火電機(jī)組靈活性運(yùn)行技術(shù)綜述與展望

張勇

摘要：燃煤火力發(fā)電現(xiàn)在及未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都將是中國(guó)能源系統(tǒng)的重要組成部分，然而隨著全社會(huì)用電需求增速放緩以及可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)將會(huì)逐年下降，因此提升火電機(jī)組運(yùn)行靈活性，大規(guī)模參與電網(wǎng)深度調(diào)峰將是大勢(shì)所趨。

關(guān)鍵詞：火電機(jī)組靈活性運(yùn)行技術(shù);展望

為了大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)清潔化改革，風(fēng)力發(fā)電（風(fēng)電）、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量迅速增長(zhǎng)。但新能源具有隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其比重增加到一定程度后，必然導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)峰困難，加之傳統(tǒng)煤電產(chǎn)能過剩，這就要求現(xiàn)役火電機(jī)組提高靈活性以及深度調(diào)峰能力，以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。

一、火電機(jī)組靈活性運(yùn)行制約因素

1.調(diào)峰能力不足。調(diào)峰能力不足是制約火電靈活性運(yùn)行的關(guān)鍵因素。目前，我國(guó)純凝機(jī)組的實(shí)際調(diào)峰能力一般為額定容量的50%左右，典型抽凝機(jī)組在供熱期的調(diào)峰能力僅為額定容量的20%左右。降低機(jī)組最小技術(shù)出力、增加調(diào)峰能力，是緩解現(xiàn)狀的有效途徑。目前行業(yè)內(nèi)確定的目標(biāo)是：使熱電機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到40%～50%額定容量;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。部分具備改造條件的電廠預(yù)期可以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到20%～25%。

2.負(fù)荷響應(yīng)速度遲緩。負(fù)荷響應(yīng)速度遲緩是制約火電機(jī)組靈活性運(yùn)行的潛在因素，但目前相關(guān)的認(rèn)識(shí)以及研究尚不深入。對(duì)火電機(jī)組而言，其能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換過程較為復(fù)雜，系統(tǒng)換熱設(shè)備具有很強(qiáng)的熱惰性，造成指令與響應(yīng)之間存在較大的時(shí)間延遲。目前電網(wǎng)對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制機(jī)組調(diào)節(jié)速度的考核指標(biāo)為1.0%～2.0% Pe/min（額定容量/分鐘），期望通過技術(shù)改造達(dá)到2.5%～3.0% Pe/min。

3.偏離設(shè)計(jì)工況。我國(guó)現(xiàn)役火電機(jī)組在設(shè)計(jì)階段基本均未考慮深度調(diào)峰工況，導(dǎo)致運(yùn)行過程中調(diào)峰能力比較差。此外，深度調(diào)峰和快速升降負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，深度調(diào)峰常態(tài)化以后，大量設(shè)備運(yùn)行在非正常工況，對(duì)機(jī)組安全性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性的影響不可忽視，需要投入更多的研究工作。

二、火電機(jī)組靈活性運(yùn)行技術(shù)

