耦合弃风和循环水余热的供热系统

高智溥，万逵芳，刘 岩，赵文波，邓爱祥

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 石景山 100040)

耦合弃风和循环水余热的供热系统

高智溥，万逵芳，刘 岩，赵文波，邓爱祥

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 石景山 100040)

为探索经济、高效的利用弃风供热和热电厂循环水余热的深度利用，实现节能减排效益最大化，依据能量梯级利用原理，提出一种耦合弃风和循环水余热的供热系统。该系统以压缩式热泵为核心，将电网与热网两大能量输送通道有机结合起来，以热泵消耗的电能和回收的循环水余热替代城镇热网中的燃煤锅炉供热，同时压缩式热泵耗电也为风电上网腾出等量的电能输送空间。模拟分析结果表明：该供热系统可以实现热电厂循环水余热100%回收利用，提高热电厂供热能力30%，实现风电弃风远距离、大面积、集中供热；该系统每消纳1 MW·h弃风电量可节约标煤约0.7 t，是蓄热电锅炉弃风供热方案节能量的4倍左右，同时可节约水资源3.64 t；供热电费成本为常规方案的20%～30%，是一种较为理想的利用弃风供热方式。

弃风电量；供热；热电联产；循环水余热

0 引言

近年来，我国风电弃风现象日趋严重，全国年弃风电量均在100亿 kW·h[1-2]以上，2016年更是达到497亿 kW·h的历史新高。煤电调峰灵活性不足[3]是风电弃风的主要原因之一，而冬季热电联产机组“以热定电”模式运行，被认为进一步加重了风电弃风[4-5]。

为促进风电消纳，国家能源局近年来多次下文推进风电清洁供热工作，国内出现少数采用蓄热电锅炉的弃风供热示范项目，多以绑定风电场不弃风或少弃风为条件[6]。虽然替代小型燃煤锅炉供热，取得较好节能减排效果，但经济性差[6-7]。许梦莹等[8]对多种风电供热技术方案的能源利用率和经济性研究表明，风电-地源热泵组合方案能效最高、运行费用最低，但需要有稳定的地热资源。

作为电网与热网衔接的纽带，热电厂参与风电调峰是火电灵活性改造的重点。吕泉等[9-11]提出热电厂通过“热电解耦”技术参与风电消纳的设想，并对旁路补偿供热、电加热补偿供热、储热补偿供热[12-13]以及电加热+储热补偿供热这4种可行方案的原理、调峰幅度和效益等进行了研究。认为储热装置补偿供热方案在排挤纯凝机组发电的情况下每消纳1 MW·h弃风电量节能效果最好，可达0.315 t标煤，电锅炉和旁路方案节煤仅0.167 t[10-11]。姜浩[14]对基于电锅炉的热电厂弃风消纳方案进行了研究。徐飞等[15]认为包含大容量储热的热电联产系统可简单经济地解决可再生能源大规模消纳问题。

上述所有热电解耦方案本质上都可视为是弃风供热，只是弃风代替了效率高、污染较少的热电联产锅炉。其存在以下不足： (1)消纳弃风的同时并不增加热电厂供热能力，无法取代用户侧效率低、污染重的燃煤供热锅炉以取得更好的节能减排效果。(2)旁路及电锅炉补偿供热用能不合理，做功能力损失大，消纳弃风时由热电联产向热电分产倾斜。(3)热电厂仍有大量循环水余热通过冷却塔散失到大气中，造成不必要的能源和水资源浪费。

根据各汽机厂商提供的热平衡图，1台300 MW供热机组，在500 t/h抽汽供热工况下，通过水塔丢弃的余热约为100 MW，折合每个供热季节丢弃4亿 kW·h左右的能量。全国热电机组冬季丢弃的循环水余热总量恐不低于全年弃风电量。而吸收式热泵和双背压双转子等技术只能回收全厂循环水余热的50%以下[16]。

针对上述问题，本文将电网和热网有机结合，提出耦合弃风和循环水余热的热电厂供热方案，在为风电上网让出相应通道的同时，回收循环水余热，大幅度增加热电厂供热能力以取代燃煤锅炉供热，节能减排效益翻番。同时，克服了吸收式热泵、双背压双转子等技术回收循环水余热能力小且无助于弃风消纳的不足。为风电消纳和热电机组循环水余热全面回收提供新的解决方案。

