中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：東北地區(qū)風(fēng)電棄風(fēng)問(wèn)題嚴(yán)重，火電機(jī)組運(yùn)營(yíng)遭遇困難，開(kāi)展火電靈活性改造可有效解決這些問(wèn)題。介紹了當(dāng)前火電靈活性改造的政策背景，分析了鍋爐富氧燃燒、高壓電鍋爐、汽機(jī)抽汽減溫減壓及儲(chǔ)熱罐等靈活性改造技術(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)供熱機(jī)組和純凝機(jī)組，提出了靈活性改造整體解決方案，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性核算，改造方案能夠確保機(jī)組在調(diào)峰工況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并獲得可觀(guān)的調(diào)峰補(bǔ)助。
關(guān)鍵詞：火電靈活性；調(diào)峰；富氧燃燒；高壓電鍋爐；汽機(jī)抽汽減溫減壓；儲(chǔ)熱罐。
（來(lái)源：微信公眾號(hào)“清潔高效燃煤發(fā)電” 微信號(hào)：redianjishu 作者：趙曉燕）
1 當(dāng)前新能源及火力發(fā)電發(fā)展的困境與對(duì)策
1．新能源消納困境
近年來(lái)，風(fēng)電等新能源持續(xù)快速發(fā)展的同時(shí)，2015年“三北”地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象，其棄風(fēng)電量占全國(guó)棄風(fēng)總量的80%。如何消納棄風(fēng)電量已成為制約我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。
依據(jù)國(guó)家能源局《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》、《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到2.1億千瓦，“十三五”增加8100萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)率達(dá)63%；太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到1.1億千瓦，“十三五”增加6700萬(wàn)千瓦，增長(zhǎng)率達(dá)156%；2020年以后，風(fēng)電和光伏裝機(jī)將進(jìn)一步增加[-2]。
未來(lái)，受到多方面因素影響，風(fēng)電和光伏的消納形勢(shì)將日趨嚴(yán)峻，主要原因如下:
（1）風(fēng)光資源富集地區(qū)的風(fēng)電和光伏的滲透率將進(jìn)一步增加；
（2）隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，用電負(fù)荷峰谷差將增大；
（3）部分地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組占比仍將持續(xù)增加，供熱期調(diào)峰困難將加劇；
（4）“三北”地區(qū)調(diào)峰電源建設(shè)條件有限，靈活性電源仍將短缺；
破解風(fēng)電消納問(wèn)題，可從提升電源調(diào)峰能力、調(diào)整風(fēng)電布局、加強(qiáng)電網(wǎng)互濟(jì)和負(fù)荷側(cè)管理等多個(gè)方面采取措施。其中提升電源調(diào)峰能力的主要措施見(jiàn)表1。
東北地區(qū)火電比重近80%，快速靈活的調(diào)節(jié)電源較少，固有的電源結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題突出，不利于消納風(fēng)電。由于先天資源限制，在東北開(kāi)展調(diào)峰燃?xì)怆娬?、抽水蓄能電站、?chǔ)能電站均無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，特別在冬季，火電供熱期、水電枯水期、風(fēng)電大發(fā)期相互疊加，導(dǎo)致調(diào)峰困難突出，棄風(fēng)情況頻出。為解決東北電網(wǎng)調(diào)峰的實(shí)際困難，應(yīng)立即開(kāi)展火電靈活性改造，通過(guò)技術(shù)手段提升火電機(jī)組的調(diào)峰能力，增加電網(wǎng)可靈活調(diào)節(jié)電源的比重。
2．現(xiàn)役火電機(jī)組面臨困境
（1）近幾年全國(guó)新增火電裝機(jī)發(fā)展過(guò)快；
