浙江省燃煤機組深度調峰綜述

王茂貴， 呂洪坤， 李 劍

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院， 杭州 310014）

0 引言

火電靈活性技術主要包含機組運行的靈活性和燃料的靈活性等方面。 運行的靈活性主要是指機組深度調峰（鍋爐及汽輪機的低負荷運行）、 機組快速啟停、 機組快速升降和熱電聯產機組的熱電解耦等內容。 燃料靈活性主要是指燃煤機組對燃料適應性強， 具有耦合燃燒生物質、 污泥等能力， 通過對火電機組燃料靈活性改造可以實現其低碳化轉型[1-3]。

火電靈活性改造技術最早興起于丹麥和德國， 后來逐漸擴展到法國、 瑞典、 英國等國家。 例如， 丹麥在20 世紀80 年代末經歷了從基于大型燃煤火電廠向風力發電、 熱電聯產小機組和太陽能光伏發電相結合的轉變過程。 隨著可再生能源電力生產的大幅增加， 大型火電機組的靈活性和深度調峰能力面臨巨大的挑戰。 目前國際上運行靈活性最為先進的純凝火電機組， 其不投油穩燃最小技術出力已經達到20%～25%額定功率。

目前， 我國電力正經歷從傳統能源向新能源的快速發展階段， 電源結構調整已取得巨大的成就[4]。 截至2017 年底， 全國電源裝機容量為17.77億kW， 其中煤電占比55.16%， 水電占比19.20%，風電占比9.21%， 太陽能發電占比7.33%， 氣電占比4.29%， 核電占比2.02%， 生物質發電占比0.84%， 其他發電占比1.95%。

由于新能源具有隨機性、 間歇性和不穩定性等特點， 因此我國新能源的快速發展導致新能源消納和電網調峰面臨愈來愈大的困難[5-8]。 因此，我國從電力規劃到產業政策等方面提出了一系列措施， 以應對目前電力所面臨的新形勢。

《電力發展“十三五”規劃（2016—2020）》指出： 我國電力供應由總體平衡、 局部偏緊的狀態逐步轉向相對寬松、 局部過剩。 非化石電源快速發展的同時， 部分地區棄風、 棄光、 棄水問題突出， “三北”地區風電消納困難， 云南、 四川兩省棄水嚴重。 局部地區電網調峰能力嚴重不足， 尤其北方冬季采暖期調峰困難。 為加強調峰能力建設， 提升系統靈活性， 可從負荷側、 電源側、 電網側多措并舉， 充分挖掘現有系統的調峰能力，加大調峰電源規劃建設力度， 著力增強系統靈活性、 適應性， 破解新能源消納難題[4]。

國家能源局綜合司《關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》中指出： 為加快能源技術創新，挖掘燃煤機組調峰潛力， 提升我國火電運行靈活性， 全面提高系統調峰和新能源消納能力， 確定丹東發電廠等16 個項目為提升火電靈活性改造試點項目。

國家能源局《關于提升電力系統調節能力的指導意見》中指出： 實施火電靈活性提升工程， 改造后的純凝機組最小技術出力達到30%～40%額定容量， 熱電聯產機組最小技術出力達到40%～50%額定容量， 部分發電廠達到國際先進水平， 機組不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到20%～30%。

在國家規劃和產業政策的指導下， 因地制宜，有所側重， 我國一批火電機組先后進行了靈活性改造， 并取得了較好的改造效果。 在我國北方供熱地區， 熱電聯產機組主要進行的是基于熱電解耦和低壓缸零功率等的靈活性改造。 在我國非供熱地區， 純凝火電機組主要進行了基于深度調峰的靈活性改造[7-8]。

1 燃煤機組深度調峰的背景

浙江省電網負荷年峰谷差與晝夜峰谷差問題日益嚴重， 電網調峰壓力逐步增大， 機組調峰幅度和調峰頻率日益加大[9]。 2018 年浙江省電網最高負荷為71 405 MW， 最低負荷為11 773 MW，年峰谷差為59 632 MW， 年峰谷差百分比為83.51%。 2018 年浙江省日峰谷差均值為17 962 MW， 日峰谷差百分比均值為34.04%， 日峰谷差最大值為27 465 MW， 日峰谷差百分比最大值為48.35%。

