基于熱電一體化調峰的區域能源綜合利用綜述

韓建博, 王海超, 朱傳芝

(大連理工大學,遼寧 大連 116024)

1 概述

2021年,全國能源消費總量(折合標準煤)為52.4×108t,比上年增長(比例)5.2%,其中煤炭消費量(折合標準煤)占比56%,比上年下降0.9%;可再生能源消費量(折合標準煤)占比25.4%,比上年上漲1.1%,比2012年上漲11%,見表1[1],能源消費結構向清潔低碳加速轉變。目前我國各地積極推行減煤政策,促進可再生能源的高效利用,2021年,單位國內生產總值碳排放下降3.8%[1]。國務院高度重視加快推進北方冬季清潔供熱,提出“宜氣則氣,宜電則電”策略,提倡節約資源,保護環境。加速區域能源系統低碳化、提高能源利用率是實現雙碳戰略發展目標的必然選擇。

表1 2012-2021年能源消費總量及可再生能源消費量[1]

截至2021年底,我國風電裝機總量達3.3×108kW,占非化石能源發電裝機總量的29.4%,其中棄風量占3.6%[1]。北方城鎮供熱形成了以熱電聯供機組、燃煤鍋爐為主,其他清潔能源為輔的格局。隨著集中供熱面積的持續增長,熱電聯供機組冬季運行時受制于“以熱定電”的策略,在供出大量熱量的同時,也增大了發電量,擠壓了風電的上網空間,導致熱電聯供機組(簡稱機組)偏離額定工況較頻繁,使系統運行的經濟性下降。與此同時,熱電比不合理、機組乏汽余熱利用率低等問題較為嚴重,不僅影響了機組的使用壽命,也加重了“三北”地區的棄風問題。

在區域能源系統中,傳統的熱電聯供技術已經不能滿足人們對于清潔供熱的需求,通常采用為機組配置輔助熱源的方式實現熱電解耦,提高機組的靈活性[2]。利用電鍋爐、熱泵、蓄熱器等作為輔助熱源,能夠更好地實現機組的調峰,增強機組熱功率和電功率的靈活性。利用輔助熱源進行調峰分為集中式調峰和分布式調峰,見圖1。集中式調峰的輔助熱源設置在集中熱源處,對整個供熱系統進行統籌控制,起到削峰填谷的作用;分布式調峰的輔助熱源設置在供熱二級管網側,用于小范圍的調峰,能迅速對用戶熱負荷變化進行響應并作出調整,解決供熱不足的問題,降低集中供熱系統能耗,緩解熱電耦合問題[3]。

圖1 集中式和分布式調峰

此外,供熱管網內較大體量的熱水,儲存了大量的熱量,可以利用管網的蓄熱特性,調節供回水溫度,有效減少風電不穩定性和間歇性對機組熱、電功率造成的影響,緩解熱力系統和電力系統的壓力。

不同調峰方式對促進熱電協同、實現區域能源綜合利用的效果不盡相同。若要最大限度實現熱電一體化調峰,需要對不同方案進行模擬分析和評價:在滿足用戶熱需求的同時,是否能夠減少傳統能源的消耗、回收機組余熱、促進可再生能源消納、減少碳排放等。為此,本文將對不同方案的國內外研究現狀進行綜述,分析不同方案存在的問題,尋找適合的熱電一體化調峰優化方案,進而推動實現機組熱、電功率的綜合優化,提高區域能源的綜合利用效率。

2 集中式調峰

2.1 電鍋爐與熱電聯供機組耦合消納風電并供熱

電鍋爐具有調峰能力穩定、效率高等優點,熱電聯供機組配備電鍋爐輔助供熱,是進行熱電解耦改造、提高機組調峰能力、消納棄風的重要解決方案之一[4]。Zhang等[5]通過建立風力發電和蓄熱式電鍋爐輔助供熱模型,證明了該方案具有較強的調峰能力,可有效減少風電波動對電網產生的影響。陳彥秀[6]分析了水電機組、火電機組、熱電聯供機組的調峰能力,結合風電功率特征,給出了提高電網調峰能力的方案。通過建立熱電聯供機組在調峰約束下的風電消納模型,提出機組旁路系統補償供熱、需求側熱負荷管理、配置電鍋爐3種熱電解耦方案,通過對比選擇了配置電鍋爐這種方案。

