火电机组灵活性运行技术综述与展望

张勇

摘要：燃煤火力发电现在及未来相当长一段时间内都将是中国能源系统的重要组成部分，然而随着全社会用电需求增速放缓以及可再生能源的大规模发展，火电机组利用小时数将会逐年下降，因此提升火电机组运行灵活性，大规模参与电网深度调峰将是大势所趋。

关键词：火电机组灵活性运行技术;展望

为了大力推进能源结构清洁化改革，风力发电（风电）、太阳能发电装机容量迅速增长。但新能源具有随机性、间歇性、不稳定性等特点，其比重增加到一定程度后，必然导致电网调峰困难，加之传统煤电产能过剩，这就要求现役火电机组提高灵活性以及深度调峰能力，以维持电网稳定。

一、火电机组灵活性运行制约因素

1.调峰能力不足。调峰能力不足是制约火电灵活性运行的关键因素。目前，我国纯凝机组的实际调峰能力一般为额定容量的50%左右，典型抽凝机组在供热期的调峰能力仅为额定容量的20%左右。降低机组最小技术出力、增加调峰能力，是缓解现状的有效途径。目前行业内确定的目标是：使热电机组增加20%额定容量的调峰能力，最小技术出力达到40%～50%额定容量;纯凝机组增加15%～20%额定容量的调峰能力，最小技术出力达到30%～35%额定容量。部分具备改造条件的电厂预期可以达到国际先进水平，实现机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到20%～25%。

2.负荷响应速度迟缓。负荷响应速度迟缓是制约火电机组灵活性运行的潜在因素，但目前相关的认识以及研究尚不深入。对火电机组而言，其能量产生和转换过程较为复杂，系统换热设备具有很强的热惰性，造成指令与响应之间存在较大的时间延迟。目前电网对自动发电控制机组调节速度的考核指标为1.0%～2.0% Pe/min（额定容量/分钟），期望通过技术改造达到2.5%～3.0% Pe/min。

3.偏离设计工况。我国现役火电机组在设计阶段基本均未考虑深度调峰工况，导致运行过程中调峰能力比较差。此外，深度调峰和快速升降负荷时的运行工况严重偏离设计工况，深度调峰常态化以后，大量设备运行在非正常工况，对机组安全性、环保性及经济性的影响不可忽视，需要投入更多的研究工作。

二、火电机组灵活性运行技术

1.火电机组宽负荷高效技术。火电机组宽负荷高效技术是机组在负荷的运行工况下，保持较高的机组热效率的技术。需要针对主机、辅机、系统等方面进行相关的优化研究工作，根据不同地域的调峰情况，合理确定主辅机的工况设计点，根据机组的工作负荷变化特性，相应开展主辅机设备及辅机系统的优化设计及运行优化研究。其中包括与主机相关的技术，如部分负荷下仍保持较高能效水平的锅炉和汽轮机相关技术的开发;与系统设计相关的技术，如创新型热力系统，包括零号高加系统和烟气余热回收系统;与辅机配置相关的技术，如高效凝汽器技术;与运行有关的技术，如循环泵优化运行技术等。部分负荷下的高效辅机技术主要在于凝汽器设计优化点的选择。为了保证凝汽器全负荷工况的最佳换热性能，需要对凝汽器的管内设计流速、换热管数量、换热管长度、整体换热面积进行合理确定，保证在低负荷低循环水量的情况下，凝汽器管内设计流速在标准允许的范围内，以确保在50%～100%负荷范围内凝汽器具有较高的整体换热性能。

2.机岛技术。近十年来，部分新投运的机组可实现带厂用电运行或停机不停炉运行的功能，但这不是一种标准的运行模式，只是在事故工况下维持机组最低出力的手段，待消除缺陷后会尽快并网。对于大量投运时间较早的亚临界机组，若要通过改造实现低负荷稳定运行，对汽轮机本体进行改造，满足汽轮机极低负荷下长期运行的要求;对旁路系统进行改造，确保低负荷下机炉匹配;对汽水系统的管道、阀门和辅机进行疲劳寿命分析;控制系统改造。其中的难点包括汽轮机的控制系统如何实现低负荷稳定运行控制和长期低负荷运行工况下汽轮机部件寿命的分析及预测。

