煤電機組深度調峰靈活性改造技術分析

2014年以來我國煤電年發電量基本持平（圖1），煤電利用小時數持續呈下降趨勢，2018年我國火電利用小時為4361小時。2019年第三產業和居民生活用電比重持續提高，進一步拉大系統峰谷差，時段性系統調峰能力不足更加突出，用戶側用電結構的變化導致電力系統調峰壓力進一步增大。國際上火電靈活性包括負荷靈活性和燃料靈活性，考慮到我國清潔能源快速發展背景下電力系統調峰能力不足的現狀，目前我國對于火電機組靈活性的需求主要體現在通過實施熱電解耦改造和純凝火電機組改造提升機組深度調峰能力方面[1]。

圖1 火電及非火電裝機增速及火電設備利用小時數

1 不同機組技術路線分析

水電、抽水蓄能和燃氣機組等靈活電源的裝機比例較低，調峰能力有限，大容量煤電機組仍將是參與電網調峰的主力電源[2-3]。而現階段煤電機組參與深度調峰有一系列的技術問題，因此有必要對典型煤電機組的調峰能力進行優化[4-6]。

1.1 純凝機組

1.1.1 鍋爐系統

動態分離器改造：磨煤機在工況不變的情況下，碾磨細度可做線性調整，分離器旋轉轉子轉速由變頻器調節，可以在0～50Hz 范圍內無級調節，變頻電機經過減速器減速后帶動轉子旋轉，轉子轉速可以在0～120r/min 無級調節；轉子驅動采用的變頻電機可長期在低頻下工作。

風粉在線監控及調平系統改造：風粉在線監控系統在每個一次風煤粉管道上安裝非接觸陣列式靜電傳感器（圖2），實現對每個燃燒器出口的煤粉流量、流速進行精確的在線測量；隨后在一次風管路上安裝風粉均衡調整設備（帶電動執行器），在磨出口安裝磨出口粉量均衡調整（一般配置為手動），用于調整從磨出口分離器到燃燒器間管段的流程阻力及粉量分配。最后，基于煤粉在線測量實時數據及風粉調整設備，構建基于DCS 控制的自動在線調平控制系統，用于在不同的磨工況下使燃燒器出口風粉濃度、流速的分布均在設定的偏差范圍內。

1.1.2 燃燒系統

燃燒器穩燃改造：對于直流燃燒系統可采用著火能力強的濃淡燃燒器或加裝穩燃齒，提升煤粉濃度，降低穩燃負荷。

小功率雙噴口燃燒器改造：將最上層燃燒器功率改小，降低單層燃燒器功率，增加一層燃燒器（圖3）。改造后的燃燒器可以分兩層布置，煤粉氣流的總表面積增大，煤粉氣流的吸熱面積增大，更有利于煤粉氣流的著火和穩定燃燒。在低負荷時投運該系統，通過低負荷狀態下該燃燒器的自穩能力，提供持續穩定的熱量給其它常規燃燒器，達到低負荷穩燃的目的。

圖2 風粉在線監測及調平系統

圖3 小功率雙噴口燃燒器改造示意圖

助燃燃燒器改造：還可以采用特殊助燃技術加強燃燒穩燃能力。富氧微油點火燃燒器主要采用富氧燃燒技術，將燃料風氧濃度控制在21%以上，提高了燃燒區域溫度，促進煤粉表面傳熱傳質及燃燒速度（圖4）。

1.1.3 輔機系統

三大風機改造：風機電機工頻改變頻，通過調整風機電機的轉速實現風機流量的調整，既滿足了運行工況的需要又節約了電能，尤其是開停機和低負荷工況時大大降低電機的功耗。

脫硝系統改造：針對低負荷下SCR反應器脫硝投運溫度偏低問題進行寬負荷脫硝改造，改造手段通常有兩種：省煤器給水置換。在簡單水旁路的基礎上，除了旁路一部分給水以外，同時將部分下降管中工質利用循環泵打入省煤器入口，達到提高進入省煤器工質溫度的效果，從而提升省煤器出口煙溫（圖5）；省煤器分級。該技術主要涉及將原有省煤器部分拆除，在SCR反應器后設置一定的省煤器受熱面（一級省煤器），在SCR反應器前（原有省煤器區域）保留一定的省煤器受熱面（二級省煤器）。給水直接引至位于SCR反應器后的省煤器，然后通過連接管道再引至位于SCR反應器前的省煤器（圖6）。減少SCR反應器前省煤器的吸熱量，達到提高SCR入口煙氣溫度的目的。