熱電聯供機組與電鍋爐耦合運行區間見圖2。Pe和Ph分別為熱電聯供機組的發電功率和熱功率,一般抽汽式熱電聯供機組可行域為ABCDA,與電鍋爐耦合后可行域為ABB1C1D1DA。由于電鍋爐消耗部分機組發電,當熱功率為Φh1時,機組最小發電功率點由點F降到點H。其中,線段FG在Pe軸上的投影表示電鍋爐的耗電功率,線段GI在Φh軸上的投影表示電鍋爐的熱功率。運行曲線向右下方偏移,擴大了熱電聯供可行域的區間下限[7]。

圖2 熱電聯供機組與電鍋爐耦合運行區間

目前熱電廠改造的關鍵在于是否具有良好的經濟性和環保性。配置電鍋爐需要增加額外的設備投資,熱電廠在提供調峰服務的同時,還需要降低機組的電功率,損失自身效益。因此,合理地確定調峰電鍋爐額定功率,對方案進行經濟分析必不可少。

呂泉等[8]以東北輔助調峰服務市場為背景,建立熱電聯供機組與電鍋爐聯合運行模型,得到熱電聯供機組配置電鍋爐后的運行區間;建立調峰收益和成本模型,以靜態投資回收期為指標對模型進行經濟性評價。結果表明,隨著熱負荷增大,系統的調峰凈收益為負的區間增大;減小熱電聯供機組最小電功率可減小電鍋爐的運行熱功率,降低投資風險。由于風電反調峰性、波動性強的特點,電鍋爐由風電和機組供電的比例需精確計算。曹麗華等[9]以風電調峰增量和經濟凈現值為目標函數,對調峰鍋爐的最佳熱功率進行分析,結果表明,隨著電鍋爐熱功率增加,經濟凈現值先波動性上漲再下降,這是由于電鍋爐耗電功率增加,導致并網電量減少,機組上網收益減少。Nielsen等[10]對電鍋爐、電動熱泵耦合熱電聯供機組進行供熱的方案進行分析,證明了投資收益電價和設備本身額定熱功率及熱效率有關。

上述文獻從投資回收期、收益電價等角度分析了電鍋爐的額定熱功率對系統運行經濟性的影響,證明了方案的可行性,并確定電鍋爐的最佳額定熱功率。此外,還從熱電聯供機組與電鍋爐耦合系統的運行角度出發,制定適合的運行策略。

Ling等[11]利用可編輯邏輯控制器(PLC)對蓄熱鍋爐的控制策略進行研究,優化了儲熱器的運行模式,實現基于多智能體的電蓄熱鍋爐的優化控制。Cheng等[12]研究了蓄熱式電鍋爐的模型和控制策略,利用蓄熱電鍋爐與熱電聯供機組耦合,在降低熱電聯供機組發電功率的同時,提高風能利用率。通過MATLAB/Simulink仿真分析,驗證協調控制方案的優勢。

電鍋爐具有調節范圍寬、調節速度快的優勢,對促進棄風消納具有重要意義。電鍋爐設置在集中熱源側,對用戶側的動態調節能力并無改善。電鍋爐的額定熱功率、位置以及運行方案,直接影響系統運行的經濟性。上述文獻分析了采用電鍋爐調峰對系統效能的影響,更多從電能角度分析方案的合理性與經濟性,缺少對供熱過程中的延遲性和衰減性的分析,對于熱負荷的匹配考慮不夠全面。

