赵元军，胡玉剑，张 强

（1.黄河上游水电开发有限责任公司，西宁 810000；
2.西宁经济技术开发区黄河配售电有限公司，西宁 810000；
3.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240）

双碳目标下，中国正在构建清洁低碳安全高效能源体系，打造以新能源为主体的新型电力系统，对火电厂的灵活性和安全可靠性提出了更严格的要求。供热期内，热电联产机组需要在保障好民生供热安全稳定前提下，为电网提供调峰、调频、无功补偿等辅助服务。

目前，火力发电在国内能源行业中仍然发挥着重要的“压舱石”基础保障作用，是电能生产和民生供热的重要组成部分。在新能源装机占比较高的地区，为保障区域电网安全可靠，要求热电联产机组在供热期以能源主管部门核定的调峰能力提供深度调峰服务，在保证供热安全的前提下，机组调峰能力较非供热期相比明显减弱，会间接限制区域新能源消纳能力。因此，在新能源装机占比较高的省区，开展热电联产机组热电解耦技术研究和应用是非常必要的，不仅可以有效提升供热期机组深度调峰能力，还能支撑新能源大规模发展和新能源就地消纳。

文献[1]介绍了固体电蓄热装置在张家口等地区火电机组的应用和效果；
文献[2]采用固体电蓄热将电能转化为热能，在采暖期间缓解弃风现象，提出了一种基于分布式集合消费者行为特征和评价指标的最优调度框架；
文献[3]选用固体电蓄热锅炉，以弃风消纳最大和有效蓄热量最大为目标，提出一种基于固体电蓄热锅炉的弃风消纳多目标优化方法；
文献[4]对采用固体电蓄热技术对各种清洁能源供暖进行了技术经济分析对比。

本文拟通过热电联产机组配套建设电锅炉和蓄热装置实现热电解耦，供热期每天的新能源电大发时段内，将机组送出端部分电量引至电锅炉，将电能转化为热能储存在蓄热装置内，减少上网电量，提高深度调峰能力，为新能源电量消纳腾出空间；
待新能源减发、停发时段的用电高峰期，通过储存的热能向热网供热，减少机组供热负荷，增加上网电量，提升机组灵活性调节能力。

据预测[5]，如图1所示，到2026年，全球可再生能源发电装机预计将比2020年增长60%以上，达到4800 GW。中国在可再生能源装机数量和新增容量方面仍然是全球领先。

图1 全球可再生能源装机5年期滚动预测Fig.1 Five year rolling forecast of global renewable energy installed capacity

可再生能源快速发展的同时，“三北”地区的弃风、弃光的矛盾依旧比较突出，特别是在采暖季节，70%以上煤电都是热电机组，即使在保障供热的最小出力状态下，受热电联产机组本身热电牵连的影响，可再生能源的消纳空间都会变得非常有限，给电力系统的安全运行也带来挑战。

如图2所示，随着供热负荷的加大，热电机组的最大电功率出力和最小电功率出力区间逐渐缩小，并在供热负荷最大的B点接近为零，意味着供热机组在热负荷最大时将成为强迫负荷，灵活性为零，不仅无法消纳可再生能源，还会挤占可再生能源的上网通道。假设该机组某日承担的热负荷为Ph,k，此时为了保障供热，发电负荷至少应保持在Pe,k之上。可再生能源发电并网之前，机组承担负荷较大，机组在该时段发电负荷均大于Pe,k，但是当可再生能源发电并网之后，机组发电负荷逐渐减少，直到等于Pe,k。由于供暖是重要民生保障，无法再并网更多可再生能源机组，从而造成弃风弃光。在[Ph,k，Pe,k]这样的临界工况点下，如果并网更多风光可再生能源机组，必然要求热电联产机组进行热电解耦改造，改变机组运行的牵连特性。

图2 抽汽式供热机组热电运行区间示意图Fig.2 Schematic diagram of thermoelectric operation section of steam extraction heating unit

热电解耦通常是采用电制热锅炉、固体电蓄热等电能替代技术将厂用电直接转化为热能储存，在供热高峰期通过热电厂的管网送出，实现热电厂的热电产出解耦，在供暖季将发电的空间腾挪出来，给新能源机组创造电能消纳的条件。

1.1 电制热锅炉

电制热锅炉的工作原理是将3个电极浸入水中，通过水中的电流产生热水或蒸汽，效率接近100%，是间歇性电源（如可再生能源）消纳的理想选择。如图3所示，锅炉本身结构紧凑，大小不一。采用最少的部件和控制设备降低了维护成本，碳足迹很低，运行可靠性很高。

图3 电制热锅炉原理图Fig.3 Schematic diagram of electric heating boiler

电制热锅炉可以简化为三相六极的数学模型[6]，内筒壁为绝缘陶瓷材料，可以采用电轴镜像法求得锅炉加热功率。

式（1）中，L为圆柱电极在水中的长度，单位：米；
ρ为水的电阻率，单位：欧姆米；
P为三相总功率，单位：千瓦；
为相电压，单位：千伏；
b为电极轴心与中心距离；
d为电极横截面直径，R为圆筒容器半径；
b,d,R三者的单位一致。