1 耦合弃风和循环水余热的供热系统原理

1.1 方案及工作原理

图1 方案示意图Fig.1 Schematic diagram of scheme

耦合弃风和循环水余热的热电厂供热方案如图1所示，热电机组所发电能一部分用于驱动压缩式热泵回收循环水余热，为风电上网腾出相应输送空间，减少弃风，用户电负荷总量不变但风电占比增加；压缩式热泵将原本丢弃到大气中的循环水余热回收，形成稳定的供热热源，从而可以通过一次管网取代用户侧小型燃煤锅炉供热；从整体效果看，弃风减少、循环水余热取代小型锅炉供热，燃煤减少，该方案的社会节能减排效益比较明显。在没有弃风时段，热泵耗电源于燃煤发电机组，确保弃风供热可靠性。

本方案另一个优势在于，供热初末期，热泵仍可以满负荷消纳弃风，制热负荷超过新增热负荷需求时，可以用于替代部分热电机组抽汽供热。

1.2 系统描述

1.2.1 系统结构

耦合弃风和循环水余热的热电厂供热方案系统结构如图2所示。该系统设置于热电厂内或毗邻热电厂，可分为压缩式热泵、热网水系统、循环水系统和抽汽系统几个部分。以2×300 MW装机热电厂为例，说明如下。

图2 系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of system structure

压缩式热泵为电动机驱动，电源来自热电厂发电机组出力。

循环水系统： 2台汽轮机凝汽器出口循环水进入压缩式热泵被提取热量冷却后，接入循环水泵入口，经循环水泵升压后进入凝汽器吸收乏汽余热，而后再进入热泵，循环往复，在余热可以完全回收时，冷却塔停用。需要调节冷端热平衡时，可以使部分循环水进入冷却塔，保证凝汽器出口循环水温度恒定。

热网水系统： 弃风供热系统热网回水与热电厂原有热网回水均进入压缩式热泵，提取循环水余热后进入各自热网加热器，被抽汽加热至合格温度后经各自一次管网供给热用户。若弃风供热区域毗邻热电厂原有负荷区域且原一次管网输送能力裕度足够，可以不再新建一次管网。

抽汽系统：2台机组采暖抽汽除按原有管道进入原热网加热器外，分别引出1根管道接入弃风供热系统新增热网加热器。热网加热器疏水仍按原方案回归热力系统。

1.2.2 系统典型参数

以某2×300 MW机组配置热电厂为例，耦合弃风和循环水余热的供热系统典型参数如表1所示。可见，回收全部循环水余热后全厂供热能力增加550万 m2。据统计，我国“三北”地区至少有58亿 m2建筑物仍采用燃煤锅炉供热，这为热电厂余热供热提供了足够的消纳空间。

表1 系统典型参数

1.3 系统运行方式及蓄放热过程

与带蓄热装置方案不同，耦合弃风和循环水余热的供热系统具有蓄热能力无穷大和蓄热能量零损失的特点。与常规热电联产机组余热利用技术仅能回收1台机组余热不同，本系统方案可回收全部2台机组余热。

在弃风较大时，压缩式热泵全负荷吸纳弃风电量，制热量(吸纳的风电量和循环水余热量之和)除用于自身新增面积供热外，多出部分补充热电机组原有供热面积的供热负荷，减少热电机组供热抽汽量。在电负荷不变的情况下，电厂燃煤量减少；此过程相当于间接蓄热，将风电弃风电量和循环水余热量间接储存在燃煤中。与蓄热装置相比，其优势在于，蓄热容量无限，而且蓄热过程没有能量损失，无论连续大风天气持续多久，上述间接蓄热过程都可持续进行。

在弃风电负荷较小或无弃风时，有多种运行方式，可通过经济性比较选择最优运行方式： (1)利用热电机组部分电负荷或从电网购电补充热泵用电，回收全部循环水余热；(2)根据风电弃风电负荷选择热泵部分负荷运行，回收机组部分余热，或者停止运行；(3)供热初末期和中期，在弃风电负荷低或无弃风期间，压缩式热泵在夜间低谷时段满负荷运行，白天停运。但从简化操作的角度考虑，不建议系统停止运行。