2.2 熱泵實現機組熱電解耦的同時供熱

2.2.1吸收式熱泵

利用吸收式熱泵回收電廠余熱,采用部分抽汽驅動或者燃氣驅動,吸收低品位的余熱用于輔助供熱,減少了余熱的浪費,降低了系統運行費用,減少了碳排放。趙虎等[13]提出利用吸收式熱泵回收循環水余熱的方案,通過案例分析證明了該方案可提高熱電廠能效和供熱能力。霍鵬等[14]分析了抽汽式機組和背壓式機組分別配置熱泵參與余熱回收的方案,對比改造前后主要參數變化情況,證明了利用吸收式熱泵回收電廠余熱的可行性。吳佐蓮等[15]通過案例分析證明了利用熱泵技術回收熱電廠低溫余熱可有效提高熱電廠12%的能源利用率;有效地降低供熱一級管網回水溫度,減少供熱能耗,彌補新增供熱需求缺口。但在集中熱源處設置熱泵輔助供熱,其效果受到供熱距離限制。

張抖等[16]以330 MW熱電聯供機組為例,分析了機組運行安全區在增設吸收式熱泵前后的變化情況,證明了機組調峰能力隨熱泵制熱性能系數提高而增大。隨著機組抽汽供熱的比例增大,機組調峰能力先增大后減小。抽汽式熱電聯供機組與吸收式熱泵聯合運行區間見圖3。熱電聯供機組可行域為ABCDA,配備吸收式熱泵后熱電聯供機組可行域為AA1B1C1CDA,吸收式熱泵工作區域為AA1B1C1CBA。對于給定的熱功率Φh1,受機組最小發電功率限制,機組發電功率在線段FG在Pe軸上的投影范圍內波動;耦合吸收式熱泵后,機組發電功率在線段EH在Pe軸上的投影范圍內波動,調峰能力得到提升。

圖3 抽汽式熱電聯供機組與吸收式熱泵聯合運行區間

此外,在分析吸收式熱泵與熱電聯供機組聯合運行時,需要優先考慮區域內的驅動熱源種類,并考慮熱泵機組在運行過程中制熱性能系數的動態變化,以及對系統的供熱和調峰能力的影響。當使用熱電聯供機組抽汽作為驅動熱源時,還應考慮售熱、售電對系統經濟性的影響。

2.2.2電動熱泵

利用電動熱泵直接消耗風電進行輔助供熱,可有效降低一級管網回水溫度、提升管網的輸送能力、減少資源的浪費,并促進可再生能源的消納和利用。熱電聯供機組與電動熱泵聯合運行區間見圖4。熱電聯供機組運行區間為ABCDA,配備電動熱泵后機組特性曲線為ABB1C1CDA,線段B1C1由電動熱泵運行功率決定。對于給定的熱功率Φh1,機組發電功率調節范圍由原來的線段EF在Pe軸上的投影范圍變為線段EG在Pe軸上的投影范圍。電動熱泵消耗了部分機組發電量用于供熱,降低了機組發電功率下限,點C向右下方移動到點C1,提高了調峰能力。

圖4 熱電聯供機組與電動熱泵聯合運行區間

倪龍等[17]分析了電動熱泵回收熱電廠余熱的一次能源利用系數,結果表明,電網保留電量隨電動熱泵制熱性能系數和發電效率的降低而降低。杜玲玉[18]分析了電動熱泵供熱系統單位供熱量的煤耗,對比發現其煤耗僅次于抽汽、乏汽聯合供熱方案的煤耗,相對于其他供熱方案有節能優勢。Pezzolaa等[19]采用電動熱泵和小型燃氣鍋爐聯合運行的方式,制備夏季所需熱水,從一次能耗和二氧化碳產生量角度進行經濟性分析,證明了電動熱泵在適中環境和滿負荷運行下效率極高,具有投資低、回收期短的優勢,但其性能受環境溫度和局部溫度影響較為明顯,且在供熱方面的優勢大于供冷。Cho等[20]分析了配備電動熱泵的熱電聯供系統的經濟性,以電功率比和電燃料成本比為指標,對美國10座城市單棟家庭住宅進行案例分析,證明了電動熱泵耦合熱電聯供系統節能潛力巨大,可有效降低輔助熱源煤耗量。

