蓄熱式電鍋爐在能源互聯網中的應用綜述

　　[摘要]蓄熱式電鍋爐具有電熱轉換特性和熱能存儲特可作為能源互聯網中的“網關”及“網絡存儲設備”。本文闡述了蓄熱式電鍋爐的工作原理及其在能源互聯網中的接入位置，分析了蓄熱式電鍋爐應用于供熱電能替代、風電就地消納及火電機組靈活性改造的原理，梳理了不同應用場景下的現有相關政策，指出了蓄熱式電鍋爐推廣應用存在的關鍵問題。最后給出了蓄熱式電鍋爐在能源互聯網中廣泛應用的發展建議。

　　[關鍵詞]蓄熱式電鍋爐;能源互聯網;電能替代;風電消納;火電機組改造;運行模式

　　能源論文投稿刊物：《山西能源學院學報》現為"中國期刊全文數據庫"全文收錄期刊、"中文科技期刊數據庫"收錄期刊。《山西能源學院學報》堅持為社會主義服務，為山西煤炭經濟發展服務的方向，堅持以馬克思主義、毛澤東思想、鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，傳播文化科學知識與技術，促進校內外學術交流，具有以煤炭經濟管理和煤礦實用技術為主而兼及其他、文理兼容的辦刊特色。

　　自2011年杰里米·里夫金在《第三次工業革命》中提出能源互聯網概念以來，能源互聯網一直是能源領域的研究熱點。文獻[1]闡述了能源互聯網的概念，并分析了能源互聯網的特性。文獻[2]分析了能源互聯網的技術形態，將其關鍵技術歸納為可再生能源發電技術、智能輸電網技術、儲能技術和系統規劃分析技術。文獻[3]提出能源互聯網應是以可再生能源為優先、電力能源為基礎，多種能源互補、供給消費協同的新型能源系統。

　　文獻[4]認為各類能源在能源互聯網中體現的技術互補優勢所產生的協同效益可以推動電能替代發展。文獻[5]提出了能源互聯網接入設備的概念，可實現能量與信息流的雙向流通。文獻[6]提出了儲能在能源互聯網中的2種應用模式，總結了儲能在能源互聯網中應用的關鍵技術。

　　文獻[7]梳理了油氣管網建設運營能源互聯網發展過程，同時提出建立油氣管網與能源互聯網的融合發展模式。現有能源互聯網研究多集中于探討能源互補分析，對于如何實現不同能源網絡互聯及互補效益的分析較少。蓄熱式電鍋爐能夠實現電力網絡與供熱網絡互聯，同時具備蓄熱功能，是一種廣義上的儲能技術。本文通過分析蓄熱式電鍋爐的技術特性，研究蓄熱式電鍋爐在能源網絡互聯中的作用，并對其在能源互聯網中應用模式展開分析。

　　1蓄熱式電鍋爐接入節點

　　1.1蓄熱式電鍋爐工作原理

　　蓄熱式電鍋爐(heatstorageelectricboiler，HSEB)，主要包括電鍋爐、換熱器和蓄熱罐。在電鍋爐內安裝有電極板，電極板浸沒在含有特定電解質溶液的爐水中。在電極接線通電后，利用爐水的高熱阻性，直接將電能轉化成熱能。再通過鍋爐外置換熱器將熱能儲存于蓄熱罐中或者直接向用戶供熱。蓄熱罐通過水溫升高蓄熱，通過水溫降低放熱。電鍋爐通過調節電極浸入爐水的深度調整自身功率，可以實現0%~100%額定功率范圍內連續調節。由于采用爐水熱阻性加熱原理，電鍋爐熱電轉換效率可達到98%以上。

