电极式电制热与传统制热的差异及其 在碳中和的应用前景

唐婧怡，楚帅，葛维春,3*，李音璇，刘闯

（1．东北电力大学电气工程学院，吉林省 吉林市 132012；2．沈阳工业大学电气工程学院， 辽宁省 沈阳市 110870；3．国网辽宁省电力有限公司，辽宁省 沈阳市 110006； 4．国网天津营销服务中心(计量中心)，天津市 河西区 300120）

0 引言

力争于2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”是我国重要战略之一[1-2]。加快清洁能源发展能够有效减少环境污染，对助力“双碳”目标早日实现具有重大意义[3-4]。截至2020年上半年，我国风电装机容量达到216.75 GW，仅2020年上半年风力发电量就达到2 379亿kW·h。但是，风电并网容量的急速扩张也导致弃风现象愈演愈烈[5-7]。当前弃风现象主要发生在冬季供暖期，“以热定电”约束导致系统调峰能力不足，风电出力被迫削减[8]。为解决这一问题，必须从热电联产机组着手，将火电机组从“以热定电”约束中解放出来，以提高系统风电消纳能力[9-11]。

针对热电联产机组的电热耦合问题，文献[12-14]提出了含储热装置的多种解决方案。文 献[15]分析了旁路补偿、低压缸补偿、储热补偿等改造方式对热电解耦的效果，结果表明低压缸切除与储热方案效果更佳。文献[16]在热电联产机组加入大容量储热装置，构建了含储热的热电联产机组与风电联合出力的优化调度模型，结果表明该模型可有效降低弃风率。文献[17]利用蓄热槽对“以热定电”进行解耦，建立了基于机会约束规划的微网热电能量综合优化模型，实例验证结果表明，该模型能够接纳更高渗透率的清洁能源。文献[18]利用储热装置对能源进行时空平移，分析了电力系统与热力系统的差异性与互补性，建立了包含储热的电–热联合系统的动静态数学模型，可有效解决清洁能源的消纳与调峰问题。文献[19]建立了配置储热管后的热电机组逐小时运行模型，通过改进遗传算法得到不同收益目标的储热罐的运行策略，并且得出结论：储热罐的最佳容量为各个月最佳容量的最大值。上述文献着重研究了热电联产机组的升级改进与配置储热装置，通过对热能的时空优化配置提高热电联产机组的清洁能源消纳能力。

目前，学者们针对电极式电制热消纳弃风、参与辅助服务市场等方面进行了研究。文献[20]提出一种电极式电制热储热参与电网调频服务下的供热系统日前优化调度方法，通过对供热设备和负荷规模的测算分析，验证了电极式电制热储热能够有效参与电网调频服务。文献[21]提出一种利用电极式电制热提高电网风电消纳能力的整体模型法，用于评估电网的综合效益，结果表明，电源侧配置电极式电制热储热对于推动低碳电力发展能够发挥重要作用。此外，国内外学者研究了电制热储热的配置方案，电制热储热装置优先使用富余清洁能源制热，额外的热能存储在储热装置中，并在热负荷高峰时刻释放，这可以在提升热电联产机组低谷期调峰能力的同时消纳部分弃风电量。文献[22]提出热电厂配置电锅炉来解耦热电约束，使用风电代替部分火电机组出力，算例结果表明，在“三北”地区实施该方案可明显降低煤耗量。文献[23]提出蓄热电采暖与风电联合运行模式，以发电成本最小为目标函数，优化两者互动运行方案，仿真结果表明，该模式能从源侧提高弃风消纳水平，从网侧提高调峰能力。文献[24]提出计及含储热光热电站与电锅炉联合运行的供热期弃风消纳策略，利用电锅炉与光热电站增加热能输出，实现储能系统对热能的存储与平移利用，结果表明该策略提高了系统弃风消纳能力。以上研究表明：电制热储热装置的投入削弱了热电联产机组“以热定电”束缚，提高了电网供暖期调峰能力和清洁能源接纳能力[25-27]。此外，电极式电制热具有无级调节、响应速度快、调节能力强的优势，弥补了固态电制热仅能用于分级调节的不足，电极式电制热和固态电制热协同运行，对提升供暖期电网灵活调节能力具有重要作用。

