燃煤电厂灵活性提升技术路线研究

燃煤电厂灵活性提升技术路线研究

霍海江

（大唐鸡西热电有限责任公司黑龙江鸡西158100）

摘要：近年来，我国风电和光伏等新能源发展迅速，取得了举世瞩目的成绩，风电和光伏的装机容量均已位居世界第一。与此同时，新能源的快速发展也暴露出我国电力系统调节能力欠缺、灵活性不足的问题，“三北”地区的弃风、弃光现象日益突出。2015年全年弃风弃光电量接近380亿千瓦时，“三北”部分地区弃风和弃光率超过20%。电力系统灵活性不足成为制约新能源健康发展的重要因素之一。

关键词：煤电灵活性；研究

我国火电机组存量巨大，在未来相当长一段时期仍是我国“三北”地区的主力电源。目前，我国煤电机组调峰潜力并未完全发挥出来，通过对煤电机组进行改造可以释放出巨大的调峰能力。本文围绕煤电灵活性改造的技术路线，重点就热电联产机组的“热电解耦”技术、煤电机组的深度调峰技术、快速增减负荷技术以及快速启停技术进行了调研分析。

1.煤电灵活性提升的技术路线研究

煤电运行灵活性提升主要包含三个方面：

（1）深度调峰能力。受到锅炉稳燃、排放限值等因素的影响，煤电机组运行一般存在最小技术出力的限制，我国纯凝煤机组的最小技术出力一般在40%~50%之间。对于热电联产机组，在供暖期存在一定供热强迫出力，供热负荷越大，供热强迫出力越高，我国北方地区热电联产机组的供热强迫出力一般在60%~70%之间。煤电深度调峰能力改造即是通过相应措施，降低锅炉的最小稳燃负荷，并尽可能缓解低负荷运行带来的效率损失，同时通过“热电解耦”和汽机改造等措施，增加热电机组的热电比和调峰灵活性，降低供热强迫出力。

（2）快速增减负荷能力。我国煤电机组二次调频（AGC调节速率）一般在1%~2%额定功率/分钟之间。为了提高煤电机组的快速增减负荷能力，需要改进煤电机组的滑压控制，优化壁厚原件设计，降低负荷快速变化带来的热应力的影响，同时改进燃烧器和制粉系统，降低燃烧系统的惯性，提升燃烧系统速率变化率。

（3）快速启停能力。快速启停能力需要解决两方面问题，一是启停成本；二是启停时间。单次启停的变动成本主要为燃料消耗（包括燃油、煤炭以及厂用电），启动燃料成本与机组是否进行过节油点火改造关系很大（等离子点火或微油点火），对于节油点火改造后的30万千瓦级机组单次启动的直接成本接不超过10万元。对于启停时间，冷态启动时间一般需要10个小时左右，温态启动一般需要4个小时左右，热态启动一般需要1个小时以上，如果机组已经进行了深度调峰改造和快速增减负荷改造，可以在此基础上进一步见笑启动时长，温态启动时间可降低到2小时以内。

2热电联产机组调峰能力提升中的关键系统

热电机组实现灵活运行有三项关键技术：大型储热技术、汽轮机改造技术以及锅炉低负荷运行技术，一般需要同步实施这三项技术才可取得最佳效果。

2.1大型储热装置

安装储热装置的作用

通过安装储热装置，可以实现热电联产电厂的热出力和电出力的解耦，具体解耦的程度跟储热装置的容量有关。热电解耦后，电厂可以根据市场上的电力需求（电价高低）灵活地调节电出力，并利用储热装置保证热出力的持续供应。

储热装置设计制造中的关键问题

储热装置的设计制造中需重点解决储热能力优化，热损失优化以及防腐蚀等三方面问题。

储热装置的热损失

储热损失可以通过下式计算：

式中，Q为热损失，单位为J/s；

k是损失系数，如果采用50cm矿棉绝热层，k=0.16。

Text为外部环境温度；

Tst为内部平均温度；

V为储热装置体积。

按以上算式计算，一个10000m3的储热罐，如果内部温度为85℃，其损失为136kJ/s。如果运行一周，总的热损失为82GJ，如果储热装置冷热温度分别为50和90℃，总储热量为1675GJ，损失相当于5%。

