摘要：

在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下，提高火電運(yùn)行靈活性是火電行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向，選擇合適的技術(shù)路線是火電廠靈活性改造的關(guān)鍵，需要從調(diào)峰效果、改造成本和運(yùn)行成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析;基于設(shè)備改造的汽輪機(jī)旁路技術(shù)、低壓缸零出力技術(shù)和高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)將汽輪機(jī)部分做功蒸汽對(duì)外輸出供熱，增加了電廠供熱能力和調(diào)峰能力，但發(fā)電能力也隨之降低;電極鍋爐和電鍋爐固體儲(chǔ)熱技術(shù)能夠大幅增加調(diào)峰能力，但存在改造成本高，運(yùn)行費(fèi)用高的問(wèn)題，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中難以獲得優(yōu)勢(shì);熱水罐儲(chǔ)能技術(shù)既能增加機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行能力，也能增加頂負(fù)荷能力，投資成本和運(yùn)行成本較低，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但存在儲(chǔ)能密度低、空間占用大的問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)新的成本低、儲(chǔ)能密度高的熱儲(chǔ)能技術(shù)。

關(guān)鍵字：火電 靈活性改造 技術(shù)路線對(duì)比 熱儲(chǔ)能

1、技術(shù)背景

隨著電力市場(chǎng)化改革進(jìn)程的深入推進(jìn)，以可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整不斷倒逼現(xiàn)有煤電行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。為避免在新一輪以清潔、低碳、高效的各類(lèi)能源互聯(lián)互通互補(bǔ)為特點(diǎn)的能源革命浪潮中被淘汰，目前仍然占主力地位的火電行業(yè)應(yīng)主動(dòng)順應(yīng)能源發(fā)展潮流，一方面堅(jiān)持清潔高效發(fā)展路線，另一方面適應(yīng)靈活多變的電力市場(chǎng)需求，增加火電運(yùn)行靈活性，在市場(chǎng)中尋找新的盈利模式，走出創(chuàng)新發(fā)展的轉(zhuǎn)型之路。

事實(shí)上，自2017年?yáng)|北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)啟動(dòng)以來(lái)，越來(lái)越多的省份出臺(tái)了電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的政策文件，初步建立了電力調(diào)峰市場(chǎng);未來(lái)，隨著電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的不斷發(fā)展成熟和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的建立，火電廠運(yùn)營(yíng)將從以電量為中心逐步轉(zhuǎn)移到以電價(jià)為中心的經(jīng)營(yíng)模式，與此相對(duì)應(yīng)的，火電廠為適應(yīng)電力市場(chǎng)運(yùn)行的靈活性改造技術(shù)將會(huì)迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。對(duì)于火電廠，選擇哪一種靈活性改造技術(shù)，需要綜合考慮調(diào)峰效果，改造成本和運(yùn)行成本等多個(gè)因素，因此需要對(duì)多種靈活性改造技術(shù)進(jìn)行分析比較。

2、靈活性改造技術(shù)說(shuō)明

提高火電靈活性，主要是指增加火電機(jī)組的出力變化范圍，響應(yīng)負(fù)荷變化或調(diào)度指令的能力，多數(shù)情況下是指增加火電機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定、清潔、高效運(yùn)行能力。火電廠根據(jù)自身發(fā)電設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)和用戶(hù)用能需求，從制煤系統(tǒng)，鍋爐系統(tǒng)、汽機(jī)系統(tǒng)、排放系統(tǒng)等多個(gè)方面進(jìn)行改造技術(shù)路線分析，做出技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，得到最佳的技術(shù)方案。

針對(duì)不同的火電機(jī)組類(lèi)型，相應(yīng)的靈活性改造技術(shù)路線有所不同，對(duì)于純凝機(jī)組，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，需要解決鍋爐系統(tǒng)的低負(fù)荷穩(wěn)燃問(wèn)題和排放問(wèn)題，增加對(duì)制煤、鍋爐穩(wěn)燃、脫硝、汽機(jī)輔機(jī)和控制等系統(tǒng)的技術(shù)調(diào)整或改造。

