基于蓄能调峰系统设计与设备选型研究

井花蓓，刘耀鑫，尹莉钧，何深宇

（沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

从绿色发电的角度来看，解决电力系统的调峰问题仍然需要提高火电机组的调峰能力。因此，深入挖掘火电机组的调峰潜力是电源侧破解调峰问题的主要手段。但在冬季，由于火电机组要进行供暖，不得不强迫出力，无法完成调峰要求。所以，解决热电厂在供暖期的调峰问题迫在眉睫。根据目前国内外的研究结果来看，解决热电厂在供暖期的调峰问题主要是通过加入电极锅炉来实现的［1-3］。

以某热电厂为例，由于未改造前采用热泵进行供暖，所以机组在调峰时期降负荷，不能向热泵提供所需的采暖抽汽，故增设电极蒸汽锅炉弥补缺少的采暖抽汽。采用电极锅炉蓄能调峰，在解决部分地区采暖问题的同时，消纳了电厂供暖期的出力，在获得最佳收益的基础上，确定最佳装机方案，对热电厂具有重要意义。

1 蓄能调峰原理

采用电极锅炉的方案主要是满足采暖热负荷。电极锅炉的用电来自机组发电，由于电极锅炉消耗多余的发电量，所以机组实际发电负荷可以不用降至过低；同时，机组能够保持较高发电负荷，工业抽汽和采暖抽汽的供热能力也不至于降至过低，能够满足热网负荷的需求，从而实现机组的深度调峰［4-7］。

2 改造后的供暖系统设计

根据某热电厂原有的热网系统及外部热网设计，工程采暖热负荷同样采用二级网方式供热。热电厂出口的一级网采用100/50 ℃设计水温的高温水，经换热站水-水换热后，二级网采用65/45 ℃的设计水温为用户供热。当处于调峰时段，由于机组降负荷不能提供所需的采暖抽汽，因此增设的电极蒸汽锅炉补充所缺少的采暖抽汽，使二环热水网的水加热至100 ℃后向市区供热；当处于非调峰时段，机组可以提供所需的采暖抽汽，电极蒸汽锅炉停止运行即可；当处于尖峰时段，机组发电量全部向电网提供，电极蒸汽锅炉无法工作，热泵也没有了采暖抽汽来源，此时的蓄热水罐作为尖峰热源。供暖系统如图1所示。

图1 供暖系统

3 设备选型

3.1 项目背景介绍

某热电厂提供的运行数据如表1所示。

表1 某热电厂运行数据

参与深度调峰的热电解耦电厂能够获得调峰辅助服务补贴收益，对于热电联产机组而言，在采暖期负荷率降低至40%～50%，能够获得0～0.4元(kW·h)的收益；在采暖期负荷率降低至40%以下时，能够获得0.4～1元(kW·h)的收益，且在深度调峰时负荷越低，收入越高。

所需电极锅炉容量：

式中，n1为300 MW 机组的台数，n1=2；Pi为不同负荷下的功率；k为发电设备自身损耗后的发电效率，k=0.9。

总蒸汽量：

式中，Qi为各部分蒸汽量。

所需电极蒸汽锅炉数量：

式中，P为所需电极锅炉功率；Pj为选取的电极蒸汽锅炉功率，Pj=60 MW。

单台热泵对应流量：

式中，q总为首站外网水的总流量，q总=14 000th；n2为热泵的台数，n2=9。

蓄热水罐的容量：

式中，q'为尖峰时刻放热1.5 h 所需要的总水量；η为蓄热水罐的蓄热能力，η=87%。

单台热水罐的质量：

式中，ρ为水的密度，ρ=1×103kgm3；V为单台热水罐的体积，V=8 500 m3。

单台热水罐吸收的热量：

式中，Q为水吸收的热量；c为水的比热容，取c=4.2×103J(kg·℃)；m为单台热水罐的质量；Δt为温差，该项目将50 ℃的水加热到95 ℃，所以Δt=45 ℃。

