山西省調供熱機組調峰能力綜述

王雪峰，張 暢，王 進

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.山西電力交易中心有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

根據2014年國務院辦公廳頒布的《能源發展戰略行動計劃（2014—2020年）》，到2020年非化石能源占一次能源消費比例應達到15%，為此，我國清潔能源將繼續保持快速發展態勢，而以煤為主的能源資源條件決定了我國以煤電為主的電源裝機結構在相當長時期內不會發生根本改變，未來隨著水電、核電、風電、太陽能等清潔能源的快速發展，煤電在我國電源裝機中的比重將不斷下降。同時清潔能源的消納必須要克服其隨機波動的缺點，這就需要電網必須配套足夠的調峰調頻容量，以保證電網靈活調度和安全穩定運行[1-2]。

近年來山西電網的風電、光伏等新能源裝機容量發展迅速。截止2017年11月底，山西電網直調裝機容量約6 500萬kW。其中，火電約5 000萬kW，占裝機容量的76.32%；風電約850萬kW，占裝機容量的12.97%；光伏450萬kW，占裝機容量的6.87%[3]。風電、光伏發電產業已經成為僅次于火電的第二、第三大電源；但由于山西省具有富煤、缺水、供暖需求大的特點，調峰能力差的空冷供熱機組占相當大的比重，在冬季供暖期間民生供熱、新能源消納、電力供需的矛盾較為突出。發電機組運行方式明顯呈現“供熱期供熱機組運行（部分供熱機組及全部非供熱機組停運）、其他時段非供熱機組運行（部分非供熱機組及全部供熱機組停運）”的態勢[4]。為貫徹國家新能源優先發電政策，實現大規模、高比例新能源消納，山西電網面臨調峰運行的難題[5-8]。

1 山西省調供熱機組現狀

近年來，山西省各地區持續推進“清潔取暖、集中供熱”工作，各地市供熱面積不斷擴大，改造及新投供熱機組容量逐年增加，截止2017年11月底，山西電網直調大型供熱機組共計52個電廠，124臺機組（其中燃煤機組115臺，燃氣機組9臺），容量合計3 271.3萬kW，約占省調火電裝機容量的65.4%。其中600 MW等級的機組9臺，容量為5 400 MW；500 MW等級的機組2臺，容量為1 000 MW；300 MW等級的機組66臺，容量為20 700 MW（含火電機組60臺，燃氣機組6臺）；200 MW等級的機組11臺，容量為2 270 MW；135 MW等級的機組17臺，容量為2 325 MW；100 MW等級的機組2臺，容量為200 MW；50 MW等級的機組17臺，容量為818 MW。

2 供熱機組熱力系統型式

目前，山西電網各電廠供熱機組的熱力系統組成包括以下3個類別：機組原設計的傳統供熱系統、純凝機組改造為供熱機組供熱系統、供熱節能改造后的熱力系統。

2.1 傳統供熱系統

從汽輪機中間抽汽對外供熱的汽輪機稱為抽汽式汽輪機。這類型機組分低壓調節抽汽汽輪機（單抽式供熱汽輪機）和高、低壓可調節抽汽汽輪機（通稱為雙抽式供熱汽輪機）兩種型式。

2.1.1 低壓調節抽汽系統

常用的采暖、通風和生活用熱水供應熱負荷采用該抽汽系統。在汽輪機通流部分中增設可調整的旋轉隔板或在中、低連通管上增設蝶閥，通過調整旋轉隔板或蝶閥開度來控制抽汽壓力和抽汽流量，如大唐臨汾300 MW機組、昔陽安平150 MW機組等。

2.1.2 高、低壓雙抽汽式供熱系統

可同時滿足工業用蒸汽和采暖用熱水的需要，在汽輪機通流部分中增設兩級可調整的旋轉隔板或一級可調整的旋轉隔板并在中、低連通管上增設蝶閥，通過調整旋轉隔板或蝶閥開度來控制抽汽壓力和抽汽流量。這兩段可調整抽汽流量在一定范圍內不隨汽輪機的負荷而變化，用以保證供熱的需要而不受發電量的制約，如太原二電廠12、13號機330 MW機組。

2.2 常規供熱改造系統

2.2.1 改造為中間抽汽供熱系統

在汽輪機通流部分中增設可調整的旋轉隔板或在中、低連通管上增設蝶閥。供熱期通過調整旋轉隔板或蝶閥開度來控制抽汽壓力和抽汽流量。抽出部分蒸汽經汽—水加熱器加熱熱網循環水供熱；非采暖期，旋轉隔板或蝶閥大開，按純凝機組運行發電。因抽汽壓力較高，熱網循環水的供水溫度高，基本不用配置尖峰加熱器，如神二500 MW機組、兆光300 MW機組等。

