燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組靈活性改造適應(yīng)深度調(diào)峰市場技術(shù)探討

陳陽

摘要：新能源發(fā)電技術(shù)具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢，但風(fēng)能和太陽能具有間歇性發(fā)電、電力供應(yīng)穩(wěn)定性差，引發(fā)電網(wǎng)負荷的頻繁波動，在其迅猛發(fā)展的同時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組持續(xù)增長，供熱和供電的矛盾突出，供熱期調(diào)峰困難加劇，使得電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)增大，新能源消納形勢日趨嚴(yán)峻。本文主要探討燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組靈活性改造適應(yīng)深度調(diào)峰市場技術(shù)，合理進行方案選擇。

關(guān)鍵詞：新能源發(fā)電燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱電解耦深度調(diào)峰靈活性改造技術(shù)

Abstract： New energy power generation technology has the advantages of energy saving and environmental protection.However， wind and solar energy have intermittent power generation and poor power supply stability， resulting in frequent fluctuations in grid load. ?At the same time as their rapid development， cogeneration units continue to grow and heat supply The contradiction with power supply is prominent， and the difficulty of peak shaving during the heating period has intensified， causing the pressure of peak shaving of the power grid to continue to increase， and the situation of new energy consumption is becoming increasingly severe. Now we mainly discuss the flexible transformation of coal-fired cogeneration unit to adapt to the deep peak shaving market technology， and make reasonable plan selection.

Key Words： New energy power generation; Coal-fired cogeneration unit; Thermoelectric ?coupling; Deep peak shaving; Flexible transformation technology

作為十四五開局之年，“3060目標(biāo)”加速進行。我國碳排放結(jié)構(gòu)中，火電是減碳的主要領(lǐng)域。在電力能源結(jié)構(gòu)中，我國仍以火電為主，基于我國節(jié)能減排政策的引導(dǎo)，我國可再生能源的開發(fā)利用仍有很大的空間，隨著新能源發(fā)電在我國電力能源結(jié)構(gòu)中的占比日趨加大，煤炭消費壓減和清潔能源利用比重提高將成為長期發(fā)展態(tài)勢。新能源成為電力供應(yīng)主體必將成為電力市場核心特征。

新能源發(fā)電技術(shù)具有節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢，但風(fēng)能和太陽能具有間歇性發(fā)電、電力供應(yīng)穩(wěn)定性差，引發(fā)電網(wǎng)負荷的頻繁波動，風(fēng)電和光伏的消納形勢日趨嚴(yán)峻，已出現(xiàn)嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，新能源發(fā)電入網(wǎng)占比嚴(yán)重偏低【1】。同時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組持續(xù)增長，供熱和供電的矛盾突出，供熱期調(diào)峰困難加劇，使得電網(wǎng)調(diào)峰壓力持續(xù)增大，這對電網(wǎng)中的發(fā)電主力燃煤電廠中的熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)峰能力提出了新的要求及考驗。

針對燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組的特點，合理進行靈活性改造適應(yīng)深度調(diào)峰市場技術(shù)選擇是本文著重探討的。

1 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組開展靈活性改造的必要性及其意義

根據(jù)我國電力發(fā)展規(guī)劃，到2030年，可再生的風(fēng)電和太陽能發(fā)電的總裝機容量將達到12億瓦以上，根據(jù)預(yù)測，2050年的非化石能源發(fā)電量的比重提高至90%，從裝機容量上看，將成為我國最主要的電源。

在可再生能源發(fā)展迅猛的形勢下，基于清潔能源間歇性發(fā)電的特點，電力系統(tǒng)可調(diào)節(jié)能力需求劇增。常規(guī)火電機組除提供穩(wěn)定電力供應(yīng)功能外，還需承擔(dān)整體電力系統(tǒng)的調(diào)峰義務(wù)。熱電聯(lián)產(chǎn)將持續(xù)增長，供熱期調(diào)峰困難加劇，燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)峰已成必然。

火電機組主要分為兩大類，一類為純凝機組;一類為供熱機組。對純凝機組來講，機組的調(diào)峰能力主要受設(shè)備及系統(tǒng)配置的影響，如鍋爐低負荷穩(wěn)燃、低負荷下氮氧化物的減排、尾部煙道設(shè)備的安全運行、空冷冬季防凍、機組在低負荷長周期的安全運行等問題;對供熱機組來講，機組的調(diào)峰能力除以上影響因素外，由于機組設(shè)計能力的限制，冬季通常采用以熱定電的耦合運行，調(diào)峰能力受到熱負荷的制約【2】;同時各類火電機組在長時間的低發(fā)電率下，機組的煤耗較大，經(jīng)濟性下降。熱電聯(lián)產(chǎn)機組在現(xiàn)有設(shè)備及系統(tǒng)配置下，其調(diào)峰能力總體受供熱影響的壓力最為突出，提高機組的熱電解耦能力迫在眉睫。