對(duì)于供熱機(jī)組來(lái)說(shuō)，由于冬季供熱負(fù)荷一般較大，需要維持一定的鍋爐出力，較少涉及鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行問(wèn)題，主要矛盾集中在滿足供熱條件下的發(fā)電出力調(diào)節(jié)范圍過(guò)小，也就是熱電解耦的問(wèn)題。如何在滿足供熱的同時(shí)減少蒸汽做功，也就是高溫高壓蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功份額和供熱份額的再分配是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，供熱機(jī)組靈活性改造的技術(shù)路線主要分為兩類(lèi)：一是增加機(jī)組的供熱能力來(lái)降低最小出力，主要有減少汽輪機(jī)通流環(huán)節(jié)的低壓缸零出力技術(shù)和高背壓供熱技術(shù)，和減少通流部分蒸汽流量的汽輪機(jī)旁路供熱技術(shù);二是熱儲(chǔ)能技術(shù)，主要有熱水罐儲(chǔ)能，電鍋爐固體蓄熱和電極鍋爐等方案。

綜上所述，純凝機(jī)組和供熱機(jī)組的靈活性改造技術(shù)特點(diǎn)如下表。

國(guó)家對(duì)火電靈活性改造工作非常支持，2016年6月和7月，國(guó)家能源局綜合司分別下達(dá)了兩批火電機(jī)組靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知，確定丹東電廠等22個(gè)項(xiàng)目為提升火電機(jī)組的靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目，共涉及44臺(tái)機(jī)組，約1818萬(wàn)kW，在這22個(gè)火電項(xiàng)目中僅有2個(gè)涉及純凝機(jī)組改造，其余均為供熱機(jī)組靈活性改造。

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在這22個(gè)火電廠靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目中，采用最多的是熱儲(chǔ)能技術(shù)，占比達(dá)到65%，其中采用單罐熱水儲(chǔ)能技術(shù)有7家電廠，采用電熱固體儲(chǔ)熱和電極鍋爐項(xiàng)目有6家，采用低壓缸零出力技改的電廠有2個(gè)，采用汽輪機(jī)低壓缸高背壓改造的1家，涉及制煤和穩(wěn)燃脫硝系統(tǒng)改造的電廠有4家，各改造技術(shù)占比如下圖1所示。

圖1：火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目技術(shù)路線占比圖

在以上改造技術(shù)方案中，除了安全性和可靠性之外，靈活性技改的費(fèi)效比，也就是能否在改造成本和運(yùn)行成本最小化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰收益的最大化，是熱電廠選擇技術(shù)路線的首要問(wèn)題，因此各種技術(shù)路線的競(jìng)爭(zhēng)將是滿足安全可靠前提下的經(jīng)濟(jì)性比選。

2.1 汽輪機(jī)旁路抽汽供熱技術(shù)

一般分為汽輪機(jī)高低壓旁路聯(lián)合抽汽供熱和低壓旁路抽汽供熱兩種技術(shù)方案，聯(lián)合旁路抽汽是指利用高壓旁路將部分主蒸汽減溫減壓后送至高壓缸排汽，經(jīng)鍋爐再熱器加熱后，從低壓旁路(中壓缸進(jìn)口)抽汽對(duì)外供熱;低壓旁路抽汽是利用低壓旁路管道，直接引出部分再熱蒸汽對(duì)外供熱。

汽輪機(jī)旁路供熱方案將部分做功蒸汽轉(zhuǎn)化為供熱蒸汽，降低了汽輪發(fā)電機(jī)組的強(qiáng)迫出力水平，提高了汽輪機(jī)的供熱能力，改造投資也較小，但由于將高品質(zhì)熱能用于供熱，存在一定的熱經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 低壓缸零出力供熱技術(shù)

低壓缸零出力供熱技術(shù)，又稱(chēng)“切除低壓缸進(jìn)汽供熱技術(shù)”，是指在調(diào)峰期間，切除低壓缸全部進(jìn)汽用于供熱，僅通入少量的冷卻蒸汽，使低壓缸在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”，實(shí)現(xiàn)低壓缸“零出力”運(yùn)行，從而降低汽輪發(fā)電機(jī)組強(qiáng)迫出力水平，增加機(jī)組的調(diào)峰能力;并且由于排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，具有良好的供熱經(jīng)濟(jì)性。低壓缸零出力改造還具有切換靈活，汽輪機(jī)本體改造范圍小，改造費(fèi)用低，運(yùn)行維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)。

