燃煤機組靈活性改造技術路線分析

張海楠

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

隨著我國新能源的大力發(fā)展，火電占我國的能源消費比例逐漸下降。與此同時，由于風能、太陽能、水電本身的波動性、季節(jié)性及隨機性對電網(wǎng)的平穩(wěn)運行產(chǎn)生了巨大沖擊。而相關與新能源配套的儲能技術又處于探索階段，尚未開始大規(guī)模商業(yè)運行。因此，我國電力系統(tǒng)迫切需要燃煤機組來承擔負荷調峰任務，以維持電網(wǎng)運行穩(wěn)定。

近日國家能源局推出以煤電節(jié)能改造、靈活性改造、供熱改造為主體的“三改聯(lián)動”，提出充分發(fā)揮煤電的支撐性調節(jié)作用，發(fā)揮煤電機組的應急調峰能力，有序推進支撐性、調節(jié)性電源的建設[1]。從規(guī)劃中可以看出，未來我國火電定位將由現(xiàn)在的主體能源地位轉變?yōu)檎{節(jié)性電源，火電機組在我國能源體系內(nèi)的角色發(fā)生了根本性的轉變，燃煤機組提升靈活性及調峰能力將是未來行業(yè)的主流發(fā)展方向。

1 火電機組靈活性改造技術路線

目前火電機組應對提高機組靈活性的需求一般為以下技術方向：一是采用火電機組+儲能系統(tǒng)方式，即在原有機組不進行大規(guī)模改造的情況下，額外建設一套儲能系統(tǒng)。其運行原理是當電網(wǎng)所需負荷下降時，機組出力不會大幅度下降，而將多余的能量輸入儲能系統(tǒng)進行儲存。該方案在滿足電網(wǎng)負荷需求的同時，盡量減少偏離設計參數(shù)過多對設備造成的損害，最大程度保證機組運行的經(jīng)濟性，同時對電網(wǎng)負荷變化的相應速率較快;二是對現(xiàn)有機組相關設備采取一系列的改造措施，以保證機組能夠在較低負荷下安全穩(wěn)定運行。此方案需要解決如鍋爐燃燒不穩(wěn)定、脫硝系統(tǒng)入口煙溫低、機組經(jīng)濟性差等問題。下面就所涉及的2種技術方案進行詳細介紹。

2 火電機組+儲能系統(tǒng)技術

2.1 蓄熱水罐技術

該項技術需要增加1套獨立的蓄熱罐設備，通常分為常壓或承壓式的蓄熱罐。當供熱管網(wǎng)的供水溫度大于98 ℃時，常采用承壓式蓄熱罐。而供水溫度小于98 ℃時，則一般采用常壓式蓄熱罐[2]。該技術原理主要利用水的顯熱來存儲熱量。在蓄熱罐中因為冷熱介質密度不同，熱介質在蓄熱罐的上方存儲，冷介質在蓄熱罐的下方存儲。當電網(wǎng)負荷較高，供熱負荷較低的時候，機組將多余熱量用以加熱蓄熱罐內(nèi)的介質。而當電負荷較低時，蓄熱罐則將儲存的熱量釋放出來，以滿足機組在深度調峰下，熱網(wǎng)用戶對于供熱量的需求。對于火電廠而言，蓄熱罐有助于使得熱網(wǎng)的熱量需求更加穩(wěn)定。鍋爐可以在較高的蒸發(fā)量下維持運行，有利于提高機組的經(jīng)濟性。

2.2 蓄熱式電鍋爐技術

蓄熱式電鍋爐采用的是固體蓄熱方式，工作過程如下：在電網(wǎng)所需負荷較低時，機組將多余的電量充入電鍋爐內(nèi)，此時電鍋爐內(nèi)的蓄能裝置將電能轉換為熱能并吸收；而當電網(wǎng)所需負荷變高時，機組自動停止向電鍋爐供電，爐內(nèi)的蓄熱裝置將熱能輸出至熱網(wǎng)，實現(xiàn)能量輸出。陳永輝等[3]研究表明:隨著電鍋爐容量增大，電鍋爐用電后機組實際發(fā)電負荷率顯著降低，電廠調峰能力顯著提升。機組配套電鍋爐的靈活性改造方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在機組運行靈活度高，電鍋爐占地面積小，機組對于熱網(wǎng)的供熱需求響應功率快等。但該方法采用的是高品質的電能來對外供熱，能源損耗率較大。從一次能源利用率角度分析，電鍋爐供熱的一次能源率是0.34，而燃煤鍋爐供熱為0.7[4]，利用效率較低。

