2.6 熱水罐儲(chǔ)能技術(shù)

利用汽輪機(jī)抽汽，將熱網(wǎng)回水加熱至供熱溫度，存儲(chǔ)在大型熱水罐中，使機(jī)組在用電負(fù)荷高而供暖負(fù)荷低的白天進(jìn)行熱水儲(chǔ)能，夜間用電負(fù)荷低而供熱負(fù)荷高時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行供熱，在滿足供熱要求的基礎(chǔ)上提高機(jī)組運(yùn)行的靈活度，可以使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與調(diào)峰，這也是目前北歐地區(qū)普遍采用的熱電解耦技術(shù)。

為降低成本，一般熱水罐采用單罐斜溫層儲(chǔ)熱模式，也就是利用熱水的溫度密度差，熱水存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐的上部，冷水在儲(chǔ)罐的下部，熱水和冷水之間有一層厚度較小的溫度梯度層——斜溫層，實(shí)現(xiàn)一個(gè)罐體同時(shí)儲(chǔ)存高低溫水，簡(jiǎn)化了儲(chǔ)熱系統(tǒng)配置。熱水罐分為常壓罐和承壓罐，常壓罐內(nèi)壓力1bar，供熱溫度在95℃左右，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，但儲(chǔ)能密度小，體積較大;承壓罐壓力一般為2~3bar，熱水溫度為115~120℃，優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度相對(duì)較高，但設(shè)備較復(fù)雜，罐壁較厚，造價(jià)較高。目前常壓儲(chǔ)熱水罐的工程應(yīng)用較多，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)成熟可靠。

3、 靈活性改造技術(shù)比較

熱電廠采用哪種改造技術(shù)，除了考察技術(shù)方案的安全性和可靠性之外，技改方案的調(diào)峰深度，投資成本，運(yùn)行成本等將是決定最佳技術(shù)路線的關(guān)鍵因素，因此靈活性改造需要從這些方面進(jìn)行對(duì)比分析。

以上6種靈活性改造技術(shù)路線中，汽輪機(jī)旁路供熱，低壓缸零出力技術(shù)和高背壓改造技術(shù)涉及汽輪機(jī)本體技改，主要是將汽輪機(jī)內(nèi)部高溫高壓蒸汽的做功份額減小，將其轉(zhuǎn)化為對(duì)外供暖的熱能。汽輪機(jī)旁路供熱將做功能力較強(qiáng)的高溫高壓蒸汽抽出供熱，能夠大幅降低汽輪機(jī)組的強(qiáng)迫出力，具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力，但同時(shí)，考慮到汽輪機(jī)旁路容量，再熱器超溫，汽輪機(jī)軸系推力匹配，抽汽回?zé)岬葐?wèn)題，汽輪機(jī)旁路難以實(shí)現(xiàn)全容量抽汽，因此調(diào)峰幅度具有一定限制;從運(yùn)行成本來(lái)看，將高品位熱能的高溫高壓蒸汽用于供暖，存在較大的熱經(jīng)濟(jì)損失，運(yùn)行成本較高。

低壓缸零出力技改將中壓缸排汽全部用于供熱，低壓缸做功為零，降低了發(fā)電機(jī)組出力水平，具有較強(qiáng)的調(diào)峰能力，而且由于排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，具有很好的熱經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行費(fèi)用較低。

低壓缸高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)是將低壓缸的排汽壓力升高，利用較高的排汽溫度加熱循環(huán)水供熱，使低壓缸既保留了做功能力，又能夠供熱且消除冷源損失，具有最佳的熱經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行成本優(yōu)勢(shì)，但由于排汽壓力較高，需要更換專門的低壓缸轉(zhuǎn)子，改造費(fèi)用較高。值得注意的是，高背壓技改方案使發(fā)電機(jī)組處于不可切換的高背壓運(yùn)行狀態(tài)，使發(fā)電功率降低，并導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的頂尖峰負(fù)荷能力下降，可能帶來(lái)調(diào)峰收益折減。

