火電機組靈活性運行技術綜述與展望

張勇

摘要：燃煤火力發電現在及未來相當長一段時間內都將是中國能源系統的重要組成部分，然而隨著全社會用電需求增速放緩以及可再生能源的大規模發展，火電機組利用小時數將會逐年下降，因此提升火電機組運行靈活性，大規模參與電網深度調峰將是大勢所趨。

關鍵詞：火電機組靈活性運行技術;展望

為了大力推進能源結構清潔化改革，風力發電（風電）、太陽能發電裝機容量迅速增長。但新能源具有隨機性、間歇性、不穩定性等特點，其比重增加到一定程度后，必然導致電網調峰困難，加之傳統煤電產能過剩，這就要求現役火電機組提高靈活性以及深度調峰能力，以維持電網穩定。

一、火電機組靈活性運行制約因素

1.調峰能力不足。調峰能力不足是制約火電靈活性運行的關鍵因素。目前，我國純凝機組的實際調峰能力一般為額定容量的50%左右，典型抽凝機組在供熱期的調峰能力僅為額定容量的20%左右。降低機組最小技術出力、增加調峰能力，是緩解現狀的有效途徑。目前行業內確定的目標是：使熱電機組增加20%額定容量的調峰能力，最小技術出力達到40%～50%額定容量;純凝機組增加15%～20%額定容量的調峰能力，最小技術出力達到30%～35%額定容量。部分具備改造條件的電廠預期可以達到國際先進水平，實現機組不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到20%～25%。

2.負荷響應速度遲緩。負荷響應速度遲緩是制約火電機組靈活性運行的潛在因素，但目前相關的認識以及研究尚不深入。對火電機組而言，其能量產生和轉換過程較為復雜，系統換熱設備具有很強的熱惰性，造成指令與響應之間存在較大的時間延遲。目前電網對自動發電控制機組調節速度的考核指標為1.0%～2.0% Pe/min（額定容量/分鐘），期望通過技術改造達到2.5%～3.0% Pe/min。

3.偏離設計工況。我國現役火電機組在設計階段基本均未考慮深度調峰工況，導致運行過程中調峰能力比較差。此外，深度調峰和快速升降負荷時的運行工況嚴重偏離設計工況，深度調峰常態化以后，大量設備運行在非正常工況，對機組安全性、環保性及經濟性的影響不可忽視，需要投入更多的研究工作。

二、火電機組靈活性運行技術

1.火電機組寬負荷高效技術?；痣姍C組寬負荷高效技術是機組在負荷的運行工況下，保持較高的機組熱效率的技術。需要針對主機、輔機、系統等方面進行相關的優化研究工作，根據不同地域的調峰情況，合理確定主輔機的工況設計點，根據機組的工作負荷變化特性，相應開展主輔機設備及輔機系統的優化設計及運行優化研究。其中包括與主機相關的技術，如部分負荷下仍保持較高能效水平的鍋爐和汽輪機相關技術的開發;與系統設計相關的技術，如創新型熱力系統，包括零號高加系統和煙氣余熱回收系統;與輔機配置相關的技術，如高效凝汽器技術;與運行有關的技術，如循環泵優化運行技術等。部分負荷下的高效輔機技術主要在于凝汽器設計優化點的選擇。為了保證凝汽器全負荷工況的最佳換熱性能，需要對凝汽器的管內設計流速、換熱管數量、換熱管長度、整體換熱面積進行合理確定，保證在低負荷低循環水量的情況下，凝汽器管內設計流速在標準允許的范圍內，以確保在50%～100%負荷范圍內凝汽器具有較高的整體換熱性能。

2.機島技術。近十年來，部分新投運的機組可實現帶廠用電運行或停機不停爐運行的功能，但這不是一種標準的運行模式，只是在事故工況下維持機組最低出力的手段，待消除缺陷后會盡快并網。對于大量投運時間較早的亞臨界機組，若要通過改造實現低負荷穩定運行，對汽輪機本體進行改造，滿足汽輪機極低負荷下長期運行的要求;對旁路系統進行改造，確保低負荷下機爐匹配;對汽水系統的管道、閥門和輔機進行疲勞壽命分析;控制系統改造。其中的難點包括汽輪機的控制系統如何實現低負荷穩定運行控制和長期低負荷運行工況下汽輪機部件壽命的分析及預測。

