0 引言

由于近幾年可再生能源(主要是風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電)裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，棄風(fēng)、棄光問(wèn)題愈演愈烈[1]，全國(guó)平均棄風(fēng)、棄光率長(zhǎng)期高于20%[2-3]，對(duì)非水可再生能源的消納成為迫切任務(wù)[4-7]。為解決這一問(wèn)題，國(guó)家發(fā)改委、能源局下發(fā)了一系列文件[8-10]，先后啟動(dòng)了兩批共22個(gè)火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目，重點(diǎn)推動(dòng)“三北”地區(qū)火電機(jī)組(30萬(wàn)kW級(jí)及以上供熱機(jī)組)的靈活性改造。

（來(lái)源：發(fā)電技術(shù)期刊 作者：李樹(shù)明,劉青松,朱小東,平士斌,白貴生）

對(duì)火電企業(yè)來(lái)講，尤其是供熱電廠，無(wú)論是從當(dāng)前國(guó)家政策形勢(shì)還是企業(yè)自身生存發(fā)展需要，機(jī)組靈活性改造都將是各企業(yè)要面對(duì)的重要課題[11-12]。根據(jù)當(dāng)前政策，電網(wǎng)內(nèi)靈活性改造的機(jī)組越多，未進(jìn)行靈活性改造的電廠所承擔(dān)的調(diào)峰費(fèi)用就越多，經(jīng)營(yíng)壓力將會(huì)越來(lái)越大。

為此，本文將對(duì)國(guó)內(nèi)幾種主流火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)路線進(jìn)行綜合對(duì)比、分析，結(jié)合華北地區(qū)對(duì)于火電機(jī)組深度調(diào)峰補(bǔ)償政策，評(píng)估火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造后對(duì)后期經(jīng)營(yíng)的影響，研究得出當(dāng)前形勢(shì)下火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造的最優(yōu)方案，為新建以及即將進(jìn)行火電機(jī)組靈活性改造的供熱電廠提供技術(shù)參考。

1 對(duì)火電機(jī)組靈活性改造要求

火電運(yùn)行靈活性主要包括調(diào)峰能力、爬坡速度、啟停時(shí)間等3個(gè)主要部分。目前我國(guó)供暖期熱電機(jī)組“以熱定電”方式運(yùn)行，冬季最小出力一般在60%~70%左右，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較小，調(diào)峰能力不足，是制約火電機(jī)組靈活性改造的關(guān)鍵因素[13]。

靈活性改造要求熱電機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，供熱期達(dá)到40%~50%額定容量的最小技術(shù)出力，實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組熱電解耦;純凝機(jī)組增加15%~20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到30%~35%額定容量[14]。

供熱機(jī)組進(jìn)行靈活性改造后，具備深度調(diào)峰的能力，調(diào)峰幅度增大，可以快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度的需要。通過(guò)實(shí)施火電靈活性優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)供熱期熱電解耦，可以使火電廠更好地適應(yīng)未來(lái)的形勢(shì)，具備參與競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)的基本條件。

2 靈活性改造的幾種技術(shù)路線分析

對(duì)于供熱機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，當(dāng)前的技術(shù)路線主要有：儲(chǔ)熱技術(shù)、電熱鍋爐、主再熱蒸汽輔助供熱、低壓轉(zhuǎn)子改光軸、低壓缸零出力供熱等技術(shù)。

2.1 儲(chǔ)熱技術(shù)

儲(chǔ)熱技術(shù)是在熱網(wǎng)中增加熱網(wǎng)循環(huán)水儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量的吸收和釋放，可實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”，在供熱期可提高機(jī)組的變負(fù)荷靈活性。圖1[15]為蓄熱罐與熱網(wǎng)系統(tǒng)直接連接系統(tǒng)示意圖，蓄熱水罐系統(tǒng)在熱網(wǎng)中的連接方式一般采用直接連接，即蓄熱水罐直接并入熱網(wǎng)中去。但采暖季熱負(fù)荷最大的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)蓄熱水罐無(wú)法單獨(dú)確保熱電解耦時(shí)，一般采用鍋爐抽汽方案或電鍋爐方案配合使用，與蓄熱水罐一起繼續(xù)保證蓄熱系統(tǒng)的熱電解耦時(shí)間。另外，當(dāng)增加蓄熱系統(tǒng)后，在考慮最冷月采暖熱負(fù)荷的情況下，熱網(wǎng)循環(huán)水泵需分流一部分流量用于蓄熱，用于供熱的熱網(wǎng)循環(huán)水流量將減少，需要對(duì)供暖期最大供熱負(fù)荷下的熱網(wǎng)循環(huán)水流量進(jìn)行核算，避免機(jī)組在最冷月份無(wú)法參與調(diào)峰。

