热电机组电热解耦应用研究综述

安 宁，叶 鹏，关多娇，李家珏，张 涛

（1.沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

近年来，我国风电装机容量和并网规模不断增大，其中“三北”（东北、华北、西北）地区出现了严重的弃风现象。从国家能源局发布的最新信息来看，2017年我国弃风现象主要集中在东北、西北、华北地区，其中较为严重的省份是甘肃、新疆、吉林和内蒙古，弃风率分别高达43%、38%、30%和21%。发生该现象的一个主要原因就是热电机组在冬季供暖期因供暖需求进而引发系统调峰能力急剧下降［1-2］。“三北”地区由于气候原因，电源以热电联产机组为主，调峰能力不足，为响应供暖期热负荷需求，热电机组采用“以热定电”机制，发电出力与供热出力具有耦合关系，最小发电出力提高，系统调峰能力不足矛盾加剧。

因此，以电力系统安全稳定为基础，分析电热耦合特性，科学解耦，合理优化调度，提升系统调峰能力，实现节能减排与新能源消纳是急需解决的问题。从目前来看，实现热电解耦，可以通过增设电锅炉、储热装置解除“以热定电”机制的约束；而对于电能与热能的综合电网调度，可采用滚动调度提高电网调峰能力；研究控制抽汽量的手段以改变机组调峰容量，深度挖掘机组调峰能力，以煤耗等为指标，合理分配电热负荷，优化系统分配［3-7］。本文对国内外研究及应用现况进行总结，从两个角度进行概述：一是设备方面，通过增设储热等装置改善机组调峰能力；二是调度方面，从系统优化调度层面，深度开发系统调峰潜能及未来所需研究。

1 热电机组的电热特性

目前国内主要应用的热电机组分为背压式和抽汽式［4］。

背压式汽轮机完成做功的低压气体可以用于工业应用及供热，虽然损耗较小，但电功率取决于热功率的大小，呈线性关系，不具备调节能力。因此，供热机组一般为抽汽式汽轮机，该机型将中程部分高温高压蒸汽抽出用于满足热负荷需求，如图1所示，AB、CD分别表示最大、最小发电出力时的运行关系。对于确定的热功率h，其电功率位于PE和PF间，可以进行调节，但随着抽汽量的提升，发电功率调节范围变小，机组调峰能力下降。

图1 抽汽式机组电热特性曲线

我国华北、西北、东北地区的冬季供暖期较长，热电联产机组可以同时满足用户供电及供热需求，并且具有高效节能等优势，因而被广泛应用，在北方供暖地区的发电结构中占有相当重要的地位。由于热电机组在供热方面扮演主要角色，必须优先满足供热需求，因此出现的“以热定电”机制约束了系统的运行，会降低供暖期间机组的调峰能力，甚至无法参与调峰。为了充分发挥机组调峰能力，实现节能减排与风电等的新能源消纳，需要科学合理解耦，缓解电热供应矛盾。

2 通过增添设备解决以热定电矛盾

从当前研究状况来看，可以通过两种方法提高热电机组调峰能力：第一是对热电机组本身进行结构修整，例如补偿供热和深度调峰技术等［8］；第二是增设电热耦合设备提升机组调峰能力，如电锅炉、储热装置、热泵等。

2.1 采用电锅炉供热

在发电机处或用户端，加设电锅炉，将电能转化为动能，分摊部分热负荷，同时可为风电等新能源提供消纳空间。含电锅炉的电热系统结构如图2所示。

图2 含电锅炉的电热系统结构

采用电锅炉可以将热负荷转化为电负荷，从而实现热电机组夜间热负荷的降低，进而减少因供热产生的必要发电来解耦“以热定电”的约束。热电机组采用电锅炉后，一方面由电锅炉额外产热，可以提升等效最大供热功率，更好地完成供热任务；另一方面在同等的供热需求条件下可以降低最小发电出力，以上两方面增大了机组的工作区域。最小发电出力降低的原因：一是电锅炉自身消耗电量；二是在同等的供热需求条件下，电锅炉将电能转化为动能，分摊部分热负荷，减少产热抽汽量，进而减少热电机组供热量和最小发电出力。国内外对增设电锅炉的电热综合调度已有了不少研究。文献［9-11］通过增加电锅炉来解耦“以热定电”的约束，把电锅炉与热电机组当成一个整体来建立调度模型，以煤耗率或其他经济参数为指标，可以充分减少生产成本。还有学者提出在二级热网增设电锅炉的调峰方法，通过两级热网间的平衡建立方程，进而建立电锅炉的开闭控制调峰模型，削减热电机组的热负荷峰值并且提高电网负荷谷值，平缓峰谷，提高电网稳定性与经济性，同时扩大新能源消纳空间。分别在发电机处和用户端加设电热锅炉供暖，建立电热联合调度模型，在用户端使用电锅炉供暖相比于传统燃煤锅炉，仅仅增加了系统全时段的电负荷，相比发电机处加设电锅炉方案，调峰能力与经济性相对较差。

