燃煤机组灵活性改造技术路线分析

张海楠

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

随着我国新能源的大力发展，火电占我国的能源消费比例逐渐下降。与此同时，由于风能、太阳能、水电本身的波动性、季节性及随机性对电网的平稳运行产生了巨大冲击。而相关与新能源配套的储能技术又处于探索阶段，尚未开始大规模商业运行。因此，我国电力系统迫切需要燃煤机组来承担负荷调峰任务，以维持电网运行稳定。

近日国家能源局推出以煤电节能改造、灵活性改造、供热改造为主体的“三改联动”，提出充分发挥煤电的支撑性调节作用，发挥煤电机组的应急调峰能力，有序推进支撑性、调节性电源的建设[1]。从规划中可以看出，未来我国火电定位将由现在的主体能源地位转变为调节性电源，火电机组在我国能源体系内的角色发生了根本性的转变，燃煤机组提升灵活性及调峰能力将是未来行业的主流发展方向。

1 火电机组灵活性改造技术路线

目前火电机组应对提高机组灵活性的需求一般为以下技术方向：一是采用火电机组+储能系统方式，即在原有机组不进行大规模改造的情况下，额外建设一套储能系统。其运行原理是当电网所需负荷下降时，机组出力不会大幅度下降，而将多余的能量输入储能系统进行储存。该方案在满足电网负荷需求的同时，尽量减少偏离设计参数过多对设备造成的损害，最大程度保证机组运行的经济性，同时对电网负荷变化的相应速率较快;二是对现有机组相关设备采取一系列的改造措施，以保证机组能够在较低负荷下安全稳定运行。此方案需要解决如锅炉燃烧不稳定、脱硝系统入口烟温低、机组经济性差等问题。下面就所涉及的2种技术方案进行详细介绍。

2 火电机组+储能系统技术

2.1 蓄热水罐技术

该项技术需要增加1套独立的蓄热罐设备，通常分为常压或承压式的蓄热罐。当供热管网的供水温度大于98 ℃时，常采用承压式蓄热罐。而供水温度小于98 ℃时，则一般采用常压式蓄热罐[2]。该技术原理主要利用水的显热来存储热量。在蓄热罐中因为冷热介质密度不同，热介质在蓄热罐的上方存储，冷介质在蓄热罐的下方存储。当电网负荷较高，供热负荷较低的时候，机组将多余热量用以加热蓄热罐内的介质。而当电负荷较低时，蓄热罐则将储存的热量释放出来，以满足机组在深度调峰下，热网用户对于供热量的需求。对于火电厂而言，蓄热罐有助于使得热网的热量需求更加稳定。锅炉可以在较高的蒸发量下维持运行，有利于提高机组的经济性。

2.2 蓄热式电锅炉技术

蓄热式电锅炉采用的是固体蓄热方式，工作过程如下：在电网所需负荷较低时，机组将多余的电量充入电锅炉内，此时电锅炉内的蓄能装置将电能转换为热能并吸收；而当电网所需负荷变高时，机组自动停止向电锅炉供电，炉内的蓄热装置将热能输出至热网，实现能量输出。陈永辉等[3]研究表明:随着电锅炉容量增大，电锅炉用电后机组实际发电负荷率显著降低，电厂调峰能力显著提升。机组配套电锅炉的灵活性改造方案的优势主要体现在机组运行灵活度高，电锅炉占地面积小，机组对于热网的供热需求响应功率快等。但该方法采用的是高品质的电能来对外供热，能源损耗率较大。从一次能源利用率角度分析，电锅炉供热的一次能源率是0.34，而燃煤锅炉供热为0.7[4]，利用效率较低。

