熱電機組提升靈活性技術(shù)

吳青

摘要：在我國北方地區(qū)，特別是在每年冬季采暖期內(nèi)，為了確保城區(qū)采暖供熱的需要，燃煤熱電廠一直按照傳統(tǒng)的“以熱定電”模式運行，致使很多可再生能源發(fā)電上網(wǎng)受到了限制，本文介紹了熱電機組提升火電靈活性主要技術(shù)，緩解熱電供需矛盾，實現(xiàn)熱電廠冬季采暖期熱電解耦運行，提升火電機組冬季采暖期的深調(diào)峰能力，促進新能源消納及可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵字：北方地區(qū);熱電機組;提升火電靈活性;新能源消納

1. 背景

在我國推動能源革命、努力建設(shè)“清潔低碳、安全高效”現(xiàn)代能源體系的大背景下，近年來我國新能源得到了持續(xù)快速發(fā)展，然而，在我國北方地區(qū)，特別是在每年冬季采暖期內(nèi)，為了確保城區(qū)采暖供熱的需要，燃煤熱電廠一直按照傳統(tǒng)的“以熱定電”模式運行[1]，由于燃煤熱電比例高，調(diào)峰電源建設(shè)條件差，冬季供暖期調(diào)峰困難，大量可再生能源發(fā)電（風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電等）機組的投用和區(qū)域工業(yè)用電負(fù)荷增長較為緩慢，很多可再生能源發(fā)電上網(wǎng)受到了限制[2]，致使部分地區(qū)的棄風(fēng)棄光問題日益嚴(yán)重，尤其是我國“三北”地區(qū)，電力系統(tǒng)的新能源消納能力成為制約我國北方可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵因素[3]。

2. 北方地區(qū)電力負(fù)荷特性分析

冬季供熱期間，通過對東北地區(qū)電力負(fù)荷特性進行分析得出以下結(jié)論，東北地區(qū)用電負(fù)荷在夜間3時左右達到最低值，低于平均值的持續(xù)時間一般為5小時左右[12]。熱電聯(lián)產(chǎn)機組擠占了風(fēng)電在東北夜間上網(wǎng)的空間，因此產(chǎn)生了無法消納風(fēng)電的問題，同時熱負(fù)荷低谷時段對電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，也制約新能源消納及電網(wǎng)系統(tǒng)平衡調(diào)整。實施供熱機組熱電解耦[4]，降低系統(tǒng)最小技術(shù)出力，釋放系統(tǒng)靈活性是緩解新能源消納困難的有效措施。

3. 熱電機組提升火電靈活性主要技術(shù)

借鑒國內(nèi)同類型機組靈活性改造的經(jīng)驗和國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)的成熟案例，提升熱電廠靈活性的三種主要方案：第一種方案是電鍋爐調(diào)峰技術(shù)，可對機組進行熱電解耦，滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰的要求;第二種方案是對機組綜合升級改造，如切低缸供熱、光軸供熱、高背壓供熱、高低旁減溫減壓供熱和鍋爐富氧燃燒等;第三種方案是設(shè)置儲熱系統(tǒng)，如熱水儲熱裝置、熔巖儲熱裝置等。

3.1電鍋爐調(diào)峰技術(shù)

電鍋爐系統(tǒng)可以分為蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)和非蓄熱電鍋爐系統(tǒng)。目前，固體蓄熱為儲熱式電鍋爐主要的方式，而非蓄熱式電鍋爐則主要采用電極式鍋爐。對電極式鍋爐而言，對外供熱的形式主要以高溫?zé)崴驼羝麨橹?，熱網(wǎng)不同形式熱負(fù)荷的需求得到滿足[13]，該方案能實現(xiàn)最深的機組調(diào)峰深度（最大能做到上網(wǎng)電量為零），同時能真正實現(xiàn)機組負(fù)荷調(diào)整的靈活性。

1）電極式鍋爐+蓄熱罐[5]

該技術(shù)是目前深度調(diào)峰領(lǐng)域應(yīng)用比較成熟的技術(shù)方案。其主要工作原理是通過設(shè)置電鍋爐從而達到高溫?zé)崴疅嶝?fù)荷，機組發(fā)電部分電力用于電鍋爐，與此同時汽機抽汽加熱被電加熱替代，所以機組的供熱抽汽量減少，可進一步降低機組的發(fā)電功率，實現(xiàn)了在上網(wǎng)功率很低的工況下仍能保證熱負(fù)荷供應(yīng)，實現(xiàn)了熱電解耦，提高了機組調(diào)峰深度。

2） 固體蓄熱式電鍋爐[6]