本文从电极式电制热技术着手，首先介绍了电极式电制热与固态电制热的工作原理。然后，围绕电热转换能效、爬坡速率、安全程度等性能指标，对比电极式电制热与其他制热方式的差异。最后，针对电极式电制热技术的优势，展望其在削峰填谷、“双热”协调发展和参与电网调频辅助服务方面的应用前景。

1 电制热技术

电制热技术具有清洁环保的优点，相较于传统的制热技术具有更大的优势，目前电制热装置已被应用到多个领域[28]。电制热装置是一种能将电能转化成热能的装置，其利用电阻的热效应对储热材料或供暖液体进行加热，使其达到一定温度，从而产生具有一定压力的热水和蒸汽。根据电热原理、电热元件以及结构的差异，可以将电制热分为电极式电制热和固态电制热。

1.1 电极式电制热

1.1.1 电极式电制热原理

电极式电制热主要依据水的高热阻特性将水直接加热，电能几乎全部被转化为热能，转换效率高达99%以上[29]。在高压电极式电制热装置中内设2块电极板，电极直接与炉水接触将其加热的方式称为电极式电制热。炉水电导率不宜过高，否则会击穿电极板而造成事故，一般控制在100 S/cm以下[30]。为满足装置的进水硬度要求，电极式电制热一般采用电导率低于0.3 S/cm的除盐水。此外，为保证炉水具备一定电阻，需要添加一定量的电解质溶液。电极通电后，通过水的电阻将水加热至高温。电极式电制热原理如图1所示。根据电极和炉水的接触方式不同，高压电极式电制热可分为浸没式电极式电制热和喷射式电极式电制热。

图1 电极式电制热原理 Fig. 1 Principle of electrode electric heating

电极式电制热在制热后可直接为用户供热，也可通过蓄热装置将热能储存。根据储热介质不同，蓄热装置通常分为水蓄热和固体蓄热。电极式电制热通常与水蓄热系统结合使用。

1.1.2 浸没式电极式电制热

电极式电制热装置的核心部件是高压电极，高压电极的性能将直接影响设备的性能，因此高压电极的结构形式非常重要。浸没式电极式电制热的结构[31-32]如图2所示。浸没式电制热三相电极直接浸没在具备一定电导率的炉水中，电极盘上分布有以一定形状排列的曲棍电极。当曲棍电极与内筒中存在具有一定电导率的炉水时，在电极盘和内筒之间施加高压，电极盘与内筒之间就产生均匀分布的电流，保证了三相平衡，电磁场在内筒内壁和各电极之间形成并均匀分布。在均匀电磁场的作用下，电解质离子在磁场中上下运动，形成电流回路，水因为具备电阻而被加热[33]。

图2 浸没式电极式电制热结构 Fig. 2 Structure of immersed electrode electric heating

此外，加药装置和排污阀会将炉水的电导率控制在合适范围内。在电极上施加电压后，利用炉水的电阻将炉水加热并在内筒中产生蒸汽。蒸汽出口阀门可用于快速调整电制热装置压力。循环水泵可以补充内筒水量、控制内筒水位，并将电导率过高的炉水从内筒排水阀排放到外筒。电制热装置功率可以通过调整内筒水位进行控制，并调节循环泵补水流量来改变电功率与设定值偏差。此外，根据内筒和外筒水量之和，通过调节给水阀可以控制总水量。