　　1.2蓄熱式電鍋爐在能源互聯網中接入位置

　　能源互聯網是利用互聯網技術及能源轉換技術將電力網絡、石油網絡、天然氣網絡、供熱網絡等能源網絡互聯起來,實現多種能源與信息互聯互通的網絡。

　　現有能源網絡主要包含電力網絡、石油管網、燃氣管網和供熱管網。能源主要類型包含煤炭、石油、天然氣、核能、水力勢能、太陽能和風能。各類型能源通過不同的轉換技術進入一種或多種能源網絡。同時某些能源轉換技術可以將一種能源轉換進入多個能源網絡，例如熱電聯產機組可將煤炭、石油、天然氣等能源轉換為電能和熱能。蓄熱式電鍋爐技術接入點位于電力網絡和供熱管網之間，聯通了電力網絡與供熱管網，可實現能量從電力網絡向供熱管網的流動。基于電熱轉換特性和能量存儲特性，蓄熱式電鍋爐在能源互聯網中有3種應用模式：替代化石燃料鍋爐供熱(供熱電能替代)、火電機組靈活性改造、風電消納。

　　2供熱領域電能替代

　　2.1應用原理

　　電能替代是指在末端能源消費環節以電代煤、以電代油的方式，其核心是轉變能源和電力的發展方式。在我國有很大部分供熱需求是由能效低、污染大的燃煤、燃油鍋爐來供應。在用能領域，用電能代替傳統化石燃料，對減少環境污染具有重要意義。采用蓄熱式電鍋爐替代傳統化石燃料鍋爐，日間的供熱需求主要通過夜間電的儲蓄來滿足。由于夜間用電正處于低谷期，將電能轉換為熱存儲于蓄熱罐中，不僅滿足環保的要求，同時還能平衡峰谷用電差。蓄熱式電鍋爐可以廣泛應用于居民采暖、商業和工業領域。電鍋爐電極接線通過高壓開關柜連接到高壓電網，所產生的熱能可通過一側板式換熱器傳遞到蓄熱罐，或者再經過二次板式換熱器傳遞到用戶。蓄熱罐中存儲的熱能也可以通過二次板式換熱器傳遞給用戶。依據不同的用戶熱負荷類型及電網分時電價，蓄熱式電鍋爐可以運行在多個模式。

　　2.2相關政策

　　為應對嚴峻的大氣污染形勢，2013年國務院發布了《大氣污染防治行動計劃》[8]，明確了對整改燃煤小鍋爐的決心。同時要求展開集中供熱工作，加速對“煤改氣”、“煤改電”工程的實施。該計劃還指出，針對燃氣或熱力管網沒有覆蓋到的地區，采用消耗電、新能源或潔凈煤的鍋爐，力求全面落實清潔鍋爐的應用，“行動計劃”執行期至2017年底。各省份自此都出臺了相應的詳細方案。

　　依據生態環境部2018年發布的《關于〈大氣污染防治行動計劃〉實施情況終期考核結果的通報》[9]，“行動計劃”所有省份考核合格，其中15個省份考核優秀。國家電網公司在2013年提出“以電代煤、以電代油、電從遠方來”的電能替代戰略[10]，其中以電代煤就是將工業鍋爐、居民取暖鍋爐改為電鍋爐。國家發展改革委等8部門在2016年聯合發布的《關于推進電能替代的指導意見》提出，為全力保障居民采暖需求，針對供熱供氣管網無法覆蓋的生活區域，推廣應用蓄熱式電鍋爐以滿足居民的供熱需求。而在生產制造領域，針對熱力管網無法達到的地區，大力推廣蓄熱式工業電鍋爐的普及以替代集中供熱[11]。

　　生態環境部于2019年2月發布的《2019年全國大氣污染防治工作要點》對鍋爐的綜合整改提出了具體要求，針對重點區域，要求提高35t/h以下的燃煤鍋爐淘汰率，著力發展65t/h及以上燃煤鍋爐的超低排放改造工作，以此加強淘汰燃煤小鍋爐的工作進程[12]。

　　2.3推廣難點蓄熱式電鍋爐在供熱領域應用技術成熟，國家政策也是持續支持供熱領域電能替代，對于蓄熱式電鍋爐的推廣應用有積極意義。但目前蓄熱式電鍋爐應用過程中也面臨一些問題，其中重要一方面是價格問題。目前政策支持供熱替代是電力和燃氣2種路線，雖然與燃氣鍋爐相比蓄熱式電鍋爐是真正零排放，但是在燃氣管網覆蓋領域，其在目前階梯電價情況下，很難和天然氣進行競爭[13]。另一方面，電鍋爐的推廣應用需要新增電網改造投資，同時電鍋爐通常在低谷電價時運行，對于電網公司利益有一定沖擊。

