胡遠慶 李國元 段曉磊

摘 要：當(dāng)前，我國電力需求增速放緩，各種可再生能源快速發(fā)展。人們需要充分地挖掘燃煤機組的調(diào)峰潛力，提升我國火電機組的運行靈活性，以全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力。本文針對熱電機組和純凝機組介紹了不同的靈活性改造技術(shù)方案，并從方案的可靠性、經(jīng)濟性等方面對各個方案進行對比分析。靈活性改造應(yīng)遵循“一廠一策”的原則，結(jié)合企業(yè)自身的情況，合理選擇方案。

關(guān)鍵詞：靈活性改造;深度調(diào)峰;熱電解耦;低負(fù)荷運行

中圖分類號：TM621文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0122-03

Research on the Flexible Transformation Technology Scheme of Thermal Power Unit

HU Yuanqing LI Guoyuan DUAN Xiaolei

（Henan Electric Power Survey & Design Institute Co.， Ltd. of PowerChina，Zhengzhou Henan 450007）

Abstract： At present， the growth rate of China's electricity demand has slowed down， and various renewable energy sources have developed rapidly. People need to fully tap the peak-sharing potential of coal-fired units and improve the operational flexibility of China's thermal power units in order to comprehensively improve the system's peak-shaving and new energy consumption capacity. This paper introduced different flexible retrofit technical solutions for thermal power units and pure condensing units， and compared and analyzed each option from the aspects of its reliability and economy. Flexibility transformation should follow the principle of "one factory， one policy"， and rationally choose a solution based on the enterprise's own situation.

Keywords： flexibility;peak regulation;thermal-power decoupling;low load operation

我國傳統(tǒng)電力生產(chǎn)采用粗放式發(fā)展模式、擴張式經(jīng)營方式，雖然推動了火電裝機的持續(xù)增長，但也導(dǎo)致電網(wǎng)峰谷差增加、可再生能源消納困難等問題突出，嚴(yán)重限制了可再生能源的并網(wǎng)消納和持續(xù)健康發(fā)展[1-2]。因此，有必要大力開展研究，提升火電運行靈活性，全面提高系統(tǒng)調(diào)峰和新能源消納能力?；痣姍C組的靈活性改造的主要目的是提高運行靈活性和燃料靈活性。因不同類型機組自身條件的差異，其靈活性改造方案也有所不同?；痣姍C組靈活性改造方案如下。

1 熱電機組改造方案

熱電解耦是提高熱電機組調(diào)峰能力的主要措施，以便在低電負(fù)荷下滿足熱負(fù)荷需求。目前，主要的熱電解耦技術(shù)包括低壓缸背壓機改造、光軸供熱改造、機組熱泵供熱改造、蓄熱罐供熱、旁路蒸汽供熱改造、低壓缸零出力供熱改造和電鍋爐供熱改造等。

1.1 低壓缸背壓機改造

低壓缸背壓機改造分為單轉(zhuǎn)子方案和雙轉(zhuǎn)子方案。單轉(zhuǎn)子方案是指對汽輪機低壓缸通流部分進行改造，以保證高背壓改造后高背壓供熱工況和純凝工況均采用同一套低壓通流設(shè)備，不需要更換低壓轉(zhuǎn)子等設(shè)備，同時經(jīng)濟性較高。雙轉(zhuǎn)子方案是指通過對汽輪機低壓缸通流部分進行改造，雙轉(zhuǎn)子切換，非采暖期采用高效純凝轉(zhuǎn)子，可提高機組低壓缸效率（至少2%）;采暖期采用原低壓轉(zhuǎn)子補充加工，更換葉片，以滿足高背壓需要。由于高背壓改造后，低壓通流部分仍有部分級做功，所以調(diào)峰能力有限。

1.2 光軸供熱改造

光軸供熱改造技術(shù)是指在冬季供暖工況，低壓轉(zhuǎn)子采用背壓光軸轉(zhuǎn)子運行，除少量蒸汽用于進入低壓缸冷卻外，其余中排蒸汽全部用于供熱;在非供暖期，再將光軸更換為低壓純凝轉(zhuǎn)子。與改造前相比，由于低壓通流部分不再做功，原本進入低壓缸做功的中排蒸汽幾乎全部用于供熱，因此供熱能力得到提高。此外，由于低壓轉(zhuǎn)子采用背壓光軸轉(zhuǎn)子運行，低壓缸再無最小冷卻蒸汽流量的要求，因此主蒸汽流量可進一步減少，高、中壓缸的做功也隨之減少。簡而言之，在相同的熱負(fù)荷下，光軸供熱改造可以較大程度地降低電負(fù)荷。

