朱婧文, 王嘉奇, 尤 暢, 胡斌彬, 付 鑫, 馮兆興

(1. 沈陽(yáng)工程學(xué)院 研究生部, 沈陽(yáng) 110136;2. 沈陽(yáng)工程學(xué)院 能源與動(dòng)力學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136)

0 引 言

近年來(lái),由于電廠出現(xiàn)了供大于求的局面,新能源電站又有著很大的隨機(jī)性,如何去解決這一問(wèn)題成為我國(guó)電力發(fā)展的關(guān)建。靈活性改造主要通過(guò)增加機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力來(lái)有效地緩解由于可再生能源以及新能源的間歇性、波動(dòng)性和不穩(wěn)定性[1]以及電廠的產(chǎn)能過(guò)剩而導(dǎo)致的一系列問(wèn)題。

1 靈活性改造的必要性

中國(guó)的電力越發(fā)的充足,發(fā)電廠嚴(yán)重過(guò)剩,一些火電廠的發(fā)電利用小時(shí)數(shù)大幅度下降,導(dǎo)致了我國(guó)一些大型機(jī)組難以發(fā)揮出節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì)。而且隨著環(huán)保安全的新能源越來(lái)越受到人們的重視,十三五提出,在2020、2030年非化石能源比重要分別達(dá)到15%、20%的目標(biāo)[2],國(guó)家能源局發(fā)出緊急文件叫停了13個(gè)省的新建火電項(xiàng)目。除此之外,新能源的棄風(fēng)棄光問(wèn)題依然較為嚴(yán)重,大量的能源流失所造成的損失促使各個(gè)新能源電廠處境艱難。因此對(duì)于那些總裝機(jī)容量加起來(lái)還不到6%的抽水蓄能電站和燃?xì)鈾C(jī)組或者技術(shù)還不是很完全的化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù),以火電裝機(jī)容量占64%左右的國(guó)家而言[3],高調(diào)節(jié)性的煤電廠就成為了最為現(xiàn)實(shí)的可行性選擇。國(guó)家對(duì)于靈活性改造預(yù)期提出了以下要求,見(jiàn)表1[4]。

表1 靈活性改造預(yù)期要求Table 1 Desired requirement flexibility modification

2 靈活性改造類(lèi)型

2.1 運(yùn)行靈活性

提高運(yùn)行靈活性,是指增加了火電機(jī)組的出力變化范圍,增強(qiáng)其爬坡能力,響應(yīng)負(fù)荷變化能力,快速啟停能力,多數(shù)情況下是指增加火電機(jī)組在低負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定、清潔、高效運(yùn)行能力。相對(duì)于熱電機(jī)組,通常指的是更有效地解決“以熱定電”運(yùn)行模式,具有配合風(fēng)電上網(wǎng)的調(diào)峰功能[5-6]。

2.2 燃料靈活性

提高機(jī)組對(duì)燃料的靈活適應(yīng)性,是保證燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力的基礎(chǔ)。電廠鍋爐一般都是按照所要使用的煤種來(lái)設(shè)計(jì)一系列的參數(shù),燃料的靈活性就是在盡量不改變機(jī)組的結(jié)構(gòu)的同時(shí)可以進(jìn)行改煤種或者摻燒等做法,提高整個(gè)機(jī)組的燃燒適應(yīng)性。

3 靈活性改造所遇到問(wèn)題及對(duì)策

3.1 燃燒穩(wěn)定性

相對(duì)于靈活性改造,主要的燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題是燃燒溫度偏低。當(dāng)燃燒溫度偏低時(shí),會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、燃燒不完全、換熱量減小、蒸發(fā)量不足,效率下降,易發(fā)生滅火停爐的現(xiàn)象。

3.1.1 磨煤機(jī)改造

在深度調(diào)峰期間,制粉系統(tǒng)易跳閘堵粉。因此若要保證安全運(yùn)行并加強(qiáng)穩(wěn)燃特性,相對(duì)于煤粉來(lái)說(shuō),則需要增加它的濃度、細(xì)度以及溫度。

