热电机组与蓄热调峰容量配比及运行模式思考

发布时间:2022-05-03 17:16:43 论文编辑:vicky

本文是一篇留学生论文,本文在确定机组调峰时电负荷及热负荷的基础上,建立相应的约束条件和目标函数,在调峰目标函数下确定了不同消纳方案的最佳容量。同时在不同消纳方案下综合考虑机组的煤耗水平、利润水平、环保水平,对机组经济运行模式进行分析。


第 1 章 绪论


1.1 研究背景及意义

1.1.1 弃风限电的深层原因

风电作为可再生清洁能源,对改善能源结构、保护生态环境、实现高质量发展具有举足轻重的作用。随着风电装备技术水平的进步,风能资源开发利用呈规模化、产业化,我国风电装机规模多年稳居世界第一。

我国 2013~2020 年风电并网、发电量及平均利用小时统计情况见表 1.1 所示。由统计数据可以看出,截止到 2020 年底我国风电累计并网容量增速为178%,约 28172 MW。2020 年底,风机并网容量及发电量再创新高,唯独风电平均可利用小时数却未实现大幅增长,其中 2015 年为 1728 h,2020 年仅为 2097 h[1-6]。

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1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外主要研究方向

近年来,新能源发电技术在全球迅速发展,可再生能源占比持续提升,但是新的问题也相应而生。新能源发电受自然资源、气候禀赋等影响稳定性差,负荷波动大,供热时段的电热矛盾等引起的调峰能力受限制约着可再生能源健康、持续发展。世界各地相继开展了相关研究,致力于解决普遍的弃风现象,提高热电机组调峰的灵活性,实现了巨大的经济效益和社会效益[14-18]。国外一些国家积累了大量的工程实践经验,尤其是丹麦通过对热电机组进行灵活性改造,配置相应储热罐等储热设备,提升了机组低负荷运行能力。通过丹麦的实际经验,我们可以看到通过对机组配置储热装置,能够有效实现热电解耦,提升机组运行灵活性[19,20]。 现一阶段,储热调峰技术,通过与分布式风电、分布式光伏、分布式燃机等形成互补,以其占地面积小,运行调度灵活,备受关注:

(1)以经济效益、社会效益为前提,在现有辅助服务政策下适应调峰需求,提高机组运行灵活性;

(2)结合供热能力和热网负荷分析,电、热价机制,如何配置蓄热罐和电锅炉最佳容量并加以优化[15,21,22];

(3)探索促进系统消纳可再生能源,在集中供热系统中建设背压机进行供热有何影响[23]。

我国电力系统灵活性较弱,新能源迅速发展造成“风热冲突”严重制约着我国能源可持续发展。通过与丹麦等国家开展技术交流、合作,通过对热电机组配置电锅炉或储热装置等方法缓解风热冲突[24-26]。储热技术在文献[27]中详细说明,通过配置储热装置可以打破机组运行的热电强耦合,降低机组低负荷运行能力,提高调度灵活性。吕泉等[28-30]  在电热约束条件下,通过在机组配置电锅炉和储热罐方案,建立热电机组调峰联合调度模型,进一步验证了促进新能源消纳的意义。陈磊为了验证不同储热技术在不同系统的差别,在文献[31]中阐明了电热综合能源系统的特性。针对增设大容量储热装置促进新能源消纳,徐飞[32]进行了归纳。顾泽鹏[33]将热力网的限制条件在机组能源综合调度系统中加以考虑。Li  Zhigang[34,35]认为即使不需要配置储热设施,同样可以提升机组运行灵活性,这是由于热网本身就具有一定的储热能力,而且这种能力可以充分被利用。


第 2 章 风电消纳现状研究


2.1 电源结构分析

该区域电网位于我国东北地区中部,是东北地区电能输送、交换的重要组成,既满足区域供电,其区域的水电通过主网送出参与电网调峰,又承担着东北地区 500kV电网传输的重任。

2018 年该省全口径用电需求为 750.57×108  kWh、用电最高负荷为 13516MW,同比增长 6.8%、14%。2017 年最大峰谷差为 3761MW。