在热泵系统低负荷或停止运行期间，新增供热面积热负荷需求由热电机组抽汽满足。此时机组抽汽量增加、燃煤量增加，相当于将原先储存的弃风电量和余热量重新释放出来。

2 节能与节水分析

从社会角度看，本系统的作用是利用弃风电量驱动压缩式热泵回收循环水余热替代燃煤锅炉供热，故其节能量为燃煤锅炉所消耗的燃煤量扣除循环水余热回收过程中热电机组增加的耗煤量。

2.1 节煤量

热泵系统消纳弃风电量的节能量可用以下公式计算：

(1)

(2)

(3)

实际运行中，因风电的不稳定性，在弃风电量较小甚至无弃风电量时，热泵运行耗电可视为源于热电机组燃煤发电，节能量应扣除此部分电量对应的燃煤量。

以表1方案为例，假定燃煤供热锅炉效率为0.80、热泵性能系数为5.0、一次管网效率为0.95、为回收循环水余热提高背压导致机组发电煤耗率增加3 g/(kW·h)。此时压缩式热泵回收循环水余热系统每消纳1 MW·h弃风电量、消耗1 MW·h燃煤电量与传统蓄热电锅炉弃风供热等方案的节能量见图3。

图3 不同方案节能量比较Fig.3 Energy saving in different schemes

可见，压缩式热泵回收循环水余热方案的节能量可达0.72 t/(MW·h)，为蓄热电锅炉弃风供热方案节能量的4倍左右；即便以热电机组发电驱动热泵回收余热，节能量仍可达0.45 t/(MW·h)，高于灵活性改造方案的节能量至少50%以上。若全国因此消纳150亿 kW·h风电弃风(约为全年弃风电量的30%～40%)，则年节约标煤将超过1 000万 t。

2.2 节水分析

无余热回收时，循环水通过冷却塔将热量散失到大气中去，必然伴随着循环水的蒸发损失和风吹损失。冷却塔的蒸发损失率为

(4)

式中：P1为蒸发损失水率；Kzf为系数(1/℃)，按表2选取；Δt为循环水温升，℃。

表2 系数Kzf取值

1台300 MW热电机组，冬季循环水流量15 000 t/h，余热110 MW，可得Δt=6.31 ℃。按全天平均温度-5 ℃取系数Kzf=0.000 9，则蒸发损失率为0.568%，风吹损失按0.1%选取，循环水损失100 t/h(不含排污)。

采用热泵回收机组全部余热后，2台机循环水不需冷却塔冷却，可节约循环水补水200 t/h，即每消纳1 MW·h风电弃风用于余热回收供热，可节约循环水补水3.64 t(λCOP=5.0)。若全国由此消纳50亿 kW·h弃风电量，则年节水约1 800万 t。

2.3 弃风电量消纳能力

由于该系统不受蓄热能力限制，所以只要可以为热泵提高满负荷运行的弃风电量，热泵可以完全消纳，故其热泵系统消纳弃风电量的能力仅取决于电厂可回收余热量和当地的弃风率。

3 运营模式及经济性

3.1 运营模式探讨

从管理角度看，弃风供热运营模式可以分为风电企业主导、热电厂主导以及多方共赢等模式；从供热用能角度看，分为风电完全供热、风电完全消纳和风电适度消纳等模式。耦合弃风和循环水余热的供热系统与热电厂系统紧密相连，互为补充，故建议以热电厂主导，结合灵活性改造，尽可能多利用弃风供热的运行模式。

弃风供热涉及到风电、电网、热电、热泵和热网等环节，收益主要由风电企业新增上网电量收入、供热收费以及可能的调峰服务费。该收益在各环节的分配关系随经营模式的变化而不同。电网公司不参与到运营的环节，但通过电价、热泵用电量认定等政策影响总效益和自身的分享比例。风电、热源及热网企业可能存在的几种运营模式见表3。

表3 可能的经营模式

至于热泵脱离热电厂独立运营，可视为模式Ⅳ的特例，只是此时需从电网购电取代热电厂部分发电负荷驱动热泵，除电费支出发生变化外，其他与模式Ⅳ基本相同。

3.2 供热电费成本

按照电厂发电成本0.25元/(kW·h)、蓄热电锅炉效率为0.95、热泵性能系数为4.0～5.0，蓄热电锅炉供热电费成本为73元/GJ、热泵方案供热电费成本约为13.9～17.4元/GJ。可见，热泵方案供热电费成本约是常规弃风供热方案(蓄热电锅炉)供热成本的20%～30%(图4)。

图4 热泵方案和电锅炉方案供热电费成本比较Fig.4 Electricity cost comparison between heat pump and electric boiler scheme.

