火电灵活性改造的现状和关键技术

编者注：在新能源装机大规模增加的情况下，系统的调峰能力将成为重要的制约因素，也是新型电力系统安全稳定面临的重要问题。在各种调峰电源中，抽水蓄能和火电灵活性改造是最具可实施性同时也是技术相对成熟的途径。那么，什么是火电灵活性改造，目前火电灵活性改造又存在什么问题，本文就很好的回答了以上疑问。1火电灵活性改造的历史与现状1.1火电灵活性改造的定义火电灵活性是电力系统灵活性的关键指标，也是电力系统灵活性的核心组成部分。火电灵活性通常指火电机组的运行灵活性，即适应出力大幅波动、快速响应各类变化的能力，主要指标包括调峰幅度、爬坡速率及启停时间等。目前，国内火电灵活性改造的核心目标是充分响应电力系统的波动性变化，实现降低最小出力、快速启停、快速升降负荷三大目标，其中降低最小出力，即增加调峰能力是目前最为广泛和主要的改造目标。1.2火电灵活性改造的历史丹麦、德国是欧洲火电灵活性改造的主要国家，其火电灵活性改造是市场推动、逐步深入的过程，也是其电力系统转型的重要组成部分。近20年来，丹麦火电机组灵活性改造分3个阶段，电力市场化带来的价格波动是促使火电向更为林火运行方式转变的直接动因，其历史进程如图1所示。90年代初，随着电力市场化改革的推进和现货市场的逐步建立，火电机组盈利模式发生根本转变。丹麦加入北欧电力市场（NordPool）,电力交易价格开始明显变化。为适应交易市场内价格的波动性变化，提升自身灵活性已成为必然选择。此时，由于价格波动也相对平滑，灵活性改造的主要工作集中于运行与管理的优化，资产性投入相对较少，通过细化监控，主要从管理和运行上找潜力。燃煤机组从基荷机组逐步向负荷跟随机组转变。进入20世纪，由于可再生能源的大量并网，交易市场内的价格波动日益频繁，波动幅度也不断增加，负成交价格也不断发生。为此，火电机组不得不加大在灵活性改造中的投入，其核心是进一步挖掘各设备灵活性潜力和优化机组控制，对于热电联产机组，多种蓄热装置逐步投入使用，以实现供热和发电收益的最大化。年之后，灵活性的价值逐步被认可，火电机组的变工况研究逐渐深入。多样化的灵活性提升手段纷纷被采用，其改造历程如图2所示。其中针对热电联产机组，蓄热装置成为基本配置，利用蓄热装置及供热系统储热特性，实现热电联产运行方式的改善和灵活性的提升，电锅炉、热泵等电制冷、制热方式也被逐渐应用。

这样的经验也被推广到欧洲各国。西班牙根据其电力市场实时几个信息研究表明更为灵活的运行方式将为煤电机组收益带来20%~50%的提升，为燃气-蒸汽联合循环机组收益带来20%~50%的提升，相应也带来弃风比例的明显降低，这使得欧洲火电的角色发生明显的变化，如表1所示。

在国内，随着调峰形势的日趋严峻和调峰考核的加强以及深度调峰补偿措施的完善，一些电厂也开始试点开展深度调峰改造，如大连庄河电厂60万kW纯凝机组调峰能力已接近70%，华能丹东电厂30万kW热电联产机组在非供热调峰能力已接近80%。依靠电量为主的交易结算方式难以支撑灵活性的要求，随着辅助服务市场推开和调峰辅助收益明显增加，火电将实质性地实现电量主体向容量主体的转变。1.3火电灵活性改造的现状德国、丹麦火电灵活性情况见表2，目前在丹麦、德国，硬煤火电机组最小出力可达25%~30%，褐煤机组最小出力可达40%~50%，爬坡速率可分别达到4%/min~6%/min和2.5%/min~4%/min。在电力现货市场中，这些机组往往根据电价信号及时调整自身出力，在低电价甚至负电价时降低出力甚至停机，以获得更优的市场回报，其火电运行典型方式如图3所示。

为了充分挖掘火电机组调峰潜力，提高系统可再生能源消纳能力，国家能源局于年下发《关于火电灵活性改造试点项目通知》，安排“三北”地区21个试点项目，合计改造规模万kW。通过灵活性改造，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达到国际先进水平，机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到20%~25%。《电力发展“十三五”规划》中明确指出，“十三五”期间，“三北”地区热电机组灵活性改造约1.33亿kW，纯凝机组改造约万kW；其他地方纯凝改造约万kW。改造后，增加调峰能力万kW，其中，“三北”地区增加0万kW。这些措施已作为提升电力系统调节能力的核心组成部分。部分东北火电灵活性改造机组情况如表3所示。

2火电灵活性改造的关键问题2.1技术要素2.1.1锅炉侧锅炉侧灵活性改造须重点解决燃烧稳定性、制粉系统稳定性、换热水动力稳定性、受热面高温腐蚀与疲劳损伤、空预器低温腐蚀及泄露、脱硝运行安全等问题。1）锅炉低负荷稳燃技术。锅炉在低负荷下运行时，火焰在炉内的充满程度会比高负荷时差，负荷降低到一定程度时，由于炉内温度下降，导致每分气流的着火距离增大，同时火焰对炉壁辐射损失相对增加，所以就容易出现燃烧的不稳定，甚至锅炉熄火。为提高燃烧稳定性，通常采用的技术路径包括：低负荷精细化燃烧调整，主要针对燃烧器结构、磨投运方式、煤粉精度、一次风速、配风方式等内容；燃烧器、制粉系统优化改造，改造内容涉及燃烧器、磨煤机动态分离器、风粉在线监测装置等；改善入炉煤质，储备调峰煤、掺烧生物质等。2）宽负荷脱硝技术。国内普遍采用的NOx脱除技术为选择性催化还原法（selectivecatalyticreduction，SCR），其要求烟气温度稳定在~℃范围内，才能保证还原剂与催化剂的良好作用。当机组低负荷运行时，烟气温度往往偏低，带来催化剂活性降低、还原剂结晶、空预器腐蚀等问题。为了保证SCR脱硝系统宽负荷运行，主要技术路线有2类：通过改造锅炉热力系统或烟气系统，提高低负荷阶段SCR反应器入口温度；选用宽温催化剂，在常规V-W-TiO2催化剂基础上，通过添加其他元素改进催化剂性能，提高低温下催化剂活性。2.1.2汽轮机侧深度调峰状态，汽轮机侧须重点

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