　　3提升風電就地消納

　　3.1應用原理

　　我國供熱地區在供熱期的棄風率遠高于其他地區，其中主要原因有2點：首先當地負荷不足導致消納能力有限，其次供暖季火電機組需要保障供熱，機組調峰能力驟減，電網可接納風電空間進一步減小。在供熱地區采用蓄熱式電鍋爐可以在增大就地電力負荷的同時減少對火電機組供熱的依賴，在一定程度上實現“熱電解耦”，提升機組調峰能力，增強電網接納風電能力。蓄熱式電鍋爐應用于風電就地消納的原理如圖4所示。風電場風電機組發電匯流至交流母線，再經風電系統變壓器，通過公用輸電線路或者專用輸電線路輸送至蓄熱式電鍋爐熱站，經過鍋爐變壓器連接至蓄熱式電鍋爐。其產生的熱能通過供熱一級管網輸送至換熱站，或者通過供熱二級管網直接輸送至熱力用戶。吉林省某風電消納示范工程運行結果如圖5所示，圖中藍色曲線為當地風電場棄風功率曲線，綠色曲線為蓄熱式電鍋爐用電功率曲線，曲線交叉部分面積為蓄熱式電鍋爐消納的棄風電量。由圖5可見該蓄熱式電鍋爐3天內累計消納了450MW·h的棄風電量。

　　3.2相關政策

　　為積極推進大氣污染物防治，確保風電產業持續健康發展，2015年，國家能源局發布了《關于開展風電清潔供暖工作的通知》，該通知明確利用風能轉換為電能的思路來滿足用戶的供熱需求。核心方向集中在提高對燃煤小鍋爐的淘汰率，優先解決管網無法覆蓋地區的供熱問題。為更好地落實相關項目的實施，該通知提出，針對建筑年限較短的區域優先利用風能保障供熱需求，同時建議減少風電發電企業與電力用戶交易過程的中間商，即嘗試直接交易來供電[14]。

　　國家發展改革委、國家能源局等10部委于2017年底聯合發布了《北方地區冬季清潔取暖規劃(2017—2021年)》，鼓勵可再生能源發電規模較大地區實施電供暖，針對可再生能源富足區域，充分發揮因地制宜優勢推進以電供暖工作，通過大力推廣蓄熱式電供暖設備的方式來提高對富余風能換電的利用率。同時提升存量機組的發電能力以提升對風電和光伏發電等可再生能源的利用率。電鍋爐供暖應配套蓄熱設施，適合可再生能源消納壓力較大，棄風、棄光問題嚴重，電網調峰需求較大的地區，可用于單體建筑或小型區域供熱。到2021年電鍋爐供暖發展目標是3億m2[15]。

　　國家能源局在2019年發布了《關于完善風電供暖相關電力交易機制擴大風電供暖應用的通知》，要求各有關省、市能源主管部門從發展規劃、技術論證、投資運營機制、電力市場化交易機制等方面做好風電供暖工作[16]。

　　3.3推廣難點

　　蓄熱式電鍋爐應用于供熱領域電能替代工況中，功率調節次數較少，但在提升風電消納應用中，為消納更多棄風電量，應盡可能跟蹤棄風功率曲線。但蓄熱式電鍋爐的功率調節采用機械調節電極浸入爐水深度的方式，頻繁的功率變化指令會嚴重影響鍋爐使用壽命。在技術難點之外，如何制定針對性的電力市場化交易機制也是蓄熱式電鍋爐提升風電消納面臨的困境。應用涉及風電場、電網公司、熱力公司等多方利益，初始投資誰來承擔、后期利益如何分配等目前沒有可以借鑒的成熟模式。

　　4火電機組靈活性改造

　　4.1應用原理

　　我國火電機組主要有背壓式和抽汽式2種：背壓式機組熱電比例不可調節;抽汽式機組熱電比例雖然可以調節，但在采暖季熱負荷與電負荷不匹配，導致機組調節能力收到嚴重限制，向下調峰能力通常不超過0.2倍額定功率。為提升火電機組調峰能力，使電網接納更多新能源發電，可采用蓄熱式電鍋爐對抽汽式火電機組進行靈活性改造。

