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抽水蓄能电站和固体电蓄能系统在电网调峰方面的应用
 
概  况
根据国家发布的权威资料,金沙集团娱乐官网在线国至2020年发电机组装机容量已达22亿KW。2020年全国总发电量达7.4万亿kwh,居世界第一位。 
 
但是,目前在金沙集团娱乐官网在线国电网运行中,峰谷交错的存在对电网的稳定性造成了很大的干扰,特别是“谷电”,更成了电网公司的“心病”。随着金沙集团娱乐官网在线国电力设施的不断发展建设,就全国而言,夜间“赋闲”的机组多达4亿千瓦,占总装机容量的近38%,可见目前“谷电”无法消纳这个问题的严重程度。
 
 
为了移峰填谷,金沙集团娱乐官网在线国借鉴了国外的成功经验,电力行业按国家政策推行并完善了分时电价管理措施,高峰时段上网电价上浮,低谷时段上网电价下调,以此鼓励企业调整工作时间和采用低谷电蓄能技术尽可能的多使用“谷电”。
 
金沙集团娱乐官网在线国目前绝大多数城市和地区都实行了峰谷电差价政策,峰谷电差价大约在3:1—4:1左右。
 
随着金沙集团娱乐官网在线国电网“峰谷”差的矛盾不断加深,其它能源价格在不断上涨,同时国家出台的环保法规越来越完善及严厉,各种中小型的燃煤锅炉都必须淘汰和禁用,很多企事业单位、机关、学校及私营商企业,都面临锅炉设备的更新换代。燃油燃气和非“谷电”价格的高昂,使他们的可选择范围越来越窄。
 
利用低谷电移峰填谷对国家电网的平衡、对环保、对整个社会来讲,都是意义及其深远且经济和社会效益双收双赢的一件大好事。
 
抽水蓄能电站在电网调峰方面的应用
 

 
抽水蓄能电站就是为了解决电网高峰、低谷之间供需矛盾而产生的,是间接储存电能的一种方式。它利用下半夜过剩的电力驱动水泵,将水从下水库抽到上水库储存起来,然后在次日白天和前半夜将水放出发电,并流入下水库。在整个运作过程中,虽然部分能量会在转化间流失,但相比之下,使用抽水蓄能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电,而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜,效益更佳。除此以外,抽水蓄能电站还能担负调频、调相和事故备用等动态功能。因而抽水蓄能电站既是电源点,又是电力用户;并成为电网运行管理的重要工具,是确保电网安全、经济、稳定生产的支柱。抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式,在两种运行方式之间又有多种从一个工况转到另一工况的运行。
 
 
然而抽水蓄能电站的建设也存在一些阻碍:
 
1. 地质。对每个潜在转换站点都需要进行详细的地质分析,以评估转换成抽水蓄能电站的可行性。地下压力水管的建设也可能受地质条件的限制。
 
2. 水文。在可能的转换站点处或其附近缺乏地表水可能是一个潜在的障碍。现有水库的水文分析是必要的,以确定水的供应量和水位是否有季节性变化。在气候干旱的区域或国家,如南欧,这是一个重要的标准。
 
任何现有的或新的水库也需要进行来水中泥沙推移质评估,水库随着时间的推移逐渐淤积,水库体积减少可能会造成问题。抽水蓄能电站也不能使用全部现有库容,否则淤泥和杂物将被抽到水泵水轮机中。
 
3. 基础设施。对交通运输和电网基础设施的分析,需要关注抽水蓄能站点区内的道路是否能支持高流量的交通和重型建筑机械。电网基础设施可能还需要升级,提供双向电流,以便既能抽水又能发电。对于非水电大坝电网基础设施要更详细查看。例如要考虑的问题包括靠近变电站的程度和备用容量的可获性,以及升级任何容量不足的变电站的可行性等。
 