圖1 2018 年浙江省電網負荷日峰谷曲線

圖2 2018 年浙江省電網負荷日峰谷差曲線

2018 年浙江省電網負荷日峰谷曲線如圖1所示， 負荷日峰谷差曲線如圖2 所示。

圖3 2016 年浙江省電源裝機結構

浙江電網調峰調頻壓力逐步增大的主要原因包括：

圖4 2017 年浙江省電源裝機結構

（1）浙江省經濟形勢與經濟結構的新變化， 以及用電結構的新變化， 導致電網負荷峰谷差逐步擴大， 調峰調頻壓力逐步加大。

（2）電源結構的新變化導致浙江省電網調峰調頻壓力逐步加大。 《浙江省電力發展“十三五”規劃》指出： 加快建設國家清潔能源示范省， 提高可再生清潔能源發展質量和規模。 在政策指引下，浙江省內電源結構出現了比較明顯的變化， 如光伏、 風電等可再生清潔能源裝機容量出現持續增長。 可再生清潔能源裝機容量的持續增長加大了浙江省內電網調峰調頻壓力。

2016 年和2017 年浙江省電源裝機結構如圖3、 圖4 所示， 經對比可以看出： 浙江省內煤電裝機容量占比雖有一定程度下降， 但依然是一家獨大； 光伏裝機容量出現爆發式增長； 風電裝機容量出現穩步增長。

浙江省外部輸入電源的發展特別是交直流特高壓的大力發展， 在優化了浙江省電網結構的同時， 也加大了省內電網調峰調頻的壓力。 目前浙江省內主要有靈紹直流、 賓金直流、 淮滬交流和浙福交流即“兩交兩直”特高壓骨干網， “兩交兩直”特高壓骨干網的建成在實現浙江省加大“外電入浙”和推進能源“雙控”以及煤炭消費總量控制目標的同時， 也進一步加大了省內統調燃煤機組的調峰壓力。

2 燃煤機組深度調峰的相關政策

近幾年浙江省電力供應富余與需求減速矛盾逐步加劇， 受電力供應量持續增長、 外購電規模不斷擴大與省內電力消費增速放緩的雙重擠壓，浙江省電力由供需矛盾轉化為調峰矛盾[9]。

鑒于浙江電網目前所面臨的調峰調頻壓力，為了穩步推進省內大型統調燃煤機組深度調峰工作， 保障電網運行安全， 浙江省政府先后出臺了一系列地方政策文件， 以規范和推動浙江省統調燃煤機組深度調峰工作的順利進行。

2017 年5 月2 日浙江省經濟和信息化委員會印發了《關于開展省統調燃煤機組深度調峰改造試點工作的通知》， 文件要求： 浙江浙能臺州第二發電有限責任公司1 號機組（1 000 MW 超超臨界機組）、 浙江大唐烏沙山發電有限責任公司2號機組（600 MW 超臨界機組）、 國電北侖第一發電有限公司2 號機組（600 MW 亞臨界機組）列入深度調峰改造試點。 深度調峰試點改造目標分別為： 600 MW 級機組最低穩定出力達到240 MW，并進行最低穩定出力180 MW 研究； 1 000 MW級機組最低穩定出力達到400 MW， 并進行最低穩定出力300 MW 研究。 該文件奠定了浙江省大型統調燃煤機組深度調峰試點工作的政策基礎，為深度調峰試點工作指明了目標與方向。

2017 年浙江電科院與浙江省3 個深度調峰試點發電廠進行了密切協作， 順利完成了深度調峰至40%額定功率試驗等相關工作， 并在此基礎上積極開展了試點機組深度調峰至30%～35%額定功率的試驗探索， 積累了寶貴的深度調峰試驗經驗。

在2017 年深度調峰試點工作基礎上， 2018年8 月21 日浙江省發展和改革委員會印發了《省發展改革委關于深入開展統調燃煤機組深度調峰和節能提效改造工作的通知》， 文件指出： 在前期已開展統調燃煤機組深度調峰能力改造試點和節能提效改造工作的基礎上， 2020 年底前， 全面完成省統調300 MW 及以上燃煤機組深度調峰和節能提效改造， 大力推進百萬千瓦級燃煤機組節能提效改造， 進一步提高全省電力保障能力和運行效率， 增強浙江電網靈活性和適應性， 促進清潔能源消納和節能降耗， 推進國家清潔能源示范省建設。

3 燃煤機組深度調峰的技術瓶頸

浙江省內統調燃煤機組在進行深度調峰前，已具備一定的調峰能力， 其調峰能力范圍主要在50%～100%額定功率， 但隨著電網對統調燃煤機組調峰能力要求的提高， 機組原有的調峰能力已不能滿足電網需求。 因此， 統調燃煤機組從普通調峰運行模式轉換為深度調峰運行模式就成為一種必然的發展趨勢[10-13]。 由于絕大部分燃煤機組并不是按長期深度調峰運行模式設計的， 因此當燃煤機組進行深度調峰運行時， 將面臨以下一系列技術瓶頸：