　　蓄熱式電鍋爐通過降壓變接入電廠高壓母線，電鍋爐利用電廠自發電制熱，蓄熱罐可存儲電鍋爐熱量和汽輪機抽汽熱量，并在需要時將熱量輸送至供熱一級管網。當電負荷較大而熱負荷較小時，火電機組高功率運行供電，超出供熱負荷的熱量存儲在蓄熱罐中。當熱負荷較大而電負荷較小時，火電機組低功率運行向下調峰，供熱不足部分采用蓄熱罐熱量補償。在電網調峰進一步困難時，電鍋爐利用機組發電制熱，在機組輸出功率不變的情況下，電廠輸出功率可進一步下降，實現機組的深度調峰。

　　4.2相關政策

　　2016年6月，國家能源局發布了《關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》，確定了丹東電廠等16個項目為提升火電靈活性改造試點項目[17]。7月又發布了《關于下達第二批火電靈活性改造試點項目的通知》，通過了第二批旨在改善火電靈活性的項目工程，其中包括了以長春熱電廠為首的共計6個項目。完成火電靈活性改造，預期效果將使熱電機組的調峰能力擴大其額定容量的1/5，最小技術出力可提高至其額定容量的1.5倍。

　　2016年7月，國家發展改革委和國家能源局發布了《可再生能源調峰機組優先發電試行辦法》，對解決新能源發電帶來的系統波動提出了解決方案，即優先發揮調峰機組的出力調控能力。具體來說，對于常規的煤電機組，考慮其額定容量低于300MW，出力能力不高于其額定容量的1/2;針對單機容量高于300MW的機組，其出力降至其額定容量的3/5以下。

　　同時，為了提高熱電機組的調峰能力，該辦法激勵各相關企業大力推進儲熱、熱電解耦等技術創新，通過安裝實時監控獲取熱電機組的實時狀態[18]。2018年3月，國家發展改革委、國家能源局發布了《關于提升電力系統調節能力的指導意見》，明確要求在“十三五”期間完成對系統靈活性的改造，落實綠色發展。具體目標首先是落實對2.2億kW火電機組的靈活性改造項目。針對煤電機組的調峰出力改造，以300MW級優先改造。改造后，預期效果將使純凝機組的最小技術出力提升到其容量的1/3~2/5，熱電機組最小技術出力最高提升至其容量的1/2[19]。

　　4.3推廣難點

　　蓄熱式電鍋爐參與火電機組靈活性改造效果，與電鍋爐及蓄熱罐容量配置強相關。更好的調峰能力可以獲取更高的政策補償。但本質上，調峰收益取決于區域電力負荷與熱負荷的不匹配情況，以及電力系統中可再生能源的消納情況。這2種現狀可通過需求側管理、擴大外送容量、建設燃氣機組調峰等多種手段改善。一旦電、熱負荷并不匹配及可再生能源消納低的情況得到改善，火電機組調峰需求會緊隨下降，調峰補償的收益來源能否得到保障存疑。

　　5結語

　　蓄熱式電鍋爐具有電熱轉換特性，可作為能源互聯網中的“網關”，同時其具備熱能存儲特性，可作為能源互聯網中的“網絡存儲設備”。基于這2種特性，蓄熱式電鍋爐可應用于供熱電能替代、風電就地消納及火電機組靈活性改造。蓄熱式電鍋爐在能源互聯網中的應用可以在源、荷2側提高清潔能源消費比例，對能源互聯網的發展具有重要意義。目前，蓄熱式電鍋爐應用既面臨著新應用場景下的技術特性改進問題，也面臨著在能源互聯網中定位不明確的問題。

　　多種應用場景的實際工程驗證了蓄熱式電鍋爐的有效性，但其投資主體及收益分配仍然沒有確切保障。這需要以能源互聯網的思維將蓄熱式電鍋爐納入能源規劃中，避免相同目標下的不同技術路線重復投入。其次，需要建立完善的能源網絡市場機制，避免從單一能源網絡評價作用，避免以單一技術指標分配收益。

　　[參考文獻]

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