熱電機組提升靈活性技術

吳青

摘要：在我國北方地區，特別是在每年冬季采暖期內，為了確保城區采暖供熱的需要，燃煤熱電廠一直按照傳統的“以熱定電”模式運行，致使很多可再生能源發電上網受到了限制，本文介紹了熱電機組提升火電靈活性主要技術，緩解熱電供需矛盾，實現熱電廠冬季采暖期熱電解耦運行，提升火電機組冬季采暖期的深調峰能力，促進新能源消納及可持續發展。

關鍵字：北方地區;熱電機組;提升火電靈活性;新能源消納

1. 背景

在我國推動能源革命、努力建設“清潔低碳、安全高效”現代能源體系的大背景下，近年來我國新能源得到了持續快速發展，然而，在我國北方地區，特別是在每年冬季采暖期內，為了確保城區采暖供熱的需要，燃煤熱電廠一直按照傳統的“以熱定電”模式運行[1]，由于燃煤熱電比例高，調峰電源建設條件差，冬季供暖期調峰困難，大量可再生能源發電（風力發電、太陽能發電和生物質發電等）機組的投用和區域工業用電負荷增長較為緩慢，很多可再生能源發電上網受到了限制[2]，致使部分地區的棄風棄光問題日益嚴重，尤其是我國“三北”地區，電力系統的新能源消納能力成為制約我國北方可再生能源發展的關鍵因素[3]。

2. 北方地區電力負荷特性分析

冬季供熱期間，通過對東北地區電力負荷特性進行分析得出以下結論，東北地區用電負荷在夜間3時左右達到最低值，低于平均值的持續時間一般為5小時左右[12]。熱電聯產機組擠占了風電在東北夜間上網的空間，因此產生了無法消納風電的問題，同時熱負荷低谷時段對電網調峰能力不足，也制約新能源消納及電網系統平衡調整。實施供熱機組熱電解耦[4]，降低系統最小技術出力，釋放系統靈活性是緩解新能源消納困難的有效措施。

3. 熱電機組提升火電靈活性主要技術

借鑒國內同類型機組靈活性改造的經驗和國內已經開發的成熟案例，提升熱電廠靈活性的三種主要方案：第一種方案是電鍋爐調峰技術，可對機組進行熱電解耦，滿足電網深度調峰的要求;第二種方案是對機組綜合升級改造，如切低缸供熱、光軸供熱、高背壓供熱、高低旁減溫減壓供熱和鍋爐富氧燃燒等;第三種方案是設置儲熱系統，如熱水儲熱裝置、熔巖儲熱裝置等。

3.1電鍋爐調峰技術

電鍋爐系統可以分為蓄熱式電鍋爐系統和非蓄熱電鍋爐系統。目前，固體蓄熱為儲熱式電鍋爐主要的方式，而非蓄熱式電鍋爐則主要采用電極式鍋爐。對電極式鍋爐而言，對外供熱的形式主要以高溫熱水和蒸汽為主，熱網不同形式熱負荷的需求得到滿足[13]，該方案能實現最深的機組調峰深度（最大能做到上網電量為零），同時能真正實現機組負荷調整的靈活性。

1）電極式鍋爐+蓄熱罐[5]

該技術是目前深度調峰領域應用比較成熟的技術方案。其主要工作原理是通過設置電鍋爐從而達到高溫熱水熱負荷，機組發電部分電力用于電鍋爐，與此同時汽機抽汽加熱被電加熱替代，所以機組的供熱抽汽量減少，可進一步降低機組的發電功率，實現了在上網功率很低的工況下仍能保證熱負荷供應，實現了熱電解耦，提高了機組調峰深度。

2） 固體蓄熱式電鍋爐[6]

固體蓄熱式電鍋爐的工作原理是高壓電發熱體把電能轉化成熱能，且將其儲存在高溫蓄能體中，而當高溫蓄熱體到達了溫度上限時（設定值），高壓電發熱體就會結束工作，高溫蓄熱體通過熱輸出控制器與高溫熱交換器連接，高溫熱交換器將高溫蓄熱體儲存的高溫熱能轉換為熱水、熱風或蒸汽輸出。[11]

對于固體蓄熱鍋爐而言，需配置大容量的固體蓄熱系統，其占地面積極大，布置困難，且造價遠高于電極式鍋爐系統;實現電熱轉換、風水換熱，需配置大容量風機，導致綜合能源轉換效率較低，能源浪費較為嚴重;受單體容量限制，調峰時需要以2/4/6MW等不同單體容量的模塊進行組合配置，調峰線性差;固體蓄熱材料蓄熱容量存在上限，熱量蓄滿之后必須強制退出運行以釋放熱量，因此不能長時間、滿容量連續運行。

