火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)方案研究

胡遠(yuǎn)慶 李國(guó)元 段曉磊

摘 要：當(dāng)前，我國(guó)電力需求增速放緩，各種可再生能源快速發(fā)展。人們需要充分地挖掘燃煤機(jī)組的調(diào)峰潛力，提升我國(guó)火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性，以全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力。本文針對(duì)熱電機(jī)組和純凝機(jī)組介紹了不同的靈活性改造技術(shù)方案，并從方案的可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析。靈活性改造應(yīng)遵循“一廠一策”的原則，結(jié)合企業(yè)自身的情況，合理選擇方案。

關(guān)鍵詞：靈活性改造;深度調(diào)峰;熱電解耦;低負(fù)荷運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TM621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0122-03

Research on the Flexible Transformation Technology Scheme of Thermal Power Unit

HU Yuanqing LI Guoyuan DUAN Xiaolei

（Henan Electric Power Survey & Design Institute Co.， Ltd. of PowerChina，Zhengzhou Henan 450007）

Abstract： At present， the growth rate of China's electricity demand has slowed down， and various renewable energy sources have developed rapidly. People need to fully tap the peak-sharing potential of coal-fired units and improve the operational flexibility of China's thermal power units in order to comprehensively improve the system's peak-shaving and new energy consumption capacity. This paper introduced different flexible retrofit technical solutions for thermal power units and pure condensing units， and compared and analyzed each option from the aspects of its reliability and economy. Flexibility transformation should follow the principle of "one factory， one policy"， and rationally choose a solution based on the enterprise's own situation.

Keywords： flexibility;peak regulation;thermal-power decoupling;low load operation

我國(guó)傳統(tǒng)電力生產(chǎn)采用粗放式發(fā)展模式、擴(kuò)張式經(jīng)營(yíng)方式，雖然推動(dòng)了火電裝機(jī)的持續(xù)增長(zhǎng)，但也導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷差增加、可再生能源消納困難等問題突出，嚴(yán)重限制了可再生能源的并網(wǎng)消納和持續(xù)健康發(fā)展[1-2]。因此，有必要大力開展研究，提升火電運(yùn)行靈活性，全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力。火電機(jī)組的靈活性改造的主要目的是提高運(yùn)行靈活性和燃料靈活性。因不同類型機(jī)組自身?xiàng)l件的差異，其靈活性改造方案也有所不同。火電機(jī)組靈活性改造方案如下。

1 熱電機(jī)組改造方案

熱電解耦是提高熱電機(jī)組調(diào)峰能力的主要措施，以便在低電負(fù)荷下滿足熱負(fù)荷需求。目前，主要的熱電解耦技術(shù)包括低壓缸背壓機(jī)改造、光軸供熱改造、機(jī)組熱泵供熱改造、蓄熱罐供熱、旁路蒸汽供熱改造、低壓缸零出力供熱改造和電鍋爐供熱改造等。

1.1 低壓缸背壓機(jī)改造

低壓缸背壓機(jī)改造分為單轉(zhuǎn)子方案和雙轉(zhuǎn)子方案。單轉(zhuǎn)子方案是指對(duì)汽輪機(jī)低壓缸通流部分進(jìn)行改造，以保證高背壓改造后高背壓供熱工況和純凝工況均采用同一套低壓通流設(shè)備，不需要更換低壓轉(zhuǎn)子等設(shè)備，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性較高。雙轉(zhuǎn)子方案是指通過對(duì)汽輪機(jī)低壓缸通流部分進(jìn)行改造，雙轉(zhuǎn)子切換，非采暖期采用高效純凝轉(zhuǎn)子，可提高機(jī)組低壓缸效率（至少2%）;采暖期采用原低壓轉(zhuǎn)子補(bǔ)充加工，更換葉片，以滿足高背壓需要。由于高背壓改造后，低壓通流部分仍有部分級(jí)做功，所以調(diào)峰能力有限。

