浙江省燃煤机组深度调峰综述

王茂贵， 吕洪坤， 李 剑

（国网浙江省电力有限公司电力科学研究院， 杭州 310014）

0 引言

火电灵活性技术主要包含机组运行的灵活性和燃料的灵活性等方面。 运行的灵活性主要是指机组深度调峰（锅炉及汽轮机的低负荷运行）、 机组快速启停、 机组快速升降和热电联产机组的热电解耦等内容。 燃料灵活性主要是指燃煤机组对燃料适应性强， 具有耦合燃烧生物质、 污泥等能力， 通过对火电机组燃料灵活性改造可以实现其低碳化转型[1-3]。

火电灵活性改造技术最早兴起于丹麦和德国， 后来逐渐扩展到法国、 瑞典、 英国等国家。 例如， 丹麦在20 世纪80 年代末经历了从基于大型燃煤火电厂向风力发电、 热电联产小机组和太阳能光伏发电相结合的转变过程。 随着可再生能源电力生产的大幅增加， 大型火电机组的灵活性和深度调峰能力面临巨大的挑战。 目前国际上运行灵活性最为先进的纯凝火电机组， 其不投油稳燃最小技术出力已经达到20%～25%额定功率。

目前， 我国电力正经历从传统能源向新能源的快速发展阶段， 电源结构调整已取得巨大的成就[4]。 截至2017 年底， 全国电源装机容量为17.77亿kW， 其中煤电占比55.16%， 水电占比19.20%，风电占比9.21%， 太阳能发电占比7.33%， 气电占比4.29%， 核电占比2.02%， 生物质发电占比0.84%， 其他发电占比1.95%。

由于新能源具有随机性、 间歇性和不稳定性等特点， 因此我国新能源的快速发展导致新能源消纳和电网调峰面临愈来愈大的困难[5-8]。 因此，我国从电力规划到产业政策等方面提出了一系列措施， 以应对目前电力所面临的新形势。

《电力发展“十三五”规划（2016—2020）》指出： 我国电力供应由总体平衡、 局部偏紧的状态逐步转向相对宽松、 局部过剩。 非化石电源快速发展的同时， 部分地区弃风、 弃光、 弃水问题突出， “三北”地区风电消纳困难， 云南、 四川两省弃水严重。 局部地区电网调峰能力严重不足， 尤其北方冬季采暖期调峰困难。 为加强调峰能力建设， 提升系统灵活性， 可从负荷侧、 电源侧、 电网侧多措并举， 充分挖掘现有系统的调峰能力，加大调峰电源规划建设力度， 着力增强系统灵活性、 适应性， 破解新能源消纳难题[4]。

国家能源局综合司《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》中指出： 为加快能源技术创新，挖掘燃煤机组调峰潜力， 提升我国火电运行灵活性， 全面提高系统调峰和新能源消纳能力， 确定丹东发电厂等16 个项目为提升火电灵活性改造试点项目。

国家能源局《关于提升电力系统调节能力的指导意见》中指出： 实施火电灵活性提升工程， 改造后的纯凝机组最小技术出力达到30%～40%额定容量， 热电联产机组最小技术出力达到40%～50%额定容量， 部分发电厂达到国际先进水平， 机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到20%～30%。

在国家规划和产业政策的指导下， 因地制宜，有所侧重， 我国一批火电机组先后进行了灵活性改造， 并取得了较好的改造效果。 在我国北方供热地区， 热电联产机组主要进行的是基于热电解耦和低压缸零功率等的灵活性改造。 在我国非供热地区， 纯凝火电机组主要进行了基于深度调峰的灵活性改造[7-8]。

1 燃煤机组深度调峰的背景

浙江省电网负荷年峰谷差与昼夜峰谷差问题日益严重， 电网调峰压力逐步增大， 机组调峰幅度和调峰频率日益加大[9]。 2018 年浙江省电网最高负荷为71 405 MW， 最低负荷为11 773 MW，年峰谷差为59 632 MW， 年峰谷差百分比为83.51%。 2018 年浙江省日峰谷差均值为17 962 MW， 日峰谷差百分比均值为34.04%， 日峰谷差最大值为27 465 MW， 日峰谷差百分比最大值为48.35%。