1.火電機(jī)組寬負(fù)荷高效技術(shù)?；痣姍C(jī)組寬負(fù)荷高效技術(shù)是機(jī)組在負(fù)荷的運(yùn)行工況下，保持較高的機(jī)組熱效率的技術(shù)。需要針對(duì)主機(jī)、輔機(jī)、系統(tǒng)等方面進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化研究工作，根據(jù)不同地域的調(diào)峰情況，合理確定主輔機(jī)的工況設(shè)計(jì)點(diǎn)，根據(jù)機(jī)組的工作負(fù)荷變化特性，相應(yīng)開展主輔機(jī)設(shè)備及輔機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行優(yōu)化研究。其中包括與主機(jī)相關(guān)的技術(shù)，如部分負(fù)荷下仍保持較高能效水平的鍋爐和汽輪機(jī)相關(guān)技術(shù)的開發(fā);與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)，如創(chuàng)新型熱力系統(tǒng)，包括零號(hào)高加系統(tǒng)和煙氣余熱回收系統(tǒng);與輔機(jī)配置相關(guān)的技術(shù)，如高效凝汽器技術(shù);與運(yùn)行有關(guān)的技術(shù)，如循環(huán)泵優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)等。部分負(fù)荷下的高效輔機(jī)技術(shù)主要在于凝汽器設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)的選擇。為了保證凝汽器全負(fù)荷工況的最佳換熱性能，需要對(duì)凝汽器的管內(nèi)設(shè)計(jì)流速、換熱管數(shù)量、換熱管長(zhǎng)度、整體換熱面積進(jìn)行合理確定，保證在低負(fù)荷低循環(huán)水量的情況下，凝汽器管內(nèi)設(shè)計(jì)流速在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，以確保在50%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)凝汽器具有較高的整體換熱性能。

2.機(jī)島技術(shù)。近十年來，部分新投運(yùn)的機(jī)組可實(shí)現(xiàn)帶廠用電運(yùn)行或停機(jī)不停爐運(yùn)行的功能，但這不是一種標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行模式，只是在事故工況下維持機(jī)組最低出力的手段，待消除缺陷后會(huì)盡快并網(wǎng)。對(duì)于大量投運(yùn)時(shí)間較早的亞臨界機(jī)組，若要通過改造實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)汽輪機(jī)本體進(jìn)行改造，滿足汽輪機(jī)極低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行的要求;對(duì)旁路系統(tǒng)進(jìn)行改造，確保低負(fù)荷下機(jī)爐匹配;對(duì)汽水系統(tǒng)的管道、閥門和輔機(jī)進(jìn)行疲勞壽命分析;控制系統(tǒng)改造。其中的難點(diǎn)包括汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行控制和長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行工況下汽輪機(jī)部件壽命的分析及預(yù)測(cè)。

3.機(jī)組快速啟停技術(shù)。機(jī)組快速啟停的要求包括在極熱態(tài)和熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)機(jī)組具備從啟動(dòng)準(zhǔn)備到點(diǎn)火、并網(wǎng)以及達(dá)到額定負(fù)荷或按照調(diào)度要求達(dá)到一定的負(fù)荷的快速響應(yīng)能力，以及機(jī)組兩班制運(yùn)行的能力。需要在設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試階段對(duì)機(jī)組的主機(jī)、系統(tǒng)、輔機(jī)、在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等進(jìn)行通盤考慮。涉及的主要技術(shù)方面包括不同類型的汽輪機(jī)提高負(fù)荷變化速率的技術(shù)，如對(duì)汽輪機(jī)變負(fù)荷時(shí)的脹差進(jìn)行分析，優(yōu)化汽封結(jié)構(gòu)和形式，減少變負(fù)荷時(shí)的汽封漏汽;評(píng)估變負(fù)荷工況下脹差頻繁變化對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響，優(yōu)化汽輪機(jī)的通流結(jié)構(gòu)和間隙。在現(xiàn)有的汽輪機(jī)調(diào)頻技術(shù)條件下，通過改進(jìn)熱力系統(tǒng)和控制模式，優(yōu)化現(xiàn)有的凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻技術(shù)，并開發(fā)出兼顧節(jié)能和快速響應(yīng)的調(diào)頻技術(shù)，例如給水調(diào)頻技術(shù)、抽汽調(diào)頻技術(shù)。開發(fā)汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)的蓄能技術(shù)，如回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能技術(shù)、汽輪機(jī)背壓蓄能技術(shù)，用于在機(jī)組快速變負(fù)荷過程中補(bǔ)償系統(tǒng)能量。開發(fā)鄰機(jī)回?zé)峒夹g(shù)等純凝機(jī)組與抽凝機(jī)組的聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，充分利用兩類機(jī)組各自的特點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并開發(fā)新型供熱機(jī)組的調(diào)頻技術(shù)。適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷快速變動(dòng)及兩班制運(yùn)行的控制技術(shù)。在線監(jiān)測(cè)及故障檢測(cè)專家系統(tǒng)技術(shù)。每臺(tái)機(jī)組可根據(jù)實(shí)際情況和電網(wǎng)要求，有選擇地采用上述技術(shù)并加以組合。其中，對(duì)主機(jī)設(shè)備和控制系統(tǒng)的改進(jìn)，以及機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備及部件的壽命監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)是其中的難點(diǎn)。提高煤電機(jī)組運(yùn)行靈活性技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，包括了主輔機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)制造、儲(chǔ)熱設(shè)備及材料的設(shè)計(jì)制造、發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)、控制系統(tǒng)的改進(jìn)、發(fā)電廠運(yùn)行方式的優(yōu)化、在線監(jiān)測(cè)報(bào)警等從設(shè)備到運(yùn)行的各個(gè)方面?？蛇x擇在我國(guó)具有廣泛應(yīng)用的300～660 Mw等級(jí)的亞臨界、超臨界純凝機(jī)組作為對(duì)象，研究機(jī)組最低負(fù)荷不投運(yùn)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)、機(jī)組快速變負(fù)荷技術(shù)和機(jī)組快速啟停技術(shù)。

