中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 火電機(jī)組耦合儲(chǔ)熱技術(shù)，可提高機(jī)組的熱電解耦能力，減少深度調(diào)峰對(duì)系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響。本工作提出了火電機(jī)組與填充床儲(chǔ)熱的耦合系統(tǒng)，在考慮了機(jī)組變工況、填充床儲(chǔ)/釋熱過程動(dòng)態(tài)時(shí)間序列基礎(chǔ)上，通過EBSILON建立了耦合系統(tǒng)變工況仿真模型；分析深度調(diào)峰對(duì)耦合系統(tǒng)熱力性和碳排放量的影響，通過汽水分離器筒體應(yīng)力變化分析深調(diào)對(duì)鍋爐壽命損耗的影響，通過轉(zhuǎn)子壽命損耗率曲線分析深調(diào)對(duì)汽輪機(jī)壽命的影響，最終建立耦合系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性模型，開展綜合經(jīng)濟(jì)性分析。結(jié)果表明：火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)比自身變工況減小碳排放量7418 t/a(僅配置風(fēng)電)~9216 t/a(僅配置光伏)；深度調(diào)峰對(duì)鍋爐壽命損耗的影響大于汽輪機(jī)，火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)可提高系統(tǒng)運(yùn)行壽命，深度調(diào)峰318次/年，相比于機(jī)組自身變工況(30%~20%額定負(fù)荷)可提高13.3%~15.3%；火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)深度調(diào)峰收益高于火電機(jī)組自身變工況，當(dāng)填充床釋熱量用于發(fā)電或供熱時(shí)，耦合系統(tǒng)比自身變工況收益分別增加40萬元/年、72萬元/年。
關(guān)鍵詞 火電機(jī)組；儲(chǔ)熱；深度調(diào)峰；綜合經(jīng)濟(jì)性；系統(tǒng)壽命；碳排放
我國將構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。預(yù)計(jì)到2060年，我國非化石能源消費(fèi)占比將由目前的16%提升到80%以上，非化石能源發(fā)電量占比由目前的34%左右提高到90%以上。然而，盡管可再生能源裝機(jī)發(fā)展迅速，但火力發(fā)電量占全社會(huì)用電量比例超過70%，火電仍是我國的主力電源和調(diào)峰電源。傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)峰性能差、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，主機(jī)設(shè)備在低負(fù)荷工況下面臨諸多問題。
儲(chǔ)能技術(shù)作為一種改變能量時(shí)空分布的技術(shù)手段，可大幅提高電站的調(diào)峰靈活性，緩解電網(wǎng)供需平衡問題。在眾多儲(chǔ)能方式中，儲(chǔ)熱系統(tǒng)具有使用溫度高、成本低、可精準(zhǔn)調(diào)控儲(chǔ)/釋熱功率等優(yōu)點(diǎn)，成為具有廣闊應(yīng)用前景的火電機(jī)組調(diào)峰手段之一。傳統(tǒng)的熱水儲(chǔ)熱技術(shù)以穩(wěn)定、響應(yīng)快、投資低的優(yōu)勢(shì)在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用，但熱水儲(chǔ)熱能量密度低限制其在大容量燃煤機(jī)組上應(yīng)用。噴淋式填充床在儲(chǔ)/釋熱過程中，傳熱流體由泵驅(qū)動(dòng)通過填充床上端噴淋裝置，以液滴的形式均勻噴灑在儲(chǔ)熱顆粒上方，并在重力驅(qū)動(dòng)下滲流換熱，提高了流體與固體的換熱效率，儲(chǔ)熱效率更高，且相對(duì)熱水儲(chǔ)熱技術(shù)等增大了能量密度；導(dǎo)熱油等傳熱流體在填充床孔隙內(nèi)無大量存留，傳熱流體用量可減少90%，僅為水/蒸汽儲(chǔ)熱、導(dǎo)熱油儲(chǔ)熱和熔鹽儲(chǔ)熱等儲(chǔ)熱技術(shù)成本的1/4~1/2。因此考慮將填充床儲(chǔ)熱與火電機(jī)組耦合建立一種新型火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)。