不同的余熱回收方案對于系統的能效有著重要的影響。Kima等[21]研究了余熱來源對電動熱泵最佳額定熱功率的影響,以燃氣發電機提供電力和余熱的系統為例,回收排放管式換熱器和蒸發器處的余熱,分析兩種余熱回收方式對熱泵額定熱功率和制熱性能系數的影響,證明了回收蒸發器處的余熱效果更好。孫健等[22]提出利用溫升高、冷凝溫度高的高溫電動熱泵對電廠余熱進行回收的方案,用于回收40～50 ℃的余熱。較低的一級管網回水溫度有利于回收熱電聯供乏汽余熱。

此外,在諸多研究中,熱電聯供能耗與余熱回收率是按照月度部分負荷變化進行分析的,缺少對機組每小時運行效率的分析,故Seo等[23]利用eQUESET的內部程序,分析室內外溫度以及日照變化對建筑內部熱效應的影響,每小時執行1次能量分析,證明電動熱泵與熱回收熱電聯供系統聯合系統的可行性。配備蓄熱器,使系統棄熱量最小化。

在電動熱泵耦合熱電聯供機組的系統中,電動熱泵直接消耗風電進行供熱,減小了熱電聯供機組的熱功率,為風電上網提供空間。考慮系統的經濟性以及環保性,電動熱泵的額定熱功率需要通過精確計算獲得,并綜合考慮一級管網供回水溫度對于系統運行的影響,確定合適的供回水溫度,才能起到最優的節能減排效果,實現熱電一體化調峰。

2.3 蓄熱器與熱電聯供機組耦合

利用蓄熱器在熱負荷較小、電負荷較大的時段進行蓄熱;在夜間電負荷較小、熱負荷較大時進行放熱,有效降低熱電聯供機組的熱功率,配合熱電聯供機組的調峰。通過設置蓄熱器改善機組運行工況,減小機組啟停調峰對電網和熱網的擾動,不僅能夠延長機組的使用壽命,還能保持熱網良好的水力條件;在減少運行能耗的同時,保障了用戶的熱需求。

陳小慧[24]利用費留格爾公式對熱力系統變工況進行計算,以典型日和非典型日為例,計算蓄熱器的最佳蓄熱容量,并進行經濟性分析,證明了熱電聯供機組配備蓄熱器的方式更適合冬季機組高參數工況,能有效減小調峰過程中工況點波動對機組的影響。熱電聯供機組與蓄熱器耦合后運行區間見圖5。蓄熱器的放熱功率可控,熱電聯供機組的發電功率也可連續調節,可有效緩解風電不確定性帶來的影響[7]。圖5中,熱電聯供機組運行區間為ABCDA,配備蓄熱器后機組可行域為AA1B1C1CED1A。假設蓄熱器最大蓄、放熱功率相等,均為Φtes。蓄熱器放熱時,增加了系統的熱功率,線段AB、BC對應的熱功率整體增大Φtes;蓄熱器蓄熱時,電功率最小的點C對應的熱功率減小Φtes,到點E。對于給定的熱功率Φh1,機組電功率調節范圍由原來的線段FG在Pe軸上的投影范圍變為線段IH在Pe軸上的投影范圍,可調節范圍得到了明顯擴大。

圖5 熱電聯供機組與蓄熱器耦合后運行區間

蓄熱器與熱電聯供機組聯合運行時,需制定詳細的運行策略和評價方案,確保系統運行的經濟性,有效實現負荷的削峰填谷,為可再生能源提供上網空間,解決機組熱電耦合的問題。董廣彥等[25]對蓄熱技術提升熱電聯供機組的調峰能力進行了研究,結果表明,熱網負荷、蓄熱容量越大,調峰能力越強。最后提出“蓄熱時,平荷優先,峰荷補充;放熱時,谷荷優先,峰荷次之”的蓄放熱模式。李玲[26]建立節煤效果和經濟性分析模型,對蓄熱、抽水蓄能、風電供熱3種消納棄風的方案進行對比,證明了蓄熱方案投資更少、節煤率更高。采用風險價值法,綜合考慮各種因素,設計了一種調峰定價機制,為合理設定調峰價格提供了新的計算方法。Chen等[27]提出基于兩種線性模型的熱電聯供和蓄熱調度方法,第1個模型用于預判蓄、放熱的時間間隔,第2個模型用于確定機組輸出功率和蓄熱量,從棄風和運行成本角度,分析不同棄風量和蓄熱量對系統運行的影響。