三、下一步展望

機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行常態(tài)化以后，需要對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，確定設(shè)備的最佳工作方式，如有必要還須進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造。為持續(xù)深入推動(dòng)和展開火電機(jī)組靈活性運(yùn)行工作，必須研究開發(fā)新型技術(shù)和設(shè)備，譬如快速啟停技術(shù)、高溫熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)、電池儲(chǔ)能技術(shù)和寬負(fù)荷燃燒器等，同時(shí)研究如何降低現(xiàn)有技術(shù)的投資成本和維護(hù)費(fèi)用。對(duì)于具有多臺(tái)機(jī)組的電廠而言，實(shí)現(xiàn)整體經(jīng)濟(jì)最大化是運(yùn)行層面的核心問題，因此有必要進(jìn)行全廠靈活性運(yùn)行決策系統(tǒng)的研發(fā)。該系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能，確定不同工況下機(jī)組靈活性運(yùn)行時(shí)的實(shí)際性能，計(jì)算分析不同機(jī)組的發(fā)電成本，根據(jù)全廠負(fù)荷、運(yùn)行臺(tái)數(shù)和調(diào)峰需求進(jìn)行多變量耦合計(jì)算，在保障安全及環(huán)保前提下，以代價(jià)最小、收益最大為約束條件，制定全廠機(jī)組靈活性調(diào)度策略。政府主導(dǎo)對(duì)既有火電廠的技術(shù)改造投資：對(duì)已經(jīng)建成的火電機(jī)組，在嚴(yán)格的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)之后進(jìn)行靈活性改造，利用已有熱存儲(chǔ)容量實(shí)現(xiàn)機(jī)組供熱和發(fā)電的脫鉤，采用全蒸汽機(jī)組旁路和燃料的摻燒、混燒等技術(shù)等，改造更加注重提高效率和降低維護(hù)成本;根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地理情況和需求水平適當(dāng)?shù)匦陆ǔ樗钅茈娬尽⑷細(xì)怆娬竞托⌒突痣娬镜日{(diào)峰電源和分布式儲(chǔ)能設(shè)施。

本文對(duì)提升火電機(jī)組運(yùn)行靈活性改造的技術(shù)方案進(jìn)行了研究，針對(duì)國(guó)家對(duì)于火電機(jī)組運(yùn)行靈活性的相關(guān)要求，從技術(shù)路線及方案適用范圍等方面對(duì)提升火電機(jī)組靈活性改造的技術(shù)方案進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析與研究。

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（作者單位：通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司）