系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性是直接關(guān)系火電機(jī)組實(shí)施深度調(diào)峰的重要因素，關(guān)于火電機(jī)組調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性已然成為國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究熱點(diǎn)。李軍徽等提出一種儲(chǔ)能輔助火電機(jī)組深度調(diào)峰的分層優(yōu)化調(diào)度方案，得出儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入可以降低3.68%的棄風(fēng)率，并降低了10.1%的火電機(jī)組總調(diào)峰成本的結(jié)論。柴有國等從燃料材料消耗、投資運(yùn)營、機(jī)組壽命損耗等方面對(duì)660 MW超臨界機(jī)組調(diào)峰發(fā)電成本進(jìn)行分析，結(jié)合調(diào)峰補(bǔ)償政策建立調(diào)峰運(yùn)行效益模型。Guan等建立了考慮深度調(diào)峰的光伏發(fā)電、儲(chǔ)能機(jī)組和火電機(jī)組的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型并對(duì)其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明足夠的儲(chǔ)能配置可以提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，將負(fù)荷損失和光伏棄光率降到接近零。以上研究分析了深度調(diào)峰對(duì)火電機(jī)組煤耗、供電收益等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響，目前已有很多關(guān)于火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)深度調(diào)峰經(jīng)濟(jì)收益的研究，但是對(duì)于其儲(chǔ)能設(shè)備為填充床儲(chǔ)熱罐的研究卻寥寥無幾。
汽輪機(jī)與鍋爐等設(shè)備在低負(fù)荷工況以及頻繁大幅度變負(fù)荷情況下會(huì)出現(xiàn)大量問題，因此系統(tǒng)參與深度調(diào)峰不可避免會(huì)影響到汽輪機(jī)和鍋爐壽命。吳瑞康等指出機(jī)組深度調(diào)峰會(huì)導(dǎo)致機(jī)組壽命損耗加快，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此需要加強(qiáng)深度調(diào)峰技術(shù)研究。林俐等根據(jù)火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，考慮轉(zhuǎn)子損失提出了火電機(jī)組不同階段的調(diào)峰能耗成本模型，建立了風(fēng)電優(yōu)先的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，指出要增加對(duì)深調(diào)機(jī)組的補(bǔ)償。華敏等以某660 MW超臨界燃煤機(jī)組為對(duì)象，開展了汽輪機(jī)調(diào)峰運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)峰運(yùn)行對(duì)其壽命的影響主要集中在轉(zhuǎn)子部分，且在低負(fù)荷運(yùn)行階段，升降負(fù)荷對(duì)汽輪機(jī)壽命影響很小。李軍等通過汽包的應(yīng)力和壽命損耗計(jì)算模型，研究了汽包的結(jié)構(gòu)、材料和升溫速率對(duì)冷態(tài)啟動(dòng)過程和高負(fù)荷調(diào)峰過程中汽包壽命損耗的影響，并將其結(jié)果進(jìn)行可視化圖形處理。上述研究都僅分析了參與深度調(diào)峰對(duì)汽輪機(jī)和鍋爐壽命的影響，并未在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)考慮汽輪機(jī)和鍋爐的壽命損耗成本，要計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)使用壽命內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益，其重要部件壽命損耗成本對(duì)于投資者來說是不可忽略的。
在“雙碳”背景下，對(duì)一個(gè)新型能源系統(tǒng)的綜合評(píng)估不僅僅關(guān)注其經(jīng)濟(jì)性，其系統(tǒng)的碳排放量也需要得到重視。袁榮勝等針對(duì)火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的碳經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，得出燃煤機(jī)組深度調(diào)峰至30%時(shí)，單位發(fā)電燃煤和碳排放成本之和增長約12%。任鑫等結(jié)合電力調(diào)峰輔助市場(chǎng)和碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，利用信息熵權(quán)法結(jié)合逼近理想解的排序方法進(jìn)行多目標(biāo)決策，優(yōu)化了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電功率，大大降低了碳排放量。現(xiàn)有的研究對(duì)于火電機(jī)組參與深度調(diào)峰的碳核算已經(jīng)較為成熟，但是關(guān)于火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)的碳核算研究甚少，而且大都沒有考慮風(fēng)電、光伏等新能源安裝運(yùn)輸產(chǎn)生的碳足跡，本工作將進(jìn)行更加全面的耦合系統(tǒng)碳排放量計(jì)算。
