摘要： 将热电联产机组的成本分为发电成本和供热成本，实现了两者的分离独立计算。 剖析了风热冲突问题的机理和热电机组 2 种灵活性改造方式(配置储热设备和配置电锅炉)的原理和有效性。 以电热综合能源系统整体综合能耗最小为目标建立了供热问题分析模型。 研究了热电厂在灵活性改造前后的供热策略，并讨论了配置蓄热设备和电锅炉的有效性以及最佳热负荷水平问题。 算例结果验证了理论分析的有效性，相关结论可为热电厂决策提供参考。
关键词： 风热冲突; 风电消纳; 电热综合能源系统; 灵活性改造; 蓄热装置; 电锅炉
0 引言
近年来，我国“三北”地区冬季供暖期因风热冲突导致的弃风问题越来越严重，局部地区 2016 年第一季度的弃风甚至超过了 50%[1]。 鉴于风电和热电均是我国节能减排的重要方式，如何使二者友好发展已经成为全社会非常关注的问题。
现有研究均是首先假设热电厂热负荷已经确定且必须满足，然后再从弃风如何消纳的角度展开研究。 例如利用储热将热电厂产热时间从弃风时段转移到非弃风时段[2-5]，或者直接利用电锅炉消纳弃风进行风电供热[6-8]。
然而，实际系统中，也可以通过在规划时降低热电厂承担的热负荷水平从而降低运行时热电厂“以热定电”发电功率的形式实现对风电的消纳，减少的热负荷可以转移给区域高效燃煤锅炉予以满足。
那么，是应该优先保证热电厂多承担热负荷，还是应该优先保证风电消纳? 热电厂的最佳供热负荷水平应该为多少? 热电厂进行灵活性提升改造后又该如何进行短期供热运行和长期热负荷水平规划?
针对上述问题，本文从电热综合能源系统整体综合能源最优的角度进行了探讨。
1 电热综合能源系统
1.1 系统架构
当前，我国区域供热系统中有一半以上的供热量来自于热电联产机组，而根据规划未来该比重还会继续增加。 现实中，电力系统和区域供热系统以热 电联产为耦合点构成了电热综合能源系统。
图 1 给出了热电厂加装储热设备和电锅炉进行灵活性提升改造后的电热综合能源系统示意图。 该示意图中若删去储热设备和电锅炉(或容量设置为 0)即为传统的电热综合能源系统。
当前，我国热电厂和区域锅炉房基本采用独立供热的模式，即热电厂和区域锅炉房在运行时分别承担不同用户的供热需求(如图 1 所示)，为此本文基于该供热模式进行分析。
1.2 热电联产发电煤耗和供热煤耗的分解
应该优先保证热电厂多承担热负荷，还是应该优先保证风电消纳，主要取决于哪种方式更加节能。热电厂供热的节能效果取决于热电厂的供热煤耗和其所替代的燃煤锅炉煤耗的差值;风电消纳的节能效果取决于风电所替代的燃煤发电的煤耗。 鉴于纯凝机组可以看作供热量为 0 的热电机组，因此对热电机组发电煤耗和供热煤耗的合理分解，就成为分析上述问题的基础。
热电厂在联产状态下同时生产电和热 2 种 商品，在分摊煤耗时有多种方法，包括热量法、实际焓降法、做功能力法等，或者将联产好处全部归电，或者将联产好处全部归热，或者二者各得一部分[9]。 然而上述方法无法描述热电厂供热的边际煤耗。 热电厂供热的边际煤耗低于传统燃煤锅炉供热煤耗，这是在供热系统运行时优先利用热电厂进行供热的本质原因，也是进一步进行分析的数据基础。
对于背压式机组，由于采用排汽供热，完全利用了发电余热，增加供热并没有导致发电煤耗增加，因此可以认为供热煤耗为 0。 然而，对于抽汽机组而言，由于抽汽供热会降低机组发电功率，因而在保证发电功率一定的前提下，抽汽供热需要增加机组的煤耗，增加的煤耗可认为是热电厂的供热煤耗。 鉴于我国绝大部分供热机组均为抽汽供热机组，因此本文以此机组类型为对象进行分析。
抽汽机组的供热煤耗可根据其电热运行区间(如图 2 所示)进行计算。 图 2 中，与 AB 平行的虚线为等煤耗曲线，表示在汽轮机进汽量恒定(相应锅炉耗煤量恒定)的情况下，随着抽汽供热量的增大，机组发电功率会逐渐下降;BC 段为最大抽汽工况线(也称最小凝汽工况)，此时，大部分蒸汽被抽出供热，只有少部分蒸汽进入汽轮机低压段以满足冷却的需要(约为低压段设计流量的 5 %~10 %[10])，因此，该工况接近于背压工况(若不考虑低压缸通流冷却流量，可认为该线为抽汽机组的背压工况线)。