1.3 機組熱泵供熱改造

驅(qū)動熱泵改造技術(shù)的原理是通過增加電驅(qū)動熱泵機組，在供熱期利用熱泵機組從循環(huán)水中提取熱量初次加熱熱網(wǎng)水，然后利用熱網(wǎng)加熱器對熱網(wǎng)水進行二次加熱，加熱到120 ℃左右對外供熱。機組熱泵供熱改造的調(diào)峰能力有限，不能滿足深度調(diào)峰的要求，更適用于提高供熱能力已飽和機組的供熱能力，將一部分電用于回收汽輪機的汽化潛熱。

1.4 蓄熱罐供熱技術(shù)方案

蓄熱罐供熱方案是根據(jù)水的分層原理設(shè)計和工作，當(dāng)電網(wǎng)用電負(fù)荷高、供熱負(fù)荷低時，將機組多供的熱量儲存起來;當(dāng)電力負(fù)荷較低時，儲熱裝置可將儲存的熱量釋放出來滿足供熱需求，從而降低機組發(fā)電負(fù)荷[3-4]。

汽輪機的富余供熱能力是蓄熱罐供熱改造的首要考慮因素，如若富余供熱能力不大，則在非低谷時段不能保證蓄熱罐有充足的蓄熱量，也自然無法滿足低谷時段供熱的需要。因此，對于在電網(wǎng)高峰時段不能進行抽汽蓄熱的機組，僅通過設(shè)置蓄熱罐是無法實現(xiàn)機組深度調(diào)峰的，需要通過與其他方式（如旁路供熱改造、光軸背壓機組供熱改造等）結(jié)合，方能實現(xiàn)機組熱電解耦。

1.5 旁路蒸汽供熱改造技術(shù)方案

汽輪機旁路分為高壓旁路、低壓旁路，其主要作用是在機組啟停過程中，通過旁路系統(tǒng)為機組提供適宜參數(shù)的蒸汽。在低谷時段，機組處于低負(fù)荷運行狀態(tài)，熱負(fù)荷無法保證時，通過高壓旁路→再熱器→低壓旁路→減溫減壓器→熱網(wǎng)加熱器的路徑進行對外供熱，或采用再熱器→低壓旁路→減溫減壓器→熱網(wǎng)加熱器的路徑，補充抽汽供熱的不足部分，從而實現(xiàn)機組熱電解耦，在滿足外熱負(fù)荷的需要同時降低機組的發(fā)電負(fù)荷。

1.6 低壓缸零出力供熱改造技術(shù)方案

低壓缸零出力供熱改造是切除低壓缸的進汽，僅保留少量冷卻蒸汽進入低壓缸，其余蒸汽全部從中排供熱;低壓缸主要作用為傳遞高中壓缸的扭矩，實現(xiàn)低壓缸“零”出力3 000 r/min運行。低壓缸零出力供熱改造可以大幅提高機組供熱能力。

國家電投集團河南電力有限公司開封發(fā)電分公司完成了國內(nèi)首臺630 MW汽輪機低壓缸零出力供熱改造。根據(jù)其改造經(jīng)驗，實施切缸改造，可以滿足改造需求，機組可以安全穩(wěn)定運行，收益顯著，該改造方案是技術(shù)成熟、整體可行的。

1.7 電鍋爐供熱改造技術(shù)方案

電鍋爐供熱方案是以儲熱式電鍋爐為核心，通過開啟電加熱器減少上網(wǎng)負(fù)荷，同時將能量以固體顯熱（耐火磚）的形式儲存下來，在機組抽汽量不足時對外供熱[2]。從一次能源利用率分析，電鍋爐供熱的一次能源率是0.34，而燃煤鍋爐供熱為0.7，燃氣鍋爐供熱為0.85，電動熱泵供熱是1.06[5]。因此，用電鍋爐供熱是極其不經(jīng)濟的，這是一種不值得推廣的供熱方案。但是，當(dāng)電力來源構(gòu)成中，水力、核能、太陽能、風(fēng)能等發(fā)電占比較大且電力供應(yīng)十分充足時，電熱鍋爐的經(jīng)濟性較為合理，此時其可以作為一種推薦供熱方案[6]。

總的來說，上述技術(shù)路線均能實現(xiàn)熱電機組的熱電解耦，提高機組深度調(diào)峰能力。其中，低壓缸背壓機方案和光軸供熱改造方案經(jīng)濟性好、投資少，但是存在調(diào)峰能力有限、需要頻繁更換轉(zhuǎn)子等問題。機組熱泵供熱改造效率高，但是調(diào)峰能力有限，適用于提高供熱能力已飽和機組的供熱能力。旁路供熱方案投資較少，但受機組旁路設(shè)計容量的限制以及鍋爐再熱器冷卻、汽輪機軸向推力及高排冷卻等因素的影響，其供熱能力有限[4]，且運行控制較為復(fù)雜，因此熱負(fù)荷高的機組不宜采用高、低壓聯(lián)合旁路改造方案。切除低壓缸進汽運行方案投資少，可以實現(xiàn)深度調(diào)峰，具有很好的經(jīng)濟性，且已有60萬MW機組改造經(jīng)驗，可行性較高。蓄熱罐方案在投資、經(jīng)濟性和運行安全性方面均較好，但其調(diào)峰能力有限，占地面積較大。增設(shè)電鍋爐方案雖然適用性最廣，調(diào)峰幅度最大且運行靈活，但其能量有效利用率較差。綜上所述，在進行靈活性改造方案選擇時，熱電機組需要根據(jù)自身電負(fù)荷、熱負(fù)荷、改造成本、運行收益等情況進行綜合考慮，采用“一機一策”的方式進行改造。