1.1.3 喷射式电极式电制热

喷射式电极式电制热由一个压力容器构成，容器上部装设带喷嘴的中央水箱，周围垂直安装高压电极棒，图3为喷射式电极式电制热结构[34]。

图3 喷射式电极式电制热结构 Fig. 3 Structure of jet electrode electric heating

喷射式电制热通过循环水泵从锅炉底部将具有一定电导率的炉水运输至中央水箱，炉水因为自身重力特性，从中央水箱的喷嘴喷到高压电极上，在高压电极上施加电压，电流在炉水与冲击电极接触瞬间构成通路，炉水本身具有高热阻性，炉水内通过电流时温度会快速升高并生成蒸汽。电制热装置的输出功率可通过变频泵调节水量进行控制。

1.2 固态电制热

固态电制热是一项依据金属或非金属类导体的热效应，实现电能对热能的转化，并将转化出的热能通过热辐射、热对流等方式储存在蓄热材料中的技术[35]。固态电制热装置主要由隔热层、蓄热体、保温层、合金热电阻、换热器、通风道、循环风机、进出水口等部分组成，其结构简图[36]如图4所示。

图4 固态电制热装置结构 Fig. 4 Structure of solid-state electric heating device

固态电制热的加热部分为合金热电阻，通过加热蓄热体将热电阻产生的热能存储在蓄热体中，多层保温层可以减少热能损失。空气通过循环风机在风道内循环，在经过高温蓄热体被加热后，沿着蓄热体空隙进入换热器，通过空气流动将热量传递给水，冷却后的空气被循环风机再次利用，用于下一次循环。加热后的水通过循环泵进入输热管线，实现对外供热。

2 电极式电制热与其他制热方式的差异

本文对电极式电制热与固态电制热及传统制热方式(燃油制热、燃煤制热和燃气制热)各项性能指标进行对比，如表1所示，包括设备运行时的热转换效率、设备成本、占地面积、工艺复杂程度、调节性能、爬坡速率和安全程度[37-39]。

1）热转换效率

传统制热方式都是通过燃烧的方式将化学能转换为热能，期间还会有少量能量转换为光能，造成热转换效率偏低。其中燃煤制热使用固态煤炭，与氧气接触面积少、存在杂质等问题也会造成热转换效率偏低。固态电制热利用导体的热效应，无其他能量转换，其热功率和电功率基本相当，热转换效率高于传统制热方式。电极式电制热直接利用炉水的高阻特性进行制热，炉水既是产热材料又是吸热介质，减少了热传递过程的损失，热转换效率最高。

2）成本

图5和图6分别给出了各类制热方式的投资费用和运行费用情况。可以看出，燃煤制热的投资费用和运行费用最低，仅在人工费用方面高于其他制热方式。燃煤制热方式为我国城镇早期主要的制热供暖方式，但是其能源转换率低，严重污染环境，在部分地区已经禁止使用。燃气制热的主机设备和辅机投资高于燃煤制热与固态电制热，其高昂的燃料成本使得运行费用高于燃煤制热，但制热综合费用较低，加上天然气属于清洁能源，对环境影响较小，目前国家大力提倡燃气制热的利用[40]。燃油制热的投资费用和运行费用较高，而且燃烧排放过多的污染气体，并未进行大规模应用。固态电制热的投资费用处于2种传统制热之间，而运行费用高于2种传统制热方式， 其原因在于单位面积供热的购电费用高于化石燃料。电极式电制热从电网购电进行热能生产，电制热方式的运行费用中购电费用占很大比例，提供相同热功率的热能所产生的运行费用与固态电制热基本相同，二者的成本差异主要体现在前期投资费用上[41]。电极式电制热高投资费用主要体现在设备费用上，由于电极式电制热技术先进，目前国内没有形成一套标准，加之电极式电制热对电极与炉体绝缘要求较高，设备费用高于其他3种制热方式。