2 供熱機組熱電解耦改造技術(shù)

提高供熱機組熱電解耦能力主要任務(wù)是在保證機組供熱能力的基礎(chǔ)上，采用合理的技術(shù)手段，實現(xiàn)機組發(fā)電負荷的寬幅調(diào)整，削弱機組固有的熱電耦合特性，同時滿足電網(wǎng)側(cè)AGC響應(yīng)能力。

提高機組熱電解耦能力的主要技術(shù)手段包括降低低壓缸出力、降低高中壓缸出力、直接降低上網(wǎng)出力及儲熱調(diào)峰技術(shù)【3】。下面分別對四種技術(shù)進行闡述。

3 降低低壓缸出力技術(shù)

降低低壓缸出力技術(shù)也可稱為低壓缸微出力或零出力技術(shù)。傳統(tǒng)供熱機組的供熱抽汽選自中排抽汽，所以通過減少低壓缸進汽量（可通過原中低壓聯(lián)通閥或增設(shè)小流量冷卻旁路系統(tǒng)），進而在保證中排抽汽供熱量基礎(chǔ)上，進而實現(xiàn)低壓缸微（或零）出力運行工況。

該技術(shù)路線需圍繞合理避開末葉顫振區(qū)，延緩發(fā)生蒸汽脫流及鼓風(fēng)工況的概率，避免水蝕現(xiàn)象發(fā)生，提高低壓缸末兩級工作安全性等因素開展針對性工作，同時配合冷端匹配優(yōu)化，達到安全經(jīng)濟運行。

采用降低低壓缸出力技術(shù)能搞提高機組的供熱能力、電調(diào)峰能力和供熱經(jīng)濟性，機組供熱期運行范圍大幅增加。以300MW級供熱機組為例：在相同主蒸汽流量下機組供熱抽汽能力可增加約100t/h，供熱負荷增加約66MW，按照綜合供熱指標(biāo)55W/㎡考慮，約可滿足新增120萬㎡的供熱需求，電調(diào)峰能力克增加約20MW，負荷率克降低約7%;在相同供熱量下，電調(diào)峰能力可增加約50MW，負荷率可降低約17%。對于中低壓連通管蝶閥因各類原因不能進一步降低流量的機組尤其適用，負荷率可降低約20%以上。

4 降低高中壓缸出力技術(shù)

降低高中壓缸出力技術(shù)也可稱為旁路供熱技術(shù)。該技術(shù)將品質(zhì)較高的蒸汽（例如主、再熱蒸汽等）減溫減壓后從汽輪機高低壓旁路抽出用于供熱，減少蒸汽在汽輪機的做功，從而使機組的供熱能力提高，深度調(diào)峰能力增強【4】。旁路供熱受機本體軸側(cè)平衡推力、末級葉片強度的影響較大，現(xiàn)有的改造技術(shù)包括以下幾項，不同技術(shù)方案的對比詳見表1。

（1）再熱蒸汽供熱技術(shù)，該技術(shù)汽源引自再熱蒸汽管道，減溫減壓后用于供熱。

（2）主汽直接抽汽技術(shù)，該技術(shù)從主蒸汽管道開孔取汽，通過減溫減壓后用于供熱系統(tǒng)。

（3）高低壓旁路耦合供熱技術(shù)，該技術(shù)通過高旁短路部分主蒸汽至高壓缸排汽系統(tǒng)，然后通過再熱熱段管路打孔抽汽，并通過減溫減壓后用于供熱。

高低壓旁路耦合供熱技術(shù)將鍋爐主蒸汽、再熱蒸汽耦合后通過減溫減壓直接用于熱網(wǎng)供熱，彌補機組在深度調(diào)峰運行時供熱抽汽量短缺的問題，實現(xiàn)供熱機組的熱電解耦【5】。該技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，核心是匹配高壓旁路蒸汽流量與低壓旁路蒸汽流量的耦合控制，為防止汽輪機高壓缸側(cè)抽汽壓力降低引發(fā)的葉片自稱受強度超限和管道抽汽流速超限的現(xiàn)象，必要時中壓進汽調(diào)節(jié)閥需參與調(diào)整。

旁路供熱改造適用于各類型機組。目前汽輪機組一般配備有40%BMCR容量高壓、低壓耳機串聯(lián)旁路系統(tǒng)，如果供熱需求量大，可考慮對高低旁路進行擴容改造或新建減溫減壓站。以350MW超臨界供熱機組為例，在原有高低旁配置條件下，在額定進汽量時，高低壓旁路聯(lián)合供熱方式下，汽輪機最大抽汽流量約為680t/h，供熱負荷約485MW，按照綜合供熱指標(biāo)55W/㎡考慮，可滿足約為880萬㎡的供熱需求，一般可以在滿足供熱情況下機組電負荷最低可調(diào)整至約140MW，即負荷率可降至40%;旁路擴容后可降至約70MW，即負荷率可降至20%。