3 機組低負荷運行技術

由于燃煤機組啟動時間一般在6～8 h，無法滿足電網(wǎng)對于負荷速率的要求。同時短期內(nèi)多次啟停機組也會對設備造成一定損傷，減少機組使用壽命。因此，煤電機組能否在低負荷下實現(xiàn)安全、環(huán)保、經(jīng)濟的運行，是火電機組靈活性調峰能力的關鍵體現(xiàn)。該方案針對火電機組的靈活性改造旨在提高機組及配套設備在低負荷條件下的運行能力，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：鍋爐低負荷條件下的穩(wěn)燃技術;汽輪機低負荷條件下的相關改造;脫硝系統(tǒng)低負荷條件下入口煙溫提高等一系列相關問題。因此，需要機組開展一系列試驗探索和設備改造，以滿足機組在較低負荷下運行的要求。

3.1 鍋爐相關技術改造

根據(jù)相關設計要求，我國鍋爐普遍的最低穩(wěn)燃負荷為設計值的40%。但該水平顯然不能滿足新時期下機組靈活性對于鍋爐最低穩(wěn)燃的要求。鍋爐在低負荷下運行時所面臨的主要問題：鍋爐燃燒穩(wěn)定性差，存在滅火風險，影響機組安全性;爐膛內(nèi)溫度較低，煤粉燃燒不充分，灰渣可燃物含量高，影響機組經(jīng)濟性;風機流量低，風量表精度低，導致風量測量波動幅度大，容易引起風量低保護動作跳機。目前針對鍋爐低負荷下技術改造的方向主要集中在低負荷下的穩(wěn)定燃燒，提高煙氣溫度以及煤粉的燃盡率等方面。具體的技術方案有常規(guī)低負荷燃燒調整技術以及富氧燃燒技術。

3.1.1 常規(guī)低負荷燃燒調整技術

在現(xiàn)有設備條件下維持鍋爐在低負荷下燃燒穩(wěn)定，需要針對煤粉細度、配風方式及風煤配比等方面進行一系列的技術探索，尋找出適合不同機組以及不同煤種的燃燒調整手段和運行方式。主要針對以下幾個方面開展相應的試驗工作：低負荷下的制粉系統(tǒng)優(yōu)化調整；爐內(nèi)動力場及配風優(yōu)化試驗；磨煤機不同投運組合方式；風機優(yōu)化調整試驗；超臨界機組的干濕態(tài)轉化試驗；鍋爐水動力均勻性流動試驗。通過一系列的試驗數(shù)據(jù)，找出鍋爐合理的運行方式，保證機組安全性、經(jīng)濟性運行。

3.1.2 富氧燃燒技術

富氧燃燒是近幾年發(fā)展的新型燃燒技術，主要是針對機組低負荷下，爐膛內(nèi)煙溫低及煤粉不易燃燒而采取的一種技術方案。其原理是利用高純度的氧氣對燃油進行助燃，強化燃油燃燒，并利用瞬間燃燒產(chǎn)生的高溫火核所釋放的熱量點燃煤粉流。在高溫且過量空氣系數(shù)小于1.0的條件下，燃燒生成的CO2被剩余C還原成為CO，大幅提高煤粉燃盡率[5]。實現(xiàn)底層一次風煤粉流的穩(wěn)定燃燒，進而達到提高爐膛溫度，實現(xiàn)鍋爐低負荷下穩(wěn)定運行的目的。富氧燃燒有助于提高燃油和煤粉的燃盡率，避免油煤混合帶來的隱患。同時，在深調階段，可以通過投入上層的富氧燃燒裝置，可以實現(xiàn)升高火焰中心，提高煙氣溫度，解決脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度低的問題。此外，該方法能大幅度提高鍋爐對于不同煤質的適應性，改善因為煤質變化導致的燃燒不穩(wěn)定。根據(jù)國內(nèi)已進行富氧燃燒器改造機組運行經(jīng)驗來看，富氧燃燒能大幅度降低鍋爐的運行負荷，深度調峰負荷可以達到設計值的25%[6]。與傳統(tǒng)的等離子燃燒技術相比，富氧燃燒避免了定期更換燃燒器電極、煤粉著火率偏低等問題。