3.2機組綜合升級改造

機組靈活性改造主要圍繞如何在熱電解耦階段滿足供熱負荷需求進行。在熱電解耦階段時，機組參與調峰，當外界供熱需求大時難以滿足要求，且根據最新調峰運行規則，難以滿足深度調峰要求及機組旋轉備用頂尖峰要求。主要改造技術方案內容：

1）切除低壓缸供熱技術[7]：切除低壓缸供熱技術是指僅保留少量冷卻蒸汽進入低壓缸，實現低壓轉子“零”出力。更多的蒸汽進入供熱系統，提高供熱能力，降低發電煤耗，同時一定程度的降低電負荷。該種技術方案主要解決供熱面積較大并具備一定范圍的調峰能力，單獨使用具有一定局限性，調峰深度不夠，一般配合電極鍋爐進行改造效果較好。

2）光軸雙轉子供熱技術[8]：機組可以提升供熱能力和降低機組電負荷，但不具備頂尖峰調峰能力，不能滿足電網深度調峰和頂尖峰的全面要求。在冬季運行使用光軸轉子，夏季使用純凝轉子，供熱期前后需要更換低壓轉子，每次檢修期約為15天，也將顯著影響機組發電量并增加電廠運行檢修費用。

3）高背壓供熱技術[9]：可以顯著提升機組供熱能力和經濟性。但高背壓改造系統復雜，整體投資金額大，外界供熱系統對機組安全運行影響較大，有一定安全風險;高背壓機組利用余熱效果最好，但其只能在一定負荷區間內運行，反而限制了機組的調峰能力。

3.3儲熱系統

單純采用設置儲熱系統，如熱水儲熱裝置、熔巖儲熱裝置等[10]。此類方案機組調峰深度有限，無法達到“熱電解耦”。運行中調峰幅度與供熱互補并不等量，尤其是供熱初期和最冷季節，電負荷和熱量不能完全互補，造成供熱初期和供熱最寒冷時期，與電負荷完全不匹配造成電負荷調峰困難，且當電網需要連續長時間調峰時，該系統無法實現儲熱調峰功能。熔巖儲熱裝置比投資高，運營成本較高，投資性價比較低，投資回收期較長，并且項目占地面積較大。

結論：在我國北方地區冬季采暖期內，燃煤熱電廠一直按照傳統的“以熱定電”模式運行，致使很多可再生能源發電上網受到了限制，熱電機組提升火電靈活性技術是緩解熱電供需矛盾的重要措施，實現熱電廠冬季采暖期熱電解耦運行，提升火電機組冬季采暖期的深調峰能力，促進新能源消納及可持續發展。

參考文獻：

[1]郭濤， 張旭， 楊洪玲. 熱電聯產火電廠"以熱定電"可行性研究[J]. 東北電力技術， 2013（4）：13-15.

[2]榮爽. 促進供暖期風電消納的多熱源容量規劃與協調調度策略[D]. 哈爾濱工業大學， 2016.

[3]袁紅. 東北區域電儲能調峰輔助服務經濟性研究[J]. 中國電力企業管理， 2021（22）：4.

[4]金國強， 高耀巋， 張麗霞. 儲熱罐改造對供熱機組熱電解耦及調峰能力的影響研究[J]. 汽輪機技術， 2021， 63（2）：5.

[5]孫健. 電熱鍋爐技術淺談[J]. 建筑工程技術與設計， 2018， 000（036）：4195.

[6]蘇俊林， 張亞仁， 胡月紅. 固體蓄熱式電鍋爐蓄熱模擬及實驗[C]// 華西冶金論壇. 四川省金屬學會;北京科技大學;成都華冶信息研究所， 2010.

[7]張欽鵬， 王學棟， 李峰. 330 MW汽輪機組切除低壓缸運行的供熱能力和調峰能力分析[J]. 山東電力技術， 2020.

[8]連帥瓊， 王雯岳. 汽輪機背壓機雙轉子互換技術在供熱改造中的運用探討[J]. ?2019.

[9]王學棟， 鄭威， 宋昂. 高背壓供熱改造機組性能指標的分析與評價方法[J]. 電站系統工程， 2014.

[10]王智， 郭良丹， 付靜，等. 供熱系統加儲熱后的調峰靈活性分析[J]. 汽輪機技術， 2019， 61（4）：5.

[11]白彩軍， 趙舒， 齊磊. 高電壓固體電蓄熱設備職業危害與防護[J]. 現代職業安全， 2017（10）：2.

[12]陳永輝， 李志強， 蔣志慶，等. 基于電鍋爐的火電機組靈活性改造技術研究[J]. 熱能動力工程， 2020， 35（1）：6.

[13]劉夢婷. 基于電鍋爐消納棄風技術的電熱調度模型研究[D]. 沈陽工程學院.