燃煤热电联产机组灵活性改造适应深度调峰市场技术探讨

陈阳

摘要：新能源发电技术具有节能和环保的优势，但风能和太阳能具有间歇性发电、电力供应稳定性差，引发电网负荷的频繁波动，在其迅猛发展的同时，热电联产机组持续增长，供热和供电的矛盾突出，供热期调峰困难加剧，使得电网调峰压力持续增大，新能源消纳形势日趋严峻。本文主要探讨燃煤热电联产机组灵活性改造适应深度调峰市场技术，合理进行方案选择。

关键词：新能源发电燃煤热电联产机组热电解耦深度调峰灵活性改造技术

Abstract： New energy power generation technology has the advantages of energy saving and environmental protection.However， wind and solar energy have intermittent power generation and poor power supply stability， resulting in frequent fluctuations in grid load.  At the same time as their rapid development， cogeneration units continue to grow and heat supply The contradiction with power supply is prominent， and the difficulty of peak shaving during the heating period has intensified， causing the pressure of peak shaving of the power grid to continue to increase， and the situation of new energy consumption is becoming increasingly severe. Now we mainly discuss the flexible transformation of coal-fired cogeneration unit to adapt to the deep peak shaving market technology， and make reasonable plan selection.

Key Words： New energy power generation; Coal-fired cogeneration unit; Thermoelectric  coupling; Deep peak shaving; Flexible transformation technology

作為十四五开局之年，“3060目标”加速进行。我国碳排放结构中，火电是减碳的主要领域。在电力能源结构中，我国仍以火电为主，基于我国节能减排政策的引导，我国可再生能源的开发利用仍有很大的空间，随着新能源发电在我国电力能源结构中的占比日趋加大，煤炭消费压减和清洁能源利用比重提高将成为长期发展态势。新能源成为电力供应主体必将成为电力市场核心特征。

新能源发电技术具有节能和环保的优势，但风能和太阳能具有间歇性发电、电力供应稳定性差，引发电网负荷的频繁波动，风电和光伏的消纳形势日趋严峻，已出现严重的弃风、弃光现象，新能源发电入网占比严重偏低【1】。同时，热电联产机组持续增长，供热和供电的矛盾突出，供热期调峰困难加剧，使得电网调峰压力持续增大，这对电网中的发电主力燃煤电厂中的热电联产机组调峰能力提出了新的要求及考验。

针对燃煤热电联产机组的特点，合理进行灵活性改造适应深度调峰市场技术选择是本文着重探讨的。

1 燃煤热电联产机组开展灵活性改造的必要性及其意义

根据我国电力发展规划，到2030年，可再生的风电和太阳能发电的总装机容量将达到12亿瓦以上，根据预测，2050年的非化石能源发电量的比重提高至90%，从装机容量上看，将成为我国最主要的电源。

在可再生能源发展迅猛的形势下，基于清洁能源间歇性发电的特点，电力系统可调节能力需求剧增。常规火电机组除提供稳定电力供应功能外，还需承担整体电力系统的调峰义务。热电联产将持续增长，供热期调峰困难加剧，燃煤热电联产机组调峰已成必然。

火电机组主要分为两大类，一类为纯凝机组;一类为供热机组。对纯凝机组来讲，机组的调峰能力主要受设备及系统配置的影响，如锅炉低负荷稳燃、低负荷下氮氧化物的减排、尾部烟道设备的安全运行、空冷冬季防冻、机组在低负荷长周期的安全运行等问题;对供热机组来讲，机组的调峰能力除以上影响因素外，由于机组设计能力的限制，冬季通常采用以热定电的耦合运行，调峰能力受到热负荷的制约【2】;同时各类火电机组在长时间的低发电率下，机组的煤耗较大，经济性下降。热电联产机组在现有设备及系统配置下，其调峰能力总体受供热影响的压力最为突出，提高机组的热电解耦能力迫在眉睫。

2 供热机组热电解耦改造技术

提高供热机组热电解耦能力主要任务是在保证机组供热能力的基础上，采用合理的技术手段，实现机组发电负荷的宽幅调整，削弱机组固有的热电耦合特性，同时满足电网侧AGC响应能力。

