項(xiàng)目背景：

電力市場化改革的深入以及波動(dòng)性可再生能源的增多，將使煤電機(jī)組逐步由提供電力、電量的主體性電源，向提供可靠電力、調(diào)峰調(diào)頻能力的基礎(chǔ)性電源轉(zhuǎn)變。提高火電靈活性，包括改善機(jī)組調(diào)峰能力、爬坡速度、啟停時(shí)間等多個(gè)方面。目前，我國純凝機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的調(diào)峰能力一般為額定容量的 50%左右，典型的抽凝機(jī)組在供熱期的調(diào)峰能力僅為額定容量的20%。

通過靈活性改造，預(yù)期將使熱電機(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，部分機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到 20%-25%。

一、供熱機(jī)組靈活性改造的幾種常用技術(shù)路線分析：

對于供熱機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，主要通過熱電解耦實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前的技術(shù)路線主要有：儲(chǔ)熱技術(shù)、電熱鍋爐、主再熱蒸汽輔助供熱、低壓轉(zhuǎn)子改光軸、低壓缸接近零出力供熱等技術(shù)。?

1、儲(chǔ)熱技術(shù)?

儲(chǔ)熱技術(shù)是在熱網(wǎng)中增加熱網(wǎng)循環(huán)水儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)能量的吸收和釋放，可實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”，在供熱期可提高機(jī)組的變負(fù)荷靈活性。?

上圖為蓄熱罐與熱網(wǎng)系統(tǒng)直接連接系統(tǒng)示意圖，蓄熱水罐系統(tǒng)在熱網(wǎng)中的連接方式一般采用直接連接，即蓄熱水罐直接并入熱網(wǎng)中去。但采暖季熱負(fù)荷最大的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)蓄熱水罐無法單獨(dú)確保熱電解耦時(shí)，一般采用鍋爐抽汽方式或電鍋爐方案配合使用，與蓄熱水罐一起繼續(xù)保證蓄熱系統(tǒng)的熱電解耦時(shí)間。另外，當(dāng)增加蓄熱系統(tǒng)后，在考慮最冷月采暖熱負(fù)荷的情況下，熱網(wǎng)循環(huán)水泵需分流一部分流量用于蓄熱，用于供熱的熱網(wǎng)循環(huán)水流量將減少，需要對供暖期最大供熱負(fù)荷下的熱網(wǎng)循環(huán)水流量進(jìn)行核算，避免機(jī)組在最冷月份無法參與調(diào)峰。

2、電熱鍋爐技術(shù)?

電熱鍋爐技術(shù)主要分為電阻式鍋爐、電極式鍋爐、電熱相變材料鍋爐和電固體蓄熱鍋爐，其中做到高壓電直接接入和大功率直供發(fā)熱的方案是電極式鍋爐，電極式鍋爐是利用含電解質(zhì)水的導(dǎo)電特性，通電后被加熱產(chǎn)生熱水或蒸汽，單臺鍋爐的最大功率可達(dá) 80 MW。電極鍋爐在歐洲的應(yīng)用較多，投資的商業(yè)模式是提供電力市場價(jià)格平衡調(diào)節(jié)的手段，在上網(wǎng)電價(jià)低于某一定值時(shí)，通過電鍋爐將低利潤甚至負(fù)利潤的發(fā)電量轉(zhuǎn)化為高利潤的供熱量。

3、主再熱蒸汽輔助供熱技術(shù)?

主再熱蒸汽輔助供熱技術(shù)是考慮到汽輪機(jī)的運(yùn)行特性和鍋爐燃燒運(yùn)行工況，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，并盡可能減少機(jī)組改造工作量。從鍋爐主再熱蒸汽取汽，經(jīng)減溫減壓，并滿足熱網(wǎng)加熱器設(shè)計(jì)要求參數(shù)時(shí)，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，使機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行工況下最大限度提升機(jī)組供熱能力。?

4 、低壓轉(zhuǎn)子改光軸技術(shù)?

光軸改造是將現(xiàn)有汽輪機(jī)改成高背壓式供熱機(jī)組，低壓缸不進(jìn)汽，主蒸汽由高壓主汽門、高壓調(diào)節(jié)汽門進(jìn)入高中壓缸做功。中壓排汽(部分低加回?zé)岢槠谐?全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱。將低壓轉(zhuǎn)子拆除后，更換成一根光軸，連接高中壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，光軸僅起到傳遞扭矩的作用。?