根據(jù)中電聯(lián)的數(shù)據(jù)，2015年全年凈增火電裝機(jī)7202萬(wàn)千瓦(其中煤電5186萬(wàn)千瓦)，為2009年以來(lái)年度投產(chǎn)最多的一年。
（2）現(xiàn)役火電機(jī)組發(fā)電利用小時(shí)大幅下降；
全國(guó)實(shí)際火電的發(fā)電量連續(xù)兩年負(fù)增長(zhǎng)，利用小時(shí)2014~2016年逐年大幅下降。
（3）國(guó)家能源局下發(fā)特急文件叫停13個(gè)省的新建火電項(xiàng)目；
在2016年8月北京召開(kāi)的一次能源研討會(huì)上，一位能源學(xué)者更是拋出：“中國(guó)10年不建煤電項(xiàng)目也能滿(mǎn)足電力增長(zhǎng)需求”的言論。未來(lái)隨著可再生能源的進(jìn)一步發(fā)展和電力市場(chǎng)改革的推進(jìn)，火電成為調(diào)峰機(jī)組是所有火電廠(chǎng)將要面臨的常態(tài)。
3．國(guó)內(nèi)現(xiàn)役機(jī)火電組深度調(diào)峰存在的問(wèn)題
（1）鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃和多煤種配煤摻燒的問(wèn)題；
（2）低負(fù)荷時(shí)段SCR系統(tǒng)運(yùn)行問(wèn)題（催化劑活性與排放未達(dá)標(biāo)問(wèn)題）；
（3）現(xiàn)有汽機(jī)旁路滿(mǎn)足不了熱電解耦要求；
（4）熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以熱定電，熱電耦合，供熱季電力調(diào)峰能力極差；
（5）沒(méi)有電極鍋爐和大型蓄熱水罐等深度調(diào)峰外部輔助設(shè)備。
4．現(xiàn)役火電機(jī)組發(fā)展對(duì)策
一是近期來(lái)看，火電廠(chǎng)盡早開(kāi)展靈活性改造，可以保證機(jī)組優(yōu)先上網(wǎng)，規(guī)避分?jǐn)偝杀?，并通過(guò)參與深度調(diào)峰獲得可觀(guān)的調(diào)峰補(bǔ)貼收入。
二是長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，新的電力供需環(huán)境在競(jìng)爭(zhēng)性電力市場(chǎng)中，火電利用小時(shí)數(shù)將會(huì)長(zhǎng)期保持在較低水平，部分火電基荷電源的角色將發(fā)生轉(zhuǎn)變?；痣姀S(chǎng)需根據(jù)市場(chǎng)中的價(jià)格波動(dòng)靈活調(diào)節(jié)出力，靈活性改造是大勢(shì)所趨，有利于火電適應(yīng)電力市場(chǎng)化進(jìn)程。
三是隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電大規(guī)模投產(chǎn)、并網(wǎng)，調(diào)峰缺口將迅速擴(kuò)大，調(diào)峰補(bǔ)貼總額穩(wěn)定增長(zhǎng)，“蛋糕越來(lái)越大”，具備深度調(diào)峰能力的火力發(fā)電廠(chǎng)將率先受益。
2 政策支持
2016年6月28日、7月28日，國(guó)家能源局先后下達(dá)兩批火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知[3-4]，分別確定遼寧丹東等16個(gè)項(xiàng)目、長(zhǎng)春熱電廠(chǎng)等6個(gè)項(xiàng)目為第一、二批提升火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目。
2016年7月22日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局《關(guān)于印發(fā)<可再生能源調(diào)峰機(jī)組優(yōu)先發(fā)電試行辦法>的通知》（發(fā)改運(yùn)行〔2016〕1558號(hào)）要求[5] “逐步改變熱電機(jī)組年度發(fā)電計(jì)劃安排原則，堅(jiān)持以熱定電，鼓勵(lì)熱電機(jī)組在采暖期參與調(diào)峰”。
2016年11月7日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016-2020年）》要求 “加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)，提升系統(tǒng)靈活性”、“全面推動(dòng)煤電機(jī)組靈活性改造”。