目前關(guān)于火電機(jī)組耦合填充床的火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)研究較少，調(diào)峰經(jīng)濟(jì)分析鮮有考慮耦合系統(tǒng)變工況對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)壽命的影響等，因此本工作搭建了火電機(jī)組耦合填充床儲(chǔ)熱的變工況仿真模型，考慮了填充床儲(chǔ)/釋熱過程動(dòng)態(tài)時(shí)間序列，通過循環(huán)應(yīng)力幅計(jì)算變工況下鍋爐壽命損耗率，通過不同變負(fù)荷幅度下轉(zhuǎn)子壽命損耗率曲線分析變工況對(duì)汽輪機(jī)壽命的影響，在供電結(jié)構(gòu)為可再生能源與儲(chǔ)能配比為5∶1情景下計(jì)算系統(tǒng)碳排放量，建立調(diào)度運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性模型，開展綜合經(jīng)濟(jì)性分析。
1 火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)概述
圖1為火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)將填充床儲(chǔ)熱與火電機(jī)組進(jìn)行熱和電的耦合，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組的靈活調(diào)峰，其工作原理為：儲(chǔ)能時(shí)，以火電機(jī)組30%額定負(fù)荷為基礎(chǔ)負(fù)荷，將來自中壓缸抽氣和電加熱的熱量儲(chǔ)存在填充床內(nèi)，降低耦合系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組深度調(diào)峰；釋能時(shí)，以火電機(jī)組100%額定負(fù)荷為基礎(chǔ)負(fù)荷，利用填充床儲(chǔ)存熱量加熱鍋爐給水，提高耦合系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷，或與一次供熱管網(wǎng)回水換熱，增加供熱能力。
圖1 火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)示意圖
本工作以350 MW超臨界火電機(jī)組為例開展火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)性能分析，機(jī)組回?zé)岵捎萌?、三低、一除氧，機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。利用EBSILON商業(yè)軟件建立了350 MW超臨界機(jī)組熱力學(xué)仿真模型，并開展了變工況性能分析，結(jié)果如表2所示，機(jī)組運(yùn)行在30%~100%額定負(fù)荷，相對(duì)誤差均不超過0.22%，由此可知，火電機(jī)組熱力學(xué)模型具有很高的精確性，可用于耦合系統(tǒng)變工況計(jì)算。
表1 350 MW火電機(jī)組額定工況系統(tǒng)參數(shù)
表2 變工況模型誤差驗(yàn)證
該耦合系統(tǒng)儲(chǔ)/釋熱方案如表3所示，其中儲(chǔ)熱過程通過抽氣儲(chǔ)熱可實(shí)現(xiàn)耦合系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷從30%額定負(fù)荷降至25.51%額定負(fù)荷，即105 MW降至89.3 MW，再通過19.3 MW電加熱可實(shí)現(xiàn)耦合系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷降至70 MW，即降至20%額定負(fù)荷。儲(chǔ)熱過程使用電加熱器原因?yàn)楫?dāng)?shù)蛪焊壮隽?時(shí)，耦合系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷無法降至20%額定負(fù)荷。
表3 火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)儲(chǔ)/釋熱方案
2 火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)綜合性能模型
2.1 系統(tǒng)熱力性能模型
本工作主要采用發(fā)電效率、煤耗率來評(píng)價(jià)耦合系統(tǒng)性能，發(fā)電效率即耦合系統(tǒng)輸出電負(fù)荷與鍋爐提供燃煤熱量的比值，可體現(xiàn)耦合系統(tǒng)熱力性；煤耗率即耦合系統(tǒng)燃煤質(zhì)量與輸出電負(fù)荷的比值，可體現(xiàn)耦合系統(tǒng)產(chǎn)生1 kWh電能所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量。