汽輪機(jī)旁路供熱和低壓缸零出力改造的調(diào)峰深度如下圖2所示：

圖2：汽輪機(jī)旁路供熱和低壓缸零出力調(diào)峰深度

上圖中，紅線范圍是熱電廠原來(lái)的發(fā)電供熱運(yùn)行范圍，經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)旁路和低壓缸零出力改造后的運(yùn)行范圍如圖中實(shí)線藍(lán)線和黃線所示，綠色虛線是熱負(fù)荷線。改造后，汽輪機(jī)調(diào)峰能力和供熱能力增加，在供熱負(fù)荷不變的條件下，調(diào)峰能力較大的是低壓缸零出力技術(shù)，汽輪機(jī)旁路技術(shù)一般只能抽出部分容量主蒸汽對(duì)外供熱，因此調(diào)峰范圍有一定限制。

電極鍋爐、電熱固體儲(chǔ)熱和熱水罐儲(chǔ)熱技術(shù)不涉及熱電廠設(shè)備本體改造，對(duì)熱電廠正常運(yùn)行影響較小。電極鍋爐直接消耗電能，減少熱電廠對(duì)外供電，以此增加對(duì)外調(diào)峰能力，但為滿足供熱需求，電極鍋爐供熱量需要和電廠鍋爐運(yùn)行協(xié)調(diào)控制，因此調(diào)峰深度有限;相比之下，電熱固體儲(chǔ)熱一般具有較大的儲(chǔ)熱容量，可以靈活調(diào)節(jié)熱電廠發(fā)電功率和供熱量，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)熱電廠零出力，具有最好的調(diào)峰靈活性，但缺點(diǎn)是投資成本高，而且由于采用電供熱，熱經(jīng)濟(jì)性差，運(yùn)行成本高。

熱水儲(chǔ)能將用電高峰時(shí)的過(guò)剩熱能存儲(chǔ)起來(lái)，在需要調(diào)峰時(shí)，釋放熱能以滿足供熱需求，從熱電廠供熱特性圖來(lái)看，熱水儲(chǔ)能相當(dāng)于將相對(duì)固定的供熱需求轉(zhuǎn)化為可變的供熱需求，拓展了熱電廠調(diào)峰運(yùn)行范圍，如下圖3所示。

圖3：熱水儲(chǔ)能調(diào)峰范圍

如上圖所示，熱水儲(chǔ)能使熱電廠具備了雙向調(diào)峰能力，即可增加熱電廠低負(fù)荷運(yùn)行能力，也能增加高峰期的頂負(fù)荷能力，也就是供熱蒸汽流量出現(xiàn)過(guò)剩時(shí)，將多余熱能存儲(chǔ)到熱水罐中，當(dāng)電力需求處于低谷時(shí)，減小鍋爐和汽輪機(jī)出力，供熱不足的部分由熱水罐補(bǔ)充;當(dāng)電力需求處于高峰時(shí)，增加鍋爐出力，減少汽輪機(jī)對(duì)外供熱，增強(qiáng)電廠的頂負(fù)荷能力，供熱不足的部分由熱水罐補(bǔ)充;由于采用蒸汽作為熱源，熱水儲(chǔ)能的熱經(jīng)濟(jì)性好，運(yùn)行成本較低。

綜上所述，以一個(gè)350MW熱電廠技改為例，簡(jiǎn)要對(duì)比不同靈活性技改路線的投資成本，運(yùn)行成本和調(diào)峰深度，如下表所示。

表1：靈活性改造技術(shù)對(duì)比表

從上表可以看出，在調(diào)峰深度指標(biāo)上，電鍋爐固體儲(chǔ)熱具有最大的深度調(diào)峰優(yōu)勢(shì)，但由于采用電能作為熱源，折算到等效煤耗的用能成本最高，因而運(yùn)行成本最高;考慮到固體儲(chǔ)熱投資成本，采用該方案的項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不明顯。另外，從電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的供求情況來(lái)看，在市場(chǎng)初期，調(diào)峰容量供不應(yīng)求，固體儲(chǔ)熱項(xiàng)目往往能夠獲得較高的調(diào)峰收益，但隨著調(diào)峰電源逐漸增多，市場(chǎng)可提供的調(diào)峰容量不斷增加，供需逐漸平衡，高收益的深度調(diào)峰需求減少，固體儲(chǔ)熱高投入和高運(yùn)行費(fèi)用的劣勢(shì)凸顯，在與其他調(diào)峰技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，將處于不利地位。