此技術(shù)改造后沒有低壓缸做功，可以回收原由低壓缸進(jìn)入凝汽器排汽熱量，減少冷源損失，使盡可能多的蒸汽用于供熱。目前該技術(shù)應(yīng)用的供熱機(jī)組較多，但由于將低壓轉(zhuǎn)子更換為光軸后低壓缸不進(jìn)汽，機(jī)組帶電負(fù)荷能力在整個(gè)供熱期將隨之降低，因此機(jī)組實(shí)際調(diào)峰范圍并沒有實(shí)質(zhì)性擴(kuò)大，采用該技術(shù)主要是為提高機(jī)組供熱能力，擴(kuò)大供熱面積。?

5、低壓缸接近零出力技術(shù)?

低壓缸接近零出力供熱技術(shù)，其核心是僅保留少量冷卻蒸汽進(jìn)入低壓缸，實(shí)現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子“零”出力運(yùn)行，更多的蒸汽進(jìn)入供熱系統(tǒng)，提高供熱能力，降低供熱期機(jī)組負(fù)荷的出力下限，滿足調(diào)峰需求，同時(shí)減少了機(jī)組冷源損失，發(fā)電煤耗下降明顯。對于 300 MW 等級機(jī)組，改造后在相同主蒸汽量的條件下，采暖抽汽流量每增加 100 t/h，供熱負(fù)荷增加約 70 MW，電負(fù)荷調(diào)峰能力增大約 50 MW，發(fā)電煤耗降低約 36g/(kW·h)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)供熱機(jī)組在抽汽凝汽與高背壓運(yùn)行方式的不停機(jī)靈活切換，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，總體成本低，改造費(fèi)用低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用小。?

6、幾種技術(shù)路線對比與選擇?

如表 1 所示，綜合對比分析現(xiàn)有火電機(jī)組靈活性改造技術(shù)路線的投資費(fèi)用、運(yùn)行成本以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，低壓缸零出力供熱技術(shù)在初期投資、運(yùn)行成本、深度調(diào)峰能力方面都比其他技術(shù)有優(yōu)勢，非常適合現(xiàn)階段新建電廠以及已投產(chǎn)電廠機(jī)組靈活性改造，因此，電廠進(jìn)行低壓缸零出力供熱技術(shù)改造更具有優(yōu)勢。?

二、純凝汽機(jī)組靈活性改造技術(shù)路線分析

要點(diǎn)：純凝汽機(jī)組調(diào)峰能力主要取決于鍋爐的最小穩(wěn)燃能力。因此靈活性改造的重點(diǎn)是鍋爐側(cè)。通過各種手段可降低鍋爐最低負(fù)荷。

(1) 優(yōu)化電廠磨煤機(jī)和燃燒器的協(xié)同配合，提高燃燒穩(wěn)定性；擴(kuò)展低負(fù)荷時(shí)燃料靈活性，比如摻燒生物質(zhì)燃料；通過更換高品質(zhì)合金材料，減小管道壁厚，提高鍋爐變負(fù)荷能力；

(2) 增加倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)磨煤和燃燒過程的分離，這不僅能維持燃燒過程的穩(wěn)定性，避免啟爐所需的重油燃料，而且當(dāng)電力系統(tǒng)所需電力降低時(shí)，能使更多的電能應(yīng)用到煤粉的研磨上；采用先進(jìn)的爐內(nèi)監(jiān)視和診斷評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長期優(yōu)化燃燒；

(3) 除了以上手段外，還通過改善燃燒室內(nèi)空氣的分布、加裝省煤器旁路、給水泵回流管和更新鍋爐DCS控制系統(tǒng)等手段優(yōu)化鍋爐系統(tǒng)，從而增大負(fù)荷區(qū)間，提高靈活性。

詳細(xì)措施如下：

（1）優(yōu)化磨煤機(jī)和燃燒器

提高火電機(jī)組超低負(fù)荷運(yùn)行的能力。在沒有備用點(diǎn)火系統(tǒng)的支撐下，傳統(tǒng)燃煤電廠允許的最低負(fù)荷約為40%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，不能滿足未來電力系統(tǒng)對火電廠最低負(fù)荷的需求。然而，通過改變磨煤機(jī)運(yùn)行數(shù)量和燃燒器運(yùn)行范圍優(yōu)化可獲得25%的最低負(fù)荷(2臺磨煤機(jī)運(yùn)行模式)，在新建電廠中已經(jīng)證實(shí)單臺磨煤機(jī)運(yùn)行也能夠維持電廠系統(tǒng)穩(wěn)定，將最低負(fù)荷進(jìn)一步降低至20%以下，從而減少停爐次數(shù)。通過采用合適的燃燒器和單臺磨運(yùn)行模式，德國已將最低負(fù)荷降至15%。

