热电联产机组深度调峰策略研究

摘要：在能源绿色低碳转型的背景下，新能源持续高速发展，新能源发电比重逐年提高，火电机组将增加新的历史使命，即为可再生能源发电提供调峰服务，弥补可再生能源发电的不稳定性，维持电网供需侧的平衡和电能质量。本文主要针对热电联产机组 “以热定电”与“深度调峰”的供热供电矛盾性进行分析，提出了热电联产机组深度调峰的主要策略热电解耦技术，给出了解决优化方案，提高能源利用效率，减少环境污染，促进可持续发展。

关键词：热电联产机组；深度调峰；热电解耦；

中图分类号：TM611.3

0引言

2020年9月22日，习总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话：二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。未来电力发展的重心要转向发展非煤电源来进一步推动低碳转型；现役煤电机组发展重点不再是装机规模的增长，在电力系统中的定位将从基本电源、主力电源向支撑性、调节性电源转变。

 “十四五”期间，在能源绿色低碳转型的背景下，新能源持续高速发展，新能源发电比重逐年提高，但其间歇性、不确定性和波动性也给电网安全稳定运行带来了挑战。此外，由于供热负荷日益增大，再加上冬季供热时机组“以热定电”的运行模式，使得机组对于电负荷的调节能力也越来越小。因此，火力发电作为传统的主力发电方式，需要在保证供热需求的前提下，提高机组的灵活性和深度调峰能力，以适应新能源发电的波动特性。

传统的热电联产机组在供热期间，由于受到供热负荷的限制，不能灵活地调节发电出力，导致调峰能力不足，甚至出现弃风弃光现象。为了解决这一问题，火力发电厂热电解耦技术应运而生。机组通过热电解耦技术的实施，有利于发电企业积极参与电网系统深度调峰辅助服务，获得可观的补偿，其行业内竞争力大幅提升，缓解日益严峻的生产经营压力。

1热电联产机组深度调峰策略

1.1热电解耦技术的背景和意义

 火电机组传统的使命是承担基本负荷，保证电力供应，满足社会发展和人民 生活对电力的需求；今后，火电机组将增加一个新的历史使命，即为可再生能源发电提供调峰服务，弥补可再生能源发电的不稳定性，维持电网供需侧的平衡和电能质量。对于热电联产供热机组来说，供电与供热矛盾日显突出，采暖季在保证供热安全性可靠性的前提下，充分发挥火电灵活性改造在提高系统调峰能力和促进新能源消纳方面的重要作用。火电厂热电解耦技术的背景是为了提高火电厂的运行灵活性，增加新能源的消纳能力，适应新能源发电的增加和电力需求的波动，实现供热和发电的相对独立，节约燃料，降低碳排放。

1.2热电解耦技术概念

对燃煤热电联产机组而言，机组发电负荷听令于电网调度部门的指令；供热负荷取决于热用户的用热需求，两种需求相互独立，热电联产机组适应电网调峰需求的障碍根源于这种耦合特性。热电联产机组热电解耦技术，旨在从电和热两种产品的供给侧，解除两者的耦合特性，或在一定程度上降低两者的耦合程度，以适应外界的负荷需求的独立性，满足电网的调度需求；并在现行辅助服务政策下，使火电企业获得相应财务收益。

1.3热电解耦技术当前国内的发展现状和存在的问题

      国内已有部分地区开展了火力发电机组灵活性改造试点工程，并取得了初步效果。例如，在北京、天津、河北、新疆等地区，已经建成了多个采用蓄能锅炉实现供暖季节热电解耦的火力发电厂 。火电厂热电解耦技术对碳达峰有很大的作用，减少煤炭消耗和二氧化碳排放。根据相关数据，以2005年为基准年，2006年至2021年通过供电煤耗降低减少二氧化碳排放约89亿吨，对电力部门碳减排贡献度达41%，有效减缓了电力行业二氧化碳排放量增长。

目前，火电厂热电解耦技术还面临一些问题，如：

      (1)技术成本较高，需要投入大量资金进行改造。

      (2)技术标准不统一，需要制定相关规范和指导意见。

      (3)技术效果不稳定，需要考虑不同地区、季节、负荷等因素的影响。

      (4)技术风险较大，需要保障供暖安全和系统稳定。

2热电联产机组深度调峰相关政策

2.1《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》（发改能源[2017]2100号）[1]

