王 林,劉曉莎,胡 平,李 昭,張 鵬

(1.西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054;2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000;3.咸陽(yáng)市新能源及微電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 咸陽(yáng) 712000)

風(fēng)電、光伏等新能源電力具有綠色環(huán)保,零碳排放的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在我國(guó)電力供應(yīng)體系中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位[1]。相比之下,傳統(tǒng)燃煤火電機(jī)組則面臨著煤價(jià)高企、碳減排困難的問(wèn)題,經(jīng)營(yíng)與環(huán)保兩方面承壓。挖掘存量煤電機(jī)組的功能潛力,開(kāi)發(fā)電力市場(chǎng)輔助服務(wù)新業(yè)務(wù),為新能源電力的消納提供深度調(diào)節(jié)與兜底保障功能,這對(duì)于平抑未來(lái)電網(wǎng)的高波動(dòng)性,同時(shí)改善煤電企業(yè)的經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)均具有重要意義[2-4]。

煤電機(jī)組要獲取電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的收益,就必須具備達(dá)標(biāo)的靈活性?；痣姍C(jī)組靈活性指的是機(jī)組能夠快速足量地響應(yīng)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)需求,具體來(lái)說(shuō),這就要求煤電機(jī)組具有寬程的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍,以及較高的變出力速率。

已開(kāi)展的火電機(jī)組靈活性改造工程,聚焦于降低機(jī)組最低技術(shù)出力,主要是降低鍋爐最低負(fù)荷。所采取的方案具有局部性、短期性特點(diǎn),缺乏系統(tǒng)級(jí)的、能夠保障煤電機(jī)組長(zhǎng)期深調(diào)安全性的方案。

1 現(xiàn)有方案分析

煤電機(jī)組在承擔(dān)深度調(diào)峰任務(wù)時(shí),鍋爐實(shí)際負(fù)荷將達(dá)到甚至低于原設(shè)計(jì)的最低穩(wěn)燃負(fù)荷(最低穩(wěn)燃負(fù)荷,指鍋爐在單純燒煤而不用其他助燃手段的前提下,能夠長(zhǎng)期維持穩(wěn)定燃燒的最低負(fù)荷)。在低負(fù)荷、超低負(fù)荷下,鍋爐面臨燃燒條件惡化、水動(dòng)力穩(wěn)定性降低、SCR脫硝裝置進(jìn)口煙溫不能滿(mǎn)足反應(yīng)要求等問(wèn)題[5]。

1.1 改造方案

發(fā)電行業(yè)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展實(shí)施的靈活性改造方案主要有以下幾個(gè)方面:

(1)提升煤粉著火能力的優(yōu)化改造。具體包括磨煤機(jī)靜態(tài)分離器改動(dòng)態(tài)分離器、磨煤機(jī)液壓加載裝置改造、配煤優(yōu)化調(diào)整等方案,用以提高煤粉細(xì)度、增大入爐煤揮發(fā)分,從而使得入爐煤粉在低負(fù)荷下易著火、易燃盡。

(2)提升鍋爐穩(wěn)燃能力的優(yōu)化改造。具體措施有換用先進(jìn)的煤粉燃燒器,配置等離子、燃油、燃?xì)獾赛c(diǎn)火助燃設(shè)備,采用智能的配風(fēng)方案等,以提高深度調(diào)峰工況下煤粉火焰的穩(wěn)定性,避免鍋爐滅火。

(3)提升脫硝裝置低負(fù)荷脫硝能力的改造。目前煤電機(jī)組普遍采用選擇性催化還原法SCR(selective catalytic reduction,簡(jiǎn)稱(chēng)SCR)裝置進(jìn)行煙氣脫硝,相應(yīng)催化劑的反應(yīng)溫度為380～420 ℃,現(xiàn)有的電站煤粉鍋爐在<30% BMCR鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate,簡(jiǎn)稱(chēng)BMCR)的低負(fù)荷工況下,煙氣溫度難以達(dá)到催化反應(yīng)要求,相關(guān)改造主要采取了脫硝出口設(shè)置分級(jí)省煤器替換原入口單個(gè)大省煤器、省煤器進(jìn)口至脫硝入口設(shè)置煙氣旁路、省煤器至水冷壁進(jìn)口集箱設(shè)置上水旁路以及增設(shè)零號(hào)高壓加熱器等措施,用來(lái)減少低負(fù)荷下省煤器的吸熱量,從而提高脫硝裝置的入口煙氣溫度。