2.2.2 采用輔汽系統的供熱系統

采用該系統供熱的汽源取自機組的輔汽系統，供熱抽汽量由進入汽輪機的蒸汽量來決定，而供熱抽汽量又取決于熱用戶負荷的大小，因此機組的最低負荷受熱負荷的限制。采用該供熱方式的供熱面積一般都偏小，不適用大型的集中供熱系統，如武鄉600 MW機組、昱光300 MW機組。

2.2.3 采用主汽減溫減壓系統的供熱系統

采用該系統供熱的汽源來自機組的主汽減溫減壓系統，運行經濟性較差。采用該供熱方式的供熱面積一般都偏小，不適用高參數、大容量機組，如永皓50 MW機組。

2.3 采用新型技術改造的供熱系統

2.3.1 直接空冷機組高背壓直接供熱系統

在供熱期利用空冷機組可以高背壓運行的技術特點實現直接供熱，排汽直接加熱熱網循環水，實現了蒸汽熱量的大部和全部利用，變蒸汽廢熱為供熱熱量，汽輪機的冷源損失大幅減少，但在低負荷、高背壓工況下可能出現低壓缸排汽過熱現象。目前進行該技術的機組較多，如國電榆次1號機330 MW機組、瑞光2臺300 MW機組等。

2.3.2 采用吸收式熱泵的供熱系統

包括直接空冷機組采用常規溫差的熱泵改造技術、直接空冷機組采用大溫差的熱泵改造技術、濕冷機組采用常規的熱泵改造技術。如河曲2臺600 MW機組、晉能長治熱電2臺330 MW機組等。

2.3.3 機組高背壓改造直接供熱系統

2.3.3.1 低壓轉子高背壓改造

高背壓改造后實現乏汽直接供熱加熱熱網循環水，實現了蒸汽熱量的大部和全部利用，變蒸汽廢熱為供熱熱量，汽輪機的冷源損失大幅減少。如陽光4號機320 MW機組、興能1、2號機300 MW機組、關鋁1號機200 MW機組等。

2.3.3.2 低壓轉子光軸改造

改造后實現中壓缸排汽直接供熱加熱熱網循環水，實現了蒸汽熱量的全部利用，汽輪機無冷源損失，如廣宇2號機135 MW機組等。

3 供熱機組調峰能力的限制條件

在進行供熱機組調峰性能分析計算時，影響機組最大、最小負荷的限制條件主要如下。

a）進入汽輪機的最大蒸汽流量不超出鍋爐最大蒸發量，一般取其最大連續出力工況下的主蒸汽流量。

b）進入汽輪機的最小蒸汽流量不低于鍋爐最低穩燃的蒸發量。

c）進入低壓缸的蒸汽流量不低于廠家的設計冷卻蒸汽流量，保證有足夠的蒸汽帶走低壓缸產生的鼓風損失。

d）機組供熱蒸汽參數達到供熱要求。

e）機組供熱抽汽口前與供熱抽汽口之間級段壓差不超過允許極限。

f）機組功率不低于為滿足中壓缸排汽溫度不超過規定限值而設定的最小功率。

g）空冷島冬季運行時為了防凍，有最小排汽量限制。

h）考慮主機實際運行經濟性差、熱耗率高以及運行安全穩定等因素。

4 影響調峰能力的主要因素

電網安全穩定運行的必要條件是有充足的調峰能力，目前山西電網直調供熱機組在冬季供熱期間只具有20～30%的調峰裕度，受風電隨機性的影響，電網的調峰能力嚴重不足，以下對供熱機組影響山西電網調峰能力的主要因素進行深入分析。

4.1 中低壓連通管蝶閥的調節問題

不論是設計抽汽供熱還是改造抽汽供熱機組，一般都是通過中低壓連通管上的蝶閥與抽汽調整閥門來協調控制抽汽參數和流量，從而當電功率一定時，抽汽流量可在一定范圍內調整，當供熱量一定時，發電出力可在一定范圍內調整。但省內相當部分機組由于存在卡澀現象或運行顧慮的原因，機組中低壓連通管蝶閥開度在30%左右，導致供熱抽汽壓力維持下限運行，在抽汽量較大時機組負荷下限調節幅度嚴重不足，或者在負荷較低時抽汽能力嚴重不足，對機組的調峰性能影響很大，建議相關的熱電企業通過檢修手段和調整試驗保證中低壓連通管蝶閥的靈活調節。

4.2 直接空冷系統最小防凍流量的影響

當供熱量保持不變時，直接空冷系統最小防凍流量升高，機組最大負荷將不變，而最小負荷將升高，機組可調峰范圍減小。尤其對于乏汽余熱利用供熱機組在供熱期間存在汽輪機排汽可能部分或全部回收利用的情況，導致空冷島少進或不進乏汽的情況。因此，直接空冷供熱機組應加強空冷系統隔離、防凍監測的預控措施，并對空冷系統進汽蝶閥、凝結水閥、抽空氣閥的運行方式進行合理優化，在供熱期間采取關閉部分空冷蝶閥的方法減小空冷系統最小防凍流量，從而達到提高機組調峰性能的目的。