固體蓄熱式電鍋爐的工作原理是高壓電發(fā)熱體把電能轉(zhuǎn)化成熱能，且將其儲存在高溫蓄能體中，而當(dāng)高溫蓄熱體到達了溫度上限時（設(shè)定值），高壓電發(fā)熱體就會結(jié)束工作，高溫蓄熱體通過熱輸出控制器與高溫?zé)峤粨Q器連接，高溫?zé)峤粨Q器將高溫蓄熱體儲存的高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為熱水、熱風(fēng)或蒸汽輸出。[11]

對于固體蓄熱鍋爐而言，需配置大容量的固體蓄熱系統(tǒng)，其占地面積極大，布置困難，且造價遠(yuǎn)高于電極式鍋爐系統(tǒng);實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換、風(fēng)水換熱，需配置大容量風(fēng)機，導(dǎo)致綜合能源轉(zhuǎn)換效率較低，能源浪費較為嚴(yán)重;受單體容量限制，調(diào)峰時需要以2/4/6MW等不同單體容量的模塊進行組合配置，調(diào)峰線性差;固體蓄熱材料蓄熱容量存在上限，熱量蓄滿之后必須強制退出運行以釋放熱量，因此不能長時間、滿容量連續(xù)運行。

3.2機組綜合升級改造

機組靈活性改造主要圍繞如何在熱電解耦階段滿足供熱負(fù)荷需求進行。在熱電解耦階段時，機組參與調(diào)峰，當(dāng)外界供熱需求大時難以滿足要求，且根據(jù)最新調(diào)峰運行規(guī)則，難以滿足深度調(diào)峰要求及機組旋轉(zhuǎn)備用頂尖峰要求。主要改造技術(shù)方案內(nèi)容：

1）切除低壓缸供熱技術(shù)[7]：切除低壓缸供熱技術(shù)是指僅保留少量冷卻蒸汽進入低壓缸，實現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子“零”出力。更多的蒸汽進入供熱系統(tǒng)，提高供熱能力，降低發(fā)電煤耗，同時一定程度的降低電負(fù)荷。該種技術(shù)方案主要解決供熱面積較大并具備一定范圍的調(diào)峰能力，單獨使用具有一定局限性，調(diào)峰深度不夠，一般配合電極鍋爐進行改造效果較好。

2）光軸雙轉(zhuǎn)子供熱技術(shù)[8]：機組可以提升供熱能力和降低機組電負(fù)荷，但不具備頂尖峰調(diào)峰能力，不能滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰和頂尖峰的全面要求。在冬季運行使用光軸轉(zhuǎn)子，夏季使用純凝轉(zhuǎn)子，供熱期前后需要更換低壓轉(zhuǎn)子，每次檢修期約為15天，也將顯著影響機組發(fā)電量并增加電廠運行檢修費用。

3）高背壓供熱技術(shù)[9]：可以顯著提升機組供熱能力和經(jīng)濟性。但高背壓改造系統(tǒng)復(fù)雜，整體投資金額大，外界供熱系統(tǒng)對機組安全運行影響較大，有一定安全風(fēng)險;高背壓機組利用余熱效果最好，但其只能在一定負(fù)荷區(qū)間內(nèi)運行，反而限制了機組的調(diào)峰能力。

3.3儲熱系統(tǒng)

單純采用設(shè)置儲熱系統(tǒng)，如熱水儲熱裝置、熔巖儲熱裝置等[10]。此類方案機組調(diào)峰深度有限，無法達到“熱電解耦”。運行中調(diào)峰幅度與供熱互補并不等量，尤其是供熱初期和最冷季節(jié)，電負(fù)荷和熱量不能完全互補，造成供熱初期和供熱最寒冷時期，與電負(fù)荷完全不匹配造成電負(fù)荷調(diào)峰困難，且當(dāng)電網(wǎng)需要連續(xù)長時間調(diào)峰時，該系統(tǒng)無法實現(xiàn)儲熱調(diào)峰功能。熔巖儲熱裝置比投資高，運營成本較高，投資性價比較低，投資回收期較長，并且項目占地面積較大。

結(jié)論：在我國北方地區(qū)冬季采暖期內(nèi)，燃煤熱電廠一直按照傳統(tǒng)的“以熱定電”模式運行，致使很多可再生能源發(fā)電上網(wǎng)受到了限制，熱電機組提升火電靈活性技術(shù)是緩解熱電供需矛盾的重要措施，實現(xiàn)熱電廠冬季采暖期熱電解耦運行，提升火電機組冬季采暖期的深調(diào)峰能力，促進新能源消納及可持續(xù)發(fā)展。

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