1.2 光軸供熱改造

光軸供熱改造技術(shù)是指在冬季供暖工況，低壓轉(zhuǎn)子采用背壓光軸轉(zhuǎn)子運(yùn)行，除少量蒸汽用于進(jìn)入低壓缸冷卻外，其余中排蒸汽全部用于供熱;在非供暖期，再將光軸更換為低壓純凝轉(zhuǎn)子。與改造前相比，由于低壓通流部分不再做功，原本進(jìn)入低壓缸做功的中排蒸汽幾乎全部用于供熱，因此供熱能力得到提高。此外，由于低壓轉(zhuǎn)子采用背壓光軸轉(zhuǎn)子運(yùn)行，低壓缸再無(wú)最小冷卻蒸汽流量的要求，因此主蒸汽流量可進(jìn)一步減少，高、中壓缸的做功也隨之減少。簡(jiǎn)而言之，在相同的熱負(fù)荷下，光軸供熱改造可以較大程度地降低電負(fù)荷。

1.3 機(jī)組熱泵供熱改造

驅(qū)動(dòng)熱泵改造技術(shù)的原理是通過增加電驅(qū)動(dòng)熱泵機(jī)組，在供熱期利用熱泵機(jī)組從循環(huán)水中提取熱量初次加熱熱網(wǎng)水，然后利用熱網(wǎng)加熱器對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行二次加熱，加熱到120 ℃左右對(duì)外供熱。機(jī)組熱泵供熱改造的調(diào)峰能力有限，不能滿足深度調(diào)峰的要求，更適用于提高供熱能力已飽和機(jī)組的供熱能力，將一部分電用于回收汽輪機(jī)的汽化潛熱。

1.4 蓄熱罐供熱技術(shù)方案

蓄熱罐供熱方案是根據(jù)水的分層原理設(shè)計(jì)和工作，當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷高、供熱負(fù)荷低時(shí)，將機(jī)組多供的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái);當(dāng)電力負(fù)荷較低時(shí)，儲(chǔ)熱裝置可將儲(chǔ)存的熱量釋放出來(lái)滿足供熱需求，從而降低機(jī)組發(fā)電負(fù)荷[3-4]。

汽輪機(jī)的富余供熱能力是蓄熱罐供熱改造的首要考慮因素，如若富余供熱能力不大，則在非低谷時(shí)段不能保證蓄熱罐有充足的蓄熱量，也自然無(wú)法滿足低谷時(shí)段供熱的需要。因此，對(duì)于在電網(wǎng)高峰時(shí)段不能進(jìn)行抽汽蓄熱的機(jī)組，僅通過設(shè)置蓄熱罐是無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰的，需要通過與其他方式（如旁路供熱改造、光軸背壓機(jī)組供熱改造等）結(jié)合，方能實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦。

1.5 旁路蒸汽供熱改造技術(shù)方案

汽輪機(jī)旁路分為高壓旁路、低壓旁路，其主要作用是在機(jī)組啟停過程中，通過旁路系統(tǒng)為機(jī)組提供適宜參數(shù)的蒸汽。在低谷時(shí)段，機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，熱負(fù)荷無(wú)法保證時(shí)，通過高壓旁路→再熱器→低壓旁路→減溫減壓器→熱網(wǎng)加熱器的路徑進(jìn)行對(duì)外供熱，或采用再熱器→低壓旁路→減溫減壓器→熱網(wǎng)加熱器的路徑，補(bǔ)充抽汽供熱的不足部分，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦，在滿足外熱負(fù)荷的需要同時(shí)降低機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷。

1.6 低壓缸零出力供熱改造技術(shù)方案

低壓缸零出力供熱改造是切除低壓缸的進(jìn)汽，僅保留少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，其余蒸汽全部從中排供熱;低壓缸主要作用為傳遞高中壓缸的扭矩，實(shí)現(xiàn)低壓缸“零”出力3 000 r/min運(yùn)行。低壓缸零出力供熱改造可以大幅提高機(jī)組供熱能力。