图1 2018 年浙江省电网负荷日峰谷曲线

图2 2018 年浙江省电网负荷日峰谷差曲线

2018 年浙江省电网负荷日峰谷曲线如图1所示， 负荷日峰谷差曲线如图2 所示。

图3 2016 年浙江省电源装机结构

浙江电网调峰调频压力逐步增大的主要原因包括：

图4 2017 年浙江省电源装机结构

（1）浙江省经济形势与经济结构的新变化， 以及用电结构的新变化， 导致电网负荷峰谷差逐步扩大， 调峰调频压力逐步加大。

（2）电源结构的新变化导致浙江省电网调峰调频压力逐步加大。 《浙江省电力发展“十三五”规划》指出： 加快建设国家清洁能源示范省， 提高可再生清洁能源发展质量和规模。 在政策指引下，浙江省内电源结构出现了比较明显的变化， 如光伏、 风电等可再生清洁能源装机容量出现持续增长。 可再生清洁能源装机容量的持续增长加大了浙江省内电网调峰调频压力。

2016 年和2017 年浙江省电源装机结构如图3、 图4 所示， 经对比可以看出： 浙江省内煤电装机容量占比虽有一定程度下降， 但依然是一家独大； 光伏装机容量出现爆发式增长； 风电装机容量出现稳步增长。

浙江省外部输入电源的发展特别是交直流特高压的大力发展， 在优化了浙江省电网结构的同时， 也加大了省内电网调峰调频的压力。 目前浙江省内主要有灵绍直流、 宾金直流、 淮沪交流和浙福交流即“两交两直”特高压骨干网， “两交两直”特高压骨干网的建成在实现浙江省加大“外电入浙”和推进能源“双控”以及煤炭消费总量控制目标的同时， 也进一步加大了省内统调燃煤机组的调峰压力。

2 燃煤机组深度调峰的相关政策

近几年浙江省电力供应富余与需求减速矛盾逐步加剧， 受电力供应量持续增长、 外购电规模不断扩大与省内电力消费增速放缓的双重挤压，浙江省电力由供需矛盾转化为调峰矛盾[9]。

鉴于浙江电网目前所面临的调峰调频压力，为了稳步推进省内大型统调燃煤机组深度调峰工作， 保障电网运行安全， 浙江省政府先后出台了一系列地方政策文件， 以规范和推动浙江省统调燃煤机组深度调峰工作的顺利进行。

2017 年5 月2 日浙江省经济和信息化委员会印发了《关于开展省统调燃煤机组深度调峰改造试点工作的通知》， 文件要求： 浙江浙能台州第二发电有限责任公司1 号机组（1 000 MW 超超临界机组）、 浙江大唐乌沙山发电有限责任公司2号机组（600 MW 超临界机组）、 国电北仑第一发电有限公司2 号机组（600 MW 亚临界机组）列入深度调峰改造试点。 深度调峰试点改造目标分别为： 600 MW 级机组最低稳定出力达到240 MW，并进行最低稳定出力180 MW 研究； 1 000 MW级机组最低稳定出力达到400 MW， 并进行最低稳定出力300 MW 研究。 该文件奠定了浙江省大型统调燃煤机组深度调峰试点工作的政策基础，为深度调峰试点工作指明了目标与方向。

2017 年浙江电科院与浙江省3 个深度调峰试点发电厂进行了密切协作， 顺利完成了深度调峰至40%额定功率试验等相关工作， 并在此基础上积极开展了试点机组深度调峰至30%～35%额定功率的试验探索， 积累了宝贵的深度调峰试验经验。

在2017 年深度调峰试点工作基础上， 2018年8 月21 日浙江省发展和改革委员会印发了《省发展改革委关于深入开展统调燃煤机组深度调峰和节能提效改造工作的通知》， 文件指出： 在前期已开展统调燃煤机组深度调峰能力改造试点和节能提效改造工作的基础上， 2020 年底前， 全面完成省统调300 MW 及以上燃煤机组深度调峰和节能提效改造， 大力推进百万千瓦级燃煤机组节能提效改造， 进一步提高全省电力保障能力和运行效率， 增强浙江电网灵活性和适应性， 促进清洁能源消纳和节能降耗， 推进国家清洁能源示范省建设。

3 燃煤机组深度调峰的技术瓶颈

浙江省内统调燃煤机组在进行深度调峰前，已具备一定的调峰能力， 其调峰能力范围主要在50%～100%额定功率， 但随着电网对统调燃煤机组调峰能力要求的提高， 机组原有的调峰能力已不能满足电网需求。 因此， 统调燃煤机组从普通调峰运行模式转换为深度调峰运行模式就成为一种必然的发展趋势[10-13]。 由于绝大部分燃煤机组并不是按长期深度调峰运行模式设计的， 因此当燃煤机组进行深度调峰运行时， 将面临以下一系列技术瓶颈：