（1）鍋爐穩燃問題

燃煤機組深度調峰運行時， 鍋爐總煤量逐步降低， 爐膛溫度逐步下降， 燃燒逐漸惡化。 當達到一定的穩燃負荷臨界點時， 鍋爐必須采取相應的穩燃措施[12-13]。

（2）鍋爐水動力安全問題

當機組發電負荷降低至30%～35%額定功率時， 鍋爐給水流量已接近其水冷壁最低流量保護定值， 爐內水動力循環開始惡化， 水冷壁、 過熱器和再熱器等局部過熱爆管可能性增大。

（3）鍋爐干濕態轉換（超臨界機組）問題

當機組發電負荷降低至30%～35%額定功率時， 可能造成部分鍋爐的分離器出口工質過熱度消失， 分離器出現水位， 鍋爐進入濕態運行狀態[13-15]。 當鍋爐進入濕態運行時， 對于配備爐水循環泵的鍋爐必須啟動爐水循環泵， 以保證鍋爐水冷壁的水動力安全。 由于爐水循環泵較易出現故障， 因此容易給機組長期深度調峰運行帶來一定的安全隱患。 對于沒有爐水循環泵的鍋爐， 當其進入濕態運行且分離器出現水位時， 主要通過爐水回收或放水系統進行分離器水位控制， 不可避免會帶來一定的工質或熱量損失。

（4）汽動給水泵或汽動引風機問題

在機組深度調峰運行期間， 汽輪機各段抽汽壓力和抽汽量明顯下降， 維持汽動給水泵或汽動引風機的平穩運行會遇到一定困難。 當汽源壓力不夠時， 還要進行汽源切換。 另外， 鍋爐給水泵還存在最小安全流量與再循環門開啟等設備安全問題。

（5）機組AGC（自動發電控制）問題

在燃煤機組進行深度調峰之前， 其AGC 運行主要在50%～100%額定功率范圍內。 隨著機組負荷的下降， 機組各個子系統（風、 煙、 煤、 水等）的調節余量逐漸減少， 給機組實現AGC 調節帶來更大困難[16-19]。

（6）一次調頻問題

浙江省內靈紹直流和賓金直流特高壓設計額定傳輸功率為7 500 MW， 淮滬交流和浙福交流特高壓設計額定傳輸功率為5 000 MW。 當交直流特高壓出現甩負荷故障時， 由于其巨大的傳輸功率， 將給浙江省電網穩定和一次調頻帶來前所未有的壓力。 2015 年9 月19 日華東電網某特高壓線路出現故障時對電網頻率實際影響曲線如圖5 所示。

圖5 某特高壓線路故障對電網頻率影響曲線

（7）脫硝系統問題

目前浙江省內燃煤機組的脫硝系統主要采用SCR（選擇性催化還原）脫硝技術， 該項技術選用催化劑的適用溫度范圍主要在300～400 ℃（具體到各個發電廠， 其催化劑適用溫度范圍會有些許差異）。 SCR 反應器入口煙溫過高， 催化劑有燒毀的危險； SCR 反應器入口煙溫過低， 催化劑活性會大幅降低， 脫硝反應效率會大幅降低并可能導致氨逃逸而生成硫酸氫氨堵塞空預器等一系列問題， 影響機組的安全經濟運行[20]。 某600 MW 超臨界鍋爐SCR 入口煙溫（設計值）與發電功率的關系曲線如圖6 所示。