考慮系統運行的可行性及經濟性,蓄熱器的蓄熱容量需要通過精確計算獲得,Wang等[28]利用當量降熱理論提出熱電聯供機組新的運行模式,安裝蓄熱器以提高風電的接收能力。此外,還介紹了基于Shapley值的合作博弈模型,并在此基礎上建立蓄熱容量的二層規劃模型,通過算例驗證了蓄熱容量規劃模型的有效性。隨著風電裝機容量增加,最佳蓄熱容量隨之增加,當蓄熱容量達到一定程度時,蓄熱對風電的調節能力趨于平緩。

采用蓄熱器與熱電聯供機組耦合實現熱電解耦的方法,主要基于國家階梯電價的政策支持,該方案充分利用分時電價的優勢,通過削峰填谷,減少機組運行費用。目前,針對蓄熱器蓄熱容量優化的研究較為完備,后續研究重點應在蓄熱運行策略的制定與模型求解速度的優化上。

2.4 蓄熱器與熱泵耦合實現熱電聯供機組余熱回收

在用電低谷時段,利用熱泵制熱,根據需要向用戶供熱或將熱量儲存在蓄熱器中。在用電高峰時段,熱泵停止制熱,根據需要蓄熱器可向用戶供熱,減少熱電聯供機組的熱、電功率,為可再生能源發電提供上網空間,緩解電網波動產生的壓力,蓄熱器與熱泵耦合運行流程見圖6。孫健等[29]提出電動熱泵與蓄熱器耦合的系統,搭建試驗臺對比研究采用單級熱泵、雙級熱泵對熱網溫度變化的影響,結果表明,兩種方案均可有效降低一級管網回水溫度,提高管網的輸送能力并降低供熱能耗,對充分利用電廠余熱、消納棄風、減少碳排放有重要意義,其中雙級熱泵效果更為顯著。

圖6 蓄熱器與熱泵耦合運行流程

系統運行過程是動態變化的過程,談政[30]利用工程方程求解軟件EES建立熱力站的數學模型,在電網峰谷期切換蓄放熱模式實現電動熱泵的間歇運行,進行變工況分析,結果表明,該系統可以有效降低一級管網回水溫度。證明了電動熱泵和蓄熱器聯合運行方案對實現熱電聯供一體調峰、實現熱電廠余熱回收利用的可行性。若該方案以熱電聯供機組為集中熱源,需考慮電動熱泵由機組和風電供能的比例,提出最佳的運行策略。

在蓄熱器與熱泵耦合實現熱電聯供機組余熱回收系統中,熱泵的種類不同,系統的運行效果也不盡相同。Wang等[31]提出基于效率因子的熱電聯供動態模型,分析了不同熱電比下熱電聯供機組和電動熱泵聯合運行的解耦能力,對吸收式熱泵和電動熱泵余熱回收系統進行比較,結果表明,當熱負荷需求大、電負荷需求小時,電動熱泵效果更好。

在分析蓄熱器和熱泵耦合實現熱電聯供機組余熱回收方案時,還應考慮系統的動態運行過程,即設備變工況、部分負荷率運行對系統產生的影響。考慮風電的不確定性對系統穩定性的影響,考慮電產出和需求的平衡以及輸電線路的約束問題,制定系統的運行策略,進行一體化調峰。