      统筹考虑区域用热需求和电力系统运行情况，经科学评估，确保民生供暖和电力系统安全后，可对城市周边具备改造条件且运行未满15年的纯凝发电机组实施供热改造，必要的需同步加装蓄热设施等调峰装置。全面推动热电联产机组灵活性改造，实施热电解耦，提升电网调峰能力。通过技术改造，使热电联产机组增加20% 额定容量的调峰能力，最小技术出力达40%-50%额定容量。

2.2《关于北方地区清洁供暖价格政策的意见》（发改价格[2017]1684 号）[2]

      鼓励利用谷段低价电供暖，提高电力系统利用效率，降低“煤改电”用电成本。一是推行上网侧峰谷分时电价政策。二是完善销售侧峰谷分时时段划分。鼓励清洁供暖用电电量积极参与电力市场交易，在缓解弃风弃光扩大用电的同时，降低电采暖用电成本。一是推动可再生能源就近直接消纳。二是促进跨省跨区电力交易。

2.3《关于做好“三北”地区可再生能源消纳工作的通知》国能监管[2016]39号[3]

      加强对热电联产机组调峰性能监管。国家能源局派出机构应当严格核定热电联产机组最小出力，优化热电联产机组开机方式，加强对热电比的监管，挖掘系统调峰潜力，鼓励热电联产机组通过增加蓄热装置以及其它途径提高负荷调节能力，会同省（区、市）能源管理部门协调电力调度机构和热力调度机构优化热电运行方式。

2.4《热电联产管理办法》（发改能源[2016]617号）[4]

      第十条优先对城市或工业园区周边具备改造条件且运行未满15年的在役纯凝发电机组实施采暖供热改造。系统调峰困难地区，严格限制现役纯凝机组供热改造，确需供热改造满足采暖需求的，须同步安装蓄热装置，确保系统调峰安全。为提高系统调峰能力，保障系统安全，热电联产机组应按照国家有关规定要求安装蓄热装置。

      第三十七条市场化调峰机制建立前，抽凝热电联产机组（含自备电厂机组）应提高调峰能力，积极参与电网调峰等辅助服务考核与补偿。鼓励热电机组配置蓄热、储能等设施实施深度调峰，并给予调峰补偿。鼓励有条件的地区对配置蓄热、储能等调峰设施的热电机组给予投资补贴。

      通过以上国家及三北地区省级能源主管部门发布的政策及制定的规则，传递出明确的 政策导向信息：

      1、热电联产机组，解除热电耦合或者降低耦合深度，在保证热负荷供应的前提下，降低最小技术出力。热电联产机组增加20%额定容量的调峰能力，最小技术出力达到40%-50%额定容量；

      2、 提供调峰服务的火电机组，依据辅助服务政策，可获得相应补偿及收益。

3热电联产机组深度调峰热电解耦技术方案

      目前，热电联产机组热电解耦主要有四种典型的技术路线：一为热量中间存储、实时释放方案，蓄热罐方案是该技术路线的代表方案；二为多余电量直接转化为热量的方案，电锅炉、电极蒸汽锅炉联合蓄热罐、电熔盐储热是该技术路线的代表方案；三为电站锅炉直接对外供热方案，旁路或者减温减压系统供热是该技术路线的代表方案。四是将凝器式机组改为背压式运行方式，高背压改造、光轴及”低压缸零功率”为该技术路线的代表方案。从实践来看，每个电厂根据自身内外部条件的不同，可选取单一或者组合方案。

      几种技术路线的本质及能量利用方式有所不同，特点分述如下：热水蓄热罐的方案，主要是对热量的“移峰填谷”，所有热量来自汽轮机的抽汽，属于热电联产范畴；电锅炉的方案，直接将电能转化为热能，对外供出；高参数蒸汽减温减压方案是放弃了热电联产能量梯级利用的转化方式，将电站锅炉用作供热锅炉使用。”低压缸零功率”依然维持热电联产的运行方式。

3.1热水蓄热系统方案

热水蓄热系统主要利用水的显热来储存热量。蓄热设备主要采用蓄热水罐，按蓄热水罐的承压能力划分，可分为常压式蓄热罐和承压式蓄热罐两类。常压储热罐结构简单，投资成本较低，最高工作温度一般为95~98℃，储热罐内水的压力为常压；承压储热罐最高工作温度一般为110℃~125℃，工作压力与工作温度相适应，对储热罐的设计制造技术要求较高，后期运维较为复杂，国内应用较少。目前，工程应用较多的热水蓄热技术是斜温层蓄热技术，蓄热罐的工作原理如下图所示：[5]