采用增设电锅炉供暖方案具有以下几个优势：

1）电锅炉结构轻简、成本很低，与此同时能量转换效率大大超出传统燃煤锅炉（传统燃煤锅炉的效率为60%～80%，普通电锅炉的效率为95%，大型电极式电锅炉的效率为高达99%）；

2）电锅炉具有灵活调节性，无论是通过改变电流大小还是电热棒插入方式都可以改变功率；

3）对于用户端和二级热网的锅炉，启停及调整发热功率的方式灵活，可以充分响应热负荷的波动变化，保证供热稳定。

电锅炉产生的额外电负荷刚好可以解决风电等新能源的上网难题，同时减少煤耗成本，更为经济，非常适合我国“三北”地区冬季供暖期间弃风严重的状况；但对于其他地区则相反，可能会增加煤耗，同时电厂发电量降低，效益减少而又缺少相应的激励政策，实际应用效果并不理想。

2.2 增设热泵供热

热泵可以充分利用低品位热能，以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体，可提供较大热量而只消耗较少逆循环净功，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来，高效节能，可以从常见低温热源（自然界的空气、水或土壤等）吸热后充当高温热源再满足热负荷需求。增设热泵的原理和增设电锅炉相似，都是将热负荷转化为电负荷，从而实现热电机组夜间热负荷的降低，进而减少因供热产生的必要发电来解耦“以热定电”的约束。相比于电热锅炉，热泵具有更高的电热转换效率。热泵主要分为两种：集中式热泵和分布式热泵。前者主要应用于发电厂，后者主要应用于用户端。对增设热泵的电热联合调度系统，有学者提出了一种通过电热相互转化，实现高效节能的调度方法，建立增设热泵机组模型，仿真实验结果验证了该方法的可行性，可以提高热电机组发电效率，节能经济。用一体化手段将热电机组、集中式热泵和分布式热泵整合建模，在以不影响用户应有的供热需求前提下，改变系统电热功率分配，减小发电出力，同时发电成本较低的风电可以并网使用，一定程度上解决了弃风问题。增设热泵使用余热供暖也是一种可行的方法，将传统火力发电冷凝循环系统中的余热提出，进行供暖。国外广泛应用的是分布式热泵，德国在用户住宅中增设热泵，并且与发电厂联合运行，该方法可有效平缓新能源发电的波动性［12-16］。

增设热泵具有如下优势：热泵和电锅炉相似，能够分担热电机组供热要求，更加高效，降低煤耗率，经济环保。但不足的是增设热泵的投入成本大于增设电锅炉的投入成本，在热泵容量达到一定程度时，即使是热泵有着相当高的供热效率，热电机组的运行基本脱离“以热定电”的约束，热泵失去了供热效率高的优势，其调峰能力及新能源消纳能力与低成本的电锅炉持平。同时，分布式热泵的应用需要有远程调控系统的支持，想要投入实际生产还需对当前智能电网调控系统进行升级。

2.3 增设储热装置供热

通过在发电机侧增设储热装置，可以实现电热解耦，摆脱“以热定电”的束缚，能够明显提升热电机组调峰能力，为新能源上网提供空间，维持电网安全、经济、稳定运行。在用户侧增设储热装置，一方面可以满足用户的供热需求，减少热电机组供热压力；另一方面可以使用价格低廉的风电等。不但增加了各地区的用电负荷，提高相关联的热电机组调峰能力，而且使用清洁能源环境友好，让其发展前景更为广阔。热电机组增设储热装置，其作用与建立抽水蓄能电站相同，都能够平缓负荷峰谷波动，维持系统稳定。图3展示了含储热的电热系统结构，其在用电高峰时段利用弃风电量储热，而在用电负荷低谷时放热，减少热电机组出力，减少供热成本。

图3 含储热的电热系统结构

热电机组增设储热装置后，二者联合运行，能够有效地提高热电机组调峰能力，其电热特性如图4所示。传统热电联产机组在加装储热装置后，其电热运行特性将发生较大改变，由图1中的ABCD区间转变为AJKLMN区间。在相同供热功率时，不考虑上限的变化，电功率调节区间将扩大，调峰能力显著提升。相比于原本的热电机组：首先储热装置放热提升了机组的最大供热能力；其次同等供热需求前提下，最小发电出力降低，与电锅炉和热泵手段相比，储热装置放热不额外消耗电能，缓解热电机组供热压力，减少抽汽量，解除“以热定电”的束缚，提升最大发电功率及机组的备用容量。因此，增设储热装置有着十分重要的应用价值。

目前，热电机组增设储热装置的应用已经引起国内外学者的广泛关注。在现货市场条件下的德国，通过增设CHP和合适容量的储热装置，大幅提升热电机组效益。学者们首先分析了储热装置削峰填谷提升调峰能力的原理，建立了风电、热电及储热装置的联合调度模型，以煤耗率为指标，检验引入风电和储热装置机组的经济性。同时，将风电的不确定性影响以及储热装置的放热特性加以考虑，为解决电热联合调度问题提出了一种双线性模型调度方式［17-20］。