圖6 某600 MW 超臨界鍋爐SCR 入口煙溫（設計值）與發電功率的關系曲線

4 燃煤機組深度調峰概況

浙江省燃煤機組深度調峰按統一的技術標準進行驗證試驗， 試驗主要包含機組的安全性、 經濟性和調峰容量三方面內容。

4.1 燃煤機組深度調峰的技術標準

浙江省燃煤機組深度調峰驗證試驗的主要技術標準具體如下。

（1）調峰深度： 40%TRL（額定功率工況）。

（2）磨煤機組合： 至少2 種磨煤機組合（具體參見DL/T 1616-2016《火力發電機組性能試驗導則》5.1.7.5 條款）。

（3）驗證時間： （24+6）h， 即第1 種磨煤機組合試驗時間為24 h， 第2 種磨煤機組合試驗時間為6 h。

（4）環保要求： 環保設施正常投運。

（5）機組AGC 投入且滿足一定的升降負荷速率標準。

（6）機組一次調頻功能投入且滿足一定的升降負荷速率標準。

4.2 深度調峰機組的安全性

在深度調峰機組的安全性方面， 主要是驗證主機（鍋爐、 汽輪機和發電機）和輔機運行的安全性。

鍋爐的安全性方面， 主要對鍋爐的穩燃能力、鍋爐各個受熱面的金屬壁溫、 主蒸汽和再熱蒸汽的參數及輔機運行情況等進行了試驗驗證。 另外還對每臺鍋爐進行了2 種不同磨煤機組合共（24+6）h 的穩燃能力驗證試驗， 為鍋爐的安全運行預留了必要的余量[21]。

汽輪機的安全性方面， 主要進行了進汽參數、汽缸溫度、 TSI（汽輪機監視儀表）系統中各項重要參數（軸承溫度、 振動、 軸向位移、 排汽缸溫度、 潤滑油回油溫度）， 以及抽汽回熱系統、 汽機軸封系統、 輔助蒸汽系統等運行狀況的跟蹤監測。 重點針對給水系統的控制調節、 穩定運行進行了實時研究， 并為發電廠提供操作指導。

機組涉網自動控制安全性方面， 主要進行AGC 和一次調頻等相關試驗， 發電機組具有AGC 與一次調頻等功能， 大大提高了電網在發生大幅負荷波動與頻率波動時的安全性。

機組環保方面， 主要進行了有關排放參數的測試與評估工作。

4.3 深度調峰機組的經濟性

在深度調峰機組的經濟性方面， 主要對鍋爐效率、 汽輪機熱耗率和廠用電率等經濟性指標進行測試和評估， 在此基礎上計算和評估深度調峰前后機組發供電煤耗的實際變化情況， 可為政府決策提供一定的技術依據， 并為深度調峰下機組的節能優化工作打好技術基礎。 對于浙江省統調燃煤機組， 當深度調峰從50%額定功率降至40%額定功率時， 不同類型機組供電煤耗平均增加情況如下： 超超臨界1 000 MW 等級機組， 供電煤耗增加約為13.05 g/kWh； 超超臨界660 MW 等級機組， 供電煤耗增加約為14.03 g/kWh； 超臨界600 MW 等級機組， 供電煤耗增加約為14.67 g/kWh；亞臨界600 MW 等級機組， 供電煤耗增加約為16.13 g/kWh； 亞臨界300 MW 等級機組， 供電煤耗增加約為21.51 g/kWh； 浙能臺州9 號機組， 浙能溫州4 號、 5 號機組由于運行方式或供熱未切等原因未統計在內。 浙江省統調燃煤機組從50%額定功率降至40%額定功率其供電煤耗增加情況如圖7 所示。

圖7 燃煤機組從50%額定功率降至40%額定功率供電煤耗增加

4.4 深度調峰容量

截至2018 年12 月底， 浙江省300 MW 以上統調燃煤機組共計63 臺， 其中浙能濱海2 臺300 MW 等級機組被核定為供熱機組。

2017 年浙江省在完成3 臺試點機組40%額定功率深度調峰試驗的同時， 進行了30%～35%額定功率深度調峰的技術探索工作。 2018 年度共完成58 臺300 MW 以上統調燃煤機組40%額定功率的深度調峰工作。 2017—2018 年， 浙江省總計完成61 臺300 MW 以上統調燃煤機組40%額定功率的深度調峰工作， 其中浙能濱海2 臺300 MW 機組為供熱機組， 不需要進行深度調峰運行。 因此， 截至2018 年12 月底， 浙江省300 MW以上統調燃煤機組40%額定功率深度調峰具體情況見表1。

表1 浙江省統調300 MW 以上燃煤機組40%額定功率深度調峰情況

參照浙江省安吉縣天荒坪抽水蓄能電站6 臺300 MW 共計1 800 MW 裝機容量計算， 此次浙江省統調燃煤機組深度調峰新增調峰容量達3 867 MW， 比天荒坪抽水蓄能電站總容量的2 倍還多。在沒有對燃煤機組進行大規模技改投資的情況下， 通過深度挖掘現有統調燃煤機組的調峰潛力， 大幅提高了浙江省電網運行的靈活性和適應性， 同時也增強了對清潔能源的消納能力。