3.2 汽輪機相關技術改造

汽輪機在深度調峰中的改造主要受到汽輪機低壓缸最小冷卻流量的限制。為了更好應對機組的靈活性需求，所開展的技術改造有以下幾個方案。

a.低壓缸光軸改造技術。主要的方案是將低壓缸轉子換成光軸，同時更換軸瓦。該技術能顯著提高機組的供熱能力，但相對于深度調峰則能力較差，同時要定期更換轉子，檢修維護強度大。

b.主再熱輔助供熱系統(tǒng)。該技術是指機組的主、再熱蒸汽在經(jīng)過減溫減壓后對外供熱的技術。在滿足機組供熱技術的同時，減小機組出力。但該技術方案易造成再熱器超溫，且運行經(jīng)濟性較差。

c.切缸/低背壓運行技術。該技術方案是在不對低壓缸本體進行改動的情況下，增加低壓缸的進汽旁路。在保證機組運行安全的前提下，低壓缸進汽量大于或等于最小冷卻流量，實現(xiàn)機組深度調峰的目的。該方案改造少，投資小，技術相對成熟。王健[7]等采用旁路供汽+低壓缸靈活出力+熱泵供熱的方案實現(xiàn)了350 MW機組在30%額定負荷工況下穩(wěn)定運行。陳建國[8]、廖高良[9]等分別對300 MW、350 MW煤粉爐機組進行低壓缸零出力改造技術研究，切缸改造后最低運行負荷均為40%額定負荷。該方案能在保證較高供熱能力情況下，同時具備較強的深度調峰能力。但該方案在改造后，需要注意汽輪機鼓風、葉片水蝕及葉片顫振等問題?？梢酝ㄟ^采用寬幅控制躲避顫振技術，安裝在線監(jiān)視顫振設備，使用五段抽汽向六段抽汽補汽等方式解決相關問題[10]。

3.3 環(huán)保方面的技術改造

機組在深度調峰過程中，爐膛熱負荷偏低導致脫硝系統(tǒng)入口煙溫偏低，無法滿足脫硝系統(tǒng)內(nèi)催化劑對于溫度的要求，脫硝系統(tǒng)無法投運。目前常見提高脫硝系統(tǒng)入口煙溫的方法有省煤器煙氣旁路、省煤器分級、省煤器給水旁路等。

a.省煤器煙氣旁路：該技術的原理是在省煤器煙氣流道外設置煙氣旁路，旁路煙氣未經(jīng)過省煤器換熱，煙溫較高，流通省煤器的煙氣經(jīng)過換熱溫度較低。通過調整旁路煙氣擋板控制旁路煙氣流量，以達到控制省煤器出口煙溫的目的。該技術的優(yōu)點是改造小，工期短，投資相對較低。但不足在于省煤器出口煙氣混合不充分，易產(chǎn)生煙氣分層。同時煙氣擋板不嚴，旁路易內(nèi)漏入煙氣，存在高負荷下脫硝入口煙溫超溫的風險。

b.省煤器分級：該技術是將原來的單級省煤器分為兩級，兩級省煤器分別布置在SCR裝置前后，通過減少SCR反應器前的省煤器吸熱量達到提高SCR入口煙溫的目的。該技術優(yōu)勢在于能有效提高煙氣入口煙溫，同時對爐內(nèi)燃燒影響較小。但不足在于該方案不具備動態(tài)調節(jié)能力，對煤種變化適應性較差。同時在機組高負荷運行時，可能會造成脫硝入口煙溫超溫。

c.省煤器給水旁路：該技術的原理是將省煤器內(nèi)的一部分鍋爐給水利用旁路引出，以減少省煤器內(nèi)鍋爐給水的吸熱量，達到提高省煤器入口煙溫的目的。該技術的關鍵點在于需要保證在旁路啟用時，省煤器管道內(nèi)不能發(fā)生水擊、氣化管道振動等現(xiàn)象。陳輝[11]等經(jīng)過分析對比各種提高脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度方式，建議采用省煤器給水旁路的方式最為合理。

4 靈活性改造方案的經(jīng)濟性對比

火電機組的靈活性改造投入巨大，涉及機組設備等方面，其產(chǎn)生的效益如何以及何時能收回成本一直存在一定爭議。經(jīng)過相關研究，火電靈活性改造能給電廠以及社會帶來較大收益。華北電力大學楊勝[12]對火電靈活性改造帶來的經(jīng)濟性進行了研究，通過對主流改造方案進行經(jīng)濟性對比，認為采用電鍋爐加固體蓄熱罐的改造方式產(chǎn)生的綜合效益最優(yōu)。蘇鵬[13]等對熱水儲熱及電鍋爐靈活性改造方案進行工程投資及經(jīng)濟效益分析，認為對于熱電廠而言，采用常壓熱水儲熱罐來提升火電機組靈活性改造方案具有較好的經(jīng)濟效益。陳永輝等根據(jù)補貼報價范圍，認為對于采用電鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，其在采暖期負荷率降至40%以下能夠獲得較高收益，且深度調峰負荷越低、收入越高。

5 結語

未來開展旨在提高燃煤機組靈活性的一系列技術探索是我國火電機組行業(yè)的發(fā)展趨勢，轉變火電行業(yè)的角色定位，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的調峰電源，為我國實現(xiàn)“雙碳”目標過程中提供安全保障。因此，燃煤機組的靈活性改造對于行業(yè)發(fā)展至關重要。