截至2018年12月底,该省发电总装机30554.6MW。其中:火电装机18261.4MW,占61.92%;水电装机3851.0MW,占12.60%;新能源装机8442.1MW,占27.63%,其中风电装机5136.3MW,占16.81%  ,光伏装机2649.4MW,占8.67%。

该省冬季严寒,冬季供暖作为民生工程,占比较高的热电联产机组优先保证采暖需求,加之近年来东北地区经济发展放缓,产业结构调整,发展方式转变,该省电力供需矛盾突出。电源结构不合理,调峰压力巨大,省内用电能力有限,输电通道受限,电能不能大量跨省送出,弃风现象较为普遍,严重制约着该省电力工业的发展水平。主要问题体现在:

(1)电源结构不合理,调峰能力严重不足

虽然该省水电装机规模占东北电网的一半,但是该省水电调峰能力依然有限。该省冬季时间长,冬季严寒,极寒天气频繁,2018 年供热机组约占煤电规模的 73.7%,风电装机容量约占总装机容量的 16.8%。在冬季采暖期,占比较高的热电联产机组优先保证采暖需求,高峰期达不到额定容量、低谷期最低出力达不到最低技术出力,供热压力巨大,电网调峰难度极大。

(2)风电装机规模不断提高,弃风现象仍未有效解决

该省风电资源丰富,风电装机规模位居我国前列。近十年以来,该省风电开发火热,大型风电基地如雨后春笋般投运,该省已提出打造清洁能源的“陆上三峡”战略发展目标。但是受产业结构调整,发展方式转变,送出通道有限,系统调峰困难影响,该省清洁能源消纳比例不足,弃风现象仍未有效解决。


2.2 负荷特性分析

根据该省电网历年负荷情况和利用小时情况,结合该省清洁能源发展战略规划、产业结构调整方式、经济发展方式、电网建设等规划,对电力负荷和用电量进行预测,2021 年分别达到 14976.8  MW、847.26×108  kW h,年均增长率为 5%和 4.4%,预计2025 年分别达到 18270MW、1012×108kW h,年均增长率为 5.1%和 4.6%。

 根据前述负荷预测以及该省电源装机规划,结合该省电力平衡情况,可知该省火电在冬季大出力,夏季小出力(夏小参考火电最小出力);风电冬大、冬小、夏小分别按 10%、50%、90%出力参与平衡。“十三五”末期到“十四五”期间,受供热响,该省冬季一直处于多电状态;夏季在风电出力较小时,该省盈余电力。

2019 年冬季多电力 289MW~6296MW,夏季电力盈亏-3652MW~3741MW;2020 年冬季多电力 270MW~7229MW,夏季电力盈亏-3364MW~4528MW;随着负荷的增长,2025 年冬季电力盈亏-687MW~6345MW,夏季电力盈亏-6029MW~4607MW。

该省位于东北地区中部,季风气候明显。春秋季多风且春、秋季节风速大,夏季少风,冬季受西伯利亚及蒙古国冷湿气流影响,风速稳定,风功率密度大,风能资源开发优势明显。同时该省平均风功率密度和平均风速所呈现出的规律具有一致性,一天内夜间风速较大,白天风速较小,风资源禀赋和品质适合大规模开发风电。根据该省新能源和可再生能源“十三五”发展规划[61],可知该省理论上有近 2 亿千瓦风电开发规模,容量达到5400万千瓦。对该省来说风电可开发规模存在着西多东少的现象,这是由该省的地理和气候所决定的。

由于该省早期开发的风电项目风机单机功率普遍较低,风机轮毂高度集中在 80米左右。随着近几年大功率、高塔筒风机不断投入运行,今后风机轮毂高度均处于120m~140m。考虑到存量风机和增量风机并存,为了便于分析数据取 80 米轮毂、140米轮毂高度的均值110m 作为分析对象。


