煤電機組深度調(diào)峰靈活性改造技術(shù)分析

2014年以來我國煤電年發(fā)電量基本持平（圖1），煤電利用小時數(shù)持續(xù)呈下降趨勢，2018年我國火電利用小時為4361小時。2019年第三產(chǎn)業(yè)和居民生活用電比重持續(xù)提高，進(jìn)一步拉大系統(tǒng)峰谷差，時段性系統(tǒng)調(diào)峰能力不足更加突出，用戶側(cè)用電結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力進(jìn)一步增大。國際上火電靈活性包括負(fù)荷靈活性和燃料靈活性，考慮到我國清潔能源快速發(fā)展背景下電力系統(tǒng)調(diào)峰能力不足的現(xiàn)狀，目前我國對于火電機組靈活性的需求主要體現(xiàn)在通過實施熱電解耦改造和純凝火電機組改造提升機組深度調(diào)峰能力方面[1]。

圖1 火電及非火電裝機增速及火電設(shè)備利用小時數(shù)

1 不同機組技術(shù)路線分析

水電、抽水蓄能和燃?xì)鈾C組等靈活電源的裝機比例較低，調(diào)峰能力有限，大容量煤電機組仍將是參與電網(wǎng)調(diào)峰的主力電源[2-3]。而現(xiàn)階段煤電機組參與深度調(diào)峰有一系列的技術(shù)問題，因此有必要對典型煤電機組的調(diào)峰能力進(jìn)行優(yōu)化[4-6]。

1.1 純凝機組

1.1.1 鍋爐系統(tǒng)

動態(tài)分離器改造：磨煤機在工況不變的情況下，碾磨細(xì)度可做線性調(diào)整，分離器旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)，可以在0～50Hz 范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，變頻電機經(jīng)過減速器減速后帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以在0～120r/min 無級調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)子驅(qū)動采用的變頻電機可長期在低頻下工作。

風(fēng)粉在線監(jiān)控及調(diào)平系統(tǒng)改造：風(fēng)粉在線監(jiān)控系統(tǒng)在每個一次風(fēng)煤粉管道上安裝非接觸陣列式靜電傳感器（圖2），實現(xiàn)對每個燃燒器出口的煤粉流量、流速進(jìn)行精確的在線