热电机组提升灵活性技术

吴青

摘要：在我国北方地区，特别是在每年冬季采暖期内，为了确保城区采暖供热的需要，燃煤热电厂一直按照传统的“以热定电”模式运行，致使很多可再生能源发电上网受到了限制，本文介绍了热电机组提升火电灵活性主要技术，缓解热电供需矛盾，实现热电厂冬季采暖期热电解耦运行，提升火电机组冬季采暖期的深调峰能力，促进新能源消纳及可持续发展。

关键字：北方地区;热电机组;提升火电灵活性;新能源消纳

1. 背景

在我国推动能源革命、努力建设“清洁低碳、安全高效”现代能源体系的大背景下，近年来我国新能源得到了持续快速发展，然而，在我国北方地区，特别是在每年冬季采暖期内，为了确保城区采暖供热的需要，燃煤热电厂一直按照传统的“以热定电”模式运行[1]，由于燃煤热电比例高，调峰电源建设条件差，冬季供暖期调峰困难，大量可再生能源发电（风力发电、太阳能发电和生物质发电等）机组的投用和区域工业用电负荷增长较为缓慢，很多可再生能源发电上网受到了限制[2]，致使部分地区的弃风弃光问题日益严重，尤其是我国“三北”地区，电力系统的新能源消纳能力成为制约我国北方可再生能源发展的关键因素[3]。

2. 北方地区电力负荷特性分析

冬季供热期间，通过对东北地区电力负荷特性进行分析得出以下结论，东北地区用电负荷在夜间3时左右达到最低值，低于平均值的持续时间一般为5小时左右[12]。热电联产机组挤占了风电在东北夜间上网的空间，因此产生了无法消纳风电的问题，同时热负荷低谷时段对电网调峰能力不足，也制约新能源消纳及电网系统平衡调整。实施供热机组热电解耦[4]，降低系统最小技术出力，释放系统灵活性是缓解新能源消纳困难的有效措施。

3. 热电机组提升火电灵活性主要技术

借鉴国内同类型机组灵活性改造的经验和国内已经开发的成熟案例，提升热电厂灵活性的三种主要方案：第一种方案是电锅炉调峰技术，可对机组进行热电解耦，满足电网深度调峰的要求;第二种方案是对机组综合升级改造，如切低缸供热、光轴供热、高背压供热、高低旁减温减压供热和锅炉富氧燃烧等;第三种方案是设置储热系统，如热水储热装置、熔岩储热装置等。

3.1电锅炉调峰技术

电锅炉系统可以分为蓄热式电锅炉系统和非蓄热电锅炉系统。目前，固体蓄热为储热式电锅炉主要的方式，而非蓄热式电锅炉则主要采用电极式锅炉。对电极式锅炉而言，对外供热的形式主要以高温热水和蒸汽为主，热网不同形式热负荷的需求得到满足[13]，该方案能实现最深的机组调峰深度（最大能做到上网电量为零），同时能真正实现机组负荷调整的灵活性。

1）电极式锅炉+蓄热罐[5]

该技术是目前深度调峰领域应用比较成熟的技术方案。其主要工作原理是通过设置电锅炉从而达到高温热水热负荷，机组发电部分电力用于电锅炉，与此同时汽机抽汽加热被电加热替代，所以机组的供热抽汽量减少，可进一步降低机组的发电功率，实现了在上网功率很低的工况下仍能保证热负荷供应，实现了热电解耦，提高了机组调峰深度。

2） 固体蓄热式电锅炉[6]

固体蓄热式电锅炉的工作原理是高压电发热体把电能转化成热能，且将其储存在高温蓄能体中，而当高温蓄热体到达了温度上限时（设定值），高压电发热体就会结束工作，高温蓄热体通过热输出控制器与高温热交换器连接，高温热交换器将高温蓄热体储存的高温热能转换为热水、热风或蒸汽输出。[11]

对于固体蓄热锅炉而言，需配置大容量的固体蓄热系统，其占地面积极大，布置困难，且造价远高于电极式锅炉系统;实现电热转换、风水换热，需配置大容量风机，导致综合能源转换效率较低，能源浪费较为严重;受单体容量限制，调峰时需要以2/4/6MW等不同单体容量的模块进行组合配置，调峰线性差;固体蓄热材料蓄热容量存在上限，热量蓄满之后必须强制退出运行以释放热量，因此不能长时间、满容量连续运行。