3.机组快速启停技术。机组快速启停的要求包括在极热态和热态启动时机组具备从启动准备到点火、并网以及达到额定负荷或按照调度要求达到一定的负荷的快速响应能力，以及机组两班制运行的能力。需要在设计、制造和调试阶段对机组的主机、系统、辅机、在线监测系统和控制系统等进行通盘考虑。涉及的主要技术方面包括不同类型的汽轮机提高负荷变化速率的技术，如对汽轮机变负荷时的胀差进行分析，优化汽封结构和形式，减少变负荷时的汽封漏汽;评估变负荷工况下胀差频繁变化对机组运行的影响，优化汽轮机的通流结构和间隙。在现有的汽轮机调频技术条件下，通过改进热力系统和控制模式，优化现有的凝结水节流调频技术，并开发出兼顾节能和快速响应的调频技术，例如给水调频技术、抽汽调频技术。开发汽轮机热力系统的蓄能技术，如回热系统蓄能技术、汽轮机背压蓄能技术，用于在机组快速变负荷过程中补偿系统能量。开发邻机回热技术等纯凝机组与抽凝机组的联合调度技术，充分利用两类机组各自的特点，优势互补，并开发新型供热机组的调频技术。适应机组负荷快速变动及两班制运行的控制技术。在线监测及故障检测专家系统技术。每台机组可根据实际情况和电网要求，有选择地采用上述技术并加以组合。其中，对主机设备和控制系统的改进，以及机组关键设备及部件的寿命监测及预测是其中的难点。提高煤电机组运行灵活性技术是一项综合性技术，包括了主辅机设备设计制造、储热设备及材料的设计制造、发电厂热力系统的优化改进、控制系统的改进、发电厂运行方式的优化、在线监测报警等从设备到运行的各个方面。可选择在我国具有广泛应用的300～660 Mw等级的亚临界、超临界纯凝机组作为对象，研究机组最低负荷不投运稳定运行技术、机组快速变负荷技术和机组快速启停技术。

三、下一步展望

机组深度调峰运行常态化以后，需要对各子系统进行深入研究，确定设备的最佳工作方式，如有必要还须进行设备升级改造。为持续深入推动和展开火电机组灵活性运行工作，必须研究开发新型技术和设备，譬如快速启停技术、高温熔融盐储热技术、电池储能技术和宽负荷燃烧器等，同时研究如何降低现有技术的投资成本和维护费用。对于具有多台机组的电厂而言，实现整体经济最大化是运行层面的核心问题，因此有必要进行全厂灵活性运行决策系统的研发。该系统应具有以下功能，确定不同工况下机组灵活性运行时的实际性能，计算分析不同机组的发电成本，根据全厂负荷、运行台数和调峰需求进行多变量耦合计算，在保障安全及环保前提下，以代价最小、收益最大为约束条件，制定全厂机组灵活性调度策略。政府主导对既有火电厂的技术改造投资：对已经建成的火电机组，在严格的技术经济评价之后进行灵活性改造，利用已有热存储容量实现机组供热和发电的脱钩，采用全蒸汽机组旁路和燃料的掺烧、混烧等技术等，改造更加注重提高效率和降低维护成本;根据当地的实际地理情况和需求水平适当地新建抽水蓄能电站、燃气电站和小型火电站等调峰电源和分布式储能设施。

本文对提升火电机组运行灵活性改造的技術方案进行了研究，针对国家对于火电机组运行灵活性的相关要求，从技术路线及方案适用范围等方面对提升火电机组灵活性改造的技术方案进行了较为详细的分析与研究。

参考文献：

[1]  张继权，张艳波，苏琳.火电灵活性提升可行方案的研究[J].科技创新与应用，2016（31）：201.

[2]  包伟伟.大型汽轮发电机组变负荷工况经济性分析[J].热力透平，2017，45（4）：279 283，293.

[3]  乔加飞，郝卫，刘颖华等.基于零号高加的宽负荷高效回热技术研究[J].中国煤炭，2017，40（增刊1）：228—234.

（作者单位：通辽霍林河坑口发电有限责任公司）