第 3 章 电锅炉与储热罐最佳容量确定方法 ................................ 24

3.1 机组配置储热罐与电锅炉后电—热特性分析 ................................. 24

3.1.1 机组配置储热罐后电—热特性分析...................................... 24

3.1.2 机组配置电锅炉后电—热特性分析.................................... 24 

第 4 章  热电联产机组蓄热调峰运行模式研究 ............................... 39

4.1 运行模型构建..................................... 39

4.1.1 风电消纳模型 ............................................ 39

4.1.2 机组煤耗及污染物排放模型 .................................. 40 

第 5 章 结论 ....................... 59 


第 4 章  热电联产机组蓄热调峰运行模式研究


4.1 运行模型构建

储热罐则可以在热负荷较低时进行储热,在热负荷较高时降低机组供热量进行放热,满足供热的同时又降低了机组电负荷。在储热罐储热过程中,储热罐的煤耗水平也作为影响调峰经济性的重要指标之一。

电能生产是一个复杂的过程,能源从化石能源转化为电能的同时,伴随着不同形式的能量转化,在能量的转化过程中,排放物主要包括气体排放物、固体废物、废水等。气体排放物主要以二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等为主。这些排放物的排放水平与燃料特性、生产工艺、运行特性、环保设施处理水平等多种因素相关。从机组运行模式上看,机组低负荷运行过程中,造成进入脱销系统的烟气温度降低。催化剂还原法脱硝技术作为一种技术最成熟、应用范围最广的烟气脱硝技术,在燃煤电厂广泛应用。锅炉省煤器出口烟气温度需高于脱硝装置催化剂运行温度。如果机组低负荷运行,造成出口烟气温度不达标,使催化剂活性降低,不但影响气体排放物的处理效率,而且容易造成空预器堵塞,严重影响机组的环保和安全运行。因此,通过“热电解耦”改造,提升了机组负荷的适应性,机组能够达到环保要求。由于煤耗只是衡量机组的气体排放物排放量的因素之一,但是为了便于计算,假设在理想条件下排放物的排放水平和煤耗成正比。

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第 5 章 结论

开展热电联产机组灵活性改造,是提升风电等可再生能源消纳水平的重要手段。成熟的弃风消纳方案主要有配置储热罐方案和电锅炉改造方案。针对两种方案,首先分析研究了东北某区域电网风电消纳能力现状,对弃风原因进行了分析,建立了热电联产机组的电—热特性关系,对机组进行变工况计算,得到热负荷约束条件下机组的最大电负荷与最小电负荷,对调峰范围进行了确定。

在确定机组调峰时电负荷及热负荷的基础上,建立相应的约束条件和目标函数,在调峰目标函数下确定了不同消纳方案的最佳容量。同时在不同消纳方案下综合考虑机组的煤耗水平、利润水平、环保水平,对机组经济运行模式进行分析。主要结论如下:

(1)分析了机组配置储热罐和电锅炉参与调峰后的热电特性、运行灵活性及调峰能力。同时对储热罐和电锅炉的运行模式及约束限制条件进行了分析,在调峰目标函数下采用特征日法对机组配置电锅炉及储热罐的最佳容量进行了计算。结果表明,最大调峰能力下电锅炉最大功率为178.28MW,储热罐最大容量为1000MWh。储热罐的最佳容量既不是由采暖期最大调峰增量和平均调峰需求量决定的,也不是由最大供热负荷决定的,而是由机组的全年深度调峰空间决定的,此时的最佳蓄热容量为770 MWh。 800 MWh 是不计初投资的全年收益最大的储热罐最佳容量。但是如果计算改造初投资,最佳容量为 430 MWh,此时储热罐对应10 年的利润指标最大。如果计算电锅炉的初投资,功率为170MW 时,对应 10 年的利润指标最大。

(2)根据风场发电功率和热网负荷的实时变化特点分析了热电机组的运行约束,对不同消纳方案下的利润水平、煤耗水平、环保水平进行评估。对于平均弃风率24. 15%而言,在同一采暖周期内采用储热罐消纳方案的弃风率降低 3.72 %,采用电锅炉消纳方案的弃风率降低 22.57 %。同时,在机组改造前耗煤量一定的条件下,在同一采暖周期内采用储热罐方案耗煤量降低 0.25  %,约为 1172 吨。采用电锅炉方案反而使耗煤量增加 2.98 %,约为 13698.24 吨。

参考文献(略)

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