蓄热式电锅炉在能源互联网中的应用综述

　　[摘要]蓄热式电锅炉具有电热转换特性和热能存储特可作为能源互联网中的“网关”及“网络存储设备”。本文阐述了蓄热式电锅炉的工作原理及其在能源互联网中的接入位置，分析了蓄热式电锅炉应用于供热电能替代、风电就地消纳及火电机组灵活性改造的原理，梳理了不同应用场景下的现有相关政策，指出了蓄热式电锅炉推广应用存在的关键问题。最后给出了蓄热式电锅炉在能源互联网中广泛应用的发展建议。

　　[关键词]蓄热式电锅炉;能源互联网;电能替代;风电消纳;火电机组改造;运行模式

　　能源论文投稿刊物：《山西能源学院学报》现为"中国期刊全文数据库"全文收录期刊、"中文科技期刊数据库"收录期刊。《山西能源学院学报》坚持为社会主义服务，为山西煤炭经济发展服务的方向，坚持以马克思主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，传播文化科学知识与技术，促进校内外学术交流，具有以煤炭经济管理和煤矿实用技术为主而兼及其他、文理兼容的办刊特色。

　　自2011年杰里米·里夫金在《第三次工业革命》中提出能源互联网概念以来，能源互联网一直是能源领域的研究热点。文献[1]阐述了能源互联网的概念，并分析了能源互联网的特性。文献[2]分析了能源互联网的技术形态，将其关键技术归纳为可再生能源发电技术、智能输电网技术、储能技术和系统规划分析技术。文献[3]提出能源互联网应是以可再生能源为优先、电力能源为基础，多种能源互补、供给消费协同的新型能源系统。

　　文献[4]认为各类能源在能源互联网中体现的技术互补优势所产生的协同效益可以推动电能替代发展。文献[5]提出了能源互联网接入设备的概念，可实现能量与信息流的双向流通。文献[6]提出了储能在能源互联网中的2种应用模式，总结了储能在能源互联网中应用的关键技术。

　　文献[7]梳理了油气管网建设运营能源互联网发展过程，同时提出建立油气管网与能源互联网的融合发展模式。现有能源互联网研究多集中于探讨能源互补分析，对于如何实现不同能源网络互联及互补效益的分析较少。蓄热式电锅炉能够实现电力网络与供热网络互联，同时具备蓄热功能，是一种广义上的储能技术。本文通过分析蓄热式电锅炉的技术特性，研究蓄热式电锅炉在能源网络互联中的作用，并对其在能源互联网中应用模式展开分析。

　　1蓄热式电锅炉接入节点

　　1.1蓄热式电锅炉工作原理

　　蓄热式电锅炉(heatstorageelectricboiler，HSEB)，主要包括电锅炉、换热器和蓄热罐。在电锅炉内安装有电极板，电极板浸没在含有特定电解质溶液的炉水中。在电极接线通电后，利用炉水的高热阻性，直接将电能转化成热能。再通过锅炉外置换热器将热能储存于蓄热罐中或者直接向用户供热。蓄热罐通过水温升高蓄热，通过水温降低放热。电锅炉通过调节电极浸入炉水的深度调整自身功率，可以实现0%~100%额定功率范围内连续调节。由于采用炉水热阻性加热原理，电锅炉热电转换效率可达到98%以上。

　　1.2蓄热式电锅炉在能源互联网中接入位置

　　能源互联网是利用互联网技术及能源转换技术将电力网络、石油网络、天然气网络、供热网络等能源网络互联起来,实现多种能源与信息互联互通的网络。

　　现有能源网络主要包含电力网络、石油管网、燃气管网和供热管网。能源主要类型包含煤炭、石油、天然气、核能、水力势能、太阳能和风能。各类型能源通过不同的转换技术进入一种或多种能源网络。同时某些能源转换技术可以将一种能源转换进入多个能源网络，例如热电联产机组可将煤炭、石油、天然气等能源转换为电能和热能。蓄热式电锅炉技术接入点位于电力网络和供热管网之间，联通了电力网络与供热管网，可实现能量从电力网络向供热管网的流动。基于电热转换特性和能量存储特性，蓄热式电锅炉在能源互联网中有3种应用模式：替代化石燃料锅炉供热(供热电能替代)、火电机组灵活性改造、风电消纳。

