火电机组灵活性改造技术方案研究

胡远庆 李国元 段晓磊

摘 要：当前，我国电力需求增速放缓，各种可再生能源快速发展。人们需要充分地挖掘燃煤机组的调峰潜力，提升我国火电机组的运行灵活性，以全面提高系统调峰和新能源消纳能力。本文针对热电机组和纯凝机组介绍了不同的灵活性改造技术方案，并从方案的可靠性、经济性等方面对各个方案进行对比分析。灵活性改造应遵循“一厂一策”的原则，结合企业自身的情况，合理选择方案。

关键词：灵活性改造;深度调峰;热电解耦;低负荷运行

中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：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

我国传统电力生产采用粗放式发展模式、扩张式经营方式，雖然推动了火电装机的持续增长，但也导致电网峰谷差增加、可再生能源消纳困难等问题突出，严重限制了可再生能源的并网消纳和持续健康发展[1-2]。因此，有必要大力开展研究，提升火电运行灵活性，全面提高系统调峰和新能源消纳能力。火电机组的灵活性改造的主要目的是提高运行灵活性和燃料灵活性。因不同类型机组自身条件的差异，其灵活性改造方案也有所不同。火电机组灵活性改造方案如下。

1 热电机组改造方案

热电解耦是提高热电机组调峰能力的主要措施，以便在低电负荷下满足热负荷需求。目前，主要的热电解耦技术包括低压缸背压机改造、光轴供热改造、机组热泵供热改造、蓄热罐供热、旁路蒸汽供热改造、低压缸零出力供热改造和电锅炉供热改造等。

1.1 低压缸背压机改造

低压缸背压机改造分为单转子方案和双转子方案。单转子方案是指对汽轮机低压缸通流部分进行改造，以保证高背压改造后高背压供热工况和纯凝工况均采用同一套低压通流设备，不需要更换低压转子等设备，同时经济性较高。双转子方案是指通过对汽轮机低压缸通流部分进行改造，双转子切换，非采暖期采用高效纯凝转子，可提高机组低压缸效率（至少2%）;采暖期采用原低压转子补充加工，更换叶片，以满足高背压需要。由于高背压改造后，低压通流部分仍有部分级做功，所以调峰能力有限。

1.2 光轴供热改造

光轴供热改造技术是指在冬季供暖工况，低压转子采用背压光轴转子运行，除少量蒸汽用于进入低压缸冷却外，其余中排蒸汽全部用于供热;在非供暖期，再将光轴更换为低压纯凝转子。与改造前相比，由于低压通流部分不再做功，原本进入低压缸做功的中排蒸汽几乎全部用于供热，因此供热能力得到提高。此外，由于低压转子采用背压光轴转子运行，低压缸再无最小冷却蒸汽流量的要求，因此主蒸汽流量可进一步减少，高、中压缸的做功也随之减少。简而言之，在相同的热负荷下，光轴供热改造可以较大程度地降低电负荷。

1.3 机组热泵供热改造

驱动热泵改造技术的原理是通过增加电驱动热泵机组，在供热期利用热泵机组从循环水中提取热量初次加热热网水，然后利用热网加热器对热网水进行二次加热，加热到120 ℃左右对外供热。机组热泵供热改造的调峰能力有限，不能满足深度调峰的要求，更适用于提高供热能力已饱和机组的供热能力，将一部分电用于回收汽轮机的汽化潜热。

1.4 蓄热罐供热技术方案

蓄热罐供热方案是根据水的分层原理设计和工作，当电网用电负荷高、供热负荷低时，将机组多供的热量储存起来;当电力负荷较低时，储热装置可将储存的热量释放出来满足供热需求，从而降低机组发电负荷[3-4]。

