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1、双碳目标下火电机组灵活性改造技术分析摘要：随着我国“双碳”目标的不断推进，新能源的发展日益增强，为构建新型电力体系，火电在未来相当长的时间内扮演着调峰电源的角色。分析了常规火电机组和储能系统耦合火电机组灵活性改造技术路线的适用性，分析得出在不改造原有主机设备条件下增加储热系统可以大幅度提升机组的调节灵活性。对于机组供暖期的灵活性调节方面，可增加电锅炉十储热水罐形式；对于纯凝期机组灵活性调节方面，可以增加熔盐储热系统。通过总结储热系统提升火电机组调峰能力的特点和发展趋势，为火电灵活性改造采用何种技术路线提供参考。引言目前我国能源结构呈现多元化发展，可再生能源发电装机容量在不断增大，其中以风电、太
2、阳能为代表的新能源装机容量占比逐年提高，如图1所示，风电装机容量占比从2010年的2.23%增长至2022年的13.09%,太阳能装机容量占比由2010年的0.09舟增长至2022年的14.80%,由于新能源发电的装机规模在不断扩大，传统火电的装机容量占比逐年下降，火电装机容量占比由2010年的73.44%下降至52.80%,73 44%火电水电核电风电太阳能20102.20%13.900火电水电核电风电太阳能2022图1我国火电、水电、核电、风电、太阳能装机占比情况新能源发电具有随机性与波动性，导致“弃风弃光”现象。在“双碳”背景下，为构建新型能源利用体系，不仅需要大比例接入新能源，而且煤电
3、需要发挥应急调峰、调频的作用。燃煤机组灵活性改造分两个阶段进行，第一个阶段通过调整燃料的供给量满足机组50%100%TH（TH,TUrbineHeatACCePtanCe热耗率验收工况），现役机组均可实现，无需做过多改造；第二个阶段是基于“十四五”期间提出的火电灵活性改造规模不得低于1200GWo因此有必要对煤电机组的灵活性改造技术路线展开分析，以适应新能源的发展。文章首先分析了常规火电机组灵活性改造技术路线，其次分析了储能系统与火电机组耦合技术路线的适应性，最后对比了各技术路线的优缺点，为火电灵活性改造采用何种技术路线提供参考。常规火电机组灵活性改造技术路线火电灵活性改造机组类型主要分为热电
4、机组和纯凝机组。热电机组的灵活性改造目的是实现热电解耦，主要的技术路线有低压缸零出力、高背压供热、高低压旁路供热技术等。纯凝机组的灵活性改造目的是提高机组的深度调峰能力，主要的技术路线有低负荷下稳燃调整技术、富氧燃烧技术、宽负荷脱硝技术。下面针对上述几种路线作详细分析。1.l锅炉系统改造技术1. 1.1常规低负荷下稳燃技术为提高锅炉低负荷稳燃能力，纯凝机组须进行锅炉燃烧系统的改造，锅炉燃烧系统的改造包括燃烧器改造、等离子体稳燃技术改造，制粉系统优化升级包括磨煤机动态分离器改造、煤粉细度等。(1)锅炉稳燃系统改造。燃烧器适应性改造技术，利用一次风喷口采用垂直浓淡组合，优化二次风配风，基于外置式浓
5、淡分离装置，使燃烧器易于着火并稳燃，提高低负荷下燃烧稳定性。燃烧器改造后，机组最低稳燃负荷可降低至25%30%THA工况。点火及稳燃技术，主要包括等离子体点火、微油点火、微气点火技术，基于电厂的煤质情况，选择合适的稳燃技术，实现锅炉低负荷稳燃的目的。(2)制粉系统优化升级。煤粉分离器改造技术，机组深度调峰工况下，煤粉的细度直接影响锅炉的燃烧状况，细度过大可能造成炉膛燃烧困难或者燃烧不稳定，易造成锅炉灭火。煤粉细度的大小和磨煤机及煤粉分离器的特性有关，通过对煤粉分离器进行改造，提高煤粉均匀性和着火稳定性，降低飞灰含碳量，提高锅炉效率。11.2富氧燃烧技术富氧燃烧技术原理是基于纯氧环境下，点燃小空