提高机组热电解耦能力的主要技术手段包括降低低压缸出力、降低高中压缸出力、直接降低上网出力及储热调峰技术【3】。下面分别对四种技术进行阐述。

3 降低低压缸出力技术

降低低压缸出力技术也可称为低压缸微出力或零出力技术。传统供热机组的供热抽汽选自中排抽汽，所以通过减少低压缸进汽量（可通过原中低压联通阀或增设小流量冷却旁路系统），进而在保证中排抽汽供热量基础上，进而实现低压缸微（或零）出力运行工况。

该技术路线需围绕合理避开末叶颤振区，延缓发生蒸汽脱流及鼓风工况的概率，避免水蚀现象发生，提高低压缸末两级工作安全性等因素开展针对性工作，同时配合冷端匹配优化，达到安全经济运行。

采用降低低压缸出力技术能搞提高机组的供热能力、电调峰能力和供热经济性，机组供热期运行范围大幅增加。以300MW级供热机组为例：在相同主蒸汽流量下机组供热抽汽能力可增加约100t/h，供热负荷增加约66MW，按照综合供热指标55W/㎡考虑，约可满足新增120万㎡的供热需求，电调峰能力克增加约20MW，负荷率克降低约7%;在相同供热量下，电调峰能力可增加约50MW，负荷率可降低约17%。对于中低压连通管蝶阀因各类原因不能进一步降低流量的机组尤其适用，负荷率可降低约20%以上。

4 降低高中压缸出力技术

降低高中压缸出力技术也可称为旁路供热技术。该技术将品质较高的蒸汽（例如主、再热蒸汽等）减温减压后从汽轮机高低压旁路抽出用于供热，减少蒸汽在汽轮机的做功，从而使机组的供热能力提高，深度调峰能力增强【4】。旁路供热受机本体轴侧平衡推力、末级叶片强度的影响较大，现有的改造技术包括以下几项，不同技术方案的对比详见表1。

（1）再热蒸汽供热技术，该技术汽源引自再热蒸汽管道，减温减压后用于供热。

（2）主汽直接抽汽技术，该技术从主蒸汽管道开孔取汽，通过减温减压后用于供热系统。

（3）高低压旁路耦合供热技术，该技术通过高旁短路部分主蒸汽至高压缸排汽系统，然后通过再热热段管路打孔抽汽，并通过减温减压后用于供热。

高低压旁路耦合供热技术将锅炉主蒸汽、再热蒸汽耦合后通过减温减压直接用于热网供热，弥补机组在深度调峰运行时供热抽汽量短缺的问题，实现供热机组的热电解耦【5】。该技术在实际应用过程中，核心是匹配高压旁路蒸汽流量与低压旁路蒸汽流量的耦合控制，为防止汽轮机高压缸侧抽汽压力降低引发的叶片自称受强度超限和管道抽汽流速超限的现象，必要时中压进汽调节阀需参与调整。

旁路供热改造适用于各类型机组。目前汽轮机组一般配备有40%BMCR容量高压、低压耳机串联旁路系统，如果供热需求量大，可考虑对高低旁路进行扩容改造或新建减温减压站。以350MW超临界供热机组为例，在原有高低旁配置條件下，在额定进汽量时，高低压旁路联合供热方式下，汽轮机最大抽汽流量约为680t/h，供热负荷约485MW，按照综合供热指标55W/㎡考虑，可满足约为880万㎡的供热需求，一般可以在满足供热情况下机组电负荷最低可调整至约140MW，即负荷率可降至40%;旁路扩容后可降至约70MW，即负荷率可降至20%。

该改造方案简洁易行，投资较小，可达到“停机不停炉”的效果;缺点是机组供热经济性差，如不对旁路进行改造则在长期运行后易造成旁路阀门密封不严，影响正常运行时的经济性。

