燃煤機(jī)組靈活性改造技術(shù)路線分析

張海楠

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

隨著我國新能源的大力發(fā)展，火電占我國的能源消費比例逐漸下降。與此同時，由于風(fēng)能、太陽能、水電本身的波動性、季節(jié)性及隨機(jī)性對電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生了巨大沖擊。而相關(guān)與新能源配套的儲能技術(shù)又處于探索階段，尚未開始大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行。因此，我國電力系統(tǒng)迫切需要燃煤機(jī)組來承擔(dān)負(fù)荷調(diào)峰任務(wù)，以維持電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

近日國家能源局推出以煤電節(jié)能改造、靈活性改造、供熱改造為主體的“三改聯(lián)動”，提出充分發(fā)揮煤電的支撐性調(diào)節(jié)作用，發(fā)揮煤電機(jī)組的應(yīng)急調(diào)峰能力，有序推進(jìn)支撐性、調(diào)節(jié)性電源的建設(shè)[1]。從規(guī)劃中可以看出，未來我國火電定位將由現(xiàn)在的主體能源地位轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)性電源，火電機(jī)組在我國能源體系內(nèi)的角色發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，燃煤機(jī)組提升靈活性及調(diào)峰能力將是未來行業(yè)的主流發(fā)展方向。

1 火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)路線

目前火電機(jī)組應(yīng)對提高機(jī)組靈活性的需求一般為以下技術(shù)方向：一是采用火電機(jī)組+儲能系統(tǒng)方式，即在原有機(jī)組不進(jìn)行大規(guī)模改造的情況下，額外建設(shè)一套儲能系統(tǒng)。其運(yùn)行原理是當(dāng)電網(wǎng)所需負(fù)荷下降時，機(jī)組出力不會大幅度下降，而將多余的能量輸入儲能系統(tǒng)進(jìn)行儲存。該方案在滿足電網(wǎng)負(fù)荷需求的同時，盡量減少偏離設(shè)計參數(shù)過多對設(shè)備造成的損害，最大程度保證機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時對電網(wǎng)負(fù)荷變化的相應(yīng)速率較快;二是對現(xiàn)有機(jī)組相關(guān)設(shè)備采取一系列的改造措施，以保證機(jī)組能夠在較低負(fù)荷下安全穩(wěn)定運(yùn)行。此方案需要解決如鍋爐燃燒不穩(wěn)定、脫硝系統(tǒng)入口煙溫低、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性差等問題。下面就所涉及的2種技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 火電機(jī)組+儲能系統(tǒng)技術(shù)

2.1 蓄熱水罐技術(shù)

該項技術(shù)需要增加1套獨立的蓄熱罐設(shè)備，通常分為常壓或承壓式的蓄熱罐。當(dāng)供熱管網(wǎng)的供水溫度大于98 ℃時，常采用承壓式蓄熱罐。而供水溫度小于98 ℃時，則一般采用常壓式蓄熱罐[2]。該技術(shù)原理主要利用水的顯熱來存儲熱量。在蓄熱罐中因為冷熱介質(zhì)密度不同，熱介質(zhì)在蓄熱罐的上方存儲，冷介質(zhì)在蓄熱罐的下方存儲。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較高，供熱負(fù)荷較低的時候，機(jī)組將多余熱量用以加熱蓄熱罐內(nèi)的介質(zhì)。而當(dāng)電負(fù)荷較低時，蓄熱罐則將儲存的熱量釋放出來，以滿足機(jī)組在深度調(diào)峰下，熱網(wǎng)用戶對于供熱量的需求。對于火電廠而言，蓄熱罐有助于使得熱網(wǎng)的熱量需求更加穩(wěn)定。鍋爐可以在較高的蒸發(fā)量下維持運(yùn)行，有利于提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2.2 蓄熱式電鍋爐技術(shù)