（1）锅炉稳燃问题

燃煤机组深度调峰运行时， 锅炉总煤量逐步降低， 炉膛温度逐步下降， 燃烧逐渐恶化。 当达到一定的稳燃负荷临界点时， 锅炉必须采取相应的稳燃措施[12-13]。

（2）锅炉水动力安全问题

当机组发电负荷降低至30%～35%额定功率时， 锅炉给水流量已接近其水冷壁最低流量保护定值， 炉内水动力循环开始恶化， 水冷壁、 过热器和再热器等局部过热爆管可能性增大。

（3）锅炉干湿态转换（超临界机组）问题

当机组发电负荷降低至30%～35%额定功率时， 可能造成部分锅炉的分离器出口工质过热度消失， 分离器出现水位， 锅炉进入湿态运行状态[13-15]。 当锅炉进入湿态运行时， 对于配备炉水循环泵的锅炉必须启动炉水循环泵， 以保证锅炉水冷壁的水动力安全。 由于炉水循环泵较易出现故障， 因此容易给机组长期深度调峰运行带来一定的安全隐患。 对于没有炉水循环泵的锅炉， 当其进入湿态运行且分离器出现水位时， 主要通过炉水回收或放水系统进行分离器水位控制， 不可避免会带来一定的工质或热量损失。

（4）汽动给水泵或汽动引风机问题

在机组深度调峰运行期间， 汽轮机各段抽汽压力和抽汽量明显下降， 维持汽动给水泵或汽动引风机的平稳运行会遇到一定困难。 当汽源压力不够时， 还要进行汽源切换。 另外， 锅炉给水泵还存在最小安全流量与再循环门开启等设备安全问题。

（5）机组AGC（自动发电控制）问题

在燃煤机组进行深度调峰之前， 其AGC 运行主要在50%～100%额定功率范围内。 随着机组负荷的下降， 机组各个子系统（风、 烟、 煤、 水等）的调节余量逐渐减少， 给机组实现AGC 调节带来更大困难[16-19]。

（6）一次调频问题

浙江省内灵绍直流和宾金直流特高压设计额定传输功率为7 500 MW， 淮沪交流和浙福交流特高压设计额定传输功率为5 000 MW。 当交直流特高压出现甩负荷故障时， 由于其巨大的传输功率， 将给浙江省电网稳定和一次调频带来前所未有的压力。 2015 年9 月19 日华东电网某特高压线路出现故障时对电网频率实际影响曲线如图5 所示。

图5 某特高压线路故障对电网频率影响曲线

（7）脱硝系统问题

目前浙江省内燃煤机组的脱硝系统主要采用SCR（选择性催化还原）脱硝技术， 该项技术选用催化剂的适用温度范围主要在300～400 ℃（具体到各个发电厂， 其催化剂适用温度范围会有些许差异）。 SCR 反应器入口烟温过高， 催化剂有烧毁的危险； SCR 反应器入口烟温过低， 催化剂活性会大幅降低， 脱硝反应效率会大幅降低并可能导致氨逃逸而生成硫酸氢氨堵塞空预器等一系列问题， 影响机组的安全经济运行[20]。 某600 MW 超临界锅炉SCR 入口烟温（设计值）与发电功率的关系曲线如图6 所示。

