魏海姣，鹿院衛(wèi)*，張燦燦，吳玉庭，李衛(wèi)東，趙東明

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124；2.華能國際電力股份有限公司，北京100031；3.中國華能集團(tuán)有限公司，北京100031）

0 引言

近年來，人類對能源的需求日趨增加，以太陽能和風(fēng)能為代表的可再生能源利用迅速發(fā)展。截至2019年6月，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到750GW，其中，風(fēng)電裝機(jī)193GW，光伏發(fā)電裝機(jī)186GW。但隨著新建風(fēng)力發(fā)電廠、光伏電站和光熱電站數(shù)量和裝機(jī)總?cè)萘康牟粩嘣黾?，引起的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象愈加嚴(yán)重。2019年上半年，風(fēng)力發(fā)電棄風(fēng)電量達(dá)10.5 TW·h，棄光電量達(dá)2.6 TW·h，如何實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)棄光電量的有效消納，是當(dāng)前亟須解決的問題。

我國提出提高燃煤機(jī)組運(yùn)行的靈活性以充分消納可再生能源的發(fā)電量。早在2016年11月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，需提升我國火電運(yùn)行靈活性，改造預(yù)期使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到40%～50%額定容量。純凝機(jī)組增加15%～20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到30%～35%額定容量。通過引進(jìn)國外技術(shù)使部分具備改造條件的電廠預(yù)期達(dá)到國際先進(jìn)水平，機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)，純凝機(jī)組最小技術(shù)出力達(dá)到20%～25%額定容量［1］。

目前，我國燃煤機(jī)組占比為59.22%?，F(xiàn)役燃煤機(jī)組在電力設(shè)計(jì)初期采用基本負(fù)荷設(shè)計(jì)，后期很難參與大幅度熱力調(diào)節(jié)，又因南北地理因素導(dǎo)致北方燃煤機(jī)組中設(shè)置了部分熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在供暖季為用戶提供熱源。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組常以“以熱定電”模式運(yùn)行［2-3］，受采暖季供熱負(fù)荷的影響，在低負(fù)荷區(qū)間無法參與電網(wǎng)降負(fù)荷調(diào)峰，很難實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度和變負(fù)荷運(yùn)行的靈活性；純凝機(jī)組受排汽背壓和汽輪機(jī)最小排汽流量的影響，機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行區(qū)間一般為40%～100%額定負(fù)荷，但是實(shí)際運(yùn)行過程中，由于實(shí)際燃燒煤種偏離設(shè)計(jì)煤種，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不得不高于40%額定負(fù)荷，在一定程度上無法參與大幅降負(fù)荷調(diào)峰。

為了解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者對機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)開展了相關(guān)研究。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，提高燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)主要有：燃煤機(jī)組（包括純凝機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組）配儲(chǔ)熱系統(tǒng)調(diào)峰、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配電鍋爐儲(chǔ)熱調(diào)峰及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高背壓改造調(diào)峰等；同時(shí)，太陽能輔助燃煤機(jī)組耦合運(yùn)行系統(tǒng)，在一定程度增加了太陽能發(fā)電和燃煤機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的靈活性，有效降低了棄光現(xiàn)象的發(fā)生，提高了太陽能發(fā)電進(jìn)網(wǎng)電量，也是一種有效的調(diào)峰方式。以下對幾種典型的靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 燃煤機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)方案研究現(xiàn)狀

1.1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配儲(chǔ)熱水系統(tǒng)靈活性調(diào)峰

以供熱式抽凝機(jī)組為例，由于實(shí)行“以熱定電”的運(yùn)行模式，若在熱網(wǎng)和熱源中間設(shè)置儲(chǔ)熱水罐，在滿足供熱需求的條件下，利用機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的抽汽進(jìn)行儲(chǔ)熱，在用電低谷期釋熱為熱用戶提供熱源，既降低了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，又滿足了用戶的供熱需求，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，提升了供熱機(jī)組負(fù)荷的靈活性。