2.2汽机系统

热电机组汽机改造的核心是增加供热能力和热电比，减小热负荷下的强迫电出力。汽轮机改造的主要包括三种措施。

（1）高压加热器旁路

此种措施不需要进行额外的改造，只需要对运行方式进行改善即可。对于300MW级的热电联产机组，通过此种措施可以减少发电出力20MW。由于给水未经过蒸汽的预加热而进入省煤器，机组的整体效率将会出现一定程度的下降。另外，旁路高压加热器，还可以提高机组的电出力，实现机组的过负荷运行。

（2）对汽机进行（部分）旁路

汽轮机的旁路设计一般为简易旁路，主要在事故状态下和启停过程中使用，一般不能持续性的旁路运行。中国热电联产机组能否通过改造，增加旁路设备的持续运行能力需要进一步调查研究。对于大型热电联产机组，汽机旁路运行的成本是很高的。如果旁路改造难度较大，应优先采用其他措施（例如增加电热锅炉）。

（3）低压缸改造

抽凝式机组仍是我国北方地区热电联产机组的主要类型。抽凝式机组存在强迫出力的主要原因是低压缸需要最小的冷却蒸汽流量，以避免出现“鼓风”工况。由于存在这一技术性限制，汽轮机的输出功率必然高于一定值。

当电力需求较小、热力需求较大时，低压缸从系统中解列；当电力需求较大时、热力需求较小时，再将低压缸投入。

同时，国内有些厂家也正在探索其他类型的低压缸改造方案，例如低压缸光轴技术和低压缸拆装叶片技术，这类技术在冬季供暖期之前需要停机更换低压缸设备，运行灵活性相对较差。而且，低压缸设备更换后，其最大出力将达不到额定出力，总体的调峰区间并未得到提高。

2.3锅炉系统

（1）燃烧系统

改进燃烧系统是提高锅炉灵活性的首选方法，具体方法包括：

1）改变运行中磨煤机的数量可以降低最小出力、获得更大出力范围低出力运行可以减少机组的冷启动。为实现低出力运行，燃烧系统需要发挥作用。传统用于无烟煤的燃烧系统在不增加备用燃烧的情况下允许40%最小出力，通过改进磨煤机和燃烧室工作范围，并只运行4个磨煤机中的2个，可以将最小出力降到25%。

2）安装间接燃烧系统

间接燃烧技术最早在德国实现，可用于改造煤粉燃烧型机组。间接燃烧技术可降低最小锅炉出力，同时提高机组爬坡率。间接燃烧技术在磨煤机与燃烧室之间加装一个煤斗（包括相应的管道和阀门），通过这一装置，瞬时燃烧率不再由磨煤机输出决定，磨煤机出料速度与燃烧室加料速度的解耦，大大降低了燃烧系统的惯性，可以将燃烧速率改变率提高到10%/分钟（传统燃烧系统为2-5%/分钟）。

（2）锅炉内关键部件

1）提高增减负荷速率

如能降低热梯度，则热交换管道与其他耐压容器将能更好承受机组灵活运行过程中快速和大幅度的温度变化。为降低热梯度，可以减小金属厚度。外部蒸汽加热或热储存系统已经在德国燃煤机组中使用，以减小锅炉启动时间。在上海外高三电厂，邻近的相同机组通过蒸汽加热来加速1000MW超超临界锅炉的启动。

先进合金材料可以减小机组耐压部分的厚度，将爬坡率由2-4%/分钟提高到10%/分钟。

2）降低最小技术出力

可以通过多种方法降低锅炉最小出力：对于新锅炉，要注意蒸发器的设计;对于旧锅炉，要对省煤器进行改造。省煤器要工作在正确工况下，保证给水的过冷度以防止汽化。在正确评估的基础上，可确定已有锅炉的最小出力改造措施：第一步，基于热输入、蒸汽温度、烟气温度和稳定性确定当前最小技术出力；第二步，可行性分析，包括各种锅炉元件的建模，以比较不同的备选方法；第三步，根据第二步确定的最佳方案进行工程可行性研究和造价分析。

提高新锅炉最小出力的一个方法是蒸发器使用内部有螺纹的管道，这能在低流速下实现更高的热传输效率。循环泵也能降低直流锅炉在低出力和启动工况下的蒸汽溢出损失。对于汽包锅炉，可通过提高蒸发器流速来改善稳定性。