假设机组在初始运行时不供热，即处于纯凝状态运行在 G 点，然后在维持发电功率不变的情况下，增加供热功率至 E 点，则由图 2 可以看出，此时输出供 热 功 率 PE，h 所增加的煤耗相当于机组处于纯凝状态时从 G 点至 F 点时增加的煤耗，则单位供热量(单位为 kW·h)的煤耗可由式(1)计算。工况下的发电煤耗;ηCON 为机组在纯凝工况下的发电效率。 式(1)意味着供热机组的供热煤耗可以描述为机组为了供热而损失的发电量在纯凝工况下的生产煤耗。
根据统计[11]，300 MW 级供热机组在纯凝工况下的发电煤耗(标 准 煤)约 为 320 g / (kW·h)，但 是 cv 约 为 0.25，故抽汽供热机组的供热煤耗约为 80 g / (kW·h)，而一台效率为 0.8 的燃煤锅炉的供热煤耗约为 154 g / (kW·h)。 显然，供热机组在满足供电的情况下，联产供热越多越好，这意味着供热机组最好运行在 BC 段上。由图 2 可以看出，在供热一定的前提下，增加单位发电功率的煤耗增量实际上就等于机组在纯凝工况下增加单位发电功率的煤耗增量，即发电的边际煤耗为 μCON，e。 综上分析，机组运行在任意 E 点的总煤耗(忽略机组因负荷变动所导致的效率变化)可表示为：
图 3 中，假设该机组某日承担的热负荷为 PE，h，此时为了保证供热，发电功率至少运行在 PE，e 以上。在风电并网之前，由于负荷较大，机组在各时段发电负荷均大于 PE，e，故可以在满足发电需求的前提下保证供热。 然而，在风电并网之后，由于风电挤占了一部分发电空间，若完全消纳风电，则在 H — L 时段会导致该机组的发电负荷低于 PE，e，从而导致联产供热无法满足供热需求 PE，h;若保证供热满足 PE，h，则热电 机 组 在 H — L 时段的发电出力需运行于 PE，e 水平，则显然此时图 2 中 HIJKLH 所围的风电部分就需要限电处理，从而造成风热冲突问题。
1.4 热电灵活性提升改造方式的作用本质
为了解决“三北”地区因风热冲突所造成的大规模弃风问题，我国正在积极推广热电的灵活性提升改造，以热电解耦为目标，主要采用配置储热设备和配置电锅炉 2 种措施。
a. 配置储热设备的调峰作用本质。
解决风热冲突的措施的原理是在等效负荷低于以热定电负荷时，通过其他方式替代供给汽轮机的一部分供热负荷，使得热电机组可以降低运行点(如从图 3 中的 E 点降低到 F 点)，从而接纳风电。
配置储热设备可以使得热电厂在高电负荷时段(如图 3 中 G — H 时段)运行时将超过供热需求的联产供热部分存储起来，进而在风热冲突时段(如图 3 中的 H—L 时段)通过放热降低对汽轮机的供热需求，从而降低以热定电发电机出力以接纳风电(相当于将低谷时段的联产供热转移到高峰时段生产)。
但是随着风电并网规模的不断增大，等效负荷曲线(原始发电负荷曲线减去风电曲线)不断下降，完全消纳风电条件下留给供热机组的上网空间就越来越小。 这导致图 3 中 H — L 时段与等效负荷曲线所围的面积就会越来越小，而 HIJKLH 所围的面积越来越大。 当前者面积小于后者时，意味着在高峰时段的蓄热量已经不能完全满足低谷时段完全消纳风电的补偿供热量要求，需要采用其他方式(如电锅炉供热、旁路供热)进行补偿供热。 而当等效负荷曲线下降到 GHL 段以下时，由于发电负荷始终低于以热定电发电负荷，故已经没有机会蓄热，蓄热罐不再起作用。
b. 配置电锅炉的调峰作用本质。
如前文所述，若蓄热不能满足完全消纳风电时在低谷时段补偿供热的需求，就需要采用电锅炉进行补偿供热(考虑弃风严重程度和投资问题，实际改造方案中有些电厂仅配置了电锅炉)。 而且，随着风电并网容量的上升，等效负荷持续下降，为补偿供热需要的电锅炉容量会越来越多。