3 机组低负荷运行技术

由于燃煤机组启动时间一般在6～8 h，无法满足电网对于负荷速率的要求。同时短期内多次启停机组也会对设备造成一定损伤，减少机组使用寿命。因此，煤电机组能否在低负荷下实现安全、环保、经济的运行，是火电机组灵活性调峰能力的关键体现。该方案针对火电机组的灵活性改造旨在提高机组及配套设备在低负荷条件下的运行能力，主要体现在以下几个方面：锅炉低负荷条件下的稳燃技术;汽轮机低负荷条件下的相关改造;脱硝系统低负荷条件下入口烟温提高等一系列相关问题。因此，需要机组开展一系列试验探索和设备改造，以满足机组在较低负荷下运行的要求。

3.1 锅炉相关技术改造

根据相关设计要求，我国锅炉普遍的最低稳燃负荷为设计值的40%。但该水平显然不能满足新时期下机组灵活性对于锅炉最低稳燃的要求。锅炉在低负荷下运行时所面临的主要问题：锅炉燃烧稳定性差，存在灭火风险，影响机组安全性;炉膛内温度较低，煤粉燃烧不充分，灰渣可燃物含量高，影响机组经济性;风机流量低，风量表精度低，导致风量测量波动幅度大，容易引起风量低保护动作跳机。目前针对锅炉低负荷下技术改造的方向主要集中在低负荷下的稳定燃烧，提高烟气温度以及煤粉的燃尽率等方面。具体的技术方案有常规低负荷燃烧调整技术以及富氧燃烧技术。

3.1.1 常规低负荷燃烧调整技术

在现有设备条件下维持锅炉在低负荷下燃烧稳定，需要针对煤粉细度、配风方式及风煤配比等方面进行一系列的技术探索，寻找出适合不同机组以及不同煤种的燃烧调整手段和运行方式。主要针对以下几个方面开展相应的试验工作：低负荷下的制粉系统优化调整；炉内动力场及配风优化试验；磨煤机不同投运组合方式；风机优化调整试验；超临界机组的干湿态转化试验；锅炉水动力均匀性流动试验。通过一系列的试验数据，找出锅炉合理的运行方式，保证机组安全性、经济性运行。

3.1.2 富氧燃烧技术

富氧燃烧是近几年发展的新型燃烧技术，主要是针对机组低负荷下，炉膛内烟温低及煤粉不易燃烧而采取的一种技术方案。其原理是利用高纯度的氧气对燃油进行助燃，强化燃油燃烧，并利用瞬间燃烧产生的高温火核所释放的热量点燃煤粉流。在高温且过量空气系数小于1.0的条件下，燃烧生成的CO2被剩余C还原成为CO，大幅提高煤粉燃尽率[5]。实现底层一次风煤粉流的稳定燃烧，进而达到提高炉膛温度，实现锅炉低负荷下稳定运行的目的。富氧燃烧有助于提高燃油和煤粉的燃尽率，避免油煤混合带来的隐患。同时，在深调阶段，可以通过投入上层的富氧燃烧装置，可以实现升高火焰中心，提高烟气温度，解决脱硝系统入口烟气温度低的问题。此外，该方法能大幅度提高锅炉对于不同煤质的适应性，改善因为煤质变化导致的燃烧不稳定。根据国内已进行富氧燃烧器改造机组运行经验来看，富氧燃烧能大幅度降低锅炉的运行负荷，深度调峰负荷可以达到设计值的25%[6]。与传统的等离子燃烧技术相比，富氧燃烧避免了定期更换燃烧器电极、煤粉着火率偏低等问题。

3.2 汽轮机相关技术改造

汽轮机在深度调峰中的改造主要受到汽轮机低压缸最小冷却流量的限制。为了更好应对机组的灵活性需求，所开展的技术改造有以下几个方案。

a.低压缸光轴改造技术。主要的方案是将低压缸转子换成光轴，同时更换轴瓦。该技术能显著提高机组的供热能力，但相对于深度调峰则能力较差，同时要定期更换转子，检修维护强度大。

b.主再热辅助供热系统。该技术是指机组的主、再热蒸汽在经过减温减压后对外供热的技术。在满足机组供热技术的同时，减小机组出力。但该技术方案易造成再热器超温，且运行经济性较差。

