热电协同：能源革命下供热系统面临的新课题

能源革命下供热系统面临的新课题 江亿 清华大学建筑节能研究中心 主要内容 ·新型电力系统建设的发展方向：风光电比例增加，火电由基荷转为调峰·对热电联产的影响： ·供热量随着电厂运行模式变化而变化，热量？水温快速变化，管道？·电厂的经济效益？电力高峰，发电收入由于供热；电力低谷期，电价太低，热电联产不如降低锅炉出力；结果：按照分时上网电价，CHP不利·火电厂调峰是常态，随着风光电比例增加（2亿kWh/年），日益突显 ·任务：通过技术创新，改变获取热量的方式，实现热电协同 ·热电协同与储能： ·电力：电力充裕时储电、多用电，电力短缺时放电，少用电，关键是储能 热力：如果热量来自电力（CHP，热泵），则利用储热替代储电，实现调节 ·电力充裕时：制备更多的热量，储存，多用电（热泵）、少输出电力 ·储电与储热投资的比较 直接或间接储电： 锂电池：1元/Wh效率：<85%·抽水蓄能：6元/W，8小时，折合6元/8Wh，0.7元/Wh效率：70%·空气压缩：制氢、储氢、燃料电池发电：效率：<50% ·储热： ·储热水，1.16kWh/m3.K，如果温差为70K（90/20℃），80kWh/m3·如果1000元/m3，则0.0125元/Wh；效率可达90%?如果160元/m3，则0.002元/Wh·如果最终的目的是获取热量，储热的初投资和运行效率都远低于储电占空间：比蓄电池需要的空间大，但安全性好比抽水蓄能省空间 ·可能的技术途径 ·电动热泵供热：未来白天电价低，外温高；白天制热、储热 .如果热泵COP=3，热泵投资1元/W热，则3元W电，3元/12Wh，0.3元Wh·T/T0=k，T是依靠释放储热供热的时间长，增加热泵容量PO（1-1/1-k） 热电联产，利用高温、低温两个储热罐储热 ?几种情况， ·仅一个罐，恒定抽汽，高峰期多产热，低谷期少产热，平均功率供热，减少了供热能力·设两个罐，高峰期存冷凝热，低谷期最大抽汽，并用部分电力驱动热泵制热，供热能力不变.？？？ ·工业生产制备蒸汽 热力站储热、热泵？ 新型电力系统建设的主要方向 ·大规模发展风电光电 ·近年来每年风电光电的装机容量都超过2亿kW：2023年我国风光电发电量超过1.2万亿kWh，超过总电量的13%·到2030年风光电装机容量将超过20亿kW，发电量3万亿kWh，超过25%，2050年风光电发电量将超过10万亿kWh，占发电总量的2/3以上 ·与风光电配合的调峰，解决发电与用电之间时间的不匹配成为电力系统面对的主要矛盾 ·大力发展抽水蓄能、空气压缩、等各种大型储能设施 ·火电的主要功能逐渐从提供基础负荷转为调峰运行 ·年运行小时数从自前的4000小时以上逐渐降低到2000小时 通过灵活性改造，希望每天输出的电力在100%到20%范围内可调 热电联产机组将出现的变化 ·热电联产机组也将承担电力调峰功能 ·供热期间很难在全天以固定模式连续运行·电力充裕时段要求尽可能减少输出电功率，上网电价可降低至0.20元/kWh·低电价导致售电和售热的收入之和低于运行成本·电厂会尽可能减少锅炉负荷，降低用煤量，而不是增加供热量·电力短缺时段要求尽可能增大输出电功率，上网电价可上升到0.60元/kWh高电价导致售电收入高于售热收入，不抽汽，全额发电经济性更好·由于供热量在短期内会出现大变化，导致电厂出口循环水温度大范围变化从而影响管道安全·这一现象未来不会减缓，而只会加剧 ·如何应对火电厂调峰要求，是供热企业必须研究的新问题 热电协同，供热系统应协助电网调峰 问题的根源： ·大比例风电光电，导致电力的供给侧与需求侧在时间上不同步·解决途径：储能，灵活电源储能：电力充裕时储电、多用电；电力短缺时放电，少用电；·如果热量来自电力（CHP，热泵），则可利用储热替代储电，实现调节电力低谷时段：制备更多的热量，储存：多用电（热泵）、少输出电力；·电力高峰时段：尽量多发电，少用电；释放储存的热量以满足供热需求 ·热电协同的基本思路 ·条件：电力转换为热力：如CHP，抽汽供热：减少发电量：热泵：电变热 利用储热替代储电，既保证输出电力或使用电力的灵活性，又保证输出热量的稳定性，实现热电解耦 储电还是储热？ ·各种储电方式的初投资和效率 ·锂电池：1元/Wh效率：<85%·抽水蓄能：6元/W，8小时，折合6元/8Wh，0.75元/Wh效率：70%：空气压缩：6元/W，6小时，折合6元/6Wh，1元/Wh效率：60%？·制氢、储氢、燃料电池发电：10元，15小时，折合0.7元/Wh效率：<50% 储热的初投资和效率，（储热设施本体） 储热水，1.16kWh/m3.K，如果温差为70K（90/20℃），80kWh/m3：如果1000元/m3，则0.0125元Wh：效率可达90%如果160元/m3.则0.002元/Wh·即使认为热是电力转换获得，COP=10，储热投资也仅为0.020.13元Wh之间·如果最终的自的是获取热量，储热的初投资和运行消耗都远低于储电·占空间：比蓄电池需要的空间大，但安全性好，比抽水蓄能省空间 ·结论：如果最终需要的是热，则储热比储电更适宜；由储热替代储电 可能的技术途径 ·电锅炉+储热罐重、大量在东北使用 ·要求降低电力输出时：通过电锅炉把电力转为热量储存·在电力负荷高峰时：减少抽汽，尽可能多发电：由储热罐中的热量供热·问题：电加热，高品位热量低品位利用，能量品位损失大，经济性靠电价差 ·电动热泵+储热罐 ·用电动热泵（空气源、地源）在用电低谷时段制热，储存 ·实现选择电力低谷时段或低谷电价时段间歇用电，而靠储热连续供热 ·如果k=0.5，则增加一倍热泵容量，如果COP=3，热泵投资1元/W热：0.3元/Wh电 ·热泵方式的特点： ·未来中午时段为电力低谷期，而外温高：空气源热泵COP高·地源热泵间歇运行，周边士壤温度会及时恢复，因此不需要增加埋管数量 利用热电联产系统为电力调峰 ·基本思路： ·用电高峰期：最大能力发电，停正抽汽，利用蓄热罐中的热量供热，并将当时的之汽余热、烟气余热储存，待用电低谷期提升利用； ·用电低谷期：最大能力抽汽，用抽汽和剩余之汽加热循环水，满足当时的供热要求；同时剩余蒸汽提升高峰期储存的乏汽余热，不足时用电动热泵提升，得到的热量储存起来，供用电高峰期使用 ·由此，实现了电力的调峰： ?用电高峰期最大能力发电； ·用电低谷期，最大抽汽，发电量最小，同时还利用一部分电力带动热泵，输出更少·保证了供热： ·用电高峰期用低谷期储存的热量供热 ·用电低谷期既加热循环水，满足当时的供热，又制备热水并储存，满足用电高峰期需要 用电高峰期策略 ·最大能力发电：达到机组额定容量，如：37%乏汽除加热循环水到45℃外，全部储存，63%·储存参数：如果是热水，希望最大温差。例：20/45℃？·把用电低谷期制备并储存的20℃冷水做冷凝器冷却水，吸收其热量，至45℃·用电低谷期再把45℃热水冷却到20℃，提取其热量 火积耗散：冷凝器内传热，供热量：25%来自冷凝热，75%来自高温蓄热低温蓄热量：63%主蒸汽热量-25%供热量=38%主蒸汽热量 用电低谷期 ·最大抽汽量，发电28%，150℃抽汽48%，50℃乏汽24%·利用抽汽驱动吸收机提升当时的冷凝器余热和低温蓄热水箱的余热至100℃并通过蒸汽加热器使其加热到120℃。部分向热网供热，部分入高温蓄热水箱·抽汽量不足，不能满足升温需求，可通过电动热泵承担部分提升任务 热平衡分析 电动和吸收式热泵的升温过程 ·任务: 低温热源端45/20℃，·高温热汇侧45/100℃·部分用150℃蒸汽驱动·不足部分用电动热泵 ·方式: ·尽可能通过吸收式热泵发挥蒸汽作用，使其工作在最大提升温度段·利用电动热泵补差，发挥其灵活的特点 如果热网回水温度为45℃，如何处理？ ·用电高峰期回水直接进入高温水箱，置换出高温热水供热·冷却水在冷凝器与低温水箱之间循环，把冷凝热储存于低温水箱·低温水箱要求的容量增加：63:38，为原来的1.65倍·用电低谷期需要处理全部低温水箱热量，需要的电动热泵容量增加一倍，初投资增加（低温储热水箱、电动热泵），低谷期输出电力进一步减少 进一步考虑的问题 ·高温蓄热水箱储存120℃热水，需要闭式有压水箱，投资高，安全性差 ·供水温度降低到95℃？管网输送能力降低·低谷期仍然120℃供水，高峰期降到95℃，高温蓄热水箱仅需蓄存95℃·高温蓄热水箱95℃，高峰期抽取部分蒸汽加热到120℃；高峰发电量降低 部分热负荷期间的调节策略 ·当热负荷减少（即使有调峰热源，当负荷进一步降低时，也需要减少主热源的输出），而电力负荷不变时 高峰期仍需要满负荷发电，以满足电力要求低谷期应减少主蒸汽量，既减少燃煤量，减少量应等于2倍热负荷降低量·低谷期减少发电量，但抽汽量仍不足，需要增大电动热泵比例，从而全部回收余热，维持热效率为100%·如果低谷期不希望进一步降低发电量，则需要排除部分冷凝余热？·由于是部分负荷，供回水温度都可等比例降低，从而减轻提升温度的任务·作为电力调峰电厂，怎样随热负荷降低，其工况最终过渡到纯调峰电厂？·纯调峰电厂：通过改变主蒸汽量调节电力输出 当电力高峰期与低谷期时长并不相等 ·高峰期累计时长高千低谷期： ·低品位之汽热量占比增加，抽汽量不足，需增大电动热泵的贡献·尽可能减少各环节的火积耗散，包括采用第二类吸收式换热器变换冷凝器之汽余热降低回水温度，适当提高冷凝压力，减少对热量提升的需求量·缺少高品位热量 ·高峰期累计时长低于低谷期： ·低品位之汽热量占比少，对电动热泵的需求降低，电力可调峰幅度减少·缺少低品位热量应该增加一些空气/水/地源电动热泵： 进一步，如果有长时间的储热设施 ·储热周期从1天延长到几十天，可以有效解决供热负荷变化对系统的影响，彻底实现热电相互独立： ·电力可根据要求在一天内调节，满足风光电变化的需要 热量可以在几十天范围内调节，满足热负荷变化的要求，取代调峰热源还可以显著提高供热的安全可靠性，避免热源系统临时出现故障的影响·可替代高温蓄热水罐，电厂就只需要一个储存冷凝器热量的蓄热罐未来当热电联产电厂主要承担电力调峰，年运行小时数降低到2000小时后，大规模跨季节储热设施就成为重要的供热设施：可以把任何时候电厂释放的热量全都有效储存，利用 全面回收电厂余热，是实现热电解耦的基础 ，如果不回收冷凝器余热，则上述流程都不成立 ·只需要设一个高温储热罐，根据发电要求调节抽汽量·用电高峰期，尽可能减少抽汽、或不抽汽，全负荷发电用储热罐供热用电低谷期，尽可能多抽汽，在供热的同时向储热罐储热·但供热能力大幅降低，综合热效率低于70%·也可以安装一些热泵，在电力低谷期回收冷凝器排放的低温余热 ·如果做背压机改造？ ·在供热期间改为背压机，低压缸零功率，发电功率降低，无法为电力调峰 ·尽管综合热效率接近100%，但热电强耦合，只能通过调节燃烧量同时调整电力和热量的输出，无法应多电力调峰和热力调节的需要 回收烟气余热进一步提高火电厂效率 ·燃气电厂排烟中有大量潜热，全面回收可使总效率提高10%，当电热比为1:1时，回收烟气余热可以使供热量提高20%·燃煤电厂经过脱硫后，烟气中也有大量潜热，全面回收可使总效率提高7~8%，使供热量提高10%~15%·合适的回收方案是用低温水（20℃）喷淋，再通过热泵提升其温度，加热循环水·对于热电协同，增加了对低温水量的需求，这需要更大的低温蓄热水箱，并且在用电低谷期需要更多的热泵装机，消耗更多低谷电·此时更需要降低循环水回水温度，充当一部分冷却水，减少对低温蓄热水箱和热泵机组装机容量 利用区域热网热量制取工业生产用蒸汽 工业生产用汽的制备与热电协同 ·运行模式： ·储热A连续储热，因为热网连续运行热泵根据电网供需平衡状况间歇运行，从储热罐A获取热量，升温后的热量送入储热