与蓄热罐存储的依然是汽轮机的联产供热量不同，电锅炉补充供热的机理较为复杂，其本质相当于电厂锅炉直接供热。 如图 3 所示，假设某时段消纳风电后安排的热电机组的发电出力为 PF，e，则此时该机组联产最大供热能力为 PF，h，要满足热负荷需求，还需要 PE，h - PF，h 的补偿供热量。 为补偿该部分热量，可将机组的运行点从 F 点提高到 M 点，同时利用电锅炉将多余的电力 PM，e- PF，e 转化为热能。 从外特性来看，机组输出电力依然为 PF，e。 但此时，由于电锅炉的作用，总的供热输出增加了 ηeb(PM，e - PF，e)+(PM，h - PF，h)，其中 ηeb 为电锅炉的热电转换效率。 显然，只要 M 点选择合适，就可以使得增加的供热输出满足 PE，h-PF，h 的补偿供热需求。
2 热电厂的供热问题建模与分析
2.1 风热冲突问题的转换
如前文所述，在热电厂灵活性提升改造前，风热冲突问题可描述为在电热综合能源系统中，热电厂应多供热多弃风还是少供热少弃风(及其边界条件分析)的问题。 而在火电厂灵活性提升改造之后，理论上若电制热容量足够大，则风电可以完全被电热综合能源系统所消纳。 因此，风电冲突问题就可以转换描述为：在大规模风电并网后，热电厂如何根据所承担的越来越小且大幅波动的等效发电负荷，以及热电厂锅炉剩余的大量空闲容量，充分利用蓄热罐和电锅炉，通过合理供热，使得整个电热综合能源系统耗能最小的问题。
为此，下文以整个电热综合能源系统整体能耗最小为目标函数，建立了一个含风电和灵活性热电的电热综合能源系统简化运行模拟模型，以分析在大规模风电并网后热电厂的短期供热运行策略和长期热负荷水平规划策略以及电锅炉、蓄热罐在其中的作用。
2.2 数学模型
鉴于纯凝机组可以看作是热电机组热负荷为 0 的特殊形式，故假设所有火电机组均为热电机组。 假设电热综合能源系统由 N 个分区组成，每个分区内有一个含 Nl(l= 1，2，…，N)台热电机组的热电厂，且该厂配置有 1 个蓄热罐和 1 台电锅炉(将电锅炉和蓄热罐容量置 0 即可描述没有进行灵活性改造的情况);同时每个分区配置有 1 台等效的区 域 燃 煤 锅炉。 假设每个分区的总热负荷为 P l，t D，h，热电厂供给其中的一部分用户，占比为 αl ，剩余用户由区域燃煤锅炉供给。 因此，热电厂是应该提高还是减少其所承担的热负荷水平，体现在 αl 的变化上。 所有分区热电机组和一个等效的风电场共同满足系统电负荷 P t D，e。
在该模式下，基于消纳风电后等效负荷对应的联产供热能力可能存在大于供热负荷的情况，此时就需要使用储热设备将该时段多余的联产供热量进行存储，同时在其他时段联产供热能力不足时，优先使用蓄热进行补充供热，然后再用电锅炉进行补充供热。上述分析表明，经过灵活性改造后的热电厂，在供热负荷已定的情况下，在运行时总是应该优先消纳风电，然后再根据消纳风电后的等效负荷曲线尽可能进行联产供热(超过热负荷的部分则进行存储)，不足部分则再由电锅炉进行补充供热(若有蓄热，则优先使用蓄热补充)。
2.5.2 灵活性改造后热电厂的热负荷确定问题
鉴于热电厂联产供热成本远低于区域燃煤锅炉供热成本，理论上，为充分利用热电厂发电的机会进行联产供热，系统中电厂的热负荷水平至少应该等于依据等效负荷确定的各时段联产供热能力在周期内的平均功率。 若二者正好相等，则热电厂全部的热负荷正好可以由热电厂联产供热满足，不过由于风电的日间波动性较大，此时需要有足够大的蓄热容量。
同时，若实际电力系统中发电机组所配置的燃煤锅炉效率高于区域燃煤锅炉供热效率，即 μCHP-eb 小于μCB，则热电厂采用电锅炉供热替代区域锅炉供热也具有一定的节能效果。 显然，此时应该尽可能提高热电厂的供热负荷水平，在充分利用热电厂联产供热的同时，利用其锅炉剩余容量进行供热。 理论上，若电厂配置电锅炉的容量足够大，则热电厂的最大供热能力等于其所配置的燃煤锅炉最大输出热能减去热电厂承担的最大电负荷。
