 級”結構此條件下的總放熱時間分別為0.93、0.84 h。

圖4 蓄熱調峰CO2 配額量的減少隨機組負荷率變化Fig.4 Variations of CO2 quota reduced by heat storage peak shaving with unit load rate

3.3 碳交易收益

圖5 為不同蓄放結構各蓄熱方案下1 個蓄放周期內的碳交易收益的減少量隨機組負荷率的變化。

圖5 蓄熱調峰碳交易收益的減少隨機組負荷率變化Fig.5 Changes of the decrease of carbon trading revenue from heat storage peak shaving with the unit load rate

由圖5 可見，碳交易收益的減少量均大于0，說明所有蓄熱方案碳交易收益均小于對照方案，而且隨著機組負荷率的降低，調峰深度增加，碳交易收益的減少量越來越大。“3 級”蓄放結構的“蓄一抽”“蓄二抽”方案的碳交易收益的減少量明顯少于另2 種蓄放結構對應的蓄熱方案，因為“3 級”蓄放結構的“蓄一抽”“蓄二抽”方案在整個蓄放熱過程的能效利用較高，即放熱過程的發電量較多，所以碳配額也相應增多，致使碳交易收益顯著增加。針對 “3 級”結構，“蓄三抽”方案由于碳配額較低，使得碳交易收益低于“蓄一抽”和“蓄二抽”方案。當“3 級”結構的“蓄二抽”方案以32.3%的機組負荷率運行時，1 個蓄放周期的碳交易收益減少量為93.8 元，低于此蓄放結構的“蓄一抽”方案。但“蓄二抽”方案此時的碳交易收益的絕對量卻低于“蓄一抽”方案。

3.4 調峰收益

調峰收益包含調峰補貼和售電收益2 部分。圖6 為調峰收益相比對照方案的增加量隨機組負荷率的變化關系。

圖6 蓄熱方案調峰收益的增加隨機組負荷率變化Fig.6 Changes of the increase of peak shaving profit of each heat storage scheme with the unit load rate

由圖6 可見，所有蓄熱方案調峰收益的增加量均為正，意味著均高于對照方案，這是調峰補貼造成的，且機組負荷率越低，調峰收益的增加量越高。“3 級”蓄放結構的“蓄一抽”方案調峰收益的增加量高于其他蓄熱方案，當機組負荷率降到最低值31.5%時，該方案1 個蓄放周期的調峰收益比對照方案增加5.24 萬元。

3.5 總收益

圖7 為1 個蓄放熱周期內，相比對照方案，機組進行蓄熱調峰后，調峰與碳交易的總收益增加量隨機組負荷率的變化情況。

圖7 蓄熱調峰總收益的增加隨機組負荷率變化Fig.7 Changes in unit load rate related to the total revenue increased by heat storage peak shaving

由圖7 可見，蓄熱調峰增加的總收益均為正，說明各蓄熱調峰方案的總收益大于相應對照方案，而且隨著機組負荷率降低，調峰深度的增加，總收益的增加量會增大。“3 級”結構的“蓄一抽”“蓄二抽”方案高于其他蓄熱方案，當“蓄一抽”方案機組負荷率達到31.5%時，1 個蓄放周期比對照方案增加5.21 萬元，達到最高。

4 結論

1）蓄熱過程中，“單級”“3 級”“2 級”蓄放結構的“蓄一抽”方案機組負荷率降低最大，均可從40.0%降到31.5%；而放熱過程中“3 級”和“2 級”結構的發電量增加最大，可從40.0%增加到45.2%。所以“3 級”和“2 級”結構的調峰范圍要大于“單級”結構。

2）蓄熱調峰方案1 個蓄放周期的碳排放量與對照方案幾乎相等，但整個蓄放周期蓄熱調峰方案的碳配額卻少于對照方案，其中“3 級”結構的“蓄一抽”方案碳配額減小幅度最低。

3）各蓄熱方案的碳交易收益均低于相應的對照方案，但調峰收益均高于對照方案；各蓄熱方案的總收益均高于對照方案，總收益增加最高的是“3 級”結構的“蓄一抽”方案，1 個蓄放周期最大可增加5.21 萬元收益。