2016年11月18日，國(guó)家能源局東北監(jiān)管局批復(fù)[6]《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》，鼓勵(lì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造，提升調(diào)峰能力。其中第八十四條 【鼓勵(lì)技改】指出火電機(jī)組進(jìn)行重大技術(shù)改造參與調(diào)峰的，同等條件下優(yōu)先調(diào)用其參與調(diào)峰。
在《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》中，火電廠(chǎng)實(shí)施有償調(diào)峰基準(zhǔn)及補(bǔ)助如下：
根據(jù)《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則（試行）》的通知，火電廠(chǎng)應(yīng)急啟調(diào)峰補(bǔ)償基準(zhǔn)如下：
3 提升調(diào)峰能力的靈活性改造技術(shù)
火電機(jī)組靈活性提升目標(biāo)：
（1）深度調(diào)峰：負(fù)荷率達(dá)到20%~40%；
（2）快速爬坡能力：2%~3%MW/min爬坡能力；
（3）快速起停能力：2~4h快速啟停。
以下是符合東北地區(qū)火電機(jī)組情況的靈活性改造技術(shù)：
3.1 鍋爐富氧燃燒技術(shù)
鍋爐富氧燃燒技術(shù)是現(xiàn)有鍋爐側(cè)靈活性改造的最佳方案。
所謂富氧燃燒技術(shù)，系利用小空間自穩(wěn)燃燒原理，采用主動(dòng)燃燒穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法，實(shí)施燃煤火電靈活性改造。
通過(guò)靈活性一體化系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)氧量、油量（或天然氣）等運(yùn)行參數(shù)，整體運(yùn)行安全，控制簡(jiǎn)單、易行，煤種適應(yīng)性強(qiáng)（可適應(yīng)褐煤、煙煤、貧煤、無(wú)煙煤、煤矸石等）。
富氧燃燒技術(shù)安全性評(píng)估：
（1）富氧燃燒系統(tǒng)使一次風(fēng)煤粉以著火、主動(dòng)燃燒進(jìn)入爐膛，確保不會(huì)因?yàn)闋t膛熱負(fù)荷過(guò)低導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)或熄火，保證鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。
（2）富氧燃燒技術(shù)可適應(yīng)任何工況，在保證燃燒設(shè)備安全的前提下連續(xù)運(yùn)行，且能保證24小時(shí)備用。
（3）富氧燃燒器采用耐高溫、耐磨材質(zhì)，可抵抗高溫900-1200℃。
（4）液氧技術(shù)成熟、安全可靠，氧氣系統(tǒng)為低壓設(shè)備、低壓運(yùn)行，不屬于重大危險(xiǎn)源。
主要技術(shù)性能：
（1）實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷調(diào)峰——煤粉以提前主動(dòng)燃燒狀態(tài)進(jìn)入爐膛，讓整個(gè)鍋爐煤粉不會(huì)因?yàn)闋t膛熱負(fù)荷過(guò)低燃燒不穩(wěn)而熄火；
（2）實(shí)現(xiàn)2%~3%額定負(fù)荷/min快速爬坡——一次風(fēng)煤粉流以多層（點(diǎn)）投運(yùn)，可實(shí)現(xiàn)增加單位時(shí)間內(nèi)的入爐煤量，確保機(jī)組快速提升負(fù)荷；
（3）實(shí)現(xiàn)2~4h快速啟?！淮物L(fēng)煤粉流多層（點(diǎn)）投運(yùn)，根據(jù)工況需求靈活調(diào)整入爐煤量，從而達(dá)到降低鍋爐啟/停時(shí)間的目的；
（4）煤種適應(yīng)性廣泛——利用純氧氣強(qiáng)化煤粉中固碳的燃燒，對(duì)煤粉揮發(fā)份含量不做要求，有效提高鍋爐煤種適應(yīng)性；
（5）保證SCR裝置的高效投運(yùn)——利用多層（點(diǎn)）的燃燒，抬高火焰中心，使煙氣溫度滿(mǎn)足SCR投運(yùn)要求（≥320℃）；
（6）能降低鍋爐飛灰含碳量；
（7）同比工況不會(huì)增加NOx排放——一次風(fēng)粉在富氧燃燒器內(nèi)提前主動(dòng)著火燃燒，產(chǎn)生大量CO強(qiáng)還原劑，抑制并還原NOx，保證同比工況下不增加NOx排放。
3.2 高壓電極加熱鍋爐/蒸汽電鍋爐