c.切缸/低背压运行技术。该技术方案是在不对低压缸本体进行改动的情况下，增加低压缸的进汽旁路。在保证机组运行安全的前提下，低压缸进汽量大于或等于最小冷却流量，实现机组深度调峰的目的。该方案改造少，投资小，技术相对成熟。王健[7]等采用旁路供汽+低压缸灵活出力+热泵供热的方案实现了350 MW机组在30%额定负荷工况下稳定运行。陈建国[8]、廖高良[9]等分别对300 MW、350 MW煤粉炉机组进行低压缸零出力改造技术研究，切缸改造后最低运行负荷均为40%额定负荷。该方案能在保证较高供热能力情况下，同时具备较强的深度调峰能力。但该方案在改造后，需要注意汽轮机鼓风、叶片水蚀及叶片颤振等问题。可以通过采用宽幅控制躲避颤振技术，安装在线监视颤振设备，使用五段抽汽向六段抽汽补汽等方式解决相关问题[10]。

3.3 环保方面的技术改造

机组在深度调峰过程中，炉膛热负荷偏低导致脱硝系统入口烟温偏低，无法满足脱硝系统内催化剂对于温度的要求，脱硝系统无法投运。目前常见提高脱硝系统入口烟温的方法有省煤器烟气旁路、省煤器分级、省煤器给水旁路等。

a.省煤器烟气旁路：该技术的原理是在省煤器烟气流道外设置烟气旁路，旁路烟气未经过省煤器换热，烟温较高，流通省煤器的烟气经过换热温度较低。通过调整旁路烟气挡板控制旁路烟气流量，以达到控制省煤器出口烟温的目的。该技术的优点是改造小，工期短，投资相对较低。但不足在于省煤器出口烟气混合不充分，易产生烟气分层。同时烟气挡板不严，旁路易内漏入烟气，存在高负荷下脱硝入口烟温超温的风险。

b.省煤器分级：该技术是将原来的单级省煤器分为两级，两级省煤器分别布置在SCR装置前后，通过减少SCR反应器前的省煤器吸热量达到提高SCR入口烟温的目的。该技术优势在于能有效提高烟气入口烟温，同时对炉内燃烧影响较小。但不足在于该方案不具备动态调节能力，对煤种变化适应性较差。同时在机组高负荷运行时，可能会造成脱硝入口烟温超温。

c.省煤器给水旁路：该技术的原理是将省煤器内的一部分锅炉给水利用旁路引出，以减少省煤器内锅炉给水的吸热量，达到提高省煤器入口烟温的目的。该技术的关键点在于需要保证在旁路启用时，省煤器管道内不能发生水击、气化管道振动等现象。陈辉[11]等经过分析对比各种提高脱硝系统入口烟气温度方式，建议采用省煤器给水旁路的方式最为合理。

4 灵活性改造方案的经济性对比

火电机组的灵活性改造投入巨大，涉及机组设备等方面，其产生的效益如何以及何时能收回成本一直存在一定争议。经过相关研究，火电灵活性改造能给电厂以及社会带来较大收益。华北电力大学杨胜[12]对火电灵活性改造带来的经济性进行了研究，通过对主流改造方案进行经济性对比，认为采用电锅炉加固体蓄热罐的改造方式产生的综合效益最优。苏鹏[13]等对热水储热及电锅炉灵活性改造方案进行工程投资及经济效益分析，认为对于热电厂而言，采用常压热水储热罐来提升火电机组灵活性改造方案具有较好的经济效益。陈永辉等根据补贴报价范围，认为对于采用电锅炉的热电联产机组，其在采暖期负荷率降至40%以下能够获得较高收益，且深度调峰负荷越低、收入越高。

5 结语

未来开展旨在提高燃煤机组灵活性的一系列技术探索是我国火电机组行业的发展趋势，转变火电行业的角色定位，为电网提供稳定可靠的调峰电源，为我国实现“双碳”目标过程中提供安全保障。因此，燃煤机组的灵活性改造对于行业发展至关重要。