3 分布式調峰方法研究

在諸多文獻中,分布式調峰技術一般是指在小區熱力站內將燃氣鍋爐作為輔助熱源進行調峰;此外,還可以用蓄熱器、電動熱泵等輔助熱源設備,利用蓄熱或直接加熱的方式,對二級管網回水進行二次加熱;以及設置變頻泵對二級管網側流量進行調節,緩解水力失調現象。分布式與集中式調峰的區別主要在于:分布式調峰設備位于小區熱力站內,與熱用戶相連接,距離熱用戶更近,調節更加靈活,彌補了集中式調峰針對性差的不足。目前我國對于分布式調峰方法的研究較少,趙璽靈等[32]建立了吸收式補燃型換熱機組的二級管網調峰模型,分析供暖期系統運行參數,證明了新系統能夠增強供熱能力,且有利于回收更多的煙氣余熱。

利用分布式調峰實現熱電解耦,由于距集中熱源較遠,需要制定精確的運行調度方案,李佳佳等[33]用二級管網熱平衡方程作為調峰電鍋爐的啟停控制依據,以煤耗量為目標函數,風電平衡作為約束條件,建立熱電聯合調度模型,應用粒子群算法計算。結果表明,隨著電鍋爐的調峰比和電鍋爐額定熱功率增加,系統煤耗量呈現先減小、后增加的趨勢,而棄風量則一直降低,最后趨于零。鄧佳樂等[34]優化了調峰電鍋爐啟停控制策略,通過模型的經濟性分析,得出在二級管網側設置調峰電鍋爐可以降低系統的煤耗量,具有經濟可行性。最后結合一級管網、二級管網熱平衡方程,分析蓄熱式電鍋爐作為輔助熱源在日調峰過程中的重要作用。

經濟性作為評價方案可行性的重要指標,對方案的運行優化有著重要的指導意義。郭豐慧[35]建立電鍋爐設置在集中熱源處和小區熱力站處的熱電聯供系統優化模型,通過調度優化算法,分析兩種方案消納棄風的經濟性。結果表明,電鍋爐設置在二級管網側具有供熱系統水力條件好、煤耗量少和消納棄風能力強等優點。運用粒子群優化算法,分析蓄熱式電鍋爐的額定熱功率和風電滲透率對棄風消納的影響。考慮了熱網的延遲性和衰減性,對二級管網日調峰模型進行分析,更加精確。孫春華等[36]建立輔助熱源設置在二級管網側的壽命周期內經濟費用年值模型,求出基礎熱源和輔助熱源的最佳熱容量,提出基礎熱容量系數,并結合多地實際情況進行算例分析,得到基礎熱容量系數隨低谷電價降低而減小的結論。

此外,分布式調峰法對用戶熱負荷的變化具有較強的適應性,能夠及時做出調整。為確保用戶熱需求,需要充分考慮二級管網的水力和熱力平衡。朱應杰等[37]提出蓄熱與變頻泵聯合實現二級管網流量優化調節的方案,在確定蓄熱器最佳熱容量后,對分布式變頻泵布置位置進行分析,明確了系統的調度策略。

目前,我國針對集中式調峰的方法研究較多,對于分布式調峰的研究較少,分布式調峰相較于集中式調峰,設置位置更加靈活,對一級管網水力運行工況的影響較小,有較好的水力條件,穩定性更優,能更加高效地對熱負荷波動做出相應調控。但需要確定更加精確的調度方案,實現更加精確的調控,減少主熱源的能耗,減少碳排放。

4 供熱管網蓄熱特性研究

供熱管網作為集中供熱系統中連接熱源和熱用戶的重要組成部分,由于管網老化導致的熱損失嚴重[38],具有龐大的管道規模和水容量,具有一定的熱慣性,在系統中能夠充當集中供熱系統的蓄熱容器。目前集中供熱系統的調控中,制定運行策略時大多沒有考慮管網的蓄熱能力,缺少對管網蓄熱自動調控能力的研究。如何利用熱網熱慣性來提高熱電聯供機組的調峰性能、實現供熱系統的精細化,制定合適的運行控制策略,是實現集中供熱系統節能化、低碳化的重要研究方向。