2.3 汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)

對(duì)于大型供熱電廠，汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱一般采用低壓缸雙轉(zhuǎn)子互換技術(shù)，在采暖季，將低壓缸轉(zhuǎn)子用動(dòng)靜葉片相對(duì)較少的高背壓低壓轉(zhuǎn)子代替，凝汽器高背壓運(yùn)行，對(duì)應(yīng)排汽溫度提高到70℃~80℃左右，加熱循環(huán)水對(duì)外供暖;在非采暖季，將原純凝低壓缸轉(zhuǎn)子換回，排汽背壓完全恢復(fù)至原純凝工況運(yùn)行。高背壓循環(huán)水供熱停用汽輪機(jī)冷端冷卻設(shè)備，汽輪機(jī)排汽全部由熱網(wǎng)循環(huán)水回水進(jìn)行冷卻，為滿足一級(jí)熱網(wǎng)與二級(jí)熱網(wǎng)的換熱要求，高背壓循環(huán)水供熱一般采用串聯(lián)式兩級(jí)加熱系統(tǒng)，熱網(wǎng)循環(huán)水首先經(jīng)過(guò)凝汽器進(jìn)行第一次加熱，吸收低壓缸排汽余熱，然后再經(jīng)過(guò)其他熱源換熱完成第二次加熱，生產(chǎn)高溫?zé)崴椭翢崴芫W(wǎng)對(duì)外供熱。

汽輪機(jī)高背壓循環(huán)水供熱，消除了冷源損失，能夠大幅提高供熱能力，降低煤耗，具有良好的熱經(jīng)濟(jì)性，但與其他技術(shù)相比，低壓缸蒸汽發(fā)電焓降較小，降負(fù)荷空間小，調(diào)峰能力有限，而且需要每年更換2次低壓缸轉(zhuǎn)子，投資成本較高，運(yùn)行維護(hù)不便。

2.4 電極鍋爐供熱技術(shù)

電極鍋爐是目前工業(yè)供熱和民用供暖市場(chǎng)上應(yīng)用較多的一種電熱鍋爐，與普通的電熱設(shè)備不同，電極鍋爐采用高壓三相電極直接在鍋爐內(nèi)的導(dǎo)電鹽水中放電發(fā)熱，使得電能以較高的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換成熱能，然后再通過(guò)換熱器將爐內(nèi)的熱量傳遞給熱網(wǎng)，具有功率大，可快速平滑調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì);作為一種電能消耗設(shè)備，電極鍋爐可以直接降低熱電廠出力，并增加供熱能力，是一種有效的調(diào)峰技術(shù)。

電極鍋爐一般沒(méi)有儲(chǔ)熱能力，在滿足熱負(fù)荷的條件下，電極鍋爐的功率調(diào)節(jié)需要和鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制，調(diào)峰深度有一定限制條件;而且由于涉及電熱轉(zhuǎn)化，能量利用的經(jīng)濟(jì)性較差。

2.5 電鍋爐固體儲(chǔ)熱技術(shù)

電鍋爐固體儲(chǔ)熱技術(shù)是指利用電鍋爐將電能轉(zhuǎn)化為高溫固體的熱能，并利用高溫固體顯熱存儲(chǔ)熱能，在需要熱能時(shí)，將儲(chǔ)熱體熱能轉(zhuǎn)化為熱水、水蒸汽等多種用熱形式。儲(chǔ)熱介質(zhì)一般采用固體金屬氧化物等耐高溫材料，具有儲(chǔ)熱溫度高，儲(chǔ)能密度高，操作安全簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。

固體儲(chǔ)熱能夠有效解決熱電廠的發(fā)電和供熱的強(qiáng)耦合問(wèn)題，甚至可以實(shí)現(xiàn)零出力的深度調(diào)峰，達(dá)到啟停調(diào)峰效果，有利于獲得高額調(diào)峰補(bǔ)償，但缺點(diǎn)是投資成本高，并且涉及電熱轉(zhuǎn)換，用能經(jīng)濟(jì)性較差，運(yùn)行成本高。