該改造方案簡潔易行，投資較小，可達到“停機不停爐”的效果;缺點是機組供熱經(jīng)濟性差，如不對旁路進行改造則在長期運行后易造成旁路閥門密封不嚴(yán)，影響正常運行時的經(jīng)濟性。

5 直接降低上網(wǎng)出力技術(shù)

直接降低上網(wǎng)出力技術(shù)應(yīng)用較為成熟的為電鍋爐供熱技術(shù)，通過從升壓站母線引接電源，以電能為動力對水進行加熱，產(chǎn)生滿足要求的熱水源和蒸汽源，實現(xiàn)電能對熱能的轉(zhuǎn)換，從而降低上網(wǎng)電量。常見分為蓄熱型電鍋爐和直熱型電鍋爐。電鍋爐直接使用6?20kV的三相高壓電對水進行加熱，根據(jù)功率大小選擇工作電壓，一般采用10kV工作電壓，熱水鍋爐可提供180℃的熱水，功率一般40MW左右，蒸汽鍋爐可提供200℃左右蒸汽，功率一般70MW左右。電鍋爐工作采用廠用電，運行時保證機組供熱能力的同事減少供熱機組的上網(wǎng)功率，實現(xiàn)風(fēng)火替代。

電鍋爐供熱適用于各類型機組，其調(diào)峰能力可按需求確定容量。以350MW超臨界機組為例，如需將電負荷降至40%以下，一般需配備約60MW的電鍋爐，當(dāng)容量為300MW，機組可實現(xiàn)近零負荷上網(wǎng)運行，按照綜合供熱指標(biāo)55W/㎡考慮，可滿足約為550萬㎡的供熱需求。

電鍋爐用電負載大，在投退時會對電網(wǎng)有一定的影響，改造時需在發(fā)電機出線處增設(shè)專用的變電設(shè)施，并需對相關(guān)線路電壓、頻率等進行核算，當(dāng)電鍋爐容量滿足機組近零負荷上網(wǎng)時，需做好相關(guān)技術(shù)配合措施。

該改造方案熱電解耦能力強，但投資及能耗較高，電廠在進行改造時應(yīng)根據(jù)實際情況和遠期供熱需求合理確定電鍋爐的容量，同時進行機組運行方式優(yōu)化，避免投資浪費或容量不足的問題。

6 儲熱調(diào)峰技術(shù)

儲熱調(diào)峰技術(shù)是通過儲熱裝置存儲熱量，彌補機組深度調(diào)峰時抽汽短缺，從而間接實現(xiàn)熱電解耦。常見的儲熱方式為水儲熱、熔鹽儲熱【6】、固體儲熱等，原理基本一致。

以水儲熱為例，將熱介質(zhì)存儲在儲罐的上方，冷介質(zhì)在儲罐的下部，依靠密度差，熱介質(zhì)始終保持在上部，冷介質(zhì)始終保持在下部，中間形成一段溫度梯度層/斜溫層。機組在用電負荷高供暖負荷低的白天增加供熱抽汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水并存儲在儲熱罐中，在夜間低負荷運行時由儲能系統(tǒng)彌補高供熱負荷需求，從而達到調(diào)峰目的。

儲熱供熱改造適用于各類型機組，但要求機組供熱能力有一定富裕，白天用電負荷偏高，而供熱負荷較低，同時夜間運行工況相反，即電熱負荷均需“峰谷差”。

該改造方案運行靈活，但要求有較大的廠地來設(shè)置儲罐;同時要求機組供熱能力有一定的富裕程度，電/熱負荷要有明顯的“峰谷差”，在進行改造時應(yīng)根據(jù)實際情況和遠期供熱需求合理確定儲罐的容量。

7 供熱機組熱電解耦改造技術(shù)對比

通過上述描述，各改造路線對比如下表2。

8 結(jié)論

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機組適應(yīng)深度調(diào)峰市場是提高企業(yè)市場競爭力的必經(jīng)之路。發(fā)電企業(yè)需首選的靈活性方案是不上任何附加投資的設(shè)備和措施的基礎(chǔ)上，挖掘機組本身的深度調(diào)峰能力。進而從機組實際運行特性出發(fā)，充分結(jié)合機組具體情況、所需調(diào)峰幅度、供熱需求、政策影響等因素合理選擇靈活性改造方案才是企業(yè)實現(xiàn)提效創(chuàng)收的最佳選擇。

參考文獻

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