　　2供热领域电能替代

　　2.1应用原理

　　电能替代是指在末端能源消费环节以电代煤、以电代油的方式，其核心是转变能源和电力的发展方式。在我国有很大部分供热需求是由能效低、污染大的燃煤、燃油锅炉来供应。在用能领域，用电能代替传统化石燃料，对减少环境污染具有重要意义。采用蓄热式电锅炉替代传统化石燃料锅炉，日间的供热需求主要通过夜间电的储蓄来满足。由于夜间用电正处于低谷期，将电能转换为热存储于蓄热罐中，不仅满足环保的要求，同时还能平衡峰谷用电差。蓄热式电锅炉可以广泛应用于居民采暖、商业和工业领域。电锅炉电极接线通过高压开关柜连接到高压电网，所产生的热能可通过一侧板式换热器传递到蓄热罐，或者再经过二次板式换热器传递到用户。蓄热罐中存储的热能也可以通过二次板式换热器传递给用户。依据不同的用户热负荷类型及电网分时电价，蓄热式电锅炉可以运行在多个模式。

　　2.2相关政策

　　为应对严峻的大气污染形势，2013年国务院发布了《大气污染防治行动计划》[8]，明确了对整改燃煤小锅炉的决心。同时要求展开集中供热工作，加速对“煤改气”、“煤改电”工程的实施。该计划还指出，针对燃气或热力管网没有覆盖到的地区，采用消耗电、新能源或洁净煤的锅炉，力求全面落实清洁锅炉的应用，“行动计划”执行期至2017年底。各省份自此都出台了相应的详细方案。

　　依据生态环境部2018年发布的《关于〈大气污染防治行动计划〉实施情况终期考核结果的通报》[9]，“行动计划”所有省份考核合格，其中15个省份考核优秀。国家电网公司在2013年提出“以电代煤、以电代油、电从远方来”的电能替代战略[10]，其中以电代煤就是将工业锅炉、居民取暖锅炉改为电锅炉。国家发展改革委等8部门在2016年联合发布的《关于推进电能替代的指导意见》提出，为全力保障居民采暖需求，针对供热供气管网无法覆盖的生活区域，推广应用蓄热式电锅炉以满足居民的供热需求。而在生产制造领域，针对热力管网无法达到的地区，大力推广蓄热式工业电锅炉的普及以替代集中供热[11]。

　　生态环境部于2019年2月发布的《2019年全国大气污染防治工作要点》对锅炉的综合整改提出了具体要求，针对重点区域，要求提高35t/h以下的燃煤锅炉淘汰率，着力发展65t/h及以上燃煤锅炉的超低排放改造工作，以此加强淘汰燃煤小锅炉的工作进程[12]。

　　2.3推广难点蓄热式电锅炉在供热领域应用技术成熟，国家政策也是持续支持供热领域电能替代，对于蓄热式电锅炉的推广应用有积极意义。但目前蓄热式电锅炉应用过程中也面临一些问题，其中重要一方面是价格问题。目前政策支持供热替代是电力和燃气2种路线，虽然与燃气锅炉相比蓄热式电锅炉是真正零排放，但是在燃气管网覆盖领域，其在目前阶梯电价情况下，很难和天然气进行竞争[13]。另一方面，电锅炉的推广应用需要新增电网改造投资，同时电锅炉通常在低谷电价时运行，对于电网公司利益有一定冲击。