4. 经济。基建费用的不确定性可能会阻碍转型。抽水蓄能电站项目的基建费用有很大的可变性。由于这种项目的劳动力和材料密集度很高,基建费用差异很大,与具体的站点和国家有关。新技术的发展可能会克服一些障碍。无级调速、可逆式水泵水轮机会增加计划建设的抽水蓄能设施操作的灵活性,装备将更优良,以支持可变的可再生能源发电的一体化。
 
在地质、水文等基础条件不具备,以及火电厂、热电联产发电厂周围,抽水蓄能调峰难以实现,因此诞生了蓄热储能调峰系统。
 
固体电蓄能系统在电网调峰方面的应用
 
固体电蓄能系统,将电网的低谷电能或弃风电能转换成热能储存起来,根据不同需求通过交换装置,将存储的热能转换成热水、热风、蒸汽用于大面积城市供暖及工业热源,可以完全替代目前广泛使用的燃煤、燃气、燃油锅炉,是电网调峰、清洁供热的重要设备。
 
在风电厂附近安装固体电蓄能设备可以将弃风时段电能转换成热能消纳,在用电高峰期,电蓄能设备存储的热能转换成高温压缩空气驱动汽轮发电机发电,回馈电网,完全替代抽水蓄能电站调峰功能。
 
1. 储热调峰的原理:
 
 
上图为各种能源形式运行上网的示意图,各电厂均发电通过电网向用户输送,在电负荷和热负荷一定的情况下,各种能源方式根据需要,通过电网调度进行分配,如果燃煤电厂上网电量大,势必要减少风电,光电的上网电量。从图中可以看出,光电、风电、纯凝电厂没有自主调节能力,由于电无法直接储存,智能上网,因此当电负荷发生变化时,这几类电厂只能调整发电量;二供热电厂由于输出的有热能和电能两种形式,如果增加储能设施,可以将多余的电能通过储能设施转变成热能储存起来。因此供热电厂在用电低谷时,可以通过减少上网电量,增加光电、风电的上网电量,变相的通过通过储能设施增加了光电、风电的上网电量,以达到电网深度调峰的目的。
 
 
2. 固体电蓄能系统应用电厂调峰的优势:
 
● 固体蓄热对比其他蓄热方式,单位体积蓄热密度大,占地面积小;
● 没有易燃易爆危险及排放物,绿色安全;
● 固体介质无压力储热,运行安全,对安装场地没有特殊要求和限制;
● 设备自动运行,人工管理成本低;
● 热量输出可调,满足多种场合需求;
● 固体电蓄能系统无需耗材,故障率低,维护量极小。
 
3. 固体电蓄能系统调峰的经济效益
 
在热电联产机组侧安装固体电蓄能系统,根据电网调度调峰指令实时投切,在电网低谷时段消纳本厂无法上网的电力或下载弃风电转化为热能储存和并入热网,就可以实现深度调峰同时保证供热能力不下降,有效解决调峰与供热矛盾。系统投资用调峰补贴回收,投资回收期大约2—4年。
 
● 案例介绍:
 
某热电厂现有两台为14万千瓦的发电机组,合计装机容量为28万千瓦。最小出力方式可以达到50%,现有发电量的供暖能力基本饱和,无法承接电网继续深度调峰指令。
 
在热电联产机组侧安装大型电蓄能设备,利用电厂内自备电力,在关口表前将本厂深度调峰的电力转换为热能,就可以实现深度调峰的同时保证供热能力不下降,有效解决调峰余供热矛盾,同时还可以作为发电机组跳机时的应急热源。
 
● 调峰储热系统建设办法:
 
本项目拟按50%机组出力计算,发电能力大约为14万千瓦。根据能源局调峰辅助服务办法规定,调峰深度负荷率达到50%的发电能力为14万千瓦,调峰深度负荷率达到40%的发电能力为11.2万千瓦。在厂区建设14万千瓦储热调峰设备,深度调峰时段可以做到关口表出口接近0,因此保证获得较好的调峰收益。实现深度调峰后,负荷率低于50%的部分,每千瓦时可以得到0.4~1.0元的调峰服务费,或给本系统风电场提供等量发电指标。
 