儲(chǔ)熱設(shè)備主要采用儲(chǔ)熱水罐，熱水溫度低于98℃時(shí)，采用常壓儲(chǔ)熱水罐，熱水溫度在110～125℃時(shí)，采用承壓儲(chǔ)熱水罐［4］。儲(chǔ)熱容積一般為8 000～20 000 m3［5］，隨著儲(chǔ)熱容量的增加，儲(chǔ)熱水罐的體積相應(yīng)增加。例如，蘇鵬等人［4］以東北地區(qū)某2×300 MW亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（最大供熱負(fù)荷為562 MW）儲(chǔ)熱水參與電網(wǎng)調(diào)峰為例，設(shè)計(jì)深度調(diào)峰熱電解耦時(shí)間為6 h，熱水儲(chǔ)熱24 h總供熱能力為13 842 MW·h，需配備常壓儲(chǔ)熱水罐有效容積為22 000 m3，該機(jī)組實(shí)際運(yùn)行折算平均供熱功率為576 MW，高于熱網(wǎng)實(shí)際最大熱負(fù)荷562 MW，證實(shí)了電廠在現(xiàn)有供熱需求情況下可以滿足6 h深度調(diào)峰熱電解耦的要求，可以通過設(shè)置儲(chǔ)熱水系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

陳天佑等人［6-7］以北方300 MW和200 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，通過分析添加儲(chǔ)熱水裝置可分別使機(jī)組調(diào)峰容量由16%提高到37%、由13%提高到27%；王耀函等人［8］為了解決熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行模式導(dǎo)致的火電機(jī)組調(diào)峰能力不足，以300 MW機(jī)組為例，在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和熱網(wǎng)之間設(shè)置儲(chǔ)熱水罐，利用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行期間抽汽儲(chǔ)熱和在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)釋熱，將機(jī)組調(diào)峰能力下限擴(kuò)展了57 MW，提高了機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行范圍。

綜上可見，在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中設(shè)置儲(chǔ)熱水系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱時(shí)的熱電解耦，增大熱電比。大型儲(chǔ)熱單元可為太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電提供進(jìn)網(wǎng)空間，實(shí)現(xiàn)了可再生能源發(fā)電與燃煤機(jī)組發(fā)電進(jìn)網(wǎng)的重新整合，提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和靈活性。

1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配電鍋爐儲(chǔ)熱裝置靈活性調(diào)峰

采用電鍋爐進(jìn)行調(diào)峰是將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組產(chǎn)生的過剩電量，通過電加熱方式加熱采暖熱水，在不改變鍋爐負(fù)荷情況下，保證鍋爐最佳燃燒效率，消納過剩電量。電鍋爐蓄熱可使熱水溫度保持在40～125℃，甚至可以更高［9］。相關(guān)文獻(xiàn)表明，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電出力情況在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中建設(shè)儲(chǔ)熱電鍋爐，將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行低負(fù)荷期間的電量轉(zhuǎn)化為熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，減少熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)網(wǎng)電量，為風(fēng)電上網(wǎng)提供了進(jìn)網(wǎng)空間。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，利用儲(chǔ)熱水為用戶供熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性。

郭豐慧等人［10］研究了二級熱網(wǎng)配置儲(chǔ)熱式電鍋爐消納棄風(fēng)調(diào)度方案，相比于設(shè)置普通電鍋爐的消納棄風(fēng)方案，由于電鍋爐儲(chǔ)熱消耗熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組過剩發(fā)電量，風(fēng)電消納率由原來98.72%增加到99.12%，進(jìn)一步提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性。李軍徽［11］針對“三北地區(qū)”資源分布情況，確定了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配置電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置的最佳容量，當(dāng)電鍋爐負(fù)荷為13.4 MW，儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱量為158.07 MW·h時(shí)，可有效減少54.8%的棄風(fēng)電量；不僅僅針對消納棄風(fēng)問題，YU Juan等人［12］針對太陽能和風(fēng)能的隨機(jī)性，綜合考慮了電力負(fù)荷和區(qū)域供熱的負(fù)荷特性，通過設(shè)置電鍋爐建立了太陽能、風(fēng)能和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合轉(zhuǎn)換模型，并對該模型進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，降低了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)網(wǎng)電量，可有效減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的發(fā)生，綜合能效得到較大的提升。