高壓電極加熱鍋爐/蒸汽電鍋爐單臺(tái)供熱功率范圍6~80MW，能量轉(zhuǎn)化效率為99%，啟動(dòng)時(shí)間短，熱態(tài)啟動(dòng)5min可達(dá)額度負(fù)荷，使用電源：10KV廠(chǎng)用電電源，占地面積小，啟動(dòng)靈活方便。
首先，高壓電極鍋爐在火電機(jī)組深度調(diào)峰中具有很強(qiáng)的靈活性，可單臺(tái)布置也可多臺(tái)組合布置。當(dāng)供熱機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰時(shí)負(fù)荷較低，機(jī)組抽汽量無(wú)法滿(mǎn)足供熱需要時(shí)，可通過(guò)高壓電極鍋爐滿(mǎn)足供熱需求，同時(shí)也確保滿(mǎn)足機(jī)組低壓缸最小進(jìn)汽量，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
其次，高壓電極鍋爐具有啟動(dòng)時(shí)間短的特點(diǎn)，熱態(tài)啟動(dòng)5min可達(dá)到額定負(fù)荷，適合作為啟動(dòng)鍋爐輔助汽源，在機(jī)組低負(fù)荷或跳機(jī)后的熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)是保證機(jī)組汽封高溫汽源和除氧器汽源的安全、有效措施，可大幅提高機(jī)組在進(jìn)行深度調(diào)峰和快速熱態(tài)啟動(dòng)的安全性。
3.3 汽機(jī)抽汽減溫減壓技術(shù)
汽輪機(jī)抽汽減溫減壓一般方式為兩級(jí)抽汽減溫減壓：將主蒸汽部分旁路進(jìn)行減溫減壓后接至再熱汽冷段。經(jīng)再熱器再熱后，從再熱器熱段進(jìn)行抽汽，經(jīng)二次減溫減壓后供至原熱網(wǎng)加熱蒸汽母管，兩級(jí)減溫減壓器均可布置在汽機(jī)房?jī)?nèi)。減溫水可就近利用高旁減溫水和低旁減溫水。
汽輪機(jī)抽汽減溫減壓技術(shù)可根據(jù)不同機(jī)組以及實(shí)際供熱抽汽量量身定制。
抽汽減溫減壓技術(shù)可確保供熱機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰、機(jī)組采暖抽汽減少（或退出）時(shí)的供熱量仍然滿(mǎn)足熱用戶(hù)需要。
3.4 儲(chǔ)熱罐
儲(chǔ)熱罐技術(shù)利用水的顯熱將熱量存儲(chǔ)到儲(chǔ)熱罐內(nèi)，通常采用常壓或承壓式；一般情況，當(dāng)熱管網(wǎng)供水溫度低于98℃時(shí)設(shè)置常壓儲(chǔ)熱罐，高于98℃時(shí)設(shè)置承壓儲(chǔ)熱罐?？膳浜细邏弘姌O鍋爐和再熱蒸汽減溫減壓后加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，并在供熱機(jī)組調(diào)峰期間儲(chǔ)存一定熱量的熱水，在機(jī)組升負(fù)荷時(shí)配合電鍋爐增加廠(chǎng)用電并替代部分機(jī)組供熱抽汽量，以提高供熱機(jī)組升負(fù)荷率。
常壓儲(chǔ)熱罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資成本相對(duì)較低，最高工作溫度一般為95~98℃，儲(chǔ)熱罐內(nèi)水的壓力為常壓。承壓儲(chǔ)熱罐最高工作溫度一般為110℃~125℃，工作壓力與工作溫度相適應(yīng)，對(duì)儲(chǔ)熱罐的設(shè)計(jì)制造技術(shù)要求較高，但其儲(chǔ)熱容量大，系統(tǒng)運(yùn)行與控制相對(duì)簡(jiǎn)單，與熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)耦合性較好。
其技術(shù)工藝如圖2所示：
4 火電機(jī)組靈活性改造整體解決方案
4.1 供熱機(jī)組
方案一：“富氧燃燒+汽輪機(jī)抽汽+高壓電極鍋爐+儲(chǔ)熱罐”
該方案可實(shí)現(xiàn)機(jī)組整體靈活性（鍋爐側(cè)+汽機(jī)側(cè)）運(yùn)行要求，在供熱季、非供熱季均可實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，具體方案：
（1）鍋爐進(jìn)行富氧燃燒技術(shù)改造；
（2）可從再熱器出口（熱段）根據(jù)供熱量進(jìn)行抽汽，經(jīng)減溫減壓輸送至儲(chǔ)熱罐或熱網(wǎng)配合電鍋爐共同來(lái)滿(mǎn)足供熱量；
（3）高壓電極鍋爐采用廠(chǎng)用電電源，在機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰時(shí)快速啟動(dòng)直接加熱儲(chǔ)熱罐或熱網(wǎng)循環(huán)水，滿(mǎn)足供熱需求，并確保完全滿(mǎn)足低壓缸最小進(jìn)汽量要求，可保障機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的安全性；