(4)汽機(jī)高低壓旁路抽汽改造。隨著電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的開(kāi)發(fā),近年來(lái)部分電廠進(jìn)行了新增供熱能力改造。在高壓旁路或低壓旁路上開(kāi)口接管,抽取部分蒸汽供應(yīng)居民取暖或工業(yè)熱用戶(hù),以及耦合熔鹽等儲(chǔ)熱裝置,再將其用于供熱或發(fā)電。

1.2 效果分析

劉旋坤[6]等通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行調(diào)整措施,在某330 MW循環(huán)流化床鍋爐實(shí)現(xiàn)了機(jī)組20%額定出力參與電網(wǎng)深度調(diào)峰。張良等利用花瓣?duì)罘€(wěn)燃低氮燃燒器技術(shù)改造超臨界機(jī)組鍋爐側(cè)燃燒系統(tǒng),滿(mǎn)足了20%負(fù)荷深度調(diào)峰條件下的穩(wěn)燃需求。佟博恒[7]等通過(guò)優(yōu)化低負(fù)荷下的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng),實(shí)現(xiàn)了鍋爐20%負(fù)荷下的燃燒穩(wěn)定。

文獻(xiàn)報(bào)道表明,部分機(jī)組經(jīng)靈活性改造后,其維持運(yùn)轉(zhuǎn)的最小出力可降低至20%,調(diào)峰空間可提高至額定容量的80%。

為提出鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃、低負(fù)荷脫硝等問(wèn)題的靈活性改造方案,采用升級(jí)更換鍋爐局部組件的辦法,確實(shí)能夠提高機(jī)組應(yīng)對(duì)深度調(diào)峰工況的能力。但這些方案也存在不足。大部分改造聚焦于局部,忽視了鍋爐是一個(gè)集合燒、汽水、煙風(fēng)等多組件的統(tǒng)一整體,局部的改造確實(shí)能夠解決低負(fù)荷穩(wěn)燃與脫硝問(wèn)題,但深度調(diào)峰工況下又出現(xiàn)了鍋爐蒸汽參數(shù)低、空預(yù)器低溫腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加、水冷壁等受熱面安全性無(wú)法保障等新問(wèn)題。最根本的,長(zhǎng)期參與深度調(diào)峰任務(wù)、承受頻繁快速變負(fù)荷將會(huì)大大增加鍋爐受熱面、蒸汽管道等金屬材料發(fā)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn),造成煤電機(jī)組潛在的壽命折損,大大增加設(shè)備的故障率。

高低壓旁路改造采用抽取蒸汽的方式,將機(jī)組的電負(fù)荷與鍋爐實(shí)際熱負(fù)荷進(jìn)行一定程度的解耦與重配。在滿(mǎn)足深度調(diào)峰需求的同時(shí),鍋爐的實(shí)際熱負(fù)荷不需要真的降低到其設(shè)計(jì)的最低穩(wěn)燃負(fù)荷之下,這就避免了鍋爐承受調(diào)峰工況惡劣運(yùn)行條件的考驗(yàn),保護(hù)了熱力設(shè)備。

但是,高低壓旁路抽汽改造方案也有應(yīng)用的局限。首先,調(diào)峰任務(wù)是全年性的,只有配置長(zhǎng)期穩(wěn)定的高溫蒸汽用戶(hù),才能發(fā)揮出旁路抽汽改造方案的全部?jī)?yōu)勢(shì)。我國(guó)西北地區(qū)風(fēng)、光資源豐富,建立了大量新能源電站,與之配套的煤電機(jī)組,因電廠周邊經(jīng)濟(jì)落后、產(chǎn)業(yè)不發(fā)達(dá),缺少長(zhǎng)期穩(wěn)定的熱用戶(hù),限制了這一方案的推廣應(yīng)用。另一部分采用抽汽熔鹽儲(chǔ)熱方案的電廠,放棄了供暖供熱路線(xiàn),采用熔鹽吸熱再放熱發(fā)電的方案,可推廣性得到提高,但廠內(nèi)一套汽輪發(fā)電機(jī)組,配備鍋爐與熔鹽兩套工質(zhì)加熱裝置,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、造價(jià)高昂、運(yùn)行與檢修困難,此外熔鹽儲(chǔ)熱發(fā)電裝置啟停費(fèi)時(shí),拉低了混合發(fā)電系統(tǒng)的整體響應(yīng)速率。