3.2机组综合升级改造

机组灵活性改造主要围绕如何在热电解耦阶段满足供热负荷需求进行。在热电解耦阶段时，机组参与调峰，当外界供热需求大时难以满足要求，且根据最新调峰运行规则，难以满足深度调峰要求及机组旋转备用顶尖峰要求。主要改造技术方案内容：

1）切除低压缸供热技术[7]：切除低压缸供热技术是指仅保留少量冷却蒸汽进入低压缸，实现低压转子“零”出力。更多的蒸汽进入供热系统，提高供热能力，降低发电煤耗，同时一定程度的降低电负荷。该种技术方案主要解决供热面积较大并具备一定范围的调峰能力，单独使用具有一定局限性，调峰深度不够，一般配合电极锅炉进行改造效果较好。

2）光轴双转子供热技术[8]：机组可以提升供热能力和降低机组电负荷，但不具备顶尖峰调峰能力，不能满足电网深度调峰和顶尖峰的全面要求。在冬季运行使用光轴转子，夏季使用纯凝转子，供热期前后需要更换低压转子，每次检修期约为15天，也将显著影响机组发电量并增加电厂运行检修费用。

3）高背压供热技术[9]：可以显著提升机组供热能力和经济性。但高背压改造系统复杂，整体投资金额大，外界供热系统对机组安全运行影响较大，有一定安全风险;高背压机组利用余热效果最好，但其只能在一定负荷区间内运行，反而限制了机组的调峰能力。

3.3储热系统

单纯采用设置储热系统，如热水储热装置、熔岩储热装置等[10]。此类方案机组调峰深度有限，无法达到“热电解耦”。运行中调峰幅度与供热互补并不等量，尤其是供热初期和最冷季节，电负荷和热量不能完全互补，造成供热初期和供热最寒冷时期，与电负荷完全不匹配造成电负荷调峰困难，且当电网需要连续长时间调峰时，该系统无法实现储热调峰功能。熔岩储热装置比投资高，运营成本较高，投资性价比较低，投资回收期较长，并且项目占地面积较大。

结论：在我国北方地区冬季采暖期内，燃煤热电厂一直按照传统的“以热定电”模式运行，致使很多可再生能源发电上网受到了限制，热电机组提升火电灵活性技术是缓解热电供需矛盾的重要措施，实现热电厂冬季采暖期热电解耦运行，提升火电机组冬季采暖期的深调峰能力，促进新能源消纳及可持续发展。

参考文献：

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[3]袁红. 东北区域电储能调峰辅助服务经济性研究[J]. 中国电力企业管理， 2021（22）：4.

[4]金国强， 高耀岿， 张丽霞. 储热罐改造对供热机组热电解耦及调峰能力的影响研究[J]. 汽轮机技术， 2021， 63（2）：5.

[5]孙健. 电热锅炉技术浅谈[J]. 建筑工程技术与设计， 2018， 000（036）：4195.

[6]苏俊林， 张亚仁， 胡月红. 固体蓄热式电锅炉蓄热模拟及实验[C]// 华西冶金论坛. 四川省金属学会;北京科技大学;成都华冶信息研究所， 2010.

[7]张钦鹏， 王学栋， 李峰. 330 MW汽轮机组切除低压缸运行的供热能力和调峰能力分析[J]. 山东电力技术， 2020.

[8]连帅琼， 王雯岳. 汽轮机背压机双转子互换技术在供热改造中的运用探讨[J].  2019.

[9]王学栋， 郑威， 宋昂. 高背压供热改造机组性能指标的分析与评价方法[J]. 电站系统工程， 2014.

[10]王智， 郭良丹， 付静，等. 供热系统加储热后的调峰灵活性分析[J]. 汽轮机技术， 2019， 61（4）：5.

[11]白彩军， 赵舒， 齐磊. 高电压固体电蓄热设备职业危害与防护[J]. 现代职业安全， 2017（10）：2.

[12]陈永辉， 李志强， 蒋志庆，等. 基于电锅炉的火电机组灵活性改造技术研究[J]. 热能动力工程， 2020， 35（1）：6.

[13]刘梦婷. 基于电锅炉消纳弃风技术的电热调度模型研究[D]. 沈阳工程学院.