全過程耦合系統(tǒng)發(fā)電效率由式(1)計(jì)算：
式中，ηT為循環(huán)過程耦合系統(tǒng)發(fā)電效率，%；PC,t、PS,t分別為t時(shí)刻儲(chǔ)熱過程、釋熱過程耦合系統(tǒng)輸出電功率，kW；QC,t、QS,t分別為t時(shí)刻儲(chǔ)熱負(fù)荷和釋熱負(fù)荷，kW；ηB,t為t時(shí)刻鍋爐效率，%；t1、t2分別為儲(chǔ)能過程起止時(shí)刻；t3、t4分別為釋能過程起止時(shí)刻。
全過程耦合系統(tǒng)煤耗率由式(2)計(jì)算：
式中，mC,t、mS,t分別為t時(shí)刻儲(chǔ)熱過程、釋熱過程耦合系統(tǒng)煤耗量，g/h；qnet、q0net分別為燃煤低位發(fā)熱量、標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量，kJ/kg。
2.2 碳排放計(jì)算模型
耦合系統(tǒng)碳排放來源主要包括機(jī)組燃煤、低負(fù)荷投油，考慮可再生能源與儲(chǔ)能配比(5∶1)，耦合系統(tǒng)還應(yīng)考慮相應(yīng)配置的風(fēng)電和光伏碳排放。
2.3 鍋爐和汽輪機(jī)壽命損耗模型
對(duì)于直流鍋爐來講汽水分離器起著極為重要的作用，當(dāng)機(jī)組頻繁深調(diào)時(shí)易引起汽水分離器筒體應(yīng)力變化。汽水分離器上位于筒體與連接管交界處的內(nèi)相貫線的轉(zhuǎn)角處的機(jī)械應(yīng)力集中系數(shù)最大，該點(diǎn)運(yùn)行情況直接影響鍋爐使用壽命，因此，需計(jì)算該點(diǎn)的主應(yīng)力，即機(jī)械應(yīng)力與內(nèi)外壁溫差熱應(yīng)力的合成。再根據(jù)美國ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線(圖2)對(duì)鍋爐壽命損耗進(jìn)行評(píng)估。
圖2 疲勞設(shè)計(jì)曲線
式中，kj為汽水分離器最危險(xiǎn)點(diǎn)的機(jī)械應(yīng)力集中系數(shù)，本工作計(jì)算中取4.2；kr為熱應(yīng)力集中系數(shù)，本工作計(jì)算中取1.6。
汽水分離器材料選用進(jìn)口鋼材SA-336F12，結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)具體如表4、表5所示。
表4 汽水分離器外形尺寸
表5 15CrMoG材料參數(shù)
修正過后的循環(huán)應(yīng)力幅為：
式中，funit為購機(jī)成本，萬元，汽輪機(jī)取10500萬元，鍋爐取24000萬元。
機(jī)組在進(jìn)行較大幅度的變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受較大的交變應(yīng)力、高溫及持續(xù)負(fù)載作用，會(huì)出現(xiàn)損耗。不同變負(fù)荷幅度下轉(zhuǎn)子損耗如表6所示。
表6 不同變負(fù)荷幅度下轉(zhuǎn)子壽命損耗率
本工作將參與深度調(diào)峰的火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)與火電機(jī)組自身變工況的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，通過計(jì)算其成本和收益驗(yàn)證耦合系統(tǒng)參與深度調(diào)峰時(shí)的經(jīng)濟(jì)可行性，其深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性模型如圖3所示。
圖3 耦合系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行經(jīng)濟(jì)模型
火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)的初投資成本包括火電機(jī)組和儲(chǔ)熱系統(tǒng)投資。計(jì)算公式為：
式中，CZ為火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)投資成本，萬元；CT為火電機(jī)組投資成本，萬元，本工作取值215807萬元；CS為填充床儲(chǔ)熱系統(tǒng)投資成本，萬元，本工作取值1981萬元?；痣姍C(jī)組自身變工況的初投資成本僅考慮火電機(jī)組投資成本，不考慮儲(chǔ)熱系統(tǒng)投資成本，下文運(yùn)行成本、折舊成本同理。
火-耦合系統(tǒng)運(yùn)行成本包括燃煤成本、調(diào)峰成本、碳稅成本、運(yùn)維成本。計(jì)算公式為：
式中，CY為火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)運(yùn)行成本，元；CF為燃煤成本，元；CDPR為調(diào)峰成本，元；CC為碳稅成本，元；COM為運(yùn)維成本，元；CD為折舊成本，元。
（1）燃煤成本