以上研究表明，在熱網(wǎng)和用戶之間利用結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、能量轉(zhuǎn)換效率較高的電鍋爐進(jìn)行儲(chǔ)熱，可以在一定程度上消耗熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電量，減少了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)網(wǎng)電量，使風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電進(jìn)網(wǎng)電量增加，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組負(fù)荷的靈活性調(diào)節(jié)。

1.3 純凝機(jī)組配高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)靈活性調(diào)峰

對于不涉及供暖的純凝機(jī)組而言，可利用儲(chǔ)熱技術(shù)改變機(jī)組自身熱力過程，在儲(chǔ)熱和釋熱過程中拓寬機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，增加機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的靈活性。

WANG Jihong等人［13-14］先后研究了在 375 MW燃油機(jī)組和600 MW超臨界燃煤機(jī)組中設(shè)置儲(chǔ)熱裝置，利用谷期儲(chǔ)熱在峰期釋熱達(dá)到機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)目的。375 MW燃油機(jī)組通過設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)可使定壓運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)行下限由150 MW降至100 MW，使滑壓運(yùn)行時(shí)機(jī)組運(yùn)行下限由110 MW降至100 MW，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組降負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)；600 MW超臨界燃煤機(jī)組設(shè)置了不同儲(chǔ)熱和釋熱接入點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的靈活性調(diào)節(jié)，且接入儲(chǔ)熱系統(tǒng)后機(jī)組運(yùn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)較未接入儲(chǔ)熱系統(tǒng)平緩，系統(tǒng)運(yùn)行安全性增加，機(jī)組爬坡速率相應(yīng)增加。

為了更加清晰研究各種儲(chǔ)能技術(shù)在純凝機(jī)組中的靈活性調(diào)節(jié)作用，MARCIN Trojan等人［15］提出了采用壓力水儲(chǔ)罐調(diào)節(jié)火電廠電力輸出負(fù)荷的靈活性，在機(jī)組低負(fù)荷期間，將除氧器壓力水儲(chǔ)存在熱水儲(chǔ)罐中，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷可繼續(xù)下調(diào)21.96 MW，在機(jī)組高負(fù)荷期間，壓力水由熱水儲(chǔ)罐進(jìn)入鍋爐給水系統(tǒng)中，此時(shí)機(jī)組負(fù)荷增加了15.00 MW，通過該種方式拓寬了機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行區(qū)間。

魏超等人［16］對利用汽輪機(jī)第一級抽汽和第二級抽汽儲(chǔ)熱的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，雖然兩個(gè)位置的抽汽儲(chǔ)熱均可以降低機(jī)組運(yùn)行下限，但當(dāng)?shù)谝患壓偷诙壨瑫r(shí)抽汽且比例為1∶1時(shí)，汽輪機(jī)熱經(jīng)濟(jì)性要高于第一級抽汽儲(chǔ)熱，儲(chǔ)熱過程抽汽點(diǎn)不同，儲(chǔ)熱功率不同，導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷能力不同。

對于純凝機(jī)組熱力系統(tǒng)而言，在汽輪機(jī)不同抽汽口位置采用抽汽儲(chǔ)熱的方法可使機(jī)組在一定程度上實(shí)現(xiàn)降負(fù)荷調(diào)節(jié)，在釋熱過程將儲(chǔ)存的熱量釋放，替代回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)抽汽，使機(jī)組輸出功率增加，實(shí)現(xiàn)了純凝機(jī)組寬負(fù)荷調(diào)節(jié)。

以上結(jié)果表明，純凝機(jī)組設(shè)置高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)，利用谷電期儲(chǔ)熱，用電高峰期釋熱，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)。

1.4 汽輪機(jī)高背壓改造調(diào)節(jié)技術(shù)