5 燃煤機組深度調峰的主要特點

通過2017 年深度調峰試點和2018 年全面展開， 浙江對統調300 MW 以上燃煤機組的深度調峰工作已經全部完成。 浙江省深度調峰工作具有鮮明的地域特色：

（1）頂層規劃， 試點先行， 穩扎穩打， 政策鼓勵與技術探索并重， 走出了一條具有鮮明特色的浙江深度調峰之路。

（2）政策引導， 先點后面， 統一部署， 協同推進， 在相對較短的時間內全面、 迅速、 圓滿地完成了全省統調燃煤機組深度調峰的艱巨任務。

（3）全省統調燃煤機組全部實現了無助燃措施下40%額定功率的深度調峰運行。 在深度調峰試驗過程中， 安裝了先進的爐膛溫度在線測量監控系統， 實現了對鍋爐燃燒情況實時連續的監測， 提高了深度調峰試驗過程的安全性、 可靠性與自動化水平。 浙江省某發電廠1 號鍋爐爐膛溫度在線監測曲線（40%額定功率深度調峰）如圖8所示。

圖8 省某發電廠1 號鍋爐爐膛溫度在線監測曲線（40%額定功率的深度調峰）

（4）全省統調燃煤機組全部實現了AGC 和一次調頻功能且試驗合格， 為應對因特高壓線路等嚴重故障而導致負荷沖擊和電網超低頻率狀況做好了充分的技術準備。

（5）全省統調燃煤機組全部實現了至少2 種磨煤機組合方式下的深度調峰運行， 為機組運行方式保留了必要的安全余量。

（6）全省統調燃煤機組全部實現了深度調峰下的環保達標排放運行。

（7）全省統調燃煤機組深度調峰工作契合省內實際， 為實現省能源“雙控”和建設清潔模范示范省奠定了堅實的技術基礎。

（8）對于燃煤火電機組而言， 在深度調峰方面， 亞臨界機組比超臨界機組在安全性上具有一定的技術優勢。

6 燃煤機組深度調峰存在的主要問題

在燃煤機組深度調峰試驗過程中， 也暴露了部分發電廠在機組深度調峰管理和運行上存在的一些薄弱環節， 主要包括：

（1）煤質管理還存在一定問題。 由于對入廠煤質管理不嚴， 導致在深度調峰試驗中， 個別發電廠的機組無法滿足運行方式的要求， 給機組在深度調峰下的安全運行帶來一定的隱患。 當發電機組在深度調峰方式下運行時， 對發電廠的入廠煤質管理提出了更高更精細化的要求。

（2）部分機組供熱與深度調峰存在一定的矛盾。 部分機組在深度調峰運行時， 出現了供汽參數無法滿足熱用戶需求的情況， 對此， 仍需相關發電廠通過統籌規劃和技術改造來解決機組供熱與深度調峰之間的矛盾。

（3）部分鍋爐水動力安全存在隱患， 局部受熱面存在超溫報警現象。

（4）部分鍋爐火檢存在波動頻繁且波動幅度較大的現象， 給鍋爐穩燃帶來了一定的隱患。

（5）部分鍋爐在深度調峰下其輔機運行存在一定的安全隱患。 如浙江省某發電廠鍋爐深度調峰試驗期間， 2 臺一次風機頻繁發生失速搶風現象， 給鍋爐的安全運行帶來了很大隱患。 該鍋爐2 臺一次風機的實際運行曲線如圖9 所示。

圖9 鍋爐深度調峰試驗期間一次風機失速搶風運行曲線

（6）部分鍋爐在深度調峰下存在SCR 入口煙溫超出其催化劑適用下限溫度問題。

7 燃煤機組深度調峰技術的發展方向

燃煤機組深度調峰技術之于火電領域確實是一場技術革命， 也是對我國能源技術創新的一場嚴峻考驗。 目前， 浙江省燃煤機組深度調峰技術無論從廣度還是深度方面而言， 仍然處于起步階段， 與國外先進深度調峰技術具有一定的差距。未來燃煤機組深度調峰技術的發展方向主要體現在如下幾個方面：

（1）從普通深度調峰（40%額定功率）向超深調峰方向發展（30%， 20%額定功率甚至更低）。

（2）深度調峰或超深調峰下的機組安全運行技術（含主機和輔機）。

（3）深度調峰或超深調峰下的機組自動控制技術。 在深度調峰中鍋爐干濕態轉換問題實質是鍋爐從直流運行方式轉換為非直流運行方式， 鍋爐汽水循環方式的不同對鍋爐安全和自動控制都提出了新的挑戰。

（4）深度調峰或超深調峰下的節能優化技術。

（5）深度調峰或超深調峰下的耦合燃燒技術（耦合生物質或污泥）。