蓄熱式電鍋爐采用的是固體蓄熱方式，工作過程如下：在電網(wǎng)所需負(fù)荷較低時，機(jī)組將多余的電量充入電鍋爐內(nèi)，此時電鍋爐內(nèi)的蓄能裝置將電能轉(zhuǎn)換為熱能并吸收；而當(dāng)電網(wǎng)所需負(fù)荷變高時，機(jī)組自動停止向電鍋爐供電，爐內(nèi)的蓄熱裝置將熱能輸出至熱網(wǎng)，實現(xiàn)能量輸出。陳永輝等[3]研究表明:隨著電鍋爐容量增大，電鍋爐用電后機(jī)組實際發(fā)電負(fù)荷率顯著降低，電廠調(diào)峰能力顯著提升。機(jī)組配套電鍋爐的靈活性改造方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在機(jī)組運(yùn)行靈活度高，電鍋爐占地面積小，機(jī)組對于熱網(wǎng)的供熱需求響應(yīng)功率快等。但該方法采用的是高品質(zhì)的電能來對外供熱，能源損耗率較大。從一次能源利用率角度分析，電鍋爐供熱的一次能源率是0.34，而燃煤鍋爐供熱為0.7[4]，利用效率較低。

3 機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行技術(shù)

由于燃煤機(jī)組啟動時間一般在6～8 h，無法滿足電網(wǎng)對于負(fù)荷速率的要求。同時短期內(nèi)多次啟停機(jī)組也會對設(shè)備造成一定損傷，減少機(jī)組使用壽命。因此，煤電機(jī)組能否在低負(fù)荷下實現(xiàn)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，是火電機(jī)組靈活性調(diào)峰能力的關(guān)鍵體現(xiàn)。該方案針對火電機(jī)組的靈活性改造旨在提高機(jī)組及配套設(shè)備在低負(fù)荷條件下的運(yùn)行能力，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：鍋爐低負(fù)荷條件下的穩(wěn)燃技術(shù);汽輪機(jī)低負(fù)荷條件下的相關(guān)改造;脫硝系統(tǒng)低負(fù)荷條件下入口煙溫提高等一系列相關(guān)問題。因此，需要機(jī)組開展一系列試驗探索和設(shè)備改造，以滿足機(jī)組在較低負(fù)荷下運(yùn)行的要求。

3.1 鍋爐相關(guān)技術(shù)改造

根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，我國鍋爐普遍的最低穩(wěn)燃負(fù)荷為設(shè)計值的40%。但該水平顯然不能滿足新時期下機(jī)組靈活性對于鍋爐最低穩(wěn)燃的要求。鍋爐在低負(fù)荷下運(yùn)行時所面臨的主要問題：鍋爐燃燒穩(wěn)定性差，存在滅火風(fēng)險，影響機(jī)組安全性;爐膛內(nèi)溫度較低，煤粉燃燒不充分，灰渣可燃物含量高，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性;風(fēng)機(jī)流量低，風(fēng)量表精度低，導(dǎo)致風(fēng)量測量波動幅度大，容易引起風(fēng)量低保護(hù)動作跳機(jī)。目前針對鍋爐低負(fù)荷下技術(shù)改造的方向主要集中在低負(fù)荷下的穩(wěn)定燃燒，提高煙氣溫度以及煤粉的燃盡率等方面。具體的技術(shù)方案有常規(guī)低負(fù)荷燃燒調(diào)整技術(shù)以及富氧燃燒技術(shù)。

3.1.1 常規(guī)低負(fù)荷燃燒調(diào)整技術(shù)

在現(xiàn)有設(shè)備條件下維持鍋爐在低負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定，需要針對煤粉細(xì)度、配風(fēng)方式及風(fēng)煤配比等方面進(jìn)行一系列的技術(shù)探索，尋找出適合不同機(jī)組以及不同煤種的燃燒調(diào)整手段和運(yùn)行方式。主要針對以下幾個方面開展相應(yīng)的試驗工作：低負(fù)荷下的制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整；爐內(nèi)動力場及配風(fēng)優(yōu)化試驗；磨煤機(jī)不同投運(yùn)組合方式；風(fēng)機(jī)優(yōu)化調(diào)整試驗；超臨界機(jī)組的干濕態(tài)轉(zhuǎn)化試驗；鍋爐水動力均勻性流動試驗。通過一系列的試驗數(shù)據(jù)，找出鍋爐合理的運(yùn)行方式，保證機(jī)組安全性、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