趙學(xué)斌[7]提出提高磨盤(pán)轉(zhuǎn)速可提高10%～20%出力;陳文等[8]提出提高通風(fēng)量來(lái)提高磨煤機(jī)的出力;王瑞麗等[9]提出鋼球磨少球技術(shù)和襯板改造可以提高鋼球的帶球高度和研磨效率;李力[10]提出可以在磨煤機(jī)入口熱一次風(fēng)道內(nèi)安裝微油加熱裝置;倪培林通過(guò)煤粉管道優(yōu)化節(jié)能技術(shù)[11]降低管道的磨損和壓損來(lái)提高一次風(fēng)管風(fēng)量、粉量的均勻性;一些專(zhuān)家還通過(guò)添加或改裝一些設(shè)備以及小粉倉(cāng)煤粉濃縮技術(shù)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤粉的一次濃縮[12-13]。遼寧國(guó)電運(yùn)用的磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器相對(duì)于靜態(tài)分離器[14]來(lái)說(shuō),還需要依靠煤粉顆粒的撞擊作用和離心力來(lái)進(jìn)行合格煤粉的選取,可提高煤粉細(xì)度的均勻性,提高機(jī)組的穩(wěn)燃性。

3.1.2 燃燒器改造

對(duì)于燃燒器的改造主要是保證在低負(fù)荷的情況下,燃料能夠順利點(diǎn)火并且不熄火保持其穩(wěn)定燃燒。比如甘肅國(guó)投、內(nèi)蒙古華電、河北華電使用等離子體燃燒器來(lái)形成溫度梯度極大的局部高溫區(qū)[15]以提高煤粉揮發(fā)份析出量來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的冷態(tài)啟動(dòng)無(wú)油點(diǎn)火;內(nèi)蒙古神華通過(guò)富氧燃燒技術(shù)來(lái)強(qiáng)化燃燒[16],通過(guò)重新調(diào)整一次風(fēng)距,一二次風(fēng)以及燃盡風(fēng)的分配方式,來(lái)適應(yīng)低負(fù)荷運(yùn)行。

3.1.3 摻燒

低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),爐膛內(nèi)穩(wěn)燃能力低的主要原因是在此種工況下煤粉無(wú)法得到足夠的能量。生物質(zhì)具有揮發(fā)份含量大易于著火以及燃燒集中在前期的特點(diǎn)。將生物質(zhì)與煤粉進(jìn)行混燃可以有效提高低負(fù)荷燃料的穩(wěn)燃特性,還可以改善我國(guó)農(nóng)村環(huán)境污染,避免“小污”變“大污”,甚至成“大害” 的趨勢(shì)[14]。

3.2 低負(fù)荷脫硝

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低時(shí),脫硝裝置入口煙氣溫度可能低于催化劑的正常使用溫度(320 ℃左右),導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行,造成NOx排放量增多、空氣預(yù)熱器堵塞、非污超標(biāo)等問(wèn)題。

因此,一般通過(guò)提高省煤器給水溫度、減少省煤器給水量或者直接提高煙氣溫度等方式來(lái)使煙氣溫度達(dá)到SCR脫銷(xiāo)系統(tǒng)催化劑的使用溫度,使其能夠正常運(yùn)行。遼寧國(guó)電、內(nèi)蒙古華電和河北華電均運(yùn)用了圖4的改造方式,低負(fù)荷脫硝具體的運(yùn)行方式見(jiàn)圖1～圖6[14-18]。

圖1 省煤器給水旁路改造Fig.1 Retrofitting of feed water bypass for economizer

圖2 省煤器再循環(huán)改造

圖3 省煤器分割布置改造Fig.3 Transformation of economizer division

圖4 省煤器煙氣旁路改造Fig.4 Retrofitting of Flue gas bypass of economizer

圖5 設(shè)置0號(hào)高加Fig.5 Set no. 0 high pressure heater

圖6 熱水再循環(huán)改造Fig.6 Retrofitting of hot water recirculation

表2[14-18]中顯示了各種低負(fù)荷脫硝的改造方式,從中可以看出煙氣旁路改造以及熱水再循環(huán)能更可靠的做為低負(fù)荷脫硝的方法。

表2 不同低負(fù)荷脫硝改造方式的特點(diǎn)Table 2 Characteristics of different low load denitrification transformation methods

3.3 空預(yù)器改造

低負(fù)荷下煙氣溫度會(huì)相對(duì)的降低,空氣預(yù)熱器易堵塞,因此需要對(duì)吹灰時(shí)間及吹掃行程進(jìn)行調(diào)整,提高吹掃換熱元件覆蓋面,選擇合理的板型和材料、正確進(jìn)行空預(yù)器換熱元件的分層布置等來(lái)進(jìn)一步緩解、減少空預(yù)器堵塞時(shí)間[19]。并且冷端加裝密封板自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,防止因低負(fù)荷下熱變形變小,從而導(dǎo)致空氣預(yù)熱器冷端間隙增大。

3.4 熱電廠中電與熱的不靈活性

對(duì)于供熱機(jī)組進(jìn)行靈活性改造從而實(shí)現(xiàn)熱電解耦,是解決以熱定電從而增強(qiáng)熱電機(jī)組調(diào)峰能力的關(guān)鍵。