4.3 高背壓運行供熱機組的影響

近年來，山西省內相當一部分直接空冷抽汽供熱機組開展了乏汽余熱利用改造工作，通過加裝乏汽凝汽器，提高運行背壓達到利用部分或全部乏汽潛熱的目的。在供熱高峰期，當供水溫度要求較高時，除利用汽輪機部分或全部排汽通過熱網凝汽器加熱循環水作為基本加熱手段外，還利用原抽汽供熱系統，提供部分抽汽作為尖峰加熱手段，繼續加熱循環水，從而達到外網要求的供水溫度，改善了機組的供熱能力與經濟性能[9]。一般來說，高背壓運行供熱方式適用于熱網返回水溫度較低、熱網水量大、供熱量大的供熱系統。但低壓缸在小流量、高背壓工況下可能出現過熱的問題，導致機組最小負荷受限，調峰性能下降。主要原因是末級葉片在小流量、高背壓工況下出現了脫流現象，相關研究表明在同一質量流量工況下，隨著背壓的升高，末級動葉上的脫流越來越嚴重；同一背壓下，級內流量越小，脫流區域越大[10]。此時應注意不宜將運行背壓升至過高，可通過增加抽汽量滿足供熱需求，必要時需對末級葉片進行改造。此外高背壓運行機組的供熱特性與熱網運行參數存在較復雜的耦合關系，在機組進行高背壓改造前需進行適用性研究，深入掌握熱網的實際運行特性，避免盲目進行改造。

4.4 非調整抽汽的影響

山西省內部分發電企業進行供熱改造時熱泵驅動汽源、加熱汽源、熱網汽動循環水泵汽源等采用了非調整抽汽或輔汽，其抽汽壓力和抽汽量主要受到汽輪機總進汽量的影響，調節能力較差，當電負荷較高時，進汽量升高，抽汽口壓力也上升，抽汽量自然就增加；當電負荷減少時，進汽量下降，抽汽口壓力也下降，抽汽量自然也下降[1 1]。因此，在低負荷時抽汽壓力和抽汽量不能滿足需求，對機組的調峰能力影響很大，建議相關的熱電企業進行相應的技術改造增加設備用汽源。

4.5 背壓運行供熱機組的影響

對于采用低壓轉子高背壓改造或光軸改造的機組，其供熱蒸汽全部通過汽輪機做功，導致供熱量與發電量相互耦合性很強，這種機組的負荷調節很差，基本不具備調峰能力。這種供熱方式一般具有很強的供熱能力，適宜接帶基本熱負荷，而由其他抽汽供熱機組帶尖峰加熱器運行。為保證機組運行安全穩定，建議這類型機組的出力不宜大幅調整，且需做好機組發生非停時的應急措施。

5 結束語

目前，山西省內清潔取暖占比距政策目標還有一定差距，燃氣、地熱、太陽能等清潔取暖方式在山西省總體占比不高，現狀中熱電聯產方式是山西省清潔取暖的主力。因此，還將已投產的機組進行供熱改造，新投產機組也基本全為供熱機組，隨著集中供熱面積的不斷擴大，必將使當前原本緊張的熱電矛盾更加惡化。為進一步提升供熱機組的調峰能力相關各方還需做好以下幾方面的工作。

a）應加強供熱機組的監管力度，供熱改造必須在統籌兼顧的基礎上選取妥善的方案，需考慮機組運行方式、發電出力限制及備用熱源的互供等因素，避免盲目采用打孔抽汽、輔汽供熱等供熱改造方式，嚴格限制以熱搶電的大型供熱改造工程，已投運的供熱機組應達到規定的熱電比指標要求。

b）需繼續做好山西省電力輔助服務市場建設與運營，通過試運行逐步完善補償機制等相關工作。鼓勵熱電機組提供深度調峰輔助服務，提高熱電企業提供輔助服務的積極性。

c）各發電集團應選擇試點電廠逐步開展火電靈活性提升改造工程，實現熱電解耦，充分挖掘熱電機組的調峰潛力，進一步提高電力調度、熱力調度在冬季負荷低谷時段的運行靈活性。

d）熱力公司應加快推進供熱區域熱網的互聯互通，實現各類熱源聯網運行，提高同一供熱地區熱源點的互供能力，做好供熱應急聯動措施，進一步提高供熱系統運行的可靠性、靈活性和穩定性。

e）各熱電企業應加強供熱機組運行、維護、檢修管理工作，積極創造條件解決影響機組供熱和調峰能力的技術問題，確保安全可靠運行。