图6 某600 MW 超临界锅炉SCR 入口烟温（设计值）与发电功率的关系曲线

4 燃煤机组深度调峰概况

浙江省燃煤机组深度调峰按统一的技术标准进行验证试验， 试验主要包含机组的安全性、 经济性和调峰容量三方面内容。

4.1 燃煤机组深度调峰的技术标准

浙江省燃煤机组深度调峰验证试验的主要技术标准具体如下。

（1）调峰深度： 40%TRL（额定功率工况）。

（2）磨煤机组合： 至少2 种磨煤机组合（具体参见DL/T 1616-2016《火力发电机组性能试验导则》5.1.7.5 条款）。

（3）验证时间： （24+6）h， 即第1 种磨煤机组合试验时间为24 h， 第2 种磨煤机组合试验时间为6 h。

（4）环保要求： 环保设施正常投运。

（5）机组AGC 投入且满足一定的升降负荷速率标准。

（6）机组一次调频功能投入且满足一定的升降负荷速率标准。

4.2 深度调峰机组的安全性

在深度调峰机组的安全性方面， 主要是验证主机（锅炉、 汽轮机和发电机）和辅机运行的安全性。

锅炉的安全性方面， 主要对锅炉的稳燃能力、锅炉各个受热面的金属壁温、 主蒸汽和再热蒸汽的参数及辅机运行情况等进行了试验验证。 另外还对每台锅炉进行了2 种不同磨煤机组合共（24+6）h 的稳燃能力验证试验， 为锅炉的安全运行预留了必要的余量[21]。

汽轮机的安全性方面， 主要进行了进汽参数、汽缸温度、 TSI（汽轮机监视仪表）系统中各项重要参数（轴承温度、 振动、 轴向位移、 排汽缸温度、 润滑油回油温度）， 以及抽汽回热系统、 汽机轴封系统、 辅助蒸汽系统等运行状况的跟踪监测。 重点针对给水系统的控制调节、 稳定运行进行了实时研究， 并为发电厂提供操作指导。

机组涉网自动控制安全性方面， 主要进行AGC 和一次调频等相关试验， 发电机组具有AGC 与一次调频等功能， 大大提高了电网在发生大幅负荷波动与频率波动时的安全性。

机组环保方面， 主要进行了有关排放参数的测试与评估工作。

4.3 深度调峰机组的经济性

在深度调峰机组的经济性方面， 主要对锅炉效率、 汽轮机热耗率和厂用电率等经济性指标进行测试和评估， 在此基础上计算和评估深度调峰前后机组发供电煤耗的实际变化情况， 可为政府决策提供一定的技术依据， 并为深度调峰下机组的节能优化工作打好技术基础。 对于浙江省统调燃煤机组， 当深度调峰从50%额定功率降至40%额定功率时， 不同类型机组供电煤耗平均增加情况如下： 超超临界1 000 MW 等级机组， 供电煤耗增加约为13.05 g/kWh； 超超临界660 MW 等级机组， 供电煤耗增加约为14.03 g/kWh； 超临界600 MW 等级机组， 供电煤耗增加约为14.67 g/kWh；亚临界600 MW 等级机组， 供电煤耗增加约为16.13 g/kWh； 亚临界300 MW 等级机组， 供电煤耗增加约为21.51 g/kWh； 浙能台州9 号机组， 浙能温州4 号、 5 号机组由于运行方式或供热未切等原因未统计在内。 浙江省统调燃煤机组从50%额定功率降至40%额定功率其供电煤耗增加情况如图7 所示。

图7 燃煤机组从50%额定功率降至40%额定功率供电煤耗增加

4.4 深度调峰容量

截至2018 年12 月底， 浙江省300 MW 以上统调燃煤机组共计63 台， 其中浙能滨海2 台300 MW 等级机组被核定为供热机组。

2017 年浙江省在完成3 台试点机组40%额定功率深度调峰试验的同时， 进行了30%～35%额定功率深度调峰的技术探索工作。 2018 年度共完成58 台300 MW 以上统调燃煤机组40%额定功率的深度调峰工作。 2017—2018 年， 浙江省总计完成61 台300 MW 以上统调燃煤机组40%额定功率的深度调峰工作， 其中浙能滨海2 台300 MW 机组为供热机组， 不需要进行深度调峰运行。 因此， 截至2018 年12 月底， 浙江省300 MW以上统调燃煤机组40%额定功率深度调峰具体情况见表1。

表1 浙江省统调300 MW 以上燃煤机组40%额定功率深度调峰情况

参照浙江省安吉县天荒坪抽水蓄能电站6 台300 MW 共计1 800 MW 装机容量计算， 此次浙江省统调燃煤机组深度调峰新增调峰容量达3 867 MW， 比天荒坪抽水蓄能电站总容量的2 倍还多。在没有对燃煤机组进行大规模技改投资的情况下， 通过深度挖掘现有统调燃煤机组的调峰潜力， 大幅提高了浙江省电网运行的灵活性和适应性， 同时也增强了对清洁能源的消纳能力。