反之，若 μCHP-eb 大于 μCB，则热电厂采用电锅炉供热不节能，应该减少电锅炉供热量。 然而，实际电力系统中热电厂锅炉效率往往高于区域燃煤锅炉，即使个别热电厂锅炉效率小于区域燃煤锅炉，二者之间的差异也并不大。 而且，与区域燃煤锅炉相比，热电厂锅炉所执行的大气污染物排放标准较高，单位供热的污染物排放少很多[13-14]。
因此，为了保证联产供热能力能够得到充分利用，且减少系统同时对蓄热和电锅炉的需求，以及充分利用电厂锅炉进行供热所带来的减排效益，在确定热负荷时应该偏高一些。 该部分研究涉及投资、减排等决策，将另行撰文阐述。
3 算例分析
为验证上述理论分析结果的正确性，下文参考实际系统，构造了一个包括 3 个供热分区的电热综合能源系统。
3.1 基础数据
假设该电热综合能源系统中，分区Ⅰ的热电厂含 3 台 300 MW 机组的热电厂，分区Ⅱ的热电厂含 2 台 300 MW 机组和 1 台 200 MW 机组，分区Ⅲ的热电厂含 3 台 200 MW 机组，2 类机组的参数如下。
a. 300 MW 机组参数：最大发电功率为 300 MW，最小发电功率为 90 MW;最大供热功率为 323 MW;最大热化发电功率为 226 MW;cv= 0.23，cm = 0.45;K= 80.7;发电煤耗为 320 g / (kW·h)，联产供热煤耗为 74 g / (kW·h)，电锅炉等效供热煤耗为 150 g / (kW·h)。
b. 200 MW 机组参数：最大发电功率为 200 MW，最小发电功率为 60 MW;最大供热功率为 278 MW;最大热化发电功率为 150 MW;cv= 0.21，cm = 0.44;K= 45.4;发电煤耗 为 340 g / (kW·h)，联产供热煤耗为 72 g / (kW·h)，电锅炉等效供热煤耗为 154 g / (kW·h)。
同时，在每个热电厂中，均有 1 台等效蓄热罐和 1 台等效电锅炉，且电锅炉效率为 1(电锅炉和蓄热罐容量置 0，即可描述热电厂没有进行灵活性改造的情况)。 每个分区除热电厂外，还有 1 台等效的区域燃煤锅炉。
除热电厂外，假设系统还有 1 个等效的风电场，风电和各区热电共同满足系统电负荷，且各分区之间不存在电网输电容量限制。 假设整个系统与其他电网无电功率交换，运行时考虑上调旋转备用率为 5%，下调旋转备用率为 2%。
以 1 d 为周期进行分析，假设每个分区的日内各时段供热负荷需求均为 2 500 MW。 该日 08:00 至次日 07:00 的电负荷标幺值曲线如图 4 所示，峰谷差率为 33%，则考虑备用要求，整个系统的调峰率需求为 40 %。 风电预测出力标幺化曲线也如图 4 所示。假设该日最大负荷为 2 050 MW。
为减少调峰约束干扰，取热电机组最小出力为额定容量的 30 %。 机组调峰能力大于整个系统的 40 % 调峰率需求，因而可以认为系统中各机组均具有一定的供热空间。
3.2 热电厂灵活性改造前的供热问题分析
本节旨在分析在热电厂进行灵活性提升改造之前，系统应该优先接纳风电还是优先供热，故设 3 个分区配置的电锅炉容量和蓄热容量均为 0。假设区域燃煤锅炉的供热效率为 0.8，则供热煤耗为 154 g / (kW·h)，与 2 类热电厂利用电锅炉直接供热的煤耗基本相同。
图 5 给出了在独立供热模式下，风电装机容量为 0 ~ 2 000 MW 时的最佳供热负荷变化情况。 可以看出，当风电装机容量小于 1 500 MW 时，供热负荷不变;而当其大于 1 500 MW 时，供热负荷逐渐降低。同时图 5 给出了各种风电装机容量下的日弃风时段数，可看出，在最佳热负荷水平下，弃风时段数总是在 13 h 左右，约为整个周期的 54 %，与理论分析一致。 这说明在独立供热模式下，当弃风时段数约少于 1 / 2 时总是应该优先供热，提高热电厂的热负荷水平;反之，则应该降低热电厂的热负荷水平。——论文作者：吕 泉 1 ，胡炳廷 1 ，王海霞 1 ，张 娜 2 ，刘 乐 3