图5 各类制热方式投资费用 Fig. 5 Investment cost of various heating methods

图6 各类制热方式运行费用 Fig. 6 Operating cost of various heating methods

3）占地面积

燃煤制热需要装备脱硫除尘器、烟囱、炉排、鼓引风机、空气预热器、除渣器、省煤设备等大型辅助设备，同时还需要留出囤煤场地，占地面积大。燃油制热需要配备储油罐和防火防爆设备，占地面积较大。燃气制热需要布置天然气管道和除氧泵等辅助设备，其总占地面积低于上述2种方式。2类电制热方式的加热过程全部在筒体中完成，不需要额外增设燃烧室。目前的电制热产品都是成套组装出售，使用时仅需插上电源与水管即可投入使用，占地面积最小。

4）工艺复杂程度

传统制热方式较早投入使用，技术成熟，一般人就可进行作业。其中燃油制热系统的辅助系统设备较多，操作过程较繁杂，并且易磨损腐蚀的部件多，维护工作繁杂。固态电制热对水质没有要求，操作简便，一般人即可使用。电极式电制热对水质要求较高，同时要保证溶液中电导率恒定，需要经过一定培训后的运行人员进行操作；锅炉内水与供暖用水应相互隔离，需要二次换热进行供暖，工程略微繁琐。

5）调节性能

传统制热方式通过控制燃料投入量和机组启停数量来调节输出的热能，然而燃料投入量很难精准控制，并且存在低负荷运行下限，导致传统制热方式的调节性能较差。

由于结构布置的限制，固态电制热的电热元件功率是固定的，一般不超过1.5 MW，固态电制热的容量为多组电热元件容量之和。在进行功率调节时，固态电制热通过实际投运的电热元件来调整制热装置的功率，所以其功率呈阶梯状变化，只能进行分级调节。

电极式电制热的产热材料为炉水，按照焦耳–楞次定律，其产热功率可表示为

式中：L为电极插入水中的深度；Λw为水的电导率；Uφ为电极相电压；b、d、R为电极式电制热的结构参数。

根据式(1)，在输入电压一定的情况下，可以通过调节水的电导率和电极插入水中的深度来调节功率。由于过高的电导率会造成击穿，因此一般通过调节电极插入水中的深度来改变功率。

结合东北某电厂电极式电制热装置实际运行数据，得到电极式电制热功率变化曲线，如图7所示。从图7可以看出，电极式电制热启动迅速，从低功率到额定功率时间小于10 min。在前10 min，功率与入水深度成正比例变化。电极全部插入水中时电制热装置处于额定功率，当电极全部脱离溶液时电制热装置退出，功率为零，即电极式电制热的功率可以在0%~100%实现无级调节，而且低负荷运行较为稳定。

图7 功率与入水深度耦合关系 Fig. 7 Coupling relationship between power and inflow depth

6）爬坡速率

传统制热方式调控操作较为繁琐，爬坡速率低于电制热方式。固态电制热仅运行于启停方式，投入使用后可快速达到额定功率，具有较快的爬坡速率。

图8为电极式电制热端口电压与运行功率的变化关系。可以看出，电极式电制热的功率响应非常快，端口电压为0 kV时，其停止运行；端口恢复电压后，可迅速达到设定运行状态。根据ZETA公司生产的电极式电制热装置最新参数，冷备用启动时间小于2 h，热备用启动时间小于10 min，正常负荷变化率为3 MW/min，最大负荷变化率为7 MW/min。电极式电制热相较于其他制热方式，具有很快的爬坡速率。

图8 电极式电制热运行情况 Fig. 8 Operation state of electrode electric heating

7）安全程度

在安全性方面，传统制热方式都存在易燃易爆的危险，并且在燃煤制热方式中，若燃烧不充分，还会发生一氧化碳中毒事故。固态电制热不需要燃料，不会出现传统制热方式中爆燃、泄漏等问题，安全程度较高，但有干烧风险[42]。