5 燃煤机组深度调峰的主要特点

通过2017 年深度调峰试点和2018 年全面展开， 浙江对统调300 MW 以上燃煤机组的深度调峰工作已经全部完成。 浙江省深度调峰工作具有鲜明的地域特色：

（1）顶层规划， 试点先行， 稳扎稳打， 政策鼓励与技术探索并重， 走出了一条具有鲜明特色的浙江深度调峰之路。

（2）政策引导， 先点后面， 统一部署， 协同推进， 在相对较短的时间内全面、 迅速、 圆满地完成了全省统调燃煤机组深度调峰的艰巨任务。

（3）全省统调燃煤机组全部实现了无助燃措施下40%额定功率的深度调峰运行。 在深度调峰试验过程中， 安装了先进的炉膛温度在线测量监控系统， 实现了对锅炉燃烧情况实时连续的监测， 提高了深度调峰试验过程的安全性、 可靠性与自动化水平。 浙江省某发电厂1 号锅炉炉膛温度在线监测曲线（40%额定功率深度调峰）如图8所示。

图8 省某发电厂1 号锅炉炉膛温度在线监测曲线（40%额定功率的深度调峰）

（4）全省统调燃煤机组全部实现了AGC 和一次调频功能且试验合格， 为应对因特高压线路等严重故障而导致负荷冲击和电网超低频率状况做好了充分的技术准备。

（5）全省统调燃煤机组全部实现了至少2 种磨煤机组合方式下的深度调峰运行， 为机组运行方式保留了必要的安全余量。

（6）全省统调燃煤机组全部实现了深度调峰下的环保达标排放运行。

（7）全省统调燃煤机组深度调峰工作契合省内实际， 为实现省能源“双控”和建设清洁模范示范省奠定了坚实的技术基础。

（8）对于燃煤火电机组而言， 在深度调峰方面， 亚临界机组比超临界机组在安全性上具有一定的技术优势。

6 燃煤机组深度调峰存在的主要问题

在燃煤机组深度调峰试验过程中， 也暴露了部分发电厂在机组深度调峰管理和运行上存在的一些薄弱环节， 主要包括：

（1）煤质管理还存在一定问题。 由于对入厂煤质管理不严， 导致在深度调峰试验中， 个别发电厂的机组无法满足运行方式的要求， 给机组在深度调峰下的安全运行带来一定的隐患。 当发电机组在深度调峰方式下运行时， 对发电厂的入厂煤质管理提出了更高更精细化的要求。

（2）部分机组供热与深度调峰存在一定的矛盾。 部分机组在深度调峰运行时， 出现了供汽参数无法满足热用户需求的情况， 对此， 仍需相关发电厂通过统筹规划和技术改造来解决机组供热与深度调峰之间的矛盾。

（3）部分锅炉水动力安全存在隐患， 局部受热面存在超温报警现象。

（4）部分锅炉火检存在波动频繁且波动幅度较大的现象， 给锅炉稳燃带来了一定的隐患。

（5）部分锅炉在深度调峰下其辅机运行存在一定的安全隐患。 如浙江省某发电厂锅炉深度调峰试验期间， 2 台一次风机频繁发生失速抢风现象， 给锅炉的安全运行带来了很大隐患。 该锅炉2 台一次风机的实际运行曲线如图9 所示。

图9 锅炉深度调峰试验期间一次风机失速抢风运行曲线

（6）部分锅炉在深度调峰下存在SCR 入口烟温超出其催化剂适用下限温度问题。

7 燃煤机组深度调峰技术的发展方向

燃煤机组深度调峰技术之于火电领域确实是一场技术革命， 也是对我国能源技术创新的一场严峻考验。 目前， 浙江省燃煤机组深度调峰技术无论从广度还是深度方面而言， 仍然处于起步阶段， 与国外先进深度调峰技术具有一定的差距。未来燃煤机组深度调峰技术的发展方向主要体现在如下几个方面：

（1）从普通深度调峰（40%额定功率）向超深调峰方向发展（30%， 20%额定功率甚至更低）。

（2）深度调峰或超深调峰下的机组安全运行技术（含主机和辅机）。

（3）深度调峰或超深调峰下的机组自动控制技术。 在深度调峰中锅炉干湿态转换问题实质是锅炉从直流运行方式转换为非直流运行方式， 锅炉汽水循环方式的不同对锅炉安全和自动控制都提出了新的挑战。

（4）深度调峰或超深调峰下的节能优化技术。

（5）深度调峰或超深调峰下的耦合燃烧技术（耦合生物质或污泥）。