350MW超临界热电联产机组灵活性改造分析

0 引言

由于近几年可再生能源(主要是风电、太阳能发电)装机容量快速增长，弃风、弃光问题愈演愈烈[1]，全国平均弃风、弃光率长期高于20%[2-3]，对非水可再生能源的消纳成为迫切任务[4-7]。为解决这一问题，国家发改委、能源局下发了一系列文件[8-10]，先后启动了两批共22个火电灵活性改造试点项目，重点推动“三北”地区火电机组(30万kW级及以上供热机组)的灵活性改造。

（来源：发电技术期刊 作者：李树明,刘青松,朱小东,平士斌,白贵生）

对火电企业来讲，尤其是供热电厂，无论是从当前国家政策形势还是企业自身生存发展需要，机组灵活性改造都将是各企业要面对的重要课题[11-12]。根据当前政策，电网内灵活性改造的机组越多，未进行灵活性改造的电厂所承担的调峰费用就越多，经营压力将会越来越大。

为此，本文将对国内几种主流火电机组灵活性改造技术路线进行综合对比、分析，结合华北地区对于火电机组深度调峰补偿政策，评估火电机组进行灵活性改造后对后期经营的影响，研究得出当前形势下火电机组进行灵活性改造的最优方案，为新建以及即将进行火电机组灵活性改造的供热电厂提供技术参考。

1 对火电机组灵活性改造要求

火电运行灵活性主要包括调峰能力、爬坡速度、启停时间等3个主要部分。目前我国供暖期热电机组“以热定电”方式运行，冬季最小出力一般在60%~70%左右，负荷调节范围较小，调峰能力不足，是制约火电机组灵活性改造的关键因素[13]。

灵活性改造要求热电机组增加20%额定容量的调峰能力，供热期达到40%~50%额定容量的最小技术出力，实现热电机组热电解耦;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[14]。

供热机组进行灵活性改造后，具备深度调峰的能力，调峰幅度增大，可以快速响应电网调度的需要。通过实施火电灵活性优化改造，实现供热期热电解耦，可以使火电厂更好地适应未来的形势，具备参与竞争性电力市场的基本条件。

2 灵活性改造的几种技术路线分析

对于供热机组进行灵活性改造，实现热电解耦，当前的技术路线主要有：储热技术、电热锅炉、主再热蒸汽辅助供热、低压转子改光轴、低压缸零出力供热等技术。

2.1 储热技术

储热技术是在热网中增加热网循环水储能系统，通过储能系统能量的吸收和释放，可实现“热电解耦”，在供热期可提高机组的变负荷灵活性。图1[15]为蓄热罐与热网系统直接连接系统示意图，蓄热水罐系统在热网中的连接方式一般采用直接连接，即蓄热水罐直接并入热网中去。但采暖季热负荷最大的时间内，当蓄热水罐无法单独确保热电解耦时，一般采用锅炉抽汽方案或电锅炉方案配合使用，与蓄热水罐一起继续保证蓄热系统的热电解耦时间。另外，当增加蓄热系统后，在考虑最冷月采暖热负荷的情况下，热网循环水泵需分流一部分流量用于蓄热，用于供热的热网循环水流量将减少，需要对供暖期最大供热负荷下的热网循环水流量进行核算，避免机组在最冷月份无法参与调峰。

图1蓄热罐与热网系统直接连接系统示意图

Fig. 1Schematic diagram of direct connection system between heat storage tank and heat supply network

2.2 电热锅炉技术

电热锅炉技术主要分为电阻式锅炉、电极式锅炉、电热相变材料锅炉和电固体蓄热锅炉，其中做到高压电直接接入和大功率直供发热的方案是电极式锅炉，电极式锅炉是利用含电解质水的导电特性，通电后被加热产生热水或蒸汽，单台锅炉的最大功率可达80 MW。

电极锅炉在欧洲的应用较多，投资的商业模式是提供电力市场价格平衡调节的手段，在上网电价低于某一定值时，通过电锅炉将低利润甚至负利润的发电量转化为高利润的供热量。

2.3 主再热蒸汽辅助供热技术

主再热蒸汽辅助供热技术是考虑到汽轮机的运行特性和锅炉燃烧运行工况，确保机组安全稳定运行，并尽可能减少机组改造工作量。从锅炉主再热蒸汽取汽，经减温减压，并满足热网加热器设计要求参数时，进入热网加热器，使机组在低负荷运行工况下最大限度提升机组供热能力。

2.4 低压转子改光轴技术

光轴改造是将现有汽轮机改成高背压式供热机组，低压缸不进汽，主蒸汽由高压主汽门、高压调节汽门进入高中压缸做功。中压排汽(部分低加回热抽汽切除)全部进入热网加热器供热。将低压转子拆除后，更换成一根光轴，连接高中压转子与发电机转子，光轴仅起到传递扭矩的作用。此技术改造后没有低压缸做功，可以回收原由低压缸进入凝汽器排汽热量，减少冷源损失，使尽可能多的蒸汽用于供热。

目前该技术应用的供热机组较多，但由于将低压转子更换为光轴后低压缸不进汽，机组带电负荷能力在整个供热期将随之降低，因此机组实际调峰范围并没有实质性扩大，采用该技术主要是为提高机组供热能力，扩大供热面积。

2.5 低压缸零出力技术

低压缸零出力供热技术，其核心是仅保留少量冷却蒸汽进入低压缸，实现低压转子“零”出力运行，更多的蒸汽进入供热系统，提高供热能力，降低供热期机组负荷的出力下限，满足调峰需求，同时减少了机组冷源损失，发电煤耗下降明显。对于300 MW等级机组，改造后在相同主蒸汽量的条件下，采暖抽汽流量每增加100 t/h，供热负荷增加约70 MW，电负荷调峰能力增大约50 MW，发电煤耗降低约36g/(kW·h)。该技术能够实现供热机组在抽汽凝汽与高背压运行方式的不停机灵活切换，实现热电解耦，总体成本低，运行维护费用小。

2.6 几种技术路线对比与选择

如表1所示，综合对比分析现有火电机组灵活性改造技术路线的投资费用、运行成本以及各自的优缺点，低压缸零出力供热技术在初期投资、运行成本、深度调峰能力方面都比其他技术有优势，非常适合现阶段新建电厂以及已投产电厂机组灵活性改造，因此，该电厂进行低压缸零出力供热技术改造具有可行性。