增设储热装置后，可以提升热电机组最大供热能力，降低机组煤耗的同时提升调峰能力，利于风电上网，而且不需要大幅调整现有的电网调度和通信手段。但是，基于储热装置的储热容量及放热功率，一旦机组的供热负荷出现极限量（包括极大和极小），增设储热装置解耦电热效果变差，而且热电机组增设储热设备需要加大建设投资和运行维护成本，影响了该方式的实际应用效果。对于我国供热面积大、需大量集中供热等特点，储热装置的容量、成本、可靠性等问题还需进一步讨论研究。

图4 含储热的热电机组特性曲线

3 电网优化调度

为了增加机组调峰能力，增加风电上网空间，提高发电经济性，不仅可以增设电热耦合设备解除热电机组“以热定电”的约束，还可以采取精益化调度措施，挖掘系统的调峰潜力。基于调度系统设备的精细化建模，综合分析发电厂、输电网、负荷特性，建立协调控制模型，利用调度设备完成精益化调度。

3.1 供热系统热惯性

当物体所处环境的温度发生变化，物体本身温度变化迟滞于环境温度变化，滞后程度与固体物本身的比热容和质量有关。这种温度变化的滞后性称作热惯性。居民建筑和供热网也具有热惯性，居民供热需求由每天几个时段供热量累积而满足，热量供求关系不必一定相等，允许存在一定程度内的不匹配，把这种供热特性叫做供热系统的热迟滞性。供热系统的热迟滞性，可以使热电机组在部分时段减少抽汽量，降低最小出力，提升机组调峰能力，扩大风电上网空间。基于供热网的热惯性，有研究者提出了一种电力调度系统、供热调度系统协调运行方式，仿真结果减轻了供电与供热间的相互约束，但实际应用中还是要以居民供暖的质量为根本，一定程度上减弱了该方法的效益。还有学者基于居民建筑的热惯性，建立电热协调调度模型，实验结果表明，系统的灵活性、调峰能力提升，可以引入更多风电，降低电厂燃煤成本。上述的研究都能不同程度地缓解热电冲突矛盾，提升调峰能力，扩大风电上网空间，更为经济环保。因此，系统热惯性有着不错的研究前景［21-23］。

3.2 多电源联合调度

为解除电热耦合约束，可通过将水电、火电、核电、抽水蓄能机组等电源与热电、风电协调调度，在保障供热的基础上提升系统调峰能力。文献［23］根据火电、热电、风电、水电、核电以及电锅炉、燃煤锅炉等电、热源形式，通过多电源联合以及电力系统、热力系统的协调调度，提高系统调峰能力。文献［24-25］建立了包含光电、风电、燃气轮机、燃料电池等分布式电源以及电热储能装置的热电协调控制模型，通过多电源联合调度，提升系统效率。

4 热电机组调峰的实际应用

电力市场的合理引导、增设电热耦合设备及分布式供热已成为国外提升系统调峰能力的主要策略。如丹麦、芬兰等国家，在实时电价的引导下，许多电厂通过增设电热耦合设备来解除束缚，提升调峰能力，增加效益。在瑞典的斯德哥尔摩地区，通过增设大型热泵平衡区域间歇波动，目前正在运行约660 MW的热泵和300 MW的电锅炉着实提升了系统调峰能力，扩大了新能源消纳空间［26］。丹麦热电机组占火力发电90%，而风力发电占总发电量的20%以上，这两项指标大大高于我国“三北”地区，而丹麦电网预计在2020年，风电比例将提升至40%，预计在2050年，提升至60%～80%［27-29］。在国内，有关电热耦合设备和优化调度的实际应用远少于现有研究。究其原因，虽然增设电热耦合设备可提升系统调峰能力，使用低价新能源，但目前我国主要以火力发电为主，参与调峰后火电厂势必减少发电量，导致效益降低；同时增设储热、电锅炉加大投入成本却又缺少合理的政策鼓励，因而参与调峰积极性较低。部分地区从电网优化方面进行了研究应用，冀北电网以智能电网来调控系统，开发了热电机组供热监测系统，实时监测并采集该地区热电机组热负荷、抽汽量等相关数据，并依据机组电热特性、电热负荷要求等求得机组可调范围，提升了冀北电网系统调峰能力［30-31］。

5 结 语

本文从增设设备电热解耦和电网优化调度两方面对提升热电机组调峰能力的研究成果进行了分类总结。其中，增设设备电热解耦可直接增加系统调峰能力，成效显著，但成本较高，而优化调度着力于电源、电网结构下开发系统的调峰潜力，成本低，但效果弱于前者。国内电厂缺乏合理激励政策，参加调峰积极性较低，政府未来还需加强鼓励及价格引导，实现系统的安全稳定、节能环保。