相比于前面的應(yīng)用場景，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的汽輪機(jī)高背壓改造技術(shù)具有改造成本低、周期短、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好和易操作等優(yōu)點(diǎn)，也是近幾年熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組改造的主要技術(shù)，通過提高機(jī)組運(yùn)行背壓增加供熱面積，降低機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，擴(kuò)大熱電比，達(dá)到機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的目的。

ZHAO Shifei等人［17-18］建立了高背壓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組預(yù)熱空氣系統(tǒng)模型，該模型將機(jī)組背壓升高至30～45 kPa，用于加熱熱網(wǎng)回水，供用戶使用，在極端天氣利用汽輪機(jī)第四級抽汽進(jìn)一步加熱熱網(wǎng)給水，基于以上模型建立了300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組輔助熱源加熱供給水模型，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍由78.72%～54.87%擴(kuò)大至100.00%～25.20%，增加了機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性。CHEN Heng等人［19］研究了300 MW亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高背壓供熱特性，該方案將機(jī)組背壓由5～14 kPa提升至34～54 kPa，可將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至80℃左右，基本滿足居民采暖需求，在極端天氣情況下，熱網(wǎng)供水再由汽輪機(jī)第四級抽汽加熱，以滿足供熱需求，研究結(jié)果表明，該機(jī)組最大供熱能力為460 MW，較常規(guī)機(jī)組提升了80 MW，擴(kuò)大了熱電比，達(dá)到了機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的目的。

以上文獻(xiàn)是以單臺(tái)機(jī)組為研究模型開展了相關(guān)研究。而我國現(xiàn)有機(jī)組均為雙機(jī)或多機(jī)運(yùn)行，為了研究多機(jī)梯級能源利用，GE Zhihua等人［20］建立了2臺(tái)機(jī)組高背壓串聯(lián)供熱技術(shù)方案，將#1機(jī)組背壓由10 kPa提升至34 kPa，滿足供暖前期和供暖后期居民采暖需求，在極端寒冷天氣下，采用#2機(jī)組第四級抽汽加熱熱網(wǎng)供水，以滿足供暖需求，并以2×350 MW機(jī)組為例進(jìn)行了熱力性能分析，得到采用該種方案后供熱面積由900萬m2增加至1 190萬m2，實(shí)現(xiàn)了供熱負(fù)荷的增大。若該機(jī)組供熱負(fù)荷不變，利用2臺(tái)機(jī)組高背壓串聯(lián)供熱技術(shù)可使機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷下降，采用高背壓技術(shù)增加供熱面積（即供熱負(fù)荷）實(shí)現(xiàn)了機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的目的。

以上結(jié)果表明，采用高背壓改造技術(shù)在一定程度上增加了供熱負(fù)荷，提升了熱電比，達(dá)到了機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的目的。

1.5 燃煤機(jī)組與太陽能系統(tǒng)耦合調(diào)節(jié)技術(shù)

為了降低氣候?qū)μ柲軣岚l(fā)電的影響，保證太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定性，系統(tǒng)中設(shè)置熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)與1.3節(jié)中所述的純凝機(jī)組儲(chǔ)熱系統(tǒng)類似，將日光充足時(shí)加熱工質(zhì)過余熱量利用熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)存，在夜間或太陽能不充足時(shí)，利用儲(chǔ)熱熔鹽釋熱加熱工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組輸出功率穩(wěn)定，此處不做過多介紹。

如果將太陽能集熱系統(tǒng)與燃煤機(jī)組耦合運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組靈活性運(yùn)行，以達(dá)到太陽能利用最大化，減少棄光現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組靈活性運(yùn)行。2011年DIMITYR P［21］提出了太陽能與燃煤機(jī)組耦合發(fā)電技術(shù)，利用太陽能集熱系統(tǒng)取代汽輪回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)抽汽，在太陽能充足時(shí)，太陽能發(fā)電效率高于39%，起到了機(jī)組燃料調(diào)節(jié)杠桿作用，可使吸收的太陽能全部被利用，減少了棄光現(xiàn)象的發(fā)生。