　　3提升风电就地消纳

　　3.1应用原理

　　我国供热地区在供热期的弃风率远高于其他地区，其中主要原因有2点：首先当地负荷不足导致消纳能力有限，其次供暖季火电机组需要保障供热，机组调峰能力骤减，电网可接纳风电空间进一步减小。在供热地区采用蓄热式电锅炉可以在增大就地电力负荷的同时减少对火电机组供热的依赖，在一定程度上实现“热电解耦”，提升机组调峰能力，增强电网接纳风电能力。蓄热式电锅炉应用于风电就地消纳的原理如图4所示。风电场风电机组发电汇流至交流母线，再经风电系统变压器，通过公用输电线路或者专用输电线路输送至蓄热式电锅炉热站，经过锅炉变压器连接至蓄热式电锅炉。其产生的热能通过供热一级管网输送至换热站，或者通过供热二级管网直接输送至热力用户。吉林省某风电消纳示范工程运行结果如图5所示，图中蓝色曲线为当地风电场弃风功率曲线，绿色曲线为蓄热式电锅炉用电功率曲线，曲线交叉部分面积为蓄热式电锅炉消纳的弃风电量。由图5可见该蓄热式电锅炉3天内累计消纳了450MW·h的弃风电量。

　　3.2相关政策

　　为积极推进大气污染物防治，确保风电产业持续健康发展，2015年，国家能源局发布了《关于开展风电清洁供暖工作的通知》，该通知明确利用风能转换为电能的思路来满足用户的供热需求。核心方向集中在提高对燃煤小锅炉的淘汰率，优先解决管网无法覆盖地区的供热问题。为更好地落实相关项目的实施，该通知提出，针对建筑年限较短的区域优先利用风能保障供热需求，同时建议减少风电发电企业与电力用户交易过程的中间商，即尝试直接交易来供电[14]。

　　国家发展改革委、国家能源局等10部委于2017年底联合发布了《北方地区冬季清洁取暖规划(2017—2021年)》，鼓励可再生能源发电规模较大地区实施电供暖，针对可再生能源富足区域，充分发挥因地制宜优势推进以电供暖工作，通过大力推广蓄热式电供暖设备的方式来提高对富余风能换电的利用率。同时提升存量机组的发电能力以提升对风电和光伏发电等可再生能源的利用率。电锅炉供暖应配套蓄热设施，适合可再生能源消纳压力较大，弃风、弃光问题严重，电网调峰需求较大的地区，可用于单体建筑或小型区域供热。到2021年电锅炉供暖发展目标是3亿m2[15]。

　　国家能源局在2019年发布了《关于完善风电供暖相关电力交易机制扩大风电供暖应用的通知》，要求各有关省、市能源主管部门从发展规划、技术论证、投资运营机制、电力市场化交易机制等方面做好风电供暖工作[16]。

　　3.3推广难点

　　蓄热式电锅炉应用于供热领域电能替代工况中，功率调节次数较少，但在提升风电消纳应用中，为消纳更多弃风电量，应尽可能跟踪弃风功率曲线。但蓄热式电锅炉的功率调节采用机械调节电极浸入炉水深度的方式，频繁的功率变化指令会严重影响锅炉使用寿命。在技术难点之外，如何制定针对性的电力市场化交易机制也是蓄热式电锅炉提升风电消纳面临的困境。应用涉及风电场、电网公司、热力公司等多方利益，初始投资谁来承担、后期利益如何分配等目前没有可以借鉴的成熟模式。

　　4火电机组灵活性改造

　　4.1应用原理

　　我国火电机组主要有背压式和抽汽式2种：背压式机组热电比例不可调节;抽汽式机组热电比例虽然可以调节，但在采暖季热负荷与电负荷不匹配，导致机组调节能力收到严重限制，向下调峰能力通常不超过0.2倍额定功率。为提升火电机组调峰能力，使电网接纳更多新能源发电，可采用蓄热式电锅炉对抽汽式火电机组进行灵活性改造。

　　蓄热式电锅炉通过降压变接入电厂高压母线，电锅炉利用电厂自发电制热，蓄热罐可存储电锅炉热量和汽轮机抽汽热量，并在需要时将热量输送至供热一级管网。当电负荷较大而热负荷较小时，火电机组高功率运行供电，超出供热负荷的热量存储在蓄热罐中。当热负荷较大而电负荷较小时，火电机组低功率运行向下调峰，供热不足部分采用蓄热罐热量补偿。在电网调峰进一步困难时，电锅炉利用机组发电制热，在机组输出功率不变的情况下，电厂输出功率可进一步下降，实现机组的深度调峰。