单台热水罐蓄满所需蒸汽量：

式中，Q'为蒸汽释放的热量；h1为204 ℃饱和汽焓值，查焓值表得h1=2 794.3kJkg；h2为104 ℃饱和水焓值，查焓值表得h2=435.9kJkg。

每小时所需蒸汽量：

式中，F为单台热水罐蓄满所需蒸汽；h为单台热水罐蓄满时间，h=7 h。

水的流速：

3.2 电极锅炉容量的选择

方案一：只达到第一档调峰的上限。

机组在采暖期以70%负荷运行，功率为210 MW，对应电极锅炉容量为

可选择的电极蒸汽锅炉数量为

因此，选取2台单机功率为60 MW 的电极蒸汽锅炉，总热功率为120 MW。

查汽轮机抽气工况图可知，在70%负荷下原单台机组的抽气量为500th，2 台机组的抽气量为1 000th。

供暖期全部设备所需总蒸汽量为

加入电极蒸汽锅炉后可提供总蒸汽量为

由于Q'h>Qh，满足调峰要求。

方案二：参与第二档深度调峰。

由于机组负荷降至过低会导致机组损坏，询问厂家后得知机组的最低负荷只能降至55%。因此，当机组在采暖期以55%负荷运行时，功率为165 MW，此时的电极锅炉容量为

可选择的电极蒸汽锅炉数量为

因此，选取5台单机功率为60 MW 的电极蒸汽锅炉，总热功率为300 MW。

由汽轮机抽气工况图可知，在55%负荷下原单台机组的抽气量为340th，2 台机组的抽气量为680th。

供暖期全部设备所需总蒸汽量为

加入电极蒸汽锅炉后可提供总蒸汽量为

由于Q'h>Qh，满足调峰要求。

对比不同方案下各个参数的计算结果，如表2所示。

表2 不同负荷工况下的计算结果

综上所述，对于热电联产机组而言，负荷率在采暖期降低至50%以下时，可获得相应的补偿，当调峰至第二档时，可获得最高补偿，且调峰深度越低，所获补偿越高。因此，为获得最佳补偿且满足供暖需求，选取6 台60 MW 的电极蒸汽锅炉，保持5台运行，1台备用。

3.3 蓄热水罐选择

3.3.1 蓄热水罐容量选择

该项目中的水罐容量按机组承担91%负荷计算。

3台热泵对应的流量为

其余6台热泵的流量为

这部分水与蓄热水罐换热，放热流量按照9 500m3h考虑，放热1.5 h需要的总水量为14 250 m3。

由于蓄热水罐的储热能力为87%，因此蓄热水罐的容量为

综上所述，选取16 500 m3的蓄热水罐，但由于罐体过高，最终选取2台8 500 m3的蓄热水罐。

3.3.2 蓄热水罐蓄热能力

单台热水罐的质量为

单台热水罐吸收的热量为

那么，蒸汽释放的热量就相当于热水罐吸收的热量，即Q'=Q=1 606.5 GJ。

由焓值表可得，204 ℃的饱和汽焓值为2 794.3 kJkg，104 ℃的饱和水焓值为435.9kJkg。

因此，单台热水罐蓄满所需蒸汽量为

该项目计划7 h蓄满，故每小时所需蒸汽量为

水的体积流量为

综上所述，蓄热水罐作为尖峰热源是向热网提供热量的储能设备，当机组发电量全部向电网输送时，没有多余的电量提供给电极锅炉，导致电极锅炉无法工作，热泵没有采暖抽汽来源，不能满足供暖需求，此时蓄热水罐承担供暖需求。单台蓄热罐的储热能力为1 606.5 GJ，7 h 蓄满单台蓄热罐所需蒸汽量为97.311th，水的体积流量为1 214.286m3h。

水罐容量按机组不同负荷工况计算时，各个参数计算结果如表3所示。

表3 不同负荷工况下各个参数计算结果

4 结论

1）在冬季调峰时，热电厂采用增设电极锅炉和蓄热水罐的方法，可以保证在降低机组负荷的同时满足供暖需求并获得最佳补偿。

2）该热电厂为解决蓄能调峰问题，选取6 台60 MW 电极蒸汽锅炉和2 台8 500 m3的蓄热水罐作为最佳装机方案。

3）在该方案中，电极蒸汽锅炉可提供的最大采暖抽气为540th；蓄热水罐作为1.5 h的尖峰热源，单台可提供热量为1 606.5 GJ，7 h 蓄满所需蒸汽量为97.311th，水的体积流量为1 214.286m3h。