於震躍等人［22-23］將太陽能與燃煤機(jī)組耦合發(fā)電技術(shù)分為“功率增大型”和“燃煤節(jié)省型”2種耦合模型，結(jié)構(gòu)示意圖詳見文獻(xiàn)［22］。所謂的“功率增大型”太陽能與燃煤機(jī)組耦合技術(shù)是指在鍋爐給水量不變的情況下，太陽能集熱系統(tǒng)替代部分回?zé)峒訜崞鞒槠@樣會(huì)使汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽做功增加，實(shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組功率增大；所謂“燃煤節(jié)省型”是指汽輪發(fā)電機(jī)組在輸出功率恒定時(shí)，減少主給水量并利用太陽能集熱系統(tǒng)替代部分回?zé)峒訜崞鞒槠?，這樣入爐燃料減少，實(shí)現(xiàn)了燃煤節(jié)省。以300 MW燃煤機(jī)組為研究模型，采用槽式太陽能代替汽輪機(jī)3級高壓抽汽的耦合方案，計(jì)算得到：“燃煤節(jié)煤型”方案可將機(jī)組煤耗由287.53 g/（kW·h）下降至254.29 g/（kW·h），所減少的煤耗即為太陽能輸入的能量，實(shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組發(fā)電負(fù)荷下降，達(dá)到了燃煤機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的目的，增加了太陽能發(fā)電進(jìn)網(wǎng)電量；在后續(xù)的研究中，華北電力大學(xué)楊勇平教授團(tuán)隊(duì)［24-27］分別建立了1 000 MW超臨界燃煤機(jī)組和太陽能耦合系統(tǒng)，替代汽輪機(jī)回?zé)峒訜崞鞒槠?，?shí)現(xiàn)了燃煤機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈活性，集熱器吸收的太陽能全部被利用，該方案為太陽能與燃煤機(jī)組耦合運(yùn)行提供相關(guān)理論依據(jù)。

在電網(wǎng)功率不變的情況下，上述文獻(xiàn)研究建立的太陽能與燃煤機(jī)組耦合發(fā)電系統(tǒng)模型，利用太陽能集熱取代汽輪機(jī)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)抽汽，達(dá)到燃煤機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行的目的。當(dāng)系統(tǒng)無太陽能輸入時(shí)，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷以電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷為準(zhǔn)；隨著太陽能資源的逐漸增加，太陽能所取代的抽汽量增大，燃煤機(jī)組給煤量逐漸減少，即燃煤機(jī)組與太陽能耦合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，燃煤機(jī)組發(fā)電占比逐漸減少，太陽能發(fā)電占比逐漸增加。該方案既能實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行的靈活性，又避免了因太陽能隨天氣變化引起的電網(wǎng)不安全運(yùn)行事件的發(fā)生，還能增加太陽能進(jìn)網(wǎng)電量，有效減少了棄光現(xiàn)象的發(fā)生。

以上結(jié)果表明，在太陽能資源豐富地區(qū)，將太陽能集熱系統(tǒng)與燃煤機(jī)組回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)耦合運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組負(fù)荷靈活性運(yùn)行，減少了棄光現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到了燃煤機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的目的。

上述5種燃煤機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)方案，均可在一定程度上降低燃煤機(jī)組功率輸出，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組寬負(fù)荷靈活性運(yùn)行。但由于各技術(shù)方案對應(yīng)著特定類型的機(jī)組，其技術(shù)特點(diǎn)也不同，以下對燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)方案進(jìn)行簡要介紹。

2 燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)對比及發(fā)展方向

2.1 燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)對比

前面所述5種不同形式的燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)方案，均可以增加機(jī)組運(yùn)行的靈活性，但不同系統(tǒng)的改造方案和程度不盡相同，改造過程中存在諸多問題，不同靈活性改造方案的技術(shù)特點(diǎn)見表1。