3.4.1 儲(chǔ)熱技術(shù)

當(dāng)熱電機(jī)組降低出力時(shí),輸出熱量補(bǔ)齊熱力缺額;當(dāng)熱電機(jī)組增加出力時(shí),儲(chǔ)存富裕熱量,實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”運(yùn)行[20]。通過(guò)對(duì)不同介質(zhì)的加熱使其升溫從而達(dá)到儲(chǔ)存熱量的效果。供熱蒸汽流量過(guò)多時(shí),將多余的熱能用于加熱介質(zhì)并存儲(chǔ)到儲(chǔ)熱罐中,當(dāng)電力需求處于低谷時(shí),供熱不足的部分由儲(chǔ)熱罐中被加熱的介質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充[20]。遼寧華能、鐵法煤業(yè)、吉林大唐等電廠運(yùn)用過(guò)此種技術(shù),具體運(yùn)行方式見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 單罐熱水儲(chǔ)能在火電中的應(yīng)用

圖8 熔鹽熱儲(chǔ)能在汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖

3.4.2 電熱鍋爐

電鍋爐具有啟動(dòng)時(shí)間短的特點(diǎn),適合作為啟動(dòng)鍋爐輔助汽源,在機(jī)組低負(fù)荷或跳機(jī)后的熱態(tài)啟動(dòng)時(shí),電熱鍋爐的使用是保證機(jī)組汽封高溫汽源和除氧器汽源安全的有效措施,可替代燃油鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的部分產(chǎn)熱,有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)電節(jié)油一體化,可大幅提高機(jī)組在進(jìn)行深度調(diào)峰和快速熱態(tài)啟動(dòng)的安全性。遼寧華電、黑龍江大唐、甘肅國(guó)投都運(yùn)用過(guò)此種改造方式,具體運(yùn)行方式見(jiàn)圖9。

圖9 電鍋爐系統(tǒng)方案程序流程Fig.9 Program flow of electric boiler system scheme

表3[20-22]顯示了電鍋爐與儲(chǔ)熱裝置的相關(guān)信息,可知熔鹽儲(chǔ)熱相對(duì)于熱水儲(chǔ)熱更為可靠,儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐之間優(yōu)劣參半。

表3 熱電解耦實(shí)現(xiàn)形式的相關(guān)信息Table 3 Information about the implementation of thermal power plant decoupling

4 結(jié) 論

實(shí)施火電靈活性改造試點(diǎn)以來(lái),綜合施策取得了顯著成效。2017年全國(guó)“棄風(fēng)”電量同比減少78億kWh,棄風(fēng)電量、棄風(fēng)率開(kāi)始出現(xiàn)“雙降”;2018年全國(guó)“棄風(fēng)”電量277億kWh,棄風(fēng)率下降到7%;2019年清潔能源發(fā)電量1.2萬(wàn)億kWh、同比增長(zhǎng)11%,占總發(fā)電量的22.8%,同比上升0.5個(gè)百分點(diǎn);新能源棄電量268億kWh、同比下降35%,棄電率5.8%、同比下降5.2個(gè)百分點(diǎn)。

靈活性改造并不是一種偶然。新能源的迅速發(fā)展以及環(huán)境污染的加重,導(dǎo)致了化石能源電廠處在一種岌岌可危的境地。靈活性改造既是為新能源的發(fā)展找出一條出路也是為燃煤電廠找出一條出路。但靈活性改造并不適合所有的火電機(jī)組,必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,比如熱負(fù)荷需要、可再生能源發(fā)展以及機(jī)組自身?xiàng)l件等。否則隨便實(shí)施火電靈活性改造,勢(shì)必產(chǎn)生新的浪費(fèi)。因此,要合理把握火電靈活性改造的節(jié)奏,循序漸進(jìn),以防范新的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)如今低負(fù)荷下穩(wěn)燃、低負(fù)荷脫硝以及熱電解耦等方面已經(jīng)有了較為可靠和成熟的解決方案,相對(duì)于鍋爐整體的協(xié)調(diào)運(yùn)行以及輔機(jī)的改造與調(diào)整也在逐步的完整。靈活性改造的實(shí)現(xiàn)并不是僅僅幾個(gè)設(shè)備的改造就能夠完成的。所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身,為了能夠真正的達(dá)到較為安全完整經(jīng)濟(jì)的改造運(yùn)行,大到儲(chǔ)熱裝置、電鍋爐的使用,小到電動(dòng)變手動(dòng)的控制,都是需要進(jìn)行細(xì)致的操作,缺一不可。