部分局部性的鍋爐技改方案,以犧牲機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)換取了更大的調(diào)峰容量。機(jī)組改造后仍然面臨長(zhǎng)期頻繁快速變負(fù)荷甚至快速啟停機(jī)帶來(lái)的惡劣工況考驗(yàn),安全風(fēng)險(xiǎn)與壽命損耗都顯著增大。綜合考量這些改造方案,只顧眼前而忽視長(zhǎng)遠(yuǎn),只改局部而忽視整體。未來(lái)火電機(jī)組應(yīng)在保證長(zhǎng)期安全性、經(jīng)濟(jì)性的前提下,去爭(zhēng)取更大的調(diào)峰收益,系統(tǒng)級(jí)的靈活性改造方案亟待提出。

2 基于氫儲(chǔ)能的煤電靈活性改造方案

氫能是未來(lái)我國(guó)能源體系的重要組成部分、氫能是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。利用制氫系統(tǒng)輔助煤電機(jī)組深度調(diào)峰,既發(fā)展了氫能產(chǎn)業(yè),又支撐了風(fēng)電、光伏等新能源電力上網(wǎng),還增加了煤電機(jī)組的綜合收益。

電解水制氫的成本構(gòu)成中,電費(fèi)占比80%、折舊占比10%、運(yùn)營(yíng)維護(hù)10%。決定制氫設(shè)備經(jīng)濟(jì)性高低的最大因素為電價(jià)?；痣姀S具有成本低廉、供應(yīng)充足的自發(fā)電力、自產(chǎn)蒸汽、除鹽水、高品位熱能等,并配有專(zhuān)業(yè)的機(jī)務(wù)、化學(xué)、電氣等運(yùn)行檢修人員。開(kāi)展制氫系統(tǒng)輔助煤電機(jī)組深度調(diào)峰的工作具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和良好的軟硬件基礎(chǔ)。

2.1 氫儲(chǔ)能輔助煤電調(diào)峰的可行性

部分研究者認(rèn)為,燒煤-發(fā)電-制氫的技術(shù)路線(xiàn)不環(huán)保,過(guò)程中存在大量的碳排放,制取的是“灰氫”。這一結(jié)論顯然是以制氫作為最高的、唯一的目標(biāo),將火電制氫與風(fēng)電、光伏及其他制氫路線(xiàn)橫向比較得出的。

本文中電解制氫是實(shí)現(xiàn)煤電機(jī)組極限深度調(diào)峰的手段而非目的,提高新能源電力的消納比例、保護(hù)熱力設(shè)備免受頻繁熱沖擊才是新方案的核心關(guān)切。參與深度調(diào)峰的煤電機(jī)組,利用多發(fā)的電力制取氫氣,實(shí)際上具有良好的碳減排作用。

(1)調(diào)峰火電機(jī)組需要保持開(kāi)機(jī)狀態(tài),由此產(chǎn)生的碳排放無(wú)法削減。未來(lái)以新能源電力為主導(dǎo)的電網(wǎng),其波動(dòng)性將十分巨大,必須保持足夠多的火電機(jī)組開(kāi)機(jī),承擔(dān)日常調(diào)節(jié)與應(yīng)急支撐功能,才能保證電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。這部分以最低出力保持運(yùn)行的火電,不可避免地要產(chǎn)生一部分碳排放,期間發(fā)出的電力也終歸要有去處。因此,不管采用何種技術(shù)路線(xiàn),均無(wú)法削減煤電“待機(jī)”產(chǎn)生的碳排放。

(2)調(diào)峰電力用于制氫,具有間接的碳減排作用。火電機(jī)組利用調(diào)峰階段自產(chǎn)電力以及廠內(nèi)已有的人員設(shè)備基礎(chǔ)開(kāi)展制氫工作具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。調(diào)峰期間產(chǎn)生的碳排放既然無(wú)法削減,那么最大程度地為風(fēng)電、光伏等新能源電力騰出上網(wǎng)容量,同時(shí)制備能夠起到減碳作用的氫氣燃料,那么綜合來(lái)看,煤電調(diào)峰+制氫路線(xiàn)便間接支持了削減碳排放這一目標(biāo),因而具有良好的環(huán)保意義,符合政策導(dǎo)向。