上述分析發(fā)現(xiàn)，燃煤機(jī)組靈活性改造已有多種方案，每種方案對應(yīng)著特定機(jī)組，各自的缺點(diǎn)導(dǎo)致了燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)普適性不強(qiáng)。例如，在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中設(shè)置熱水儲(chǔ)熱和電鍋爐儲(chǔ)熱作為居民采暖峰期熱源，但是對于純凝機(jī)組而言，采用熱水儲(chǔ)熱或電鍋爐儲(chǔ)熱水僅可作為鍋爐給水，能源利用效率低，調(diào)峰能力不大，推廣性不強(qiáng)；同樣采用高背壓機(jī)組在采暖期供熱，可增加熱電比，加大了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，但該技術(shù)無法應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的純凝機(jī)組，使用局限性大；相對于我國太陽能豐富地區(qū)，可將太陽能與燃煤機(jī)組耦合代替汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽，既能實(shí)現(xiàn)太陽能與燃煤機(jī)組的靈活性運(yùn)行、又能減少棄光的發(fā)生，即增加了太陽能進(jìn)網(wǎng)電量，但是該方案受地理?xiàng)l件和氣候因素限制，不能大范圍推廣使用。而純凝機(jī)組配高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)靈活性調(diào)峰技術(shù)，充分利用機(jī)組自身熱力性能特點(diǎn)，谷電期將過余熱量儲(chǔ)存，用電高峰期再對本機(jī)組釋熱，實(shí)現(xiàn)了純凝機(jī)組負(fù)荷的靈活性調(diào)節(jié)，不受機(jī)組類型、地理位置、氣候條件和機(jī)組負(fù)荷限制，推廣性相對較強(qiáng)。

2.2 燃煤機(jī)組配高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)靈活性調(diào)峰技術(shù)存在的問題及發(fā)展方向

燃煤機(jī)組配高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)靈活性調(diào)峰技術(shù)，以鍋爐、汽輪機(jī)、高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)（如熔鹽）和機(jī)組負(fù)荷為研究對象，保證鍋爐最優(yōu)燃燒效率，將多余蒸汽的熱量儲(chǔ)存在高溫儲(chǔ)熱罐中，調(diào)峰過程結(jié)束，高溫儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)存熱量以供其他用戶使用，減少汽輪機(jī)抽汽量。本研究選用熔鹽作為高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)，由表1可知，相比于熱水儲(chǔ)熱，高溫熔鹽儲(chǔ)熱的優(yōu)點(diǎn)更加突出，液態(tài)熔鹽在使用中傳熱無相變，傳熱均勻穩(wěn)定，傳熱性能良好、系統(tǒng)運(yùn)行壓力小、使用溫度范圍較寬，儲(chǔ)熱量大、價(jià)格低、安全可靠。但是燃煤機(jī)組配高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)靈活性調(diào)峰技術(shù)存在如下亟須解決的問題。

表1 5種靈活性改造技術(shù)特點(diǎn)Tab.1 Features of five flexibility transformation technologies

（1）就純凝機(jī)組而言，熱力系統(tǒng)相對復(fù)雜，在不同抽汽點(diǎn)進(jìn)行抽汽儲(chǔ)熱，對機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響不同，釋熱過程亦如此，在儲(chǔ)熱和釋熱過程中機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)未知，如何選擇儲(chǔ)熱抽汽點(diǎn)及釋熱接入點(diǎn)是解決純凝機(jī)組配高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)靈活性調(diào)峰技術(shù)的關(guān)鍵性問題之一。

（2）對于高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)，使用較為普遍的儲(chǔ)熱介質(zhì)為熔鹽，但應(yīng)用比較成熟的Solar鹽和Hitec鹽最低使用溫度均高于142℃［29］，對于供熱而言，熔點(diǎn)越高需要的防凍堵措施就愈加嚴(yán)格，制造成本相對增加，故低熔點(diǎn)熔鹽的開發(fā)也尤為重要。文獻(xiàn)［29-31］分別獲得了熔點(diǎn)為86.5，116.9和109.3℃的低熔點(diǎn)混合熔鹽，這些低熔點(diǎn)熔鹽為中低溫儲(chǔ)熱介質(zhì)選擇供了選擇依據(jù)依據(jù)。但對燃煤機(jī)組儲(chǔ)熱而言，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)，需要實(shí)現(xiàn)對抽出的蒸汽全熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，這就需要研究適用于不同溫度熱量儲(chǔ)存的低熔點(diǎn)熔鹽，以滿足不同需求的機(jī)組靈活性改造的需求。