張斌[39]通過圖論法建立了供熱管網水力和熱力模型,研究供熱管網出口參數和室內溫度的動態特性,得出結論:熱慣性的滯后時間和管段長度成正比、和流速成反比;室內溫度變化情況與管段溫度變化情況相同。證明了考慮熱慣性的情況下,典型日運行時,比忽略熱慣性多消耗30%的風電。趙永攀[40]用供熱系統運行調節公式和水力計算公式,求出用戶所需熱負荷,利用自動控制系統,對供熱系統流量進行調節,確保用戶室內溫度穩定。利用管網蓄熱,管道需要具備良好的保溫特性,對于管道散熱以及局部熱損失還需精確考慮。

為充分利用管網的蓄熱能力,需要通過計算確定系統的運行模式。王晉達等[41]對利用管網蓄熱的兩種模式--溫度提升式蓄熱和流量增加式蓄熱進行建模分析;將兩種模式結合,提出新的管網綜合能力的計算公式,求出管網蓄熱能力與管網最高輸送溫度、供回水溫差和最大循環流量的關系式,得出管網總蓄熱能力隨室外溫度升高顯著增大的結論。栗海潤等[38]提出考慮供熱管網蓄熱特性的多區域調度方案,提出供熱系統蓄能狀態指標,通過算例分析證明了利用管網蓄熱可以提高多區域熱電綜合能源系統的經濟性與靈活性。張赟綱等[42]提出在利用供熱管網蓄熱時,應嚴格控制長輸管網供、回水溫度不超過130 ℃、70 ℃的設計參數,并預留3～5 ℃的安全余量。

長輸供熱管網具有平均管徑大、水容量大等優點,更具開發潛力。利用管網蓄熱,在不新增設備的基礎上,實現熱源供熱量的日內轉移,可有效降低熱負荷的尖峰負荷、降低電負荷對熱負荷的影響,有效減小管網輸送熱損失。

5 結論

① 目前國內外研究主要從增設輔助熱源設備提升熱電聯供機組調峰能力和系統運行策略優化兩個方面進行熱電一體化調峰的研究。

a.電鍋爐具有調節能力靈活、啟停和調整方便、供熱效率受系統熱負荷波動影響小等優點,不受風電比影響,適用于整個供暖期。但對于風力發電量不足的地區,采用電鍋爐則會增加煤耗量,導致電廠發電量增加,產生不良影響。

b.利用熱泵進行輔助供熱,實現熱電廠的余熱回收利用,同時降低供熱回水溫度,改善供熱系統的熱力工況和管網的輸送能力,通過分攤熱電聯供機組供熱負荷,增強機組調峰能力。對于吸收式熱泵,適用于區域內有驅動熱源的場景,對于電動熱泵,適用于風力發電量較大的地區。

c.蓄熱器實現熱電解耦,能有效減小風電不確定性對系統穩定運行的影響,但存在類似蓄熱量的耦合約束階段,適用于棄風時段較短、風電發電量較少、峰谷電負荷相差較大的場景。我國供熱面積大、供熱負荷大,對于蓄熱器的熱容量需嚴格控制。

d.分布式調峰能對熱負荷波動做出迅速調整,有效降低熱電聯供機組能耗,提高供熱效率,增強一級管網的輸送能力,解決因供熱面積擴大引起的供熱不足問題,但需要制定詳細的運行調度方案。

e.利用供熱管網蓄熱特性,在不額外增加設備的前提下,實現熱負荷的削峰填谷,在長輸供熱管網中優勢更為顯著,但在供熱中期供回水溫度較高時,管網蓄熱能力較低,更適用于供熱前期和后期。此外,供熱管網蓄熱能力受供回水溫差、天氣等因素影響,供熱管網動態運行具有極大的不確定性,對管網運行控制策略的要求較高。

② 通過上述技術實現熱電聯供的一體化調峰的優化效果不盡相同,面對復雜的區域能源系統,確定最佳的能源綜合利用方案,制定合理的運行調度策略和評價指標,實現資源綜合利用是目前有待解決的問題。合理利用可再生能源,減少傳統能源的使用,對于降低供熱能耗、提高供熱效率、減少碳排放具有重要的指導意義。