(3)避免機(jī)組極低負(fù)荷運(yùn)行,能夠有效減少碳排放。鍋爐在超低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),燃料與空氣的配比嚴(yán)重失衡,過(guò)小的火焰不能很好的充滿(mǎn)爐膛,爐內(nèi)熱量散失快,煤粉著火困難,燃燒也不充分,機(jī)組的發(fā)電煤耗顯著增大,這意味著生產(chǎn)單位電能帶來(lái)的碳排放將大大增加。在深度調(diào)峰時(shí),利用制氫裝置消耗一部分機(jī)組自發(fā)電力,就能保證鍋爐的實(shí)際熱負(fù)荷不低,機(jī)組運(yùn)行在高效率區(qū)間,煤耗指標(biāo)優(yōu)良,進(jìn)而達(dá)到減少碳排放的效果。

2.2 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的選擇要求

煤電機(jī)組快速調(diào)整上網(wǎng)電量的功能,依靠電解制氫系統(tǒng)的出力快速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn),這要求制氫系統(tǒng)能滿(mǎn)足以下條件:

(1)改造方案能夠充分利用電廠已有的生產(chǎn)條件(人員、設(shè)備、物料、工藝方法等),從而有效降低初期投資。

(2)選用的電解槽應(yīng)具有適應(yīng)多變負(fù)載的能力,以實(shí)時(shí)吸納多余電量,快速調(diào)節(jié)機(jī)組上網(wǎng)電量。

(3)采用的制氫工藝應(yīng)具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率,裝置投運(yùn)后能夠切實(shí)提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)性,增加煤電企業(yè)的綜合收益。

2.3 固體氧化物電解槽系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

根據(jù)電解槽的性能差異,當(dāng)前制氫技術(shù)可分為堿性水電解槽(alkaline,簡(jiǎn)稱(chēng)ALK)、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)、陰離子交換膜電解槽(AEM)以及固體氧化物電解槽(SOEC)4種方案。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,ALK電解水技術(shù)的電解效率約為60%～75%,PEM電解水技術(shù)的電解效率約為70%～90%,而固體氧化物(SOEC)電解槽在高溫(700～850 ℃)下運(yùn)行,電解效率可達(dá)75%～100%。在同樣的工況下,相比于ALK電解制氫和PEM電解制氫技術(shù),SOEC方案可以節(jié)約30%以上的電能。此外,ALK、PEM等技術(shù)方案還存在著響應(yīng)速度慢、不能頻繁啟停機(jī)等問(wèn)題。

固體氧化物電解槽(SOEC)以氧化釔、氧化鋯等材料為電解質(zhì)。相較于低溫電解技術(shù),固體氧化物電解槽的運(yùn)行溫度高達(dá)700～1 000 ℃,高溫下電化學(xué)反應(yīng)速率大大提高,能量損失顯著減少,SOEC制氫效率可以達(dá)到95%以上,是所有電解水制氫技術(shù)路線(xiàn)中效率最高、產(chǎn)率最高的制氫方式[8-9]。各技術(shù)路線(xiàn)制氫能耗比較如圖3所示。

圖3 不同制氫技術(shù)能耗比較

SOEC的核心部件為固體離子傳導(dǎo)陶瓷及不銹鋼材料,機(jī)械穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性?xún)?yōu)良,裝置不使用貴金屬作催化劑,因此制造成本低,耐用性強(qiáng)。SOEC技術(shù)適合大規(guī)模的氫氣生產(chǎn)場(chǎng)景,其經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在制氫效率高、原料適應(yīng)廣、運(yùn)行模式多樣化以及材料成本低廉等多個(gè)方面。

3 氫儲(chǔ)能與煤電機(jī)組的結(jié)合方案

以某1 000 MW燃煤機(jī)組為例,分析電廠的軟硬件條件,初步建立基于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的高靈活性煤電機(jī)組原理性配置方案。

3.1 煤電機(jī)組的條件分析

SOEC某機(jī)組選用了型號(hào)為SG-2983/32.14-M7054的二次再熱超超臨界壓力燃煤鍋爐,設(shè)計(jì)最低穩(wěn)燃負(fù)荷不高于30% BMCR。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐各處煙氣溫度設(shè)計(jì)如表2所示。由表2可知,40%THA工況時(shí)屏式過(guò)熱器底部及低溫過(guò)熱器進(jìn)口煙溫高達(dá)1 035 ℃。從此處抽取高溫?zé)煔庾鳛榧訜嵩?完全能夠保證SOEC裝置所需的700～1 000 ℃的反應(yīng)溫度。