國(guó)家電投集團(tuán)河南電力有限公司開封發(fā)電分公司完成了國(guó)內(nèi)首臺(tái)630 MW汽輪機(jī)低壓缸零出力供熱改造。根據(jù)其改造經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施切缸改造，可以滿足改造需求，機(jī)組可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，收益顯著，該改造方案是技術(shù)成熟、整體可行的。

1.7 電鍋爐供熱改造技術(shù)方案

電鍋爐供熱方案是以儲(chǔ)熱式電鍋爐為核心，通過開啟電加熱器減少上網(wǎng)負(fù)荷，同時(shí)將能量以固體顯熱（耐火磚）的形式儲(chǔ)存下來(lái)，在機(jī)組抽汽量不足時(shí)對(duì)外供熱[2]。從一次能源利用率分析，電鍋爐供熱的一次能源率是0.34，而燃煤鍋爐供熱為0.7，燃?xì)忮仩t供熱為0.85，電動(dòng)熱泵供熱是1.06[5]。因此，用電鍋爐供熱是極其不經(jīng)濟(jì)的，這是一種不值得推廣的供熱方案。但是，當(dāng)電力來(lái)源構(gòu)成中，水力、核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電占比較大且電力供應(yīng)十分充足時(shí)，電熱鍋爐的經(jīng)濟(jì)性較為合理，此時(shí)其可以作為一種推薦供熱方案[6]。

總的來(lái)說(shuō)，上述技術(shù)路線均能實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組的熱電解耦，提高機(jī)組深度調(diào)峰能力。其中，低壓缸背壓機(jī)方案和光軸供熱改造方案經(jīng)濟(jì)性好、投資少，但是存在調(diào)峰能力有限、需要頻繁更換轉(zhuǎn)子等問題。機(jī)組熱泵供熱改造效率高，但是調(diào)峰能力有限，適用于提高供熱能力已飽和機(jī)組的供熱能力。旁路供熱方案投資較少，但受機(jī)組旁路設(shè)計(jì)容量的限制以及鍋爐再熱器冷卻、汽輪機(jī)軸向推力及高排冷卻等因素的影響，其供熱能力有限[4]，且運(yùn)行控制較為復(fù)雜，因此熱負(fù)荷高的機(jī)組不宜采用高、低壓聯(lián)合旁路改造方案。切除低壓缸進(jìn)汽運(yùn)行方案投資少，可以實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，且已有60萬(wàn)MW機(jī)組改造經(jīng)驗(yàn)，可行性較高。蓄熱罐方案在投資、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行安全性方面均較好，但其調(diào)峰能力有限，占地面積較大。增設(shè)電鍋爐方案雖然適用性最廣，調(diào)峰幅度最大且運(yùn)行靈活，但其能量有效利用率較差。綜上所述，在進(jìn)行靈活性改造方案選擇時(shí)，熱電機(jī)組需要根據(jù)自身電負(fù)荷、熱負(fù)荷、改造成本、運(yùn)行收益等情況進(jìn)行綜合考慮，采用“一機(jī)一策”的方式進(jìn)行改造。

2 純凝機(jī)組靈活性改造方案

對(duì)于熱電機(jī)組，靈活性改造的目的是為了實(shí)現(xiàn)熱電解耦;對(duì)于純凝機(jī)組，靈活性改造的目的是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)進(jìn)行深度調(diào)峰。但是，純凝機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)面臨鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒、脫硝裝置低負(fù)荷投運(yùn)等一系列問題，因此，純凝機(jī)組的靈活性改造方案也圍繞上述問題開展。