式中，cF為煤炭價(jià)格，元/t；H為機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間，h；MF為燃煤量，t/h。根據(jù)參考電廠提供信息，本工作燃煤機(jī)組選擇煤種為雙鴨山煤，均價(jià)為675元/t。
（2）調(diào)峰成本
參考深度調(diào)峰成本模型，得到階梯負(fù)荷燃煤機(jī)組調(diào)峰成本，計(jì)算公式如下：
式中，Pe為機(jī)組額定功率，MW；EDPR為機(jī)組單位電量階梯調(diào)峰成本，元/MWh；Pt為機(jī)組t時(shí)刻輸出功率，MW。
燃煤機(jī)組深度調(diào)峰至20%額定負(fù)荷時(shí)，需要投油穩(wěn)燃，根據(jù)河南省某電廠實(shí)際調(diào)研投油量1 t/h，每噸8000元。
（3）碳稅成本
火電機(jī)組碳交易計(jì)算式為：
（4）運(yùn)維成本
對(duì)于火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)，每年對(duì)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本也是系統(tǒng)運(yùn)行成本的重要組成部分。系統(tǒng)年運(yùn)維成本是以火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)的建設(shè)成本為基礎(chǔ)確定的：
式中，rOM為運(yùn)維成本比例系數(shù)，火電機(jī)組取1.5%，儲(chǔ)熱系統(tǒng)取4%。
（5）折舊成本
火電機(jī)組、儲(chǔ)熱系統(tǒng)折舊成本計(jì)算式為：
式中，I為折舊年限，本工作火電機(jī)組、儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)年限分別為25年、15年，計(jì)算時(shí)折舊年限采用實(shí)際運(yùn)行年限；ζ為殘值率，本工作取5%。
火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)收益包括售電收益、售熱收益、碳交易收益及深調(diào)補(bǔ)償。計(jì)算公式為：
式中，BCC為火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)收益，元；BE為售電收益，元；BH為售熱收益，元；BC為碳交易收益，元；BDPC為調(diào)峰補(bǔ)償，元。
（1）售電收益
根據(jù)河南省的相關(guān)政策確定上網(wǎng)電價(jià)平價(jià)為0.453元/kWh，因此供電收益計(jì)算如式(23)：
（2）售熱收益
儲(chǔ)熱企業(yè)的供熱收入與單位供熱費(fèi)用和供熱量有關(guān)，具體表示為：
式中，M為供熱量，GJ；pheat為單位熱量價(jià)格，元/GJ，根據(jù)河南省相關(guān)市政政策，本工作取40元/GJ。
（3）碳交易收益
（4）深調(diào)補(bǔ)償
調(diào)峰補(bǔ)償即火電機(jī)組參與深度調(diào)峰所得到的補(bǔ)貼收益，調(diào)峰補(bǔ)償計(jì)算公式如式(26)：
式中，ηreg為火電機(jī)組基本調(diào)峰負(fù)荷率，%；CtDPC為深度調(diào)峰機(jī)組的單位電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，元/kWh，具體分檔和報(bào)價(jià)上/下限見表7。
表7 火電機(jī)組深度調(diào)峰報(bào)價(jià)上/下限(河南省)
3 結(jié)果與討論
3.1 系統(tǒng)熱力性能
本工作計(jì)算了火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)和機(jī)組自身變工況深度調(diào)峰1次(儲(chǔ)/釋一個(gè)循環(huán)周期，儲(chǔ)/釋熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱51 min，釋熱45 min，下同)發(fā)電效率和煤耗率，由于釋熱1模式為儲(chǔ)熱量僅用于發(fā)電，釋熱2模式為儲(chǔ)熱量僅用于供熱，為了對(duì)比系統(tǒng)發(fā)電效率，僅對(duì)釋熱1模式進(jìn)行了熱力性計(jì)算，結(jié)果如表8所示。
表8 火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)與火電自身變工況深調(diào)時(shí)熱力性對(duì)比