表2 煙氣溫度設(shè)計(jì)值

機(jī)組設(shè)置有一套高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)。高壓旁路容量為40%BMCR,即最大供汽量為1 193.2 t/h。配有2臺(tái)產(chǎn)量為150 m3/h的除鹽水生產(chǎn)裝置,并建設(shè)有一個(gè)5 000 m3除鹽水存儲(chǔ)箱。機(jī)組補(bǔ)水能力與旁路抽汽容量能夠保證 SOEC裝置所需的高溫水蒸氣。

機(jī)組的高壓廠用電電壓為10 kV,低壓廠用電電壓采用690 V和380 V兩級(jí)電壓,能夠滿(mǎn)足制氫系統(tǒng)不同類(lèi)型設(shè)備的用電需求。

3.2 原理性結(jié)合方案

SOEC裝置的低電耗優(yōu)勢(shì)是在消耗高品質(zhì)熱能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能利用溫度更高的蒸汽和煙氣。

由表1可知,40%THA工況下,過(guò)熱蒸汽溫度最高,達(dá)到610 ℃,從高壓旁路抽取過(guò)熱蒸汽供給SOEC裝置較為合理。

由表2可知,40%THA工況下,屏過(guò)底部及低溫過(guò)熱器進(jìn)口煙氣溫度最高,達(dá)到1 035 ℃,完全可以滿(mǎn)足電解要求。故選擇在屏過(guò)底部區(qū)域設(shè)置取煙口,抽取高溫?zé)煔饧訜酳OEC裝置。

綜上,SOEC輔助煤電機(jī)組深度調(diào)峰系統(tǒng)原理性設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 SOEC輔助煤電調(diào)峰原理圖

集成系統(tǒng)的工作過(guò)程為:當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度下達(dá)的負(fù)荷指令低于鍋爐運(yùn)行的高效率區(qū)間(指的是鍋爐40%～100%額定出力范圍)時(shí),啟動(dòng)SOEC制氫儲(chǔ)能系統(tǒng),鍋爐主蒸汽一部分用于發(fā)電,其電能分成上網(wǎng)電量與電解制氫電量,另一部分蒸汽作為SOEC裝置的原料蒸汽。

在鍋爐熱負(fù)荷不變的情況下,SOEC通過(guò)蒸汽抽汽與電解耗電共同減少了機(jī)組上網(wǎng)電量。理想狀態(tài)下,機(jī)組對(duì)外輸出功率為零,表現(xiàn)為“假停機(jī)、零出力”狀態(tài),而一旦網(wǎng)側(cè)需要負(fù)荷,則可立即停運(yùn)SOEC設(shè)備,通過(guò)電氣切換開(kāi)關(guān),快速響應(yīng)網(wǎng)上電力需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái),隨著國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施,新能源電力上網(wǎng)電量大幅增加,對(duì)傳統(tǒng)煤電機(jī)組的深度調(diào)峰能力提出了更高要求?，F(xiàn)有火電靈活性改造方案聚集局部,忽視了機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。本文探討了基于制氫儲(chǔ)能裝置的煤電機(jī)組極限深度調(diào)峰技術(shù),主要有以下結(jié)論:

(1)現(xiàn)有提升火電調(diào)峰容量的技改措施,不能根本消除頻繁變負(fù)荷、快速啟停機(jī)對(duì)熱力設(shè)備造成的潛在壽命折損及安全風(fēng)險(xiǎn);

(2)利用制氫儲(chǔ)能裝置輔助煤電機(jī)組開(kāi)展極限深度調(diào)峰具有良好的綜合碳減排意義;

(3)固體氧化物電解槽制氫技術(shù)與煤電廠已有的生產(chǎn)條件契合度高,結(jié)合性強(qiáng),具有顯著的優(yōu)勢(shì);

(4)開(kāi)展SOEC輔助煤電機(jī)組極限容量深度調(diào)峰,可為電廠增加調(diào)峰補(bǔ)貼、氫氣售賣(mài)、設(shè)備延壽等綜合收益。