1.2 固体电蓄热

为了消纳更多风光可再生能源，在电网需要火电机组进行深度调峰的时段，如图4所示。自动控制系统PLC接通厂用电高压开关，为高温蓄热体供电，当蓄热体的温度达到上限或深度调峰时段结束，PLC自动切断高压开关，高温蓄热体停止工作。高温蓄热体与热交换器的换热通过变频风机进行，PLC控制风机运行从而将高温蓄热体储存的热能转化成水或蒸汽输出。

图4 固体电蓄热装置原理图Fig.4 Schematic diagram of solid electric heat storage device

固体蓄热电锅炉的有效蓄热量[3]如下：

固体蓄热电锅炉系统单位时间供热量不应小于最多供热量要求。

热电联产机组在供热期需在保证供热抽汽量的前提下调整发电负荷至核定的最低调峰能力运行，从实际应用角度考虑最典型的热电解耦技术方案是机组配套具备电热转换功能的电制热锅炉和储热功能的蓄热装置。

某西北区域热电厂2×350MW超临界空冷热电联产机组，两台热电联产机组设计供热容630MW，抽汽量为900t/h，核定供热机组调峰范围为220MW～310MW，高旁最大开度为额定蒸发量的40%，低旁为额定蒸发量的100%。

考虑到中国西北地区非常丰富的太阳能资源和庞大的光伏装机，供暖期间，在光伏大发的时段，存在越来越大的深度调峰需求，而结合热负荷和电负荷的同期特性，热电厂设计采用较大比例电制热锅炉，以及为应对极端天气的小比例固体电蓄热装置。如图5所示，通过优化计算，该热电厂配套建设9×40MW电锅炉和2×40MW固体蓄热装置，作为深度调峰下的热电解耦解决方案。电锅炉电热转换效率为93%，电加热固体蓄热设备热效率为95%。

图5 热电解耦方案设计Fig.5 Design of thermoelectric decoupling scheme

热电解耦系统运行机制是在新能源大发时段，电锅炉消耗部分电量转换为热能直接向热网输出，电热固体蓄热装置消耗部分电量将转换的热能储存，达到机组抽汽量和上网电量双减目标；
用电高峰时段电热固体蓄热装置将储存的热能向热网输出，达到减少机组抽汽量和增加上网电量的目标。

根据西北地区“两个细则”的规定，火电机组深度调峰期间，是指火电机组为配合电网调整需要，机组出力低于50%额定容量的时段。如果不进行热电解耦改造，按照核定的调峰范围，供热期最小供电负荷为220MW，高于热电机组50%额定容量，因此无法参加有偿调峰辅助服务。

超临界热电机组热电解耦方案实施后，由于大容量电制热锅炉和固体电蓄热装置采用供热期机组调峰容量从核定的220MW～310MW，扩展到了0～310MW，在可再生能源大发的时段，可以实现热电机组“零出力”和0～50%电力负荷的深度调整，最多消纳更多可再生能源，提供440MW的最大容量通道，并且具备快速热、电尖峰供应能力，机组煤耗和环保指标均变动不大，破解了传统“以热定电”的调度难题。该方案还可以极大提高民生供热的可靠性，假设供暖期热电厂出现双机全停的情况，可以从电网受电，确保供暖，为机组抢修赢得时间。出现极端天气时，对已达到机组供热极限的电厂，可以迅速向热网补充热量，保证用户的终端用能温度。

对于存在供热缺口的热电厂，由于增配了大容量电制热锅炉和固体电蓄热装置，供热能力从原来的630MW扩大到1070MW，进一步扩展了企业供热面积和能力，大幅提高经济收益。发电亏损的热电机组，可以通过在现货市场补仓低价可再生能源进行供热，有利于彻底扭转煤电企业亏损局面。

本项目电锅炉和固体电蓄热的建造费用分别为100万元/MW和130万元/MW，整体投资费用4.64亿元。

4.1 项目经济性测算

如表1所示，供热期180天，深度调峰每天6个小时，按照西北地区“两个细则”的0.3元/kWh进行计算，年度补贴收入1.13亿元。

表1 项目年度收益测算Table 1 Annual income calculation of the project

售热价格按照39元/GJ计算，根据440MW的容量，年度热力销售收入为6672万元。

按照0.15元/kWh的发电成本计算，按照440MW的容量，每年制热成本7128万元；
运维费用和人工工资按照30元/kW进行计算，每年成本1320万元。

综上收入和成本，可以得到年度收益9564万元。

4.2 社会效益评价

供暖期内，按照440 MW的容量计算，每年可以实现4.75亿kWh的风、光可再生能源消纳，以每千瓦时煤电产生0.87Kg二氧化碳进行折算，年度减排二氧化碳41.34万吨。

西北地区风、光、水等可再生能源丰富，水电是应对风、光这类间歇性可再生能源发电的重要手段，但是供暖期内往往是河流枯水期，因此火电作为重要的深度调峰资源进行可再生能源消纳具有重要的现实意义和碳减排效果。

项目依托供热火电机组，利用西北地区电热同期特性，减少了固体电蓄热配置数量，节省了大量投资，消纳了大量可再生能源，具有进一步推广潜力。

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