圖4 富氧微油點火燃燒器結構示意圖

圖5 省煤器給水置換技術原理示意圖

圖6 省煤器分級技術原理示意圖

1.2 供熱機組

供熱機組深度調峰所面臨的主要問題是如何進一步提高供熱能力并降低電負荷（即熱電解耦的問題），不同的機組應選擇不同的熱電解耦技術，在考慮經濟投資和靈活性等因素后，制定相應的技術路線。

低壓缸零出力技術。在中低壓缸導汽管上安裝嚴密性好的關斷閥門，在機組運行中關閉導汽管上閥門，低壓缸不進汽，即切除低壓缸（低壓缸零出力）運行，中壓缸排汽基本上全部對外供熱（圖7），實現了在不設置離合器或不換轉子的情況下中壓缸排汽基本上全部對外供熱，機組抽凝運行和背壓運行的自動切換。

高背壓循環水供熱技術。將凝汽器改為供熱系統的熱網加熱器，熱網循環水直接用作機組循環水，充分利用機組排汽汽化潛熱，將冷源損失降低為零，從而提高機組循環熱效率（圖8）。

圖7 低壓缸零出力技術原理示意圖

圖8 高背壓循環水供熱技術原理示意圖

儲能技術。目前熱電廠的運行采取“以熱定電”的方式，實現了熱電解耦及電能的儲存與轉換。該技術在滿足外網熱負荷的同時滿足電負荷調節需求，實現真正意義上的熱電解耦?？捎糜诠釞C組的儲能技術主要有：熱水蓄熱技術。蓄熱時熱水從上部水管進入、冷水從下部水管排出，過渡層下移，放熱時熱水從上部水管排出、冷水從下部水管進入過渡層（圖9）；電鍋爐技術。該技術為在熱源側設置電熱鍋爐，在熱電聯產機組運行時，根據熱電需求調節電鍋爐用電量（轉化為熱量）實現熱電解耦，達到滿足熱電需求的目的。電鍋爐功率可根據熱網負荷需求實時連續調整，調整響應速率快，運行較為靈活，電負荷甚至可降至零，機組深度調峰幅度較大。電熱鍋爐技術主要分為電阻式鍋爐和電極式鍋爐，電極式鍋爐還可與蓄熱罐配合使用，實現熱能的儲存，提高機組靈活性（圖10）。

2 結語

純凝機組當所需調峰負荷降低至機組額定負荷20～25%THA時（煙煤、褐煤）或者30%THA（無煙煤、貧煤），則需要通過技術改造等方式來實現鍋爐調峰深度。當其調峰目標能力為30%THA（燃用煙煤、褐煤）或40%THA（燃用無煙煤、貧煤），影響深度調峰的主要問題（常見于低負荷下脫硝系統的投運）很難通過運行優化技術路線來解決，需要輔之以部分靈活性技術改造來實現鍋爐調峰深度；供熱機組當所需調峰負荷降低至機組額定負荷20～30%THA時，其鍋爐負荷一般較高，鍋爐側不存在穩燃等其他問題。其深度調峰所面臨的主要問題是如何進一步提高供熱能力并降低電負荷（即熱電解耦的問題），不同的機組應選擇不同的熱電解耦技術，在考慮經濟投資和靈活性等因素后制定相應的技術路線。

圖9 蓄熱罐工作原理示意圖

圖10 電極式鍋爐+熱水蓄熱罐調峰原理示意圖