汽轮机的富余供热能力是蓄热罐供热改造的首要考虑因素，如若富余供热能力不大，则在非低谷时段不能保证蓄热罐有充足的蓄热量，也自然无法满足低谷时段供热的需要。因此，对于在电网高峰时段不能进行抽汽蓄热的机组，仅通过设置蓄热罐是无法实现机组深度调峰的，需要通过与其他方式（如旁路供热改造、光轴背压机组供热改造等）结合，方能实现机组热电解耦。

1.5 旁路蒸汽供热改造技术方案

汽轮机旁路分为高压旁路、低压旁路，其主要作用是在机组启停过程中，通过旁路系统为机组提供适宜参数的蒸汽。在低谷时段，机组处于低负荷运行状态，热负荷无法保证时，通过高压旁路→再热器→低压旁路→减温减压器→热网加热器的路径进行对外供热，或采用再热器→低压旁路→减温减压器→热网加热器的路径，补充抽汽供热的不足部分，从而实现机组热电解耦，在满足外热负荷的需要同时降低机组的发电负荷。

1.6 低压缸零出力供热改造技术方案

低压缸零出力供热改造是切除低压缸的进汽，仅保留少量冷却蒸汽进入低压缸，其余蒸汽全部从中排供热;低压缸主要作用为传递高中压缸的扭矩，实现低压缸“零”出力3 000 r/min运行。低压缸零出力供热改造可以大幅提高机组供热能力。

国家电投集团河南电力有限公司开封发电分公司完成了国内首台630 MW汽轮机低压缸零出力供热改造。根据其改造经验，实施切缸改造，可以满足改造需求，机组可以安全稳定运行，收益显著，该改造方案是技术成熟、整体可行的。

1.7 电锅炉供热改造技术方案

电锅炉供热方案是以储热式电锅炉为核心，通过开启电加热器减少上网负荷，同时将能量以固体显热（耐火砖）的形式储存下来，在机组抽汽量不足时对外供热[2]。从一次能源利用率分析，电锅炉供热的一次能源率是0.34，而燃煤锅炉供热为0.7，燃气锅炉供热为0.85，电动热泵供热是1.06[5]。因此，用电锅炉供热是极其不经济的，这是一种不值得推广的供热方案。但是，当电力来源构成中，水力、核能、太阳能、风能等发电占比较大且电力供应十分充足时，电热锅炉的经济性较为合理，此时其可以作为一种推荐供热方案[6]。

总的来说，上述技术路线均能实现热电机组的热电解耦，提高机组深度调峰能力。其中，低压缸背压机方案和光轴供热改造方案经济性好、投资少，但是存在调峰能力有限、需要频繁更换转子等问题。机组热泵供热改造效率高，但是调峰能力有限，适用于提高供热能力已饱和机组的供热能力。旁路供热方案投资较少，但受机组旁路设计容量的限制以及锅炉再热器冷却、汽轮机轴向推力及高排冷却等因素的影响，其供热能力有限[4]，且运行控制较为复杂，因此热负荷高的机组不宜采用高、低压联合旁路改造方案。切除低压缸进汽运行方案投资少，可以实现深度调峰，具有很好的经济性，且已有60万MW机组改造经验，可行性较高。蓄热罐方案在投资、经济性和运行安全性方面均较好，但其调峰能力有限，占地面积较大。增设电锅炉方案虽然适用性最广，调峰幅度最大且运行灵活，但其能量有效利用率较差。综上所述，在进行灵活性改造方案选择时，热电机组需要根据自身电负荷、热负荷、改造成本、运行收益等情况进行综合考虑，采用“一机一策”的方式进行改造。

2 纯凝机组灵活性改造方案

对于热电机组，灵活性改造的目的是为了实现热电解耦;对于纯凝机组，灵活性改造的目的是为了实现机组低负荷稳定运行来进行深度调峰。但是，纯凝机组在低负荷运行时会面临锅炉低负荷稳定燃烧、脱硝装置低负荷投运等一系列问题，因此，纯凝机组的灵活性改造方案也围绕上述问题开展。