目前热电厂建筑采暖供热价格大多在30元/GJ左右，居民采暖费在20～30元/m2左右，单纯的电供暖根本没有经济性可言。而本热泵方案的供热成本甚至低于热电联产抽汽供热成本，具有很大优势。

3.3 效益分析

在不考虑投资成本时，耦合循环水余热利用的弃风供热系统，其经济效益为

(5)

式中：E为项目收益，元；M1、M2、M3、M4分别为供热、风电新增发电、余热排挤抽汽节煤及节水收入，元；M5、M6、M7分别为热泵电费、热网运维费和电网收费，元。

上述各项费用与运营模式相关，当热泵项目与热网统一经营时，M1为采暖费与供热面积的乘积，同时M6存在；若热泵项目脱离热网而向热网趸售热量时，M1为售热单价与趸售热量的乘积，同时M6为0；若热泵项目与风电厂独立经营，则风电新增上网电量收益与热泵项目无关，M2为0，但可以通过相关政策争取较为便宜的电价补贴；而热泵电费支出M5，取决于电网政策，以厂用电计量和上网电量计量带来的差别很大。

仍以表1数据为例，对不同经营模式的收支情况进行分析，相关数据取值见表4；以上网电价结算热泵用电支出的模式Ⅰ和以厂用电成本结算的模式Ⅱ的各项收支情况如图5所示。

表4 经济性计算参数取值

图5 模式Ⅰ和模式Ⅱ的各项收支情况Fig.5 Balance of payments in mode Ⅰ and Ⅱ

模式Ⅰ中，总收入有采暖费、节煤节水和风电新增上网电量收入构成，供热收入为主，随着热泵消纳弃风电量占比增加，风电厂新增上网电量收入占比越来越高；各项支出中以热泵用电费用支出为主，占60%以上，其次为热网运行维护费用支出。而随着热泵消纳弃风电量占比增加，电网收取的费用逐渐增加，但总体比例较小。模式Ⅱ与模式Ⅰ相比的供热收入下降近50%，但也省去了热网运行维护。此外，因热泵耗电以常用电成本结算，故模式Ⅱ与模式Ⅰ相比，电费支出降低30%左右；若无法实现以厂用电结算热泵电费，模式II的经济性要明显低于模式Ⅰ。模式Ⅲ和模式Ⅳ各项收支情况，可分别对应图5中风电弃风电量占比为0的情况。在所有模式中二者收益情况最差。

图5表明，在弃风电量占比一定时，无论何种经营模式，从风电到热网的总收益基本一致，只是随着经营主体和模式的不同，总收益在各主体之间的分配比例不同。

若以单位上网电量收入为基准，则热泵回收循环水余热供热每消纳单位电量新增收入随其消纳的弃风电量占比变化关系见图6(a)(模式Ⅰ)和图6(b)(模式Ⅱ)。模式Ⅲ和模式Ⅳ的上述对应关系可分别见图6中弃风电量占比为0的情况。

图6 模式Ⅰ和模式Ⅱ的收益与弃风占比关系Fig.6 Relationship between income and wind curtailment ratio in mode Ⅰ and Ⅱ

不考虑投资等财务成本假设下，模式Ⅰ，即便不消纳任何弃风电量时(弃风占比为0，相当于模式Ⅲ)，1 MW·h电能用于余热回收供热仍比上网售电多收益321元；若消纳的弃风电量占比达到50%，则热泵消耗1 MW·h电能带来的收益达585元。模式Ⅱ中，当趸售热价提高40%后，热泵消耗单位电能的收益方可接近模式Ⅰ的收益。但此时，热网收益受损，最好争取用电价格或采暖费用补贴。而对于模式Ⅳ，热泵消耗1 MW·h电能的收益只有150元左右，考虑到热泵投资较高，投资回收期恐将较长，应争取相应的补偿政策，毕竟热泵的投资给风电带来丰厚收益，也给社会节能减排带来了显著贡献。