3.1.2 富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒是近幾年發(fā)展的新型燃燒技術(shù)，主要是針對機(jī)組低負(fù)荷下，爐膛內(nèi)煙溫低及煤粉不易燃燒而采取的一種技術(shù)方案。其原理是利用高純度的氧氣對燃油進(jìn)行助燃，強(qiáng)化燃油燃燒，并利用瞬間燃燒產(chǎn)生的高溫火核所釋放的熱量點燃煤粉流。在高溫且過量空氣系數(shù)小于1.0的條件下，燃燒生成的CO2被剩余C還原成為CO，大幅提高煤粉燃盡率[5]。實現(xiàn)底層一次風(fēng)煤粉流的穩(wěn)定燃燒，進(jìn)而達(dá)到提高爐膛溫度，實現(xiàn)鍋爐低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行的目的。富氧燃燒有助于提高燃油和煤粉的燃盡率，避免油煤混合帶來的隱患。同時，在深調(diào)階段，可以通過投入上層的富氧燃燒裝置，可以實現(xiàn)升高火焰中心，提高煙氣溫度，解決脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度低的問題。此外，該方法能大幅度提高鍋爐對于不同煤質(zhì)的適應(yīng)性，改善因為煤質(zhì)變化導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定。根據(jù)國內(nèi)已進(jìn)行富氧燃燒器改造機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗來看，富氧燃燒能大幅度降低鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷，深度調(diào)峰負(fù)荷可以達(dá)到設(shè)計值的25%[6]。與傳統(tǒng)的等離子燃燒技術(shù)相比，富氧燃燒避免了定期更換燃燒器電極、煤粉著火率偏低等問題。

3.2 汽輪機(jī)相關(guān)技術(shù)改造

汽輪機(jī)在深度調(diào)峰中的改造主要受到汽輪機(jī)低壓缸最小冷卻流量的限制。為了更好應(yīng)對機(jī)組的靈活性需求，所開展的技術(shù)改造有以下幾個方案。

a.低壓缸光軸改造技術(shù)。主要的方案是將低壓缸轉(zhuǎn)子換成光軸，同時更換軸瓦。該技術(shù)能顯著提高機(jī)組的供熱能力，但相對于深度調(diào)峰則能力較差，同時要定期更換轉(zhuǎn)子，檢修維護(hù)強(qiáng)度大。

b.主再熱輔助供熱系統(tǒng)。該技術(shù)是指機(jī)組的主、再熱蒸汽在經(jīng)過減溫減壓后對外供熱的技術(shù)。在滿足機(jī)組供熱技術(shù)的同時，減小機(jī)組出力。但該技術(shù)方案易造成再熱器超溫，且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。

c.切缸/低背壓運(yùn)行技術(shù)。該技術(shù)方案是在不對低壓缸本體進(jìn)行改動的情況下，增加低壓缸的進(jìn)汽旁路。在保證機(jī)組運(yùn)行安全的前提下，低壓缸進(jìn)汽量大于或等于最小冷卻流量，實現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰的目的。該方案改造少，投資小，技術(shù)相對成熟。王健[7]等采用旁路供汽+低壓缸靈活出力+熱泵供熱的方案實現(xiàn)了350 MW機(jī)組在30%額定負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)行。陳建國[8]、廖高良[9]等分別對300 MW、350 MW煤粉爐機(jī)組進(jìn)行低壓缸零出力改造技術(shù)研究，切缸改造后最低運(yùn)行負(fù)荷均為40%額定負(fù)荷。該方案能在保證較高供熱能力情況下，同時具備較強(qiáng)的深度調(diào)峰能力。但該方案在改造后，需要注意汽輪機(jī)鼓風(fēng)、葉片水蝕及葉片顫振等問題。可以通過采用寬幅控制躲避顫振技術(shù)，安裝在線監(jiān)視顫振設(shè)備，使用五段抽汽向六段抽汽補(bǔ)汽等方式解決相關(guān)問題[10]。