● 调峰电储热系统配置:
 
项目设计的大型电蓄能设备,设计总功率为14万千瓦,采用2万/3万/4万/5万千瓦4台设备的配置,根据电网调度调峰指令分为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、14万千瓦12种功率模式实时投切,每天计划工作调峰7小时计算,最大提供98万千瓦时(3528GJ)热能直接并入热网,实现深度调峰的同时保证了供热能力。
 
本项目总投资1.5亿元,年供暖期150天,平均每天调峰7小时计算,供暖热量1.47亿千瓦时(52.92万GJ),发电成本电价2940万元(0.2元/kW·h),供热销售收入2063万元(39元/GJ),融资费用1200万元(8%),运维费用630万元(45元/kW·年),调峰平均补贴10290万元(0.7元/ kW·h)。
 
项目收益=调峰补贴+供热销售-发电成本-融资费用-运维费用
              =10290万+2063万-2940万-1200万-630万
              =7583万元
 
4. 固体电蓄能系统介绍:
 
 
固体电蓄能系统包括多组电加热单元,固体蓄热池,绝热保温层,单级或多级热交换器组;耐高温空气循环离心风机组,低压电功率供给柜组,自动程序控制指令柜,传感系统,钢制设备组架及设备外壳,风机轴承部冷却系统,次级热交换介质进出设备连接单元;
 
● 各主要单元功能及作用简介:
 
1) 多组电加热单元,是由一种特殊合金制作的串并联组成的电加热组,它是利用电阻原理,将电能转换为高温热能,对受热体固体蓄热池进行热交换。
 
 
2) 固体蓄热池是由特种蜂窝式氧化镁砖组成,它能将电能转换而成的热能吸收并存储,蓄热就是靠它来完成的。 
 
 
3) 由于蓄热池一个工作周期的蓄热完成时,它的温度可高达700℃,需要有密封的绝热层进行与外界的热绝缘。当需要热能输出时,作为换热介质的高温空气所运行的循环通道,也需要与外界热绝缘。所以设备的多部位都设立有良好有效的绝热保温层。
 
4) 热交换器组是在将存储的热能按需要输出时,设备内的高温循环空气通过它,与负载循环介质进行热交换,将热能输出至负载装置。
  
 
5) 耐高温空气循环离心风机组,是负责为设备内高温换热循环空气提供动能的设备。它将循环空气送入高温蓄热池内,空气在池内升温后再将它送入换热器组内进行热交换,交换后的低温空气再经过风机送入蓄热池,周而复始。这个单元非常重要,热能输出的精确度主要是靠它进行变频无极控制。
 
6) 电功率供给柜组,是为设备提供电能的设备单元。
 
 
7) 自动程序控制指令柜,是整个设备系统的心脏,所有的程序指令都是提前编好并存储在此柜的电脑芯片中。它除了电脑控制单元外,所有执行程序指令的中间设备及元器件也都安装在此柜中。
 
8) 设备运行的所有参数,是通过由压力、温度、流量、湿度等诸多传感器将数据传递给自动程序控制指令系统,通过此系统对各运行单元进行精确控制。
 
9) 钢制设备组架和钢制外壳,需要有良好的结构力学特征和良好的防腐性能。
 
 
10) 次级连接部分(与外围设备连接)分为冷热水系连接、冷热风系连接、蒸汽系连接和导热油系连接,不同的工艺和不同的介质,需要不同的连接方式。
 
● 固体电蓄能系统的运行控制:
 
国内一般采用的是分立元器件控制,德国采用的是单片机系统,金沙集团娱乐官网在线目前采用的是PLC可编程系统,它的优点是可以根据不同用户的需求和特点,对设备的运行宽泛的进行程序自动化操作和程序修编,也能在今后的产品中近于无限扩展,亦可与物联网等中央电脑系统联网,实现真正意义上的Distributed Control System(计算机分布式控制系统)。
 
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