3.機組快速啟停技術。機組快速啟停的要求包括在極熱態和熱態啟動時機組具備從啟動準備到點火、并網以及達到額定負荷或按照調度要求達到一定的負荷的快速響應能力，以及機組兩班制運行的能力。需要在設計、制造和調試階段對機組的主機、系統、輔機、在線監測系統和控制系統等進行通盤考慮。涉及的主要技術方面包括不同類型的汽輪機提高負荷變化速率的技術，如對汽輪機變負荷時的脹差進行分析，優化汽封結構和形式，減少變負荷時的汽封漏汽;評估變負荷工況下脹差頻繁變化對機組運行的影響，優化汽輪機的通流結構和間隙。在現有的汽輪機調頻技術條件下，通過改進熱力系統和控制模式，優化現有的凝結水節流調頻技術，并開發出兼顧節能和快速響應的調頻技術，例如給水調頻技術、抽汽調頻技術。開發汽輪機熱力系統的蓄能技術，如回熱系統蓄能技術、汽輪機背壓蓄能技術，用于在機組快速變負荷過程中補償系統能量。開發鄰機回熱技術等純凝機組與抽凝機組的聯合調度技術，充分利用兩類機組各自的特點，優勢互補，并開發新型供熱機組的調頻技術。適應機組負荷快速變動及兩班制運行的控制技術。在線監測及故障檢測專家系統技術。每臺機組可根據實際情況和電網要求，有選擇地采用上述技術并加以組合。其中，對主機設備和控制系統的改進，以及機組關鍵設備及部件的壽命監測及預測是其中的難點。提高煤電機組運行靈活性技術是一項綜合性技術，包括了主輔機設備設計制造、儲熱設備及材料的設計制造、發電廠熱力系統的優化改進、控制系統的改進、發電廠運行方式的優化、在線監測報警等從設備到運行的各個方面?？蛇x擇在我國具有廣泛應用的300～660 Mw等級的亞臨界、超臨界純凝機組作為對象，研究機組最低負荷不投運穩定運行技術、機組快速變負荷技術和機組快速啟停技術。

三、下一步展望

機組深度調峰運行常態化以后，需要對各子系統進行深入研究，確定設備的最佳工作方式，如有必要還須進行設備升級改造。為持續深入推動和展開火電機組靈活性運行工作，必須研究開發新型技術和設備，譬如快速啟停技術、高溫熔融鹽儲熱技術、電池儲能技術和寬負荷燃燒器等，同時研究如何降低現有技術的投資成本和維護費用。對于具有多臺機組的電廠而言，實現整體經濟最大化是運行層面的核心問題，因此有必要進行全廠靈活性運行決策系統的研發。該系統應具有以下功能，確定不同工況下機組靈活性運行時的實際性能，計算分析不同機組的發電成本，根據全廠負荷、運行臺數和調峰需求進行多變量耦合計算，在保障安全及環保前提下，以代價最小、收益最大為約束條件，制定全廠機組靈活性調度策略。政府主導對既有火電廠的技術改造投資：對已經建成的火電機組，在嚴格的技術經濟評價之后進行靈活性改造，利用已有熱存儲容量實現機組供熱和發電的脫鉤，采用全蒸汽機組旁路和燃料的摻燒、混燒等技術等，改造更加注重提高效率和降低維護成本;根據當地的實際地理情況和需求水平適當地新建抽水蓄能電站、燃氣電站和小型火電站等調峰電源和分布式儲能設施。

本文對提升火電機組運行靈活性改造的技術方案進行了研究，針對國家對于火電機組運行靈活性的相關要求，從技術路線及方案適用范圍等方面對提升火電機組靈活性改造的技術方案進行了較為詳細的分析與研究。

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（作者單位：通遼霍林河坑口發電有限責任公司）