3.3 環(huán)保方面的技術(shù)改造

機(jī)組在深度調(diào)峰過程中，爐膛熱負(fù)荷偏低導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)入口煙溫偏低，無法滿足脫硝系統(tǒng)內(nèi)催化劑對于溫度的要求，脫硝系統(tǒng)無法投運(yùn)。目前常見提高脫硝系統(tǒng)入口煙溫的方法有省煤器煙氣旁路、省煤器分級、省煤器給水旁路等。

a.省煤器煙氣旁路：該技術(shù)的原理是在省煤器煙氣流道外設(shè)置煙氣旁路，旁路煙氣未經(jīng)過省煤器換熱，煙溫較高，流通省煤器的煙氣經(jīng)過換熱溫度較低。通過調(diào)整旁路煙氣擋板控制旁路煙氣流量，以達(dá)到控制省煤器出口煙溫的目的。該技術(shù)的優(yōu)點是改造小，工期短，投資相對較低。但不足在于省煤器出口煙氣混合不充分，易產(chǎn)生煙氣分層。同時煙氣擋板不嚴(yán)，旁路易內(nèi)漏入煙氣，存在高負(fù)荷下脫硝入口煙溫超溫的風(fēng)險。

b.省煤器分級：該技術(shù)是將原來的單級省煤器分為兩級，兩級省煤器分別布置在SCR裝置前后，通過減少SCR反應(yīng)器前的省煤器吸熱量達(dá)到提高SCR入口煙溫的目的。該技術(shù)優(yōu)勢在于能有效提高煙氣入口煙溫，同時對爐內(nèi)燃燒影響較小。但不足在于該方案不具備動態(tài)調(diào)節(jié)能力，對煤種變化適應(yīng)性較差。同時在機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時，可能會造成脫硝入口煙溫超溫。

c.省煤器給水旁路：該技術(shù)的原理是將省煤器內(nèi)的一部分鍋爐給水利用旁路引出，以減少省煤器內(nèi)鍋爐給水的吸熱量，達(dá)到提高省煤器入口煙溫的目的。該技術(shù)的關(guān)鍵點在于需要保證在旁路啟用時，省煤器管道內(nèi)不能發(fā)生水擊、氣化管道振動等現(xiàn)象。陳輝[11]等經(jīng)過分析對比各種提高脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度方式，建議采用省煤器給水旁路的方式最為合理。

4 靈活性改造方案的經(jīng)濟(jì)性對比

火電機(jī)組的靈活性改造投入巨大，涉及機(jī)組設(shè)備等方面，其產(chǎn)生的效益如何以及何時能收回成本一直存在一定爭議。經(jīng)過相關(guān)研究，火電靈活性改造能給電廠以及社會帶來較大收益。華北電力大學(xué)楊勝[12]對火電靈活性改造帶來的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，通過對主流改造方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比，認(rèn)為采用電鍋爐加固體蓄熱罐的改造方式產(chǎn)生的綜合效益最優(yōu)。蘇鵬[13]等對熱水儲熱及電鍋爐靈活性改造方案進(jìn)行工程投資及經(jīng)濟(jì)效益分析，認(rèn)為對于熱電廠而言，采用常壓熱水儲熱罐來提升火電機(jī)組靈活性改造方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。陳永輝等根據(jù)補(bǔ)貼報價范圍，認(rèn)為對于采用電鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，其在采暖期負(fù)荷率降至40%以下能夠獲得較高收益，且深度調(diào)峰負(fù)荷越低、收入越高。

5 結(jié)語

未來開展旨在提高燃煤機(jī)組靈活性的一系列技術(shù)探索是我國火電機(jī)組行業(yè)的發(fā)展趨勢，轉(zhuǎn)變火電行業(yè)的角色定位，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的調(diào)峰電源，為我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程中提供安全保障。因此，燃煤機(jī)組的靈活性改造對于行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。