4 结论及建议

本文根据我国热电机组冬季循环水余热可用总量规模，提出了利用风电弃风驱动压缩式热泵回收热电机组循环水余热供热的技术方案，并对其节能节水指标及运营模式对效益影响进行了分析，主要结论如下：

(1) 我国热电机组循环水余热可用总量不亚于年弃风电量，且易于利用，应予以足够的重视，结合弃风问题一并解决。

(2) 耦合循环水余热利用的弃风供热技术，将电网和热网两大能量输送通道有机结合，实现了弃风远距离大面积集中供热，不仅克服了以往弃风供热电能输送桎梏或热负荷受限等问题，也便于电网集中调度消纳弃风。耦合弃风和循环水余热的供热系统，以成熟可靠的压缩式热泵为核心设备，在现有热网水条件下，可回收全部循环水余热，汽机侧无冷源损失，全厂能源综合利用效率高达90%以上。蓄热容量无限制、蓄热过程无能量损失。在解决风电弃风的同时，节能量可达0.7 t/(MW·h)，节能量为蓄热电锅炉弃风供热的4倍左右。

(3) 耦合弃风和循环水余热的供热系统，在利用弃风和余热的同时，可节水3.64 t/(MW·h)。若全国充分利用，年节水有望达2 000万 t。

(4) 耦合弃风和循环水余热的供热系统，节能、节水和减排效益显著，但投资较高，最好采用风电-热电-热泵-热网一体化经营模式，确保投资尽快回收。

(5) 建议国家、政府、电网公司等出台包括投资补贴、电价、电量结算、热价或采暖费补贴等相关优惠和扶持政策，以吸引更多社会投资，保证不同经营模式的可持续发展。

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高智溥

(编辑 蒋毅恒)

Heat Supply System Coupling Wind Curtailment with Waste Energy in Cooling Water

GAO Zhipu, WAN Kuifang, LIU Yan, ZHAO Wenbo, DENG Aixiang

(China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Shijingshan District, Beijing 100040, China)

To explore effective and economic scheme of heat supply with wind curtailment and deep recovery of waste energy in cooling water to achieve the most effectiveness for energy conservation and emission reduction, this paper proposes a heat supply system coupling wind curtailment with waste energy recovered from cooling water according to the principle of energy cascade utilization. This system is cored on compressing heat pump and combines the grid together with the heating network, replaces the coal-fired boiler in urban heating network as heat source with the electricity consumed and waste energy recovered by the heat pump. Meanwhile, the electricity consumed by heat pump also gives ways for equal wind curtailment connecting into the grid. The simulation results show that this heating system can recover 100 percent of the waste energy in cooling water, improves the heating ability of thermal power plant about 30 percent and realizes the long distance, large area, central heating of wind curtailment. It is estimated that 3.64 tons of water and 0.7 tons standard coal, about 4 times of that of the storage-electric boiler, can be saved if 1 MW·h wind curtailment is consumed. Also, this is an ideal scheme for wind curtailment consumption whose electricity cost is only 20～30 percent of that of conventional scheme.

wind curtailment; heat supply; heat-power cogeneration; waste energy in cooling water

TK 01

A

2096-2185(2017)03-0001-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.03.001

中国大唐集团公司重大科技项目子课题《热电联产机组热电负荷解耦技术研究》。

2017-05-19

高智溥(1962—),男,本科，高级工程师,主要研究方向为电源优化设计、优化运行、节能减排、安全生产管理等；

万逵芳(1969—)，男，博士，副教授，主要从事热力系统节能、能源清洁高效利用及分布式能源等方面的研究，wankuifang@cdt-kxjs.com；

刘 岩(1987—)，男，博士，工程师，主要从事能源清洁高效利用及火电厂先进测量技术研究；

赵文波(1962—)，男，学士，高级工程师，主要从事汽轮机及热力系统能耗诊断及节能技术研究；

邓爱祥(1969—)，男，高级工程师，主要从事电站热力系统节能、故障诊断等方面的研究。