電極鍋爐同樣采用電能作為熱源，雖然能夠增加電廠的調(diào)峰能力，也存在運(yùn)行成本高的問(wèn)題，在調(diào)峰深度相同的競(jìng)價(jià)中，難以實(shí)現(xiàn)較高報(bào)價(jià)的收益，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中難以獲得有利地位。

汽輪機(jī)旁路供熱，低壓缸零出力和低壓缸高背壓技術(shù)都能夠增加電廠的供熱能力，配合鍋爐負(fù)荷調(diào)整，能夠增加發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力，但調(diào)峰能力的增加是以發(fā)電能力的降低為代價(jià)，而且隨著供熱負(fù)荷的增加，機(jī)組的頂尖峰能力下降，可能會(huì)帶來(lái)調(diào)峰收益的損失，例如現(xiàn)在東北地區(qū)輔助服務(wù)市場(chǎng)規(guī)則，如果調(diào)峰機(jī)組尖峰出力達(dá)不到額定容量的80%，調(diào)峰補(bǔ)償減半。

以蒸汽為熱源的熱水罐儲(chǔ)能技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行成本低，投資費(fèi)用適中，更重要的是，熱電廠采用熱水儲(chǔ)能可以獲得雙向調(diào)峰能力，既能夠增加熱電廠的調(diào)峰深度，也能夠增加高峰時(shí)段的頂負(fù)荷能力，在調(diào)峰市場(chǎng)中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，也是靈活性改造示范項(xiàng)目中應(yīng)用最多的調(diào)峰技改路線。但同時(shí)，熱水儲(chǔ)能也存在儲(chǔ)熱密度低，空間占用較大的問(wèn)題，尤其是城市區(qū)域的熱電廠改造，由于占地限制，技改存在困難。

4、結(jié)論

隨著電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的初步建立，建設(shè)高效、靈活運(yùn)行的火電廠是火電行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要內(nèi)容，也是建立電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。各種火電靈活性改造技術(shù)面臨著激烈的市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，從改造成本，運(yùn)行成本和調(diào)峰效果等方面對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 以電能為熱源的固體儲(chǔ)熱技術(shù)和電極鍋爐能夠獲得最大的深度調(diào)峰能力，但存在投資成本高，運(yùn)行費(fèi)用高的問(wèn)題，尤其在調(diào)峰市場(chǎng)供需趨向平衡的條件下，很難獲得高額的調(diào)峰收益，技改項(xiàng)目難以實(shí)現(xiàn)滿意的投資回報(bào)。

2) 汽輪機(jī)旁路供熱，低壓缸零出力和低壓缸高背壓技術(shù)增加了熱電廠的供熱能力，通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐負(fù)荷，能夠增加調(diào)峰能力，具備較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性;但隨著熱負(fù)荷增加，機(jī)組的發(fā)電能力下降，可能帶來(lái)調(diào)峰收益損失。

3) 熱水罐儲(chǔ)熱技術(shù)具備最佳的運(yùn)行靈活性，投資成本和運(yùn)行成本具有明顯優(yōu)勢(shì)，也是靈活性改造示范項(xiàng)目中采用最多的技術(shù)路線;但由于熱水儲(chǔ)熱的儲(chǔ)能密度低，空間占用較大，項(xiàng)目實(shí)施有一定的限制條件。

火電廠靈活性改造采用以蒸汽為熱源的熱儲(chǔ)能技術(shù)具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，未來(lái)仍需要進(jìn)一步降低改造投資成本和提高儲(chǔ)能密度，隨著熱新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，熱儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)在火電廠靈活性改造中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。