北京燃气电厂热电解耦方式研究分析

摘要：热电联产机组在发电负荷降低时供热出力相应降低，在电网消纳风电时需要压减常规能源电厂发电出力保持电力供需平衡。当热电机组减少发电时，供热出力随之降低，城市热网供应受到影响。所以，北京燃气电厂热、电解耦方式研究工作势在必行。本文将通过对燃气热水炉、固体电蓄热锅炉、蓄热罐、电极蓄热系统四种热电解耦技术案例进行经济性、优缺点分析。

关键词： 燃气电厂；热电解耦；案例分析

引言

供热是冬季最大民生工程，在确保供热资源可靠、保障供热系统韧性的基础上，逐步推进供热系统重构。在北京市2025年“碳达峰后稳中有降”和2050年“率先实现碳中和”的总体目标之间，合理设置供热系统重构的三级台阶。2021年至2025年，作为供热系统重构的准备阶段，以智能化供热、供热资源整合和热网系统重组为主要抓手，统筹布局供热系统重构，探索新能源和可再生能源供热技术路径，开展试点示范。

1北京燃气电厂热、电解耦研究思路

在供热季，当出现用电需求降低的情况时，各燃气热电联产机组的供热能力降低，将会造成城市热力管网的供热缺口。

解决北京市城市热电矛盾的主要思路为：

图1 由电力调峰导致的热网调峰缺口计算思路图

2北京燃气电厂热、电解耦实施方向

热电机组的发电量与供热量有一定关系：发电量较大的时候，可以提供较大的供热量，反之如果发电量较小，则只能提供较小的供热量。发电机组发电量、供热量、时间等几个变量存在一定的关联，即“耦合关系”。热电解耦技术的外部改造的主要方式包括燃气锅炉、固体电蓄热锅炉、电极锅炉、蓄热罐。下面就各热电解耦方式开展方案比较。

3北京燃气电厂热、电解耦方案对比

3.1燃气热水炉

天然气热水锅炉是以天然气为燃料进行燃烧加热，将温度升高后的热网循环水通过水泵升压后送入市政热力管网。天然气作为清洁燃料，与其他燃料相比有着无法比拟的优点。同时天然气热水锅炉还有自动化程度高、启停迅速、升温速度快、系统简单等优点。

3.2高压固体电蓄热锅炉方案

高压固体电蓄热设备组成：高压电发热体；高温蓄能体；高温热交换器；热输出控制器；耐高温保温外壳和自动控制系统等组成。

在预设的电网低谷时间段或风力发电的弃风电时段，自动控制系统接通高压开关，高压电网为高压电发热体供电，高压电发热体将电能转换为热能同时被高温蓄能体不断吸收，当高温蓄热体的温度达到设定的上限温度或电网低谷时段结束或风力发电弃风电时段结束时，自动控制系统切断高压开关，高压电网停止供电，高压电发热体停止工作。高温蓄热体通过热输出控制器与高温热交换器连接，高温热交换器将高温蓄热体储存的高温热能转换为热水、热风或蒸汽输出。

3.3热水蓄热罐

采用热水储热方式进行热电解耦，建设一个容积足够大的热水储热罐，储存热网水，在汽轮机承担较高的发电负荷时，汽轮机抽汽可以提供足够多的热量，同时向热网供热和加热热水储热罐中的水；当由于调峰需要，汽轮机发电负荷降低时，汽轮机抽汽量减少，从汽轮机抽取的热量低至不足以满足向热网的供热需求，此时从热水储热罐抽出热水向热网供热以补充汽轮机抽汽向热网供热的不足，实现了热电解耦。

3.4电极蓄热系统

电极蓄热系统由电极锅炉和蓄热罐组成。蓄热罐的热量由机组和电极锅炉两部分组成。当热电机组长期低负荷或者极端寒冷天气情况下机组没有多余热量进行储存时，用电低谷期利用电极锅炉给蓄热罐补充。

高压电极锅炉将电能转化热能，并将热能传递给介质的能量转换装置，它由两个环节组成：将电能转化热能：电极式—电流通过电极与水接触产生热量；将热能传递给介质：电极通电后，不断地产生热量，并被介质（水）不断地吸收带走，介质（水）由低温升至高温，再由循环水泵送到热用户，释放能量，介质（水）再由高温降至低温，进入电极锅炉，以此往复保持热量平衡。

电极式水蓄热锅炉系统优点：运行方式灵活，有利于电网、热网调峰，增加热电机组运行效率，有利于热网运行安全。

4北京市对热电解耦项目的探索

4.1大唐高井电厂电蓄热项目

2017年大唐高井电厂对电蓄热项目进行了可行性研究，提出建设规模6台40兆瓦电极式锅炉及2座2万立方米蓄热罐，蓄热量为1280兆瓦时。考虑电厂负荷上升时导致的供热负荷加大，同时考虑夜间低谷电蓄热；平时兼用作应急补水使用。总占地面积为约5920㎡，建设投资约2.26千万元。

4.2华能高碑店电蓄热项目

2016年华能国际北方公司委托华北电力设计院对电蓄热项目进行了可行性研究，提出在高碑店地区建设规模4台40兆瓦电极式锅炉+2座1.7万立方米蓄热罐。总占地面积为约2万㎡，建设投资约1.72千万元。

4.3京能石景山热电厂160兆储能供热示范项目

北京市热力集团在石景山热电厂主厂房南侧及脱硝工艺楼西侧拟新建4台40兆瓦电极式热水锅炉，配套建设3万立方米蓄热水罐及其附属设备，总供热能力为160兆瓦，年供热量63.8万吉焦，可替代供热面积约212万㎡。估算项目建设投资1.59亿元，占地面积5800㎡。

结语

通过对燃气热水炉、固体电蓄热锅炉、蓄热罐、电极蓄热系统四种热电解耦技术方案经济性、优缺点进行对比可以得出，蓄热罐可作为近期北京市燃气电厂热电解耦措施；待电价、设备造价进一步降低，华北电网调峰辅助服务市场进一步成熟后，电极蓄热可作为燃气电厂热电解耦措施。

参考文献

[1] 刘圣冠,乔磊,翟鹏程,等. 蓄热电锅炉供热技术及工程应用[J]. 热力发电,2020,49(8):91-96

[2] 罗勇,陈鹏. 固体蓄热电锅炉放热过程蓄热体组温降一致性研究[J]. 石家庄铁道大学学报（自然科学版）,2020,33(1):116-121

[3] 王锋,李大勇,方劲宇,等. 基于储能协调蓄热式电锅炉消纳风电供暖系统的经济性评估[J]. 电工电能新技术,2019,38(6):50-56

[4] 张勇. 高压电极蓄热锅炉工作原理、应用前景及示范效应[J]. 山东工业技术,2017(17):4,42

[5] 汪喆,陈卫波,叶元华. 蓄热式电极锅炉在供暖系统中的应用[J]. 科技创新导报,2018,15(27):88-89

由 中国节能协会热电产业委员会主办、河北中兴冀能电力发展有限公司科技分公司承办、国网河北省电力公司电力科学研究院和北京华源泰盟节能设备有限公司协办的“十四五现代能源体系发展暨煤电机组‘三改联动’经验技术交流会”将于2023年3月24日在石家庄召开。欢迎您的参与！

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