2.1 鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒措施

為提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，純凝機(jī)組可以采取如下改造方案：低負(fù)荷精細(xì)化燃燒調(diào)整，燃燒器、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造，入爐煤質(zhì)的改善（儲(chǔ)備調(diào)峰煤）。低負(fù)荷精細(xì)化燃燒調(diào)整主要包括：燃燒器結(jié)構(gòu)、磨煤機(jī)投運(yùn)方式、煤粉細(xì)度、一次風(fēng)速和配風(fēng)方式。通過精細(xì)化運(yùn)行調(diào)整，以西安熱工研究院有限公司為首的科研單位已實(shí)現(xiàn)以下項(xiàng)目改造：臨河1號(hào)爐25%BMCR、國(guó)電大開2號(hào)爐33%BMCR、曲阜2號(hào)爐35%BMCR、南通1號(hào)爐30%BMCR、華電丹東20%BMCR。

燃燒器、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造主要包括濃淡燃燒器改造、采取低負(fù)荷穩(wěn)燃措施、磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器改造以及風(fēng)粉在線監(jiān)測(cè)裝置改造等。低負(fù)荷穩(wěn)燃措施主要包括等離子燃燒器技術(shù)、富氧燃燒器技術(shù)和增加微油點(diǎn)火系統(tǒng)。

2.2 提高直流爐水動(dòng)力安全性

汽包鍋爐一般不存在水動(dòng)力的安全性問題，對(duì)于超臨界直流鍋爐，在深度調(diào)峰工況時(shí)，給水流量偏低，鍋爐單根水冷壁管進(jìn)水均勻性下降，分配不均，易造成局部過熱，水冷壁爆管可能性增大。因此，要增加水冷壁管壁溫測(cè)點(diǎn)，有效地監(jiān)控水冷壁超溫點(diǎn)，并在燃燒區(qū)進(jìn)行調(diào)整。

2.3 脫硝裝置低負(fù)荷運(yùn)行措施

當(dāng)前，環(huán)保要求越來(lái)越高，部分地方政府要求脫硝設(shè)備在并網(wǎng)時(shí)就投運(yùn)，因此，須采取相應(yīng)措施，以保證低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)機(jī)組脫硝裝置的投運(yùn)效果。脫硝裝置低負(fù)荷工況運(yùn)行面臨的最大問題是入口煙溫低，目前主要的解決措施有省煤器煙氣旁路、省煤器水側(cè)旁路、亞臨界鍋爐省煤器熱水再循環(huán)和分割布置省煤器。

經(jīng)對(duì)比分析，省煤器煙氣旁路改造成本低，改造前煙溫升幅較大，改造后煙溫可調(diào)，因旁路煙氣擋板無(wú)法關(guān)嚴(yán)，全負(fù)荷下鍋爐效率會(huì)降低;省煤器水側(cè)旁路方案成本較低，但調(diào)溫幅度比較小，一般小于15 ℃;熱水再循環(huán)方案可將煙氣溫度提高到40 ℃，但投資費(fèi)用高;分割布置省煤器方案具有不改變鍋爐效率的優(yōu)點(diǎn)，但改造后無(wú)法調(diào)節(jié)煙溫，煤種適應(yīng)性差，成本較大[4]。

3 結(jié)論

對(duì)于熱電機(jī)組，靈活性改造的目的是為了實(shí)現(xiàn)熱電解耦;對(duì)于純凝機(jī)組，靈活性改造的目的是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)進(jìn)行深度調(diào)峰。對(duì)于熱電機(jī)組，熱電解耦重點(diǎn)方案為較為成熟的機(jī)組熱泵供熱改造、蓄熱罐供熱和低壓缸“零”出力技術(shù)方案。在選擇方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)熱、電負(fù)荷情況，采用“一機(jī)一策”的方式進(jìn)行改造。電鍋爐供熱不符合熱力學(xué)“能量匹配”的用能原則，是一種很不合理的供熱方式，應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。對(duì)于純凝機(jī)組，可采取鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒、提高直流爐水動(dòng)力安全和脫硝裝置低負(fù)荷運(yùn)行等措施，保證機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰。

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