（3）在儲(chǔ)熱和釋熱過程中涉及蒸汽/熔鹽儲(chǔ)熱過程和熔鹽/給水釋熱兩個(gè)換熱過程，相對應(yīng)的2種不同類型的換熱器，雖然已有文獻(xiàn)介紹了一些熔鹽/蒸汽（熔鹽為高溫介質(zhì)）換熱器［32-33］的換熱特性并得到一定的結(jié)論，也擬合了相應(yīng)的傳熱關(guān)聯(lián)式，但蒸汽/熔鹽（蒸汽為高溫介質(zhì)）換熱器未見相關(guān)報(bào)道，由于上述2種換熱器傳熱機(jī)理不同，換熱器設(shè)計(jì)思路及強(qiáng)化傳熱手段均不同，因此，在后續(xù)的研究中需對以上2種換熱器的傳熱機(jī)理進(jìn)行相關(guān)研究。

（4）除了熔點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)的問題，使用顯熱高溫熔鹽另一個(gè)重點(diǎn)考慮的問題就是腐蝕問題。在燃煤發(fā)電廠或太陽能熱發(fā)電廠使用材料大多為碳鋼和低合金鋼，采用不同成分的熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，對金屬的腐蝕性不同，同一種熔鹽對不同金屬的腐蝕性也不同［34］。相關(guān)研究表明，相比于普通碳鋼，低合金鋼中因Cr元素的存在，在硝酸鹽中會(huì)在其表面形成具有保護(hù)作用的FeCr2O4，降低對合金鋼的腐蝕速率［35-36］，同時(shí)不同溫度熔鹽對金屬的腐蝕性不同，溫度越高腐蝕性越大［36］。因此，在換熱器和熔鹽設(shè)備選擇過程中要考慮對應(yīng)的防腐蝕措施。

3 結(jié)束語

現(xiàn)階段燃煤機(jī)組負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)，導(dǎo)致以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生能源進(jìn)網(wǎng)電量相對較少。雖然電網(wǎng)采取了調(diào)度優(yōu)化等手段，降低燃煤機(jī)組發(fā)電比例，僅能消納部分可再生能源發(fā)電量。為進(jìn)一步消納可再生能源發(fā)電量，還需從電廠側(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)，電廠側(cè)依據(jù)機(jī)組自身特點(diǎn)分別利用熱水儲(chǔ)熱、電鍋爐儲(chǔ)熱和熔鹽儲(chǔ)熱，對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行高背壓改造，或采用燃煤機(jī)組與太陽能耦合運(yùn)行等方案來實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的靈活性調(diào)節(jié)。但是受到機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)、地理?xiàng)l件和氣候因素限制，以上方案僅熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)具有較強(qiáng)的普適性和推廣性，并能廣泛應(yīng)用于各類型機(jī)組，這也是將來燃煤機(jī)組靈活性調(diào)節(jié)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

雖然已有純凝機(jī)組利用高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行抽汽儲(chǔ)熱的研究，在研究中存在諸如儲(chǔ)熱抽汽點(diǎn)和釋熱接入點(diǎn)對機(jī)組熱效率的影響不明確，儲(chǔ)熱介質(zhì)熔點(diǎn)和使用溫度低不能滿足蒸汽全熱量儲(chǔ)存的要求，儲(chǔ)熱和釋熱換熱器傳熱機(jī)理不明確及高溫熔鹽對設(shè)備的腐蝕性等問題，這些問題均是制約燃煤機(jī)組利用高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行負(fù)荷靈活性調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素，也是將來主要研究的內(nèi)容。