在电极式电制热中，浸没式电极式电制热安全程度较高，由1.1.2节可知，曲棍式电极形成均匀电场，防止产生氢气，但是也要保证电导率恒定，防止发生击穿事故。此外，水作为导电介质，可以防止出现干烧问题。喷射式电极式电制热的安全程度较低，有发生氢爆事故的可能性。1995年，瑞士核电站的喷射电极式电制热发生氢爆事故，从此欧洲不再规模化使用该制热方式。

通过对比7项性能指标可知，电极式电制热具有良好的发展前景。目前，电极式电制热的不足之处在于设备初期投资较高、运行操作难度大，但是其具有良好的调节性能和爬坡速率，可以通过为电网提供辅助服务来增加收益；通过与蓄热系统相组合，在用电低谷时期进行制热蓄热，对电网削峰填谷、提高电网灵活调节能力具有良好的支撑作用。

3 电极式电制热储热的应用前景

电极式电制热储热的调节范围是0%~100%，并且在1%~100%负荷范围内可实现快速、稳定无级调节，电热转换效率可达99%以上。利用其响应灵活与调节范围广等优势，电极式电制热储热在以下3个方面具有非常强的优势：1）凭借其灵活的可控、可时移能力，在调峰需求方面起到削峰填谷的作用，能够提高电网消纳新能源的能力；2）借助其高效的制热和储热能力，冬季供暖期与火电机组协调发展，将火电机组从供暖约束中解放出来，提升火电机组的灵活调节容量；3）利用其快速的无级调节能力，参与到电网的调频辅助服务中，提升电网的快速灵活调节能力。

3.1 削峰填谷，提升电网接纳清洁能源的能力

风电固有的波动性和间歇性影响了规模化并网的进程，随着未来新能源继续扩张，弃风消纳成为瓶颈问题，风电资源的浪费成为制约其发展的重要因素[43-44]。目前，弃风主要发生在我国北方地区，其中80%以上的弃风出现在供暖期。因此，解决弃风的关键在于解决北方地区供暖期弃风问题。电极式电制热储热装置通过调整运行计划，主动跟随低谷期弃风电量，优先使用弃风进行制热，并将多余的热量存储起来，在高峰期停止制热，释放存储的热量以满足热负荷需求。这样不仅能够有效帮助电网削峰填谷，并且实现风电等新能源的消纳，减少资源浪费；同时也可以减少燃煤锅炉的使用，减少废气废渣，有利于减轻环境污染。

利用电极式电制热装置消耗弃风电量的原理如图9所示。当电网中即将因调峰能力不足而导致弃风时，电极式电制热装置投入使用，接纳多余的弃风电量。在电负荷高峰时段，电极式电制热装置退出运行，以此循环往复，在保证供暖的情况下实现对过剩风电的消纳。

图9 电极式电制热装置消纳弃风原理 Fig. 9 Principle of eliminating waste air in electrode electric heating device

在“三北”等目前弃风较为严重的地区，实施电制热储热系统参与新能源消纳这一方案将具有显著的环保效果和经济效益。但是由于前期收益主体和成本主体不同，该方案的实施需要对电 制热储热单元进行适度的经济补偿，如鼓励一些弃风电量较大的风电厂与电制热储热单元签订长期合作协议，重点关注电制热装置的利用时长以及调峰收益，从而适当降低投资风险，实现与风电企业的双赢。

3.2 “双热”协调发展，解放火电机组

由于大规模风电入网，通常导致电网等效负荷峰谷差变大，而且在冬季供暖期火电机组受“以热定电”的束缚，电网调峰能力严重不足，电网调峰与机组供热的矛盾日益突出，在弃风严重的“三北”地区尤为严重[45-46]。