2 純凝機組靈活性改造方案

對于熱電機組，靈活性改造的目的是為了實現(xiàn)熱電解耦;對于純凝機組，靈活性改造的目的是為了實現(xiàn)機組低負(fù)荷穩(wěn)定運行來進行深度調(diào)峰。但是，純凝機組在低負(fù)荷運行時會面臨鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒、脫硝裝置低負(fù)荷投運等一系列問題，因此，純凝機組的靈活性改造方案也圍繞上述問題開展。

2.1 鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒措施

為提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，純凝機組可以采取如下改造方案：低負(fù)荷精細化燃燒調(diào)整，燃燒器、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造，入爐煤質(zhì)的改善（儲備調(diào)峰煤）。低負(fù)荷精細化燃燒調(diào)整主要包括：燃燒器結(jié)構(gòu)、磨煤機投運方式、煤粉細度、一次風(fēng)速和配風(fēng)方式。通過精細化運行調(diào)整，以西安熱工研究院有限公司為首的科研單位已實現(xiàn)以下項目改造：臨河1號爐25%BMCR、國電大開2號爐33%BMCR、曲阜2號爐35%BMCR、南通1號爐30%BMCR、華電丹東20%BMCR。

燃燒器、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造主要包括濃淡燃燒器改造、采取低負(fù)荷穩(wěn)燃措施、磨煤機動態(tài)分離器改造以及風(fēng)粉在線監(jiān)測裝置改造等。低負(fù)荷穩(wěn)燃措施主要包括等離子燃燒器技術(shù)、富氧燃燒器技術(shù)和增加微油點火系統(tǒng)。

2.2 提高直流爐水動力安全性

汽包鍋爐一般不存在水動力的安全性問題，對于超臨界直流鍋爐，在深度調(diào)峰工況時，給水流量偏低，鍋爐單根水冷壁管進水均勻性下降，分配不均，易造成局部過熱，水冷壁爆管可能性增大。因此，要增加水冷壁管壁溫測點，有效地監(jiān)控水冷壁超溫點，并在燃燒區(qū)進行調(diào)整。

2.3 脫硝裝置低負(fù)荷運行措施

當(dāng)前，環(huán)保要求越來越高，部分地方政府要求脫硝設(shè)備在并網(wǎng)時就投運，因此，須采取相應(yīng)措施，以保證低負(fù)荷工況運行時機組脫硝裝置的投運效果。脫硝裝置低負(fù)荷工況運行面臨的最大問題是入口煙溫低，目前主要的解決措施有省煤器煙氣旁路、省煤器水側(cè)旁路、亞臨界鍋爐省煤器熱水再循環(huán)和分割布置省煤器。

經(jīng)對比分析，省煤器煙氣旁路改造成本低，改造前煙溫升幅較大，改造后煙溫可調(diào)，因旁路煙氣擋板無法關(guān)嚴(yán)，全負(fù)荷下鍋爐效率會降低;省煤器水側(cè)旁路方案成本較低，但調(diào)溫幅度比較小，一般小于15 ℃;熱水再循環(huán)方案可將煙氣溫度提高到40 ℃，但投資費用高;分割布置省煤器方案具有不改變鍋爐效率的優(yōu)點，但改造后無法調(diào)節(jié)煙溫，煤種適應(yīng)性差，成本較大[4]。

3 結(jié)論

對于熱電機組，靈活性改造的目的是為了實現(xiàn)熱電解耦;對于純凝機組，靈活性改造的目的是為了實現(xiàn)機組低負(fù)荷穩(wěn)定運行來進行深度調(diào)峰。對于熱電機組，熱電解耦重點方案為較為成熟的機組熱泵供熱改造、蓄熱罐供熱和低壓缸“零”出力技術(shù)方案。在選擇方案時，應(yīng)根據(jù)熱、電負(fù)荷情況，采用“一機一策”的方式進行改造。電鍋爐供熱不符合熱力學(xué)“能量匹配”的用能原則，是一種很不合理的供熱方式，應(yīng)該謹(jǐn)慎使用。對于純凝機組，可采取鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒、提高直流爐水動力安全和脫硝裝置低負(fù)荷運行等措施，保證機組低負(fù)荷穩(wěn)定運行，以實現(xiàn)深度調(diào)峰。

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