2.1 锅炉低负荷稳定燃烧措施

为提高锅炉低负荷稳燃能力，纯凝机组可以采取如下改造方案：低负荷精细化燃烧调整，燃烧器、制粉系统优化改造，入炉煤质的改善（储备调峰煤）。低负荷精细化燃烧调整主要包括：燃烧器结构、磨煤机投运方式、煤粉细度、一次风速和配风方式。通過精细化运行调整，以西安热工研究院有限公司为首的科研单位已实现以下项目改造：临河1号炉25%BMCR、国电大开2号炉33%BMCR、曲阜2号炉35%BMCR、南通1号炉30%BMCR、华电丹东20%BMCR。

燃烧器、制粉系统优化改造主要包括浓淡燃烧器改造、采取低负荷稳燃措施、磨煤机动态分离器改造以及风粉在线监测装置改造等。低负荷稳燃措施主要包括等离子燃烧器技术、富氧燃烧器技术和增加微油点火系统。

2.2 提高直流炉水动力安全性

汽包锅炉一般不存在水动力的安全性问题，对于超临界直流锅炉，在深度调峰工况时，给水流量偏低，锅炉单根水冷壁管进水均匀性下降，分配不均，易造成局部过热，水冷壁爆管可能性增大。因此，要增加水冷壁管壁温测点，有效地监控水冷壁超温点，并在燃烧区进行调整。

2.3 脱硝装置低负荷运行措施

当前，环保要求越来越高，部分地方政府要求脱硝设备在并网时就投运，因此，须采取相应措施，以保证低负荷工况运行时机组脱硝装置的投运效果。脱硝装置低负荷工况运行面临的最大问题是入口烟温低，目前主要的解决措施有省煤器烟气旁路、省煤器水侧旁路、亚临界锅炉省煤器热水再循环和分割布置省煤器。

经对比分析，省煤器烟气旁路改造成本低，改造前烟温升幅较大，改造后烟温可调，因旁路烟气挡板无法关严，全负荷下锅炉效率会降低;省煤器水侧旁路方案成本较低，但调温幅度比较小，一般小于15 ℃;热水再循环方案可将烟气温度提高到40 ℃，但投资费用高;分割布置省煤器方案具有不改变锅炉效率的优点，但改造后无法调节烟温，煤种适应性差，成本较大[4]。

3 结论

对于热电机组，灵活性改造的目的是为了实现热电解耦;对于纯凝机组，灵活性改造的目的是为了实现机组低负荷稳定运行来进行深度调峰。对于热电机组，热电解耦重点方案为较为成熟的机组热泵供热改造、蓄热罐供热和低压缸“零”出力技术方案。在选择方案时，应根据热、电负荷情况，采用“一机一策”的方式进行改造。电锅炉供热不符合热力学“能量匹配”的用能原则，是一种很不合理的供热方式，应该谨慎使用。对于纯凝机组，可采取锅炉低负荷稳定燃烧、提高直流炉水动力安全和脱硝装置低负荷运行等措施，保证机组低负荷稳定运行，以实现深度调峰。

参考文献：

[1]李德意，张齐.谈谈新形势下火电灵活性改造[J].电力设备管理，2016（1）：42-43.

[2]牟春华，居文平，黄嘉驷，等.火电机组灵活性运行技术综述与展望[J].热力发电，2018（5）：1-7.

[3]国家发展和改革委员会，国家能源局.关于提升电力系统调节能力的指导意见（发改能源〔2018〕364号）[Z].2018.

[4]刘刚.火电机组灵活性改造技术路线研究[J].电站系统工程，2018（1）：12-15.

[5]张林华，曲云霞，王元.电锅炉用于供热系统的技术经济分析[J].工业锅炉，2003（3）：51-53.

[6]林军，李军.火电厂直热式电锅炉灵活性改造实践[J].吉林电力，2017（5）：11-14.