　　4.2相关政策

　　2016年6月，国家能源局发布了《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》，确定了丹东电厂等16个项目为提升火电灵活性改造试点项目[17]。7月又发布了《关于下达第二批火电灵活性改造试点项目的通知》，通过了第二批旨在改善火电灵活性的项目工程，其中包括了以长春热电厂为首的共计6个项目。完成火电灵活性改造，预期效果将使热电机组的调峰能力扩大其额定容量的1/5，最小技术出力可提高至其额定容量的1.5倍。

　　2016年7月，国家发展改革委和国家能源局发布了《可再生能源调峰机组优先发电试行办法》，对解决新能源发电带来的系统波动提出了解决方案，即优先发挥调峰机组的出力调控能力。具体来说，对于常规的煤电机组，考虑其额定容量低于300MW，出力能力不高于其额定容量的1/2;针对单机容量高于300MW的机组，其出力降至其额定容量的3/5以下。

　　同时，为了提高热电机组的调峰能力，该办法激励各相关企业大力推进储热、热电解耦等技术创新，通过安装实时监控获取热电机组的实时状态[18]。2018年3月，国家发展改革委、国家能源局发布了《关于提升电力系统调节能力的指导意见》，明确要求在“十三五”期间完成对系统灵活性的改造，落实绿色发展。具体目标首先是落实对2.2亿kW火电机组的灵活性改造项目。针对煤电机组的调峰出力改造，以300MW级优先改造。改造后，预期效果将使纯凝机组的最小技术出力提升到其容量的1/3~2/5，热电机组最小技术出力最高提升至其容量的1/2[19]。

　　4.3推广难点

　　蓄热式电锅炉参与火电机组灵活性改造效果，与电锅炉及蓄热罐容量配置强相关。更好的调峰能力可以获取更高的政策补偿。但本质上，调峰收益取决于区域电力负荷与热负荷的不匹配情况，以及电力系统中可再生能源的消纳情况。这2种现状可通过需求侧管理、扩大外送容量、建设燃气机组调峰等多种手段改善。一旦电、热负荷并不匹配及可再生能源消纳低的情况得到改善，火电机组调峰需求会紧随下降，调峰补偿的收益来源能否得到保障存疑。

　　5结语

　　蓄热式电锅炉具有电热转换特性，可作为能源互联网中的“网关”，同时其具备热能存储特性，可作为能源互联网中的“网络存储设备”。基于这2种特性，蓄热式电锅炉可应用于供热电能替代、风电就地消纳及火电机组灵活性改造。蓄热式电锅炉在能源互联网中的应用可以在源、荷2侧提高清洁能源消费比例，对能源互联网的发展具有重要意义。目前，蓄热式电锅炉应用既面临着新应用场景下的技术特性改进问题，也面临着在能源互联网中定位不明确的问题。

　　多种应用场景的实际工程验证了蓄热式电锅炉的有效性，但其投资主体及收益分配仍然没有确切保障。这需要以能源互联网的思维将蓄热式电锅炉纳入能源规划中，避免相同目标下的不同技术路线重复投入。其次，需要建立完善的能源网络市场机制，避免从单一能源网络评价作用，避免以单一技术指标分配收益。

　　[参考文献]

　　[1]张洪强.能源互联网研究现状分析[J].电力系统装备,2019(17):249-250.ZHANGHongqiang.Analysisonthecurrentresearchsituationofenergyinternet[J].ElectricPowerSystemEquipment,2019(17):249-250.

　　[2]胡钋,李莉莉,吕盈睿,等.能源互联网技术形态与关键技术研究[J].中国高新科技,2019(19):22-24.HUPo,LILili,LVYingruin,etal.Energyinternettechnologyformandkeytechnologyresearch[J].ChinaHigh-tech,2019(19):22-24.

　　[3]周孝信.新一代电力系统与能源互联网[J].电气应用,2019,38(1):4-6.

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