由表8可知當(dāng)發(fā)電負(fù)荷相同時(shí)，即機(jī)組自身變工況20%~100%額定負(fù)荷與火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)20%~100%額定負(fù)荷相比，耦合系統(tǒng)比自身變工況發(fā)電效率低2.846%，其主要原因?yàn)閮上到y(tǒng)輸出電負(fù)荷相同，但是儲(chǔ)熱過程耦合系統(tǒng)機(jī)組基礎(chǔ)負(fù)荷為30%額定負(fù)荷，鍋爐提供了更多熱量，且釋熱過程耦合系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率僅有20.69%。當(dāng)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)相同時(shí)，即機(jī)組自身變工況30%~100%額定負(fù)荷與火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)20%~100%額定負(fù)荷相比，耦合系統(tǒng)比機(jī)組自身變工況發(fā)電效率低2.886%，其主要原因?yàn)殄仩t提供熱量相同，但是儲(chǔ)熱過程耦合系統(tǒng)輸出電負(fù)荷更少，且釋熱過程耦合系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率低。
3.2 系統(tǒng)碳排放量
表9為河南洛陽華能熱電廠提供的2022年停機(jī)日數(shù)據(jù)，取2022年為典型年，其機(jī)組年運(yùn)行318天，假設(shè)深調(diào)1次/天，則每年深調(diào)318次。
表9 河南洛陽華能熱電廠2022年停機(jī)日
政策調(diào)研發(fā)現(xiàn)可再生能源與儲(chǔ)能配比5∶1，本系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量為35 MW，因此本工作設(shè)置的可再生能源容量為175 MW。表10為配置可再生能源后耦合系統(tǒng)深度調(diào)峰1次碳排放量對(duì)比分析。
表10 碳排放量對(duì)比分析
由表10可知，耦合系統(tǒng)與自身變工況(20%額定負(fù)荷)相比，供電結(jié)構(gòu)相同，深度調(diào)峰1次時(shí)耦合系統(tǒng)碳排放量比自身變工況高23.1 t，其原因?yàn)閮上到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)間一致，但是耦合系統(tǒng)煤耗量更大。結(jié)合表7、表8綜合分析，耦合系統(tǒng)與自身變工況(30%額定負(fù)荷)相比，供電結(jié)構(gòu)不同，在同等發(fā)電量情況下，耦合系統(tǒng)的碳排放量明顯更小，其每年減少CO2排放量7418 t(僅配風(fēng)電)~9216 t(僅配光伏)。其原因?yàn)閮上到y(tǒng)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)相同，但供電結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致當(dāng)達(dá)到相同發(fā)電量時(shí)，自身變工況運(yùn)行時(shí)間更長，煤耗更大。
3.3 系統(tǒng)鍋爐和汽輪機(jī)壽命損耗
由于火電機(jī)組參與深度調(diào)峰對(duì)鍋爐和汽輪機(jī)影響較大，因此鍋爐和汽輪機(jī)的壽命也限制著火電機(jī)組的運(yùn)行年限。下面分別計(jì)算了深度調(diào)峰對(duì)汽輪機(jī)和鍋爐的壽命損耗率和損耗成本、剩余壽命和剩余價(jià)值，得到了不同運(yùn)行模式下系統(tǒng)的運(yùn)行年限。
由表11可知，耦合系統(tǒng)鍋爐壽命損耗率及損耗成本低于自身變工況(20%額定負(fù)荷)，其原因?yàn)樽陨碜児r運(yùn)行時(shí)汽水分離器上位于筒體與連接管交界處內(nèi)相貫線的轉(zhuǎn)角處的機(jī)械應(yīng)力大于耦合系統(tǒng)，導(dǎo)致循環(huán)破壞次數(shù)較少，單次壽命損耗率較大。耦合系統(tǒng)鍋爐壽命損耗率及損耗成本與自身變工況(30%額定負(fù)荷)相同，因?yàn)榇藭r(shí)耦合系統(tǒng)與自身變工況鍋爐運(yùn)行狀態(tài)相同。
表11 鍋爐單次壽命損耗率及成本
圖4(a)展示了機(jī)組不同變負(fù)荷幅度下的汽輪機(jī)單次壽命損耗率，分析可得耦合系統(tǒng)汽輪機(jī)壽命損耗率是介于自身變工況20%~30%額定負(fù)荷之間的，這是因?yàn)槠啓C(jī)壽命損耗率主要受機(jī)組變負(fù)荷幅度影響，耦合系統(tǒng)抽氣后機(jī)組變負(fù)荷幅度介于自身變工況20%~30%額定負(fù)荷變負(fù)荷幅度之間。圖4(b)展示了機(jī)組不同變負(fù)荷幅度下汽輪機(jī)單次壽命損耗成本，由圖可知機(jī)組自身變工況至20%、30%額定負(fù)荷時(shí)壽命損耗成本分別為2520元/次、1995元/次，耦合系統(tǒng)損耗成本為2257.5元/次。結(jié)合表11和圖9綜合分析可得深度調(diào)峰對(duì)鍋爐壽命損耗影響大于汽輪機(jī)。
圖4 汽輪機(jī)單次 (a) 壽命損耗率和 (b) 損耗成本
為了分析鍋爐及汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性需要計(jì)算出鍋爐及汽輪機(jī)的剩余壽命及剩余價(jià)值。取機(jī)組的額定運(yùn)行年限為25年，汽輪機(jī)與鍋爐每運(yùn)行一年，其剩余壽命為25年減去其運(yùn)行的一年和其損耗的壽命年限。