圖：配置四臺磨煤機(jī)的燃燒系統(tǒng)運(yùn)行范圍

無論在新舊電廠中將最低負(fù)荷降至35%被認(rèn)為是可行的。

擴(kuò)展燃料的靈活性

生物質(zhì)可作為摻燒燃料用于減少凈CO2排放量。針對大型的超超臨界機(jī)組，在低負(fù)荷時(shí)可運(yùn)行1臺磨煤機(jī)并摻燒10%(熱量基)生物質(zhì)燃料，提前將磨煤機(jī)投入運(yùn)行可用于優(yōu)化火電機(jī)組的啟動(dòng)階段，隨后在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在一次風(fēng)系統(tǒng)中配置額外的燃燒器能節(jié)省更多的能量，這部分節(jié)能若用于干燥燃料，將使磨煤機(jī)的出力更快。在啟爐階段，通過快速轉(zhuǎn)換到最低負(fù)荷(煤與生物質(zhì)摻燒)，將節(jié)省高達(dá)90%的啟爐所需重油。

為了燃燒水分含量較高或熱值較低的煤種，增加磨煤機(jī)前置預(yù)熱干燥能力是必然的選擇。若對電廠進(jìn)行全面的升級改造，可采取大型的配置動(dòng)態(tài)分離器磨煤機(jī)、具有大出力的一次風(fēng)機(jī)等方案。

安裝倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)

倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)被成功地改造應(yīng)用于煤粉鍋爐而獲得最低的鍋爐負(fù)荷。它也能提高鍋爐爬坡率和保持部分負(fù)荷下的較高效率。采用這種措施，瞬時(shí)燃燒率將不再由磨煤機(jī)隨時(shí)間變化的出力所決定，如圖3所示。磨煤和燃燒過程的分離導(dǎo)致了燃燒系統(tǒng)延遲慣性的明顯減少。這樣的布局允許燃燒的變化率高達(dá)10%/min (常規(guī)燃燒系統(tǒng)的變化率為2~5%/min)。如果電廠將倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)與靈活性的燃燒器協(xié)調(diào)使用時(shí)，最低負(fù)荷能降低至10%。由于磨煤機(jī)能持續(xù)處于最優(yōu)工況下運(yùn)行，電廠效率在低負(fù)荷時(shí)也能有所提高。具體的倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的優(yōu)勢參見表1。

監(jiān)視與優(yōu)化燃燒

近距離監(jiān)視爐膛內(nèi)的燃燒狀態(tài)對機(jī)組運(yùn)行是非常重要的，尤其是不斷啟停爐的工況。鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測鍋爐燃燒過程參數(shù)，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的“自我學(xué)習(xí)”技術(shù)。它具有以下特點(diǎn)：1. 提高鍋爐熱效率，減少發(fā)電用煤的消耗；2. 增強(qiáng)鍋爐對煤種變化的適應(yīng)性，確保鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定；3. 提高鍋爐對電網(wǎng)調(diào)度升降負(fù)荷的響應(yīng)能力；4. 有效監(jiān)測與防止鍋爐結(jié)焦、燃燒失衡對水冷壁的損傷；5. 幫助DCS取得最佳配風(fēng)量等。

（2）快速負(fù)荷變化率

火電靈活性還包括增強(qiáng)機(jī)組的負(fù)荷爬升率及快速啟停的能力，這些能力與鍋爐系統(tǒng)管壁厚度、汽機(jī)噴嘴及葉片等金屬部件承受熱應(yīng)力的能力都有關(guān)系，因此對金屬部件溫度場分布和熱應(yīng)力的檢測是關(guān)系機(jī)組啟停次數(shù)和壽命的關(guān)鍵因素。在丹麥，外部加熱蒸汽或者熱存儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用減少了啟爐時(shí)間。國內(nèi)某利用外部蒸汽加熱技術(shù)來加速1000MW 超臨界鍋爐的啟動(dòng)。該技術(shù)加速了啟動(dòng)過程，降低了廠用電耗，并減少了燃料消耗和因其產(chǎn)生的污染物排放量。