过去，火电机组为了满足供热需求，常常需要满载运行，并且会随之产生过多电能，造成电能资源浪费严重[47]。而储热罐通过热能储存进行削峰填谷，在风电不足时，火电机组多发，产生的热能通过储热罐存储起来；在风电充足时，减少火力发电，把存储的热能释放出来，可平抑风电、光伏间歇性，从而缓解发电侧与负荷侧供需不平衡的矛盾，储热技术的发展也有助于更好地降低能耗。通过采用电极式电制热储热来解放传统火电机组，当火电机组满足用电需求时，可以停止燃煤燃烧，供暖不足的部分由电极式电制热储热系统承担，火电机组不必满负荷运行，可以从供暖任务中抽离出来。这种方案可以增强机组运行的灵活性、增加调节裕度，甚至实现启停效果，极大地提高了电网调峰容量。

电极式电制热装置参与电网调峰后，配合热电联产机组共同对外提供热源，可缓解热电联产机组参与电网调峰后供热能力不足的情况。热电联产机组作为主热源承担基本热负荷，电极式电制热装置等热源共同承担供热峰值负荷。由于通常夜间电负荷低、热负荷高且风电出力大，火电机组“以热定电”功率增加导致的弃风现象主要发生在夜间。因此，电制热装置在夜间投入使用，协同火电机组一起满足供热需求，将火电机组从“以热定电”的束缚中解放出来，在降低热电机组夜间热负荷的同时增加电网电负荷，提升电网的调峰能力，从而为风电消纳运行留出更大空间。此外，电极式电制热装置能够更好地适应热负荷波动，热能损失较低。

对调峰价格进行合理的把控，可以提高社会效益并且改善弃风消纳效果。从目前的电价结构和现有政策来看，电极式电制热储热在发电侧利用协议商定的电价购买弃风电量、在用户侧煤改电供热获得电价补贴的运营模式都具备一定的盈利空间，具有推广价值。因此，规模化建设电制热装置有很好的经济前景，有助于实现热电解耦，提升热电机组的供热调峰能力，实现电能、热能的协同优化。

3.3 无级调节，参与电网调频辅助服务

规模化新能源并网后，其固有的波动性可能会引起电网频率不稳定，因此电网需要额外的调频容量来提供调频服务[48]。尽管诸多学者关于固态电制热储热方面的研究已经做出很大贡献，固态电制热储热系统也已经被广泛应用于处理新能源消纳与调峰问题，但是它只能分级调节，无法弥补极短时间内因电力不平衡导致的频率偏移问题。而电极式电制热装置可以通过升降电极浸没在水中的深度调节运行功率，实现从零至满负荷运行无级调节，且响应速度和爬坡速度极快，可以迅速弥补源荷不平衡的差额。另外，作为电力和热力系统耦合环节，可以通过快速响应能力和需求侧管理技术参与到电力系统调度中，在处理调频问题中推广使用。

过去，电力系统调频主要以传统的可控发电机组为主[49]，如火电、抽水蓄能等机组作为调频资源向电网提供调频服务，这些传统调频资源根据电网调控指令调节出力跟踪负荷变化，达到频率控制的目的。目前，参与电网调频服务的调频资源需要选用具备快速响应能力的电力负荷，电力系统频率控制通过调节需求侧电力负荷变化来实现。电极式电制热供热系统参与电力系统调频辅助服务，旨在满足供暖需求的同时作为调频资源提供调频服务[50]。例如，当电力系统频率升高时，电力调控中心下发指令到需求侧调频资源，提升负荷消耗的有功功率，反之则减少有功功率消耗。需求侧调频模式使电网频率控制能力以及灵活程度大幅度增加，如图10所示。

图10 电力系统调频模式 Fig. 10 Frequency modulation mode of power system

4 结论

1）通过分析电极式电制热与固态电制热的工作原理可知，电极式电制热具有无级调节的优势，能够弥补固态电制热因分级调节而难以参与电网调频的不足。

2）相较于固态电制热及传统制热方式，电极式电制热的能量转换效率极高(99%以上)，且具有调节性能强和爬坡速率快的优点，对风电消纳具有良好的支撑作用。

3）电极式电制热的灵活运行特性有助于电网削峰填谷，特别在冬季供暖期，能够提升火电机组的灵活调节容量，将火电机组从供热约束中解放出来。