圖5(a)展示了深調(diào)318次/年時(shí)鍋爐與汽輪機(jī)剩余壽命，與自身變工況(20%額定負(fù)荷)相比，耦合系統(tǒng)鍋爐使用壽命增長2.13年，汽輪機(jī)使用壽命增加0.39年。與自身變工況(30%額定負(fù)荷)相比，耦合系統(tǒng)鍋爐使用壽命不變，汽輪機(jī)使用壽命減少0.37年。圖5(b)展示了鍋爐與汽輪機(jī)剩余價(jià)值，其分別與鍋爐、汽輪機(jī)壽命損耗率有直接關(guān)系，且呈反相關(guān)變化趨勢(shì)。與自身變工況(20%額定負(fù)荷)相比，耦合系統(tǒng)鍋爐剩余價(jià)值增加2044.88萬元，汽輪機(jī)剩余價(jià)值減少216.7萬元；與自身變工況(30%額定負(fù)荷)相比，耦合系統(tǒng)鍋爐剩余價(jià)值不變，汽輪機(jī)剩余價(jià)值增加195.37萬元。
圖5 鍋爐與汽輪機(jī) (a) 剩余壽命和 (b) 剩余價(jià)值
由表12可直觀看出不同工況下系統(tǒng)運(yùn)行年限，由于深度調(diào)峰對(duì)鍋爐壽命影響更大，且鍋爐內(nèi)汽水分離器替換難度很大，因此鍋爐壽命成為系統(tǒng)運(yùn)行年限邊界條件。
表12 鍋爐和汽輪機(jī)壽命損耗分析
3.4 耦合系統(tǒng)綜合經(jīng)濟(jì)性
本工作以30%額定負(fù)荷為基礎(chǔ)工況，通過抽汽和電加熱儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)負(fù)荷下調(diào)，以100%額定負(fù)荷為基礎(chǔ)工況，通過釋熱加熱鍋爐給水實(shí)現(xiàn)負(fù)荷上調(diào)(釋熱1)或供熱(釋熱2)。計(jì)算了不同工況下耦合系統(tǒng)和火電機(jī)組自身變工況深度調(diào)峰1次的成本和收益，深調(diào)補(bǔ)償收益采用補(bǔ)償價(jià)格上下限進(jìn)行計(jì)算，折舊成本中鍋爐、汽輪機(jī)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)按實(shí)際壽命折損，其他部件按設(shè)計(jì)壽命25年折損，計(jì)算結(jié)果如表13所示。
表13 火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)與火電自身變工況深調(diào)時(shí)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
分析可得，釋熱1模式下，耦合系統(tǒng)比自身變工況(20%額定負(fù)荷)增加收益1249元/次。系統(tǒng)收益或成本中金額占比較大的依次為深調(diào)補(bǔ)償、售電收益和燃煤成本，但兩系統(tǒng)深調(diào)補(bǔ)償金額一致，因此耦合系統(tǒng)收益增加主要來自兩系統(tǒng)售電收益和燃煤成本差值。耦合系統(tǒng)比自身變工況(30%額定負(fù)荷)增加收益18530~30430元/次。其原因?yàn)樯钫{(diào)補(bǔ)償在總收益中占比很大，且耦合系統(tǒng)深調(diào)收益遠(yuǎn)高于自身變工況。釋熱2模式下，耦合系統(tǒng)比火電自身變工況(20%額定負(fù)荷)增加收益2264元/次；耦合系統(tǒng)比自身變工況(30%額定負(fù)荷)增加收益19545~31445元/次。耦合系統(tǒng)釋熱2模式下收益大于釋熱1模式下，其原因?yàn)轳詈舷到y(tǒng)釋熱1模式下的收益主要來自121291元的售電收益，釋熱2模式下的收益來自118913元的售電收益和3393元的售熱收益，其總收益高于釋熱1模式1015元。結(jié)果表明，參與深度調(diào)峰時(shí)，調(diào)峰深度越大、次數(shù)越多，收益越高，而且耦合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于火電機(jī)組自身的變工況，釋熱2模式下經(jīng)濟(jì)效益更顯著。
由表14可知，自身變工況(20%額定負(fù)荷)最多可運(yùn)行13.9年，自身變工況(30%額定負(fù)荷)與耦合系統(tǒng)最多可運(yùn)行16.03年，耦合系統(tǒng)比自身變工況(20%額定負(fù)荷)多運(yùn)行2.13年。因此分析調(diào)峰深度相同的耦合系統(tǒng)與自身變工況收益時(shí)，不僅需要考慮兩系統(tǒng)每年收益差值，還需要加上耦合系統(tǒng)多運(yùn)行的2.13年的收益。分析可得，相比自身變工況(20%額定負(fù)荷)，耦合系統(tǒng)釋熱1模式下收益增加5720萬~8541萬元，釋熱2模式下收益增加6237萬~9058萬元。
表14 系統(tǒng)使用壽命內(nèi)收益
4 結(jié) 論
火電機(jī)組耦合儲(chǔ)熱技術(shù)，可提高機(jī)組的熱電解耦能力，減少深度調(diào)峰對(duì)系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響。本工作建立了火電機(jī)組與填充床儲(chǔ)熱的耦合系統(tǒng)，考慮機(jī)組變工況模型、填充床儲(chǔ)/釋熱過程動(dòng)態(tài)時(shí)間序列，計(jì)算耦合系統(tǒng)碳排放量，通過循環(huán)應(yīng)力幅計(jì)算變工況下的鍋爐壽命損耗率，通過不同變負(fù)荷幅度下轉(zhuǎn)子壽命損耗率曲線分析變工況對(duì)汽輪機(jī)壽命的影響，進(jìn)行耦合系統(tǒng)與機(jī)組自身變工況綜合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析。主要結(jié)論如下：