圖1蓄熱罐與熱網(wǎng)系統(tǒng)直接連接系統(tǒng)示意圖

Fig. 1Schematic diagram of direct connection system between heat storage tank and heat supply network

2.2 電熱鍋爐技術(shù)

電熱鍋爐技術(shù)主要分為電阻式鍋爐、電極式鍋爐、電熱相變材料鍋爐和電固體蓄熱鍋爐，其中做到高壓電直接接入和大功率直供發(fā)熱的方案是電極式鍋爐，電極式鍋爐是利用含電解質(zhì)水的導(dǎo)電特性，通電后被加熱產(chǎn)生熱水或蒸汽，單臺(tái)鍋爐的最大功率可達(dá)80 MW。

電極鍋爐在歐洲的應(yīng)用較多，投資的商業(yè)模式是提供電力市場(chǎng)價(jià)格平衡調(diào)節(jié)的手段，在上網(wǎng)電價(jià)低于某一定值時(shí)，通過(guò)電鍋爐將低利潤(rùn)甚至負(fù)利潤(rùn)的發(fā)電量轉(zhuǎn)化為高利潤(rùn)的供熱量。

2.3 主再熱蒸汽輔助供熱技術(shù)

主再熱蒸汽輔助供熱技術(shù)是考慮到汽輪機(jī)的運(yùn)行特性和鍋爐燃燒運(yùn)行工況，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，并盡可能減少機(jī)組改造工作量。從鍋爐主再熱蒸汽取汽，經(jīng)減溫減壓，并滿足熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)要求參數(shù)時(shí)，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，使機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行工況下最大限度提升機(jī)組供熱能力。

2.4 低壓轉(zhuǎn)子改光軸技術(shù)

光軸改造是將現(xiàn)有汽輪機(jī)改成高背壓式供熱機(jī)組，低壓缸不進(jìn)汽，主蒸汽由高壓主汽門(mén)、高壓調(diào)節(jié)汽門(mén)進(jìn)入高中壓缸做功。中壓排汽(部分低加回?zé)岢槠谐?全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱。將低壓轉(zhuǎn)子拆除后，更換成一根光軸，連接高中壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，光軸僅起到傳遞扭矩的作用。此技術(shù)改造后沒(méi)有低壓缸做功，可以回收原由低壓缸進(jìn)入凝汽器排汽熱量，減少冷源損失，使盡可能多的蒸汽用于供熱。

目前該技術(shù)應(yīng)用的供熱機(jī)組較多，但由于將低壓轉(zhuǎn)子更換為光軸后低壓缸不進(jìn)汽，機(jī)組帶電負(fù)荷能力在整個(gè)供熱期將隨之降低，因此機(jī)組實(shí)際調(diào)峰范圍并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性擴(kuò)大，采用該技術(shù)主要是為提高機(jī)組供熱能力，擴(kuò)大供熱面積。

2.5 低壓缸零出力技術(shù)

低壓缸零出力供熱技術(shù)，其核心是僅保留少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，實(shí)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子“零”出力運(yùn)行，更多的蒸汽進(jìn)入供熱系統(tǒng)，提高供熱能力，降低供熱期機(jī)組負(fù)荷的出力下限，滿足調(diào)峰需求，同時(shí)減少了機(jī)組冷源損失，發(fā)電煤耗下降明顯。對(duì)于300 MW等級(jí)機(jī)組，改造后在相同主蒸汽量的條件下，采暖抽汽流量每增加100 t/h，供熱負(fù)荷增加約70 MW，電負(fù)荷調(diào)峰能力增大約50 MW，發(fā)電煤耗降低約36g/(kW·h)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)供熱機(jī)組在抽汽凝汽與高背壓運(yùn)行方式的不停機(jī)靈活切換，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，總體成本低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用小。

2.6 幾種技術(shù)路線對(duì)比與選擇

如表1所示，綜合對(duì)比分析現(xiàn)有火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)路線的投資費(fèi)用、運(yùn)行成本以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，低壓缸零出力供熱技術(shù)在初期投資、運(yùn)行成本、深度調(diào)峰能力方面都比其他技術(shù)有優(yōu)勢(shì)，非常適合現(xiàn)階段新建電廠以及已投產(chǎn)電廠機(jī)組靈活性改造，因此，該電廠進(jìn)行低壓缸零出力供熱技術(shù)改造具有可行性。