（4）儲(chǔ)熱罐可在機(jī)組升負(fù)荷段退出汽機(jī)采暖抽汽供熱，切換為儲(chǔ)熱罐直接向熱網(wǎng)供熱運(yùn)行方式，可完全滿(mǎn)足階段性供熱出力需求，增強(qiáng)機(jī)組調(diào)峰能力、提升機(jī)組爬坡速度、實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行。
方案二：“汽機(jī)抽汽+高壓電極加熱鍋爐+儲(chǔ)熱罐”方案特點(diǎn)：
供熱季：
對(duì)于供熱量較大的供熱機(jī)組，由于汽機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)供熱抽汽量大幅減少無(wú)法滿(mǎn)足供熱需求，可采用高壓電極鍋爐的同時(shí)，采用鍋爐熱段抽汽減溫減壓后來(lái)滿(mǎn)足供熱量，具體方案：
（1）可從再熱器出口（熱段）根據(jù)供熱量進(jìn)行抽汽，經(jīng)減溫減壓輸送至儲(chǔ)熱罐或熱網(wǎng)配合電鍋爐共同來(lái)滿(mǎn)足供熱量；
（2）高壓電極鍋爐采用廠(chǎng)用電電源，在機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰時(shí)快速啟動(dòng)直接加熱儲(chǔ)熱罐或熱網(wǎng)循環(huán)水，滿(mǎn)足供熱需求，并確保完全滿(mǎn)足低壓缸最小進(jìn)汽量要求，可保障機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行的安全性；
（3）儲(chǔ)熱罐可在機(jī)組升負(fù)荷段退出汽機(jī)采暖抽汽供熱，切換為儲(chǔ)熱罐直接向熱網(wǎng)供熱運(yùn)行方式，可完全滿(mǎn)足階段性供熱出力需求，增強(qiáng)機(jī)組調(diào)峰能力、提升機(jī)組爬坡速度、實(shí)現(xiàn)熱電解耦運(yùn)行。
非供熱季：
按機(jī)組原有調(diào)峰能力實(shí)施調(diào)峰。
4.2 純凝機(jī)組
純凝機(jī)組不考慮供熱影響，可只對(duì)鍋爐進(jìn)行富氧燃燒改造實(shí)現(xiàn)機(jī)組整體靈活性運(yùn)行要求，滿(mǎn)足調(diào)峰需求（根據(jù)機(jī)組低壓缸最小進(jìn)汽量確定）。
5 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析
以一臺(tái)300MW四角切圓鍋爐機(jī)組為例，按照10%機(jī)組容量配置高壓電極鍋爐進(jìn)行富氧燃燒（30%負(fù)荷率）、減溫減壓技術(shù)（抽汽量300t/h）改造，可保證供熱機(jī)組采暖季20%額定負(fù)荷調(diào)峰能力，夏季30%額定負(fù)荷調(diào)峰能力。
經(jīng)濟(jì)分析計(jì)算條件：按照發(fā)電利用小時(shí)數(shù)3600h，運(yùn)行小時(shí)數(shù)5100h，其中冬季采暖期運(yùn)行小時(shí)數(shù)2100h、調(diào)峰小時(shí)數(shù)按8h/天共計(jì)700h ，非采暖期運(yùn)行小時(shí)數(shù)3000h ，調(diào)峰小時(shí)數(shù)按8h/天共計(jì)1000h ，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)為550元/噸，第一檔補(bǔ)償電價(jià)按照0.1元/kWh、第二檔補(bǔ)償電價(jià)0.7元/kWh進(jìn)行計(jì)算。
6 結(jié)論
（1）針對(duì)純凝機(jī)組，建議采用富氧燃燒技術(shù)，可滿(mǎn)足機(jī)組靈活性調(diào)峰需求。
（2）針對(duì)供熱機(jī)組，建議綜合采用富氧燃燒技術(shù)、汽機(jī)抽汽減溫減壓技術(shù)、高壓電極鍋爐及儲(chǔ)熱罐技術(shù)；采暖季，熱電機(jī)組在滿(mǎn)足供熱需求的前提下，最低負(fù)荷率可達(dá)到20%～30%的調(diào)峰需求；非采暖季，最低負(fù)荷率可達(dá)到30%～40%的調(diào)峰需求。
以上方案，完全能夠確保機(jī)組在調(diào)峰工況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行，獲得可觀(guān)的調(diào)峰補(bǔ)助。整體技術(shù)改造方案投資適中、回收期2年左右，投資收益率較高。