6、间燃烧器中的燃油使其充分燃烧产生高温火焰并点燃一次风煤粉，一次风煤粉稳定燃烧并进入炉膛放热，使炉膛燃烧保持在稳定的范围内。富氧燃烧技术可以实现机组最低20%THA的深度调峰负荷，缩短锅炉的启停时间，提升机组的变负荷速率及燃料的灵活性，保证脱硝装置正常投运。1. 1.3宽负荷脱硝技术机组在低负荷工况运行时，锅炉出口烟气温度低于脱硝装置的正常工作温度，解决低负荷下脱硝问题的主要方法是提高脱硝装置的入口烟温。主要的技术有增设零号高加、省煤器给水旁路、省煤器分级改造、省煤器烟气分隔挡板、省煤器中间集箱流量调节、省煤器烟气调温旁路等。12汽轮机系统改造技术1.2. 1低压缸零出力技术低压缸零出力供热改造
7、技术主要是切除低压缸的进汽，仅保留少量的冷却蒸汽，中压缸排气用来加热热网循环水，该技术改造中低压缸仅仅是传递高压缸的扭矩，实现低压缸“零力”3000rmin运行，适合大面积供热，技术原理如图2所示。该技术优点是技术成熟度高，调峰能力较强，但供暖季和非供暖季需要更换转子，操作难度大。涉及到的设备有汽轮机、热网加热器、凝汽器等。图2低压缸零出力技术原理图1.2.2 高背压供热技术高背压供热改造技术主要通过提高汽轮机的排气背压，利用汽轮机的排汽来加热热网循环水，降低冷源损失，适合大面积供热机组，技术原理如图3所示。该技术的优势在于技术成熟度高，对汽轮机的本体改动较小，成本低，但调峰能力有限，尤其是遇
8、到极端的天气时，需要补充额外的高温汽源。涉及到的设备有汽轮机、发电机、热网加热器、凝汽器等。图3高背压供热技术原理图1.2.3 旁路供热技术旁路供热改造技术是将锅炉过热器的部分蒸汽经过旁路减压阀送回至高压缸的排汽管路，将未进入低压缸的蒸汽经旁路减压阀抽出送至热网加热器，作为加热热网循环水的补充热源，从而实现机组的热电解耦，系统原理如图4所示。该技术在一定程度上增强了机组的供热能力，提升了热电比，但调峰深度有限，造成了节流损失，导致机组煤耗大幅度增加，不适合大面积供热。涉及到的设备有锅炉过热器、锅炉再热器、汽轮机、热网加热器、凝汽器等。焰M供求 热XM水图4高低压旁路供热技术原理图储能系统耦合火
9、电机组灵活性改造技术路线常规火电系统灵活性改造主要是对锅炉系统和汽轮机系统进行改造。而储能系统耦合火电机组灵活性改造在不改造锅炉和汽轮机本体的前提下，只需增加一些关键设备如储罐、换热器等，且设备均为静态的，安全可靠，释热时只需接入到原热力系统，不仅可以降低机组的发电负荷而且可以提高机组的顶峰发电能力。主要的技术路线有热水储热技术、电极锅炉储热技术、相变材料储热技术、熔盐储热技术。2. 1热水储热技术在汽轮机处于较高负荷时，抽取一定比例蒸汽加热给水并储存在热水储罐中，技术原理如图5所示。当机组降负荷，无法满足供热负荷时，热水储罐中的热水补充供热负荷，以此来达到在机组降负荷的同时满足供热负荷，实现
10、热电解耦，提高调峰能力。涉及到的设备有锅炉、汽轮机、回热加热器、储热水罐、汽水换热器等。图5热水储热调峰技术原理图2.2. 电极锅炉储热技术电极锅炉储热技术具有原理简单、系统易控制、技术成熟度高等优点，适用于供热机组热电解耦，如图6所示。该技术主要是利用机组自身的部分发电量直接加热给水储热以减少机组的上网电量，达到深度调峰的目的，同时在机组低负荷时补充供热量。当机组出现故障时，电极锅炉储热系统可以直接退出，安全性较高。此外，在风电过剩阶段，电极锅炉还可以消纳部分风电以补充供热负荷，减少“弃风弃光”现象的发生。涉及到的设备有汽轮机、发电机、凝汽器、热网加热器、电锅炉等。热网供水图6电锅炉调峰技术
11、原理图2.3. 相变材料储热技术相变材料储热技术利用锅炉的再热蒸汽加热相变材料储存热量以达到降低机组负荷的目的，释热时加热给水产生蒸汽进入汽轮机，增大汽轮机的蒸汽流量，达到快速升负荷的目的。涉及到的设备有锅炉、汽轮机、发电机、回热加热器、除氧器、凝汽器、储热罐等。如图7所示。图7相变材料储热调峰技术原理图2.4. 熔盐储热技术火电机组中运用储能技术可以实现削峰填谷，锅炉出口蒸汽温度在540560C,而高温熔盐储热技术不仅可以很好地匹配这一温度，而且能够实现大规模储能。技术路线方面，高温熔盐储热耦合火电机组模式主要有抽取部分主蒸汽和再热热段蒸汽加热熔盐蓄热，利用电加热器直接加热熔盐蓄热。2. 4