5 直接降低上网出力技术

直接降低上网出力技术应用较为成熟的为电锅炉供热技术，通过从升压站母线引接电源，以电能为动力对水进行加热，产生满足要求的热水源和蒸汽源，实现电能对热能的转换，从而降低上网电量。常见分为蓄热型电锅炉和直热型电锅炉。电锅炉直接使用6⁓20kV的三相高压电对水进行加热，根据功率大小选择工作电压，一般采用10kV工作电压，热水锅炉可提供180℃的热水，功率一般40MW左右，蒸汽锅炉可提供200℃左右蒸汽，功率一般70MW左右。电锅炉工作采用厂用电，运行时保证机组供热能力的同事减少供热机组的上网功率，实现风火替代。

电锅炉供热适用于各类型机组，其调峰能力可按需求确定容量。以350MW超临界机组为例，如需将电负荷降至40%以下，一般需配备约60MW的电锅炉，当容量为300MW，机组可实现近零负荷上网运行，按照综合供热指标55W/㎡考虑，可满足约为550万㎡的供热需求。

电锅炉用电负载大，在投退时会对电网有一定的影响，改造时需在发电机出线处增设专用的变电设施，并需对相关线路电压、频率等进行核算，当电锅炉容量满足机组近零负荷上网时，需做好相关技术配合措施。

该改造方案热电解耦能力强，但投资及能耗较高，电厂在进行改造时应根据实际情况和远期供热需求合理确定电锅炉的容量，同时进行机组运行方式优化，避免投资浪费或容量不足的问题。

6 储热调峰技术

储热调峰技术是通过储热装置存储热量，弥补机组深度调峰时抽汽短缺，从而间接实现热电解耦。常见的储热方式为水储热、熔盐储热【6】、固体储热等，原理基本一致。

以水储热为例，将热介质存储在储罐的上方，冷介质在储罐的下部，依靠密度差，热介质始终保持在上部，冷介质始终保持在下部，中间形成一段温度梯度层/斜温层。机组在用电负荷高供暖负荷低的白天增加供热抽汽加热热网循环水并存储在储热罐中，在夜间低负荷运行时由储能系统弥补高供热负荷需求，从而达到调峰目的。

储热供热改造适用于各类型机组，但要求机组供热能力有一定富裕，白天用电负荷偏高，而供热负荷较低，同时夜间运行工况相反，即电热负荷均需“峰谷差”。

该改造方案运行灵活，但要求有较大的厂地来设置储罐;同时要求机组供热能力有一定的富裕程度，电/热负荷要有明显的“峰谷差”，在进行改造时应根据实际情况和远期供热需求合理确定储罐的容量。

7 供热机组热电解耦改造技术对比

通过上述描述，各改造路线对比如下表2。

8 结论

燃煤热电联产机组适应深度调峰市场是提高企业市场竞争力的必经之路。发电企业需首选的灵活性方案是不上任何附加投资的设备和措施的基础上，挖掘机组本身的深度调峰能力。进而从机组实际运行特性出发，充分结合机组具体情况、所需调峰幅度、供热需求、政策影响等因素合理选择灵活性改造方案才是企业实现提效创收的最佳选择。

参考文献

[1]潘尔生，田雪沁，徐彤，等.火电灵活性改造的现状、关键问题与发展前景[J].电力建设，2020，41（9）：58-68.

[2]陈晓利，宋浩，高继录，等.供热机组多模式深度调峰协同运行技术研究[J].汽轮机技术.2021，63（2）：151-153.

[3]李志强，陈晓利，高继录，等.350MW火电机组热电解耦深度调峰技术研究[J].汽轮机技术.2020，62（5）：389-392.

[4]郑飞，陈晓利，高继录，等.抽汽供热机组深度调峰灵活性改造技术研究[J].汽轮机技术.2021，63（2）：144-146，150.

[5] 刘畅，耿林霄，王珩，等.高低旁路联合供热改造控制策略研究[J].热力发电.2020，49（11）：126-132.

[6]张显荣，徐玉杰，杨立军，等.多类型火电-储热耦合系统性能分析与比较[J].储能科学与技术.2021，10（5）：156-157.