（1）在相同發(fā)電量情景下，火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)碳排放量小于火電機(jī)組自身變工況。當(dāng)系統(tǒng)鍋爐運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)電量相同，且供電結(jié)構(gòu)為可再生能源與儲(chǔ)能配比5∶1時(shí)，耦合系統(tǒng)的碳排放量明顯要小于自身變工況(30%額定負(fù)荷)，每年減少CO2排放量為7418 t(僅配置風(fēng)電)~9216 t(僅配置光伏)。
（2）火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)深度調(diào)峰時(shí)對(duì)鍋爐壽命損耗的影響大于汽輪機(jī)，火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)可提高運(yùn)行壽命?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰1次(30%額定負(fù)荷~20%額定負(fù)荷)，火電機(jī)組自身變工況鍋爐、汽輪機(jī)壽命損耗率分別為0.01%、0.0024%；火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)鍋爐、汽輪機(jī)損耗分別為0.007%、0.0022%。
（3）火-儲(chǔ)耦合系統(tǒng)深度調(diào)峰收益高于火電機(jī)組自身變工況，相比自身變工況(20%額定負(fù)荷)，耦合系統(tǒng)釋熱1模式下收益增加40萬元/年，釋熱2模式下收益增加72萬元/年。
符號(hào)說明
符號(hào) —— 符號(hào)說明
a1 —— 線膨脹系數(shù)，1/℃
BCC —— 耦合系統(tǒng)收益，元
BC —— 碳交易收益，元
BDPC —— 調(diào)峰補(bǔ)償，元
BE —— 售電收益，元
BH —— 售熱收益，元
CCO2 —— 碳交易價(jià)格，元/t
CC —— 碳稅成本，元
CD —— 折舊成本，元
CDPR —— 調(diào)峰成本，元
CF —— 燃煤成本，元
COM —— 運(yùn)維成本，元
CS —— 填充床儲(chǔ)熱系統(tǒng)投資成本，萬元
CT —— 火電機(jī)組投資成本，萬元
CtDPC —— 單位電量補(bǔ)償，元/kWh
CY —— 耦合系統(tǒng)運(yùn)行成本，元
CZ —— 耦合系統(tǒng)投資成本，萬元
Doil —— 柴油單位熱值含碳量，t/GJ
EDPR —— 機(jī)組單位電量階梯調(diào)峰成本，元/MWh
Et1C —— 機(jī)組t1時(shí)刻碳排放量，t
Fs —— 光伏的碳排放因子，g/kWh
Fw —— 風(fēng)電的碳排放因子，g/kWh
funit —— 購機(jī)成本，萬元
I —— 折舊年限，a
kj —— 機(jī)械應(yīng)力集中系數(shù)
kr —— 熱應(yīng)力集中系數(shù)
L —— 供電量，MWh
M —— 供熱量，GJ
mC,t —— t時(shí)刻儲(chǔ)熱過程耦合系統(tǒng)煤耗量，g/h
moil —— 機(jī)組的投油量，t
mS,t —— t時(shí)刻釋熱過程耦合系統(tǒng)煤耗量，g/h
Oe —— 供電煤耗，tce/MWh
Ot —— 供熱煤耗，tce/GJ
P —— 承壓部件內(nèi)壁介質(zhì)壓力，MPa
PC,t —— t時(shí)刻儲(chǔ)熱過程耦合系統(tǒng)輸出電功率，kW
Pe —— 機(jī)組額定功率，MW
PS,t —— t時(shí)刻釋熱過程耦合系統(tǒng)輸出電功率，kW
Ps —— 光伏發(fā)電功率，MW
Pw —— 風(fēng)電發(fā)電功率，MW
QC,t —— t時(shí)刻儲(chǔ)熱負(fù)荷，kW
QS,t —— t時(shí)刻釋熱負(fù)荷，kW
qnet —— 燃煤低位發(fā)熱量，kJ/kg
q0net —— 標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱量，kJ/kg
qoil —— 柴油單位熱值，GJ/t
R1 —— 圓筒承壓部件內(nèi)壁半徑，mm
R2 —— 圓筒承壓部件外壁半徑，mm
rOM —— 運(yùn)維成本比例系數(shù)，%
T —— 運(yùn)行時(shí)間，h
t1、t2 —— 儲(chǔ)能過程起止時(shí)刻，s
t3、t4 —— 釋能過程起止時(shí)刻，s
ηT —— 循環(huán)過程耦合系統(tǒng)發(fā)電效率，%
ηreg —— 火電機(jī)組基本調(diào)峰負(fù)荷率，%
β —— 承壓部件外徑與內(nèi)徑之比
ω —— 泊松比