12、.1电加热熔盐蓄热调峰技术利用电厂发电的部分电能通过电加热器加热熔盐储存在熔盐罐中，减少上网电量，实现燃煤机组调峰目的，释热时直接加热给水产生蒸汽进入汽轮机发电做功，增加机组的发电功率。此外，在“弃风弃光”时间段时，利用这部分电能加热熔盐储热，释热加热除氧水产生蒸汽提高机组的顶峰能力，同时消纳部分风电，技术原理图如图8所示。涉及到的设备有锅炉、汽轮机、高低温储罐、熔盐电加热器、盐/水换热器等。图8电加热蓄热调峰技术原理图2.4.2抽汽蓄热调峰技术抽汽蓄热调峰技术是基于锅炉-汽轮机的负荷差开展而来的，储热时，将汽轮机多余的蒸汽热量通过盐/汽换热器储存在高温熔盐储罐中，降低机组的发电负荷；释热时，
13、将熔盐热量释放到原热力系统中以增加机组的发电负荷。值得注意的是，抽取锅炉主蒸汽量过多时，易导致锅炉再热器超温等问题，单独抽取再热热段蒸汽时，由于再热热段蒸汽对应的饱和蒸汽温度低于熔盐的凝固温度，只能储存蒸汽的显热，损较大，调峰深度有限。基于此，王辉等提出一种主+再热热段蒸汽储热调峰方案，分别抽取主蒸汽和再热热段蒸汽储热调峰，有效地避免上述问题的发生，技术原理如图9所示。储热容量100MW.储热时长46h时，600MW煤电机组深度调峰能力可达到15%20%THA负荷。涉及到的设备有常规火电系统主机设备、熔盐/汽预热器、熔盐/汽相变换热器、熔盐/汽再热器、熔盐/汽过热器、高低温熔盐储罐、盐/水预热
14、器、盐/水蒸发器、盐/水过热器等。图9主+再热热段蒸汽调峰技术原理图3灵活性改造技术路线对比分析以上灵活性改造技术路线理论上均能实现火电机组灵活性改造，但每种技术路线均有其局限性。常规灵活性改造技术主要是针对于锅炉系统、汽轮机系统的改造。锅炉常规稳燃系统改造主要针对纯凝机组低负荷下稳燃问题，改造部位较多，需要精细化调节，安全性有待进一步验证。供热机组灵活性改造主要围绕汽轮机系统开展的，低压缸零出力供热改造，虽然可以实现大流量供热，但供热季和非供热季需要频繁更换转子，系统操作难度大。高背压供热改造技术比较成熟，对机组本体改动较小，但供热能力有限，极端天气条件下需要补充高温汽源，纯凝期无法实现调峰
15、且不适用纯凝机组。旁路供热改造同样可以实现低负荷下供热，但供热能力有限，且造成节流损失，导致机组煤耗增加，经济性不佳，且不适用于纯凝机组。热水储热技术以部分汽轮机抽汽为热源加热压力水储热，以此来降低机组热负荷，但调峰容量有限，调峰时长较短。电极锅炉供热改造可以使机组实现零电量上网，储热水式电锅炉具有蓄热容积大、设备稳定性高、运行方式灵活等优点，不仅可以单独储热而且可以边储热边供热。燃煤机组配套的水储热电锅炉供热系统热电解耦程度深，有利于进一步降低燃煤机组电负荷。2016年国家能源局下达的火电灵活性改造试点项目中有50%的项目采用该技术路线。但电锅炉+储热水技术仍存在高品质电能低用，损较大，储热
16、系统体积庞大、投资费用高、占地面积大等问题。相变材料储热技术利用汽轮机抽汽加热相变材料储热调峰，但调峰容量有限，不适合深度调峰。熔盐储热调峰具有调峰容量大、调峰能力强、系统简单、运行可靠、使用寿命长且核心设备均为静态等优点，适用于各类型火电机组灵活性调节。相比于常规锅炉系统、汽轮机系统改造，熔盐储热技术只需增加储热设备及附属管路即可实现调峰。与电锅炉+储热水技术相比，熔盐储热既可以用于供暖也可以产生高温蒸汽增加汽轮机的发电负荷，实现机组向下发电功率为0（汽轮机滑停），向上发电功率增加20%,同时可以对外输出大流量、高参数工业蒸汽。4结论本文主要对常规火电机组灵活性改造和储能系统耦合火电机组灵活性改造