图1蓄热罐示意图

蓄热罐的应用可以实现热量的缓冲存储，实时释放，适应热量生产和热量需求在时间维度上的不同步，以此实现热电解耦。蓄热罐蓄热容量与解耦时长之间为正相关关系。热电联产机组可在用电负荷高峰时段大量生产电能，并将同步产生的热能储存起来；在用热高峰且电负荷低谷时段，以较低的负荷率运行，热量供应的不足部分由蓄热罐释放的热量来补足。

3.2电锅炉方案

目前应用较为成熟的直接加热式电锅炉是电极式热水锅炉和电极式蒸汽锅炉，其利用插入水中的电极对水进行直接加热。电极式热水锅炉系统主要由电极式锅炉、循环水泵、定压补水设备以及换热器等设备组成。它是将电能转化热能并将热能传递给介质的能量转换装置。

由于电极锅炉自身并不具备蓄热能力，因此通常可以配置热水蓄热系统作为其蓄热装置，电锅炉系统产生的热量能够以热网循环水的形式存储在热水蓄热罐中，并在热网有需要时对外放出，实现热电联产机组的深度调峰热电解耦。    

3.3高参数蒸汽减温减压系统方案

高参数蒸汽减温减压方案，目前在电厂灵活性深度调峰改造中的应用实例较多。以亚临界热电联产机组为例，通过对高低压旁路进行改造实现热电解耦。通过对低压旁路增加二级减温减压器，出口蒸汽参数与热网加热蒸汽参数一致。在热电解耦深度调峰时段，通过高、低压旁路减温减压将大量产自锅炉系统的主再热蒸汽直接供至热网系统，而不进入汽轮机发电，可降低汽轮发电机组的负荷率，甚至可将汽轮发电机组的上网负荷降低为零，并以此获得解耦时段的调峰补贴。调峰补贴收入为此运行方式主要收益来源。

3.4切除低压缸运行技术方案

低压缸零功率的实质是将抽凝机组改为抽背机组的运行方式，最大限度降低冷源损失，提高机组效率和对外供热能力。 采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，新增与原有中低压缸导汽管并列的旁路管道，向低压缸内部通入少量的冷却蒸汽，用于带走切除低 压缸进汽后低压转子转动产生的鼓风热量。与抽凝机相比，切除低压缸运行供热技术将原低压缸进汽用于供热，可提高机组供热能力；在供热量不变的情况下，可一定程度降低机组发电功率，实现深度调峰。与高背压供热、光轴供热改造等供热改造方案相比，该技术能够实现供热机组在抽凝运行方式与背压运行方式之间的灵活切换，使机组同时具备高背压机组供热能力大、抽汽凝汽式供热机组运行方式灵活的特点，避免了高背压供热改造（双转子）和光轴改造采暖期始末需两次更换低压缸转子的工作量和备用转子存放保养问题，机组运行维护费用显著降低。

机组按照“低压缸零出力”方式运行，热效率提高约 9.5%，抽汽凝汽式供热与“低压缸零出力”两种运行方式在供热量相同前提下，后者的循环热效率明显提高，燃煤成本降低，发电出力明显降低。但因采暖供热的收益水平低于发电上网的收益水平，如不计调峰补贴，则切缸运行方式为企业带来的经济效益并未优于抽凝运行方式。由收益差值的各分项可见，切缸运行方式在热电解耦时段的主要收益来自于调峰补贴。

4结论

随着环境保护意识的不断提高，人们对热电解耦技术的研究和应用也越来越广泛。热电解耦技术可以将产生的热能和电能分离，从而提高能源利用效率，并减少温室气体的排放量。这种技术的应用可以极大地降低环境污染和能源浪费的程度，对于保护生态环境和可持续发展有着十分重要的意义。同时，热电解耦技术也有着广泛的应用前景。它可以应用于各种规模的火电厂，甚至可以应用于工业生产等领域。      

总之，火电厂热电解耦技术是一项非常有前途的技术。通过应用这种技术，可以提高能源利用效率，减少环境污染，促进可持续发展。随着技术的不断发展和完善，相信这种技术将会在未来得到更加广泛的应用和推广。

参考文献

[1]《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》（发改能源[2017]2100号）

[2]《关于北方地区清洁供暖价格政策的意见》（发改价格[2017]1684 号）

[3]《关于做好“三北”地区可再生能源消纳工作的通知》国能监管[2016]39号

[4]《热电联产管理办法》（发改能源[2016]617号）

[5] 郝宁.大型中温斜温层储水罐蓄热性能分析.电力科技与环保.2024.40(06):635

作者简介：姜磊 ，（1983—），男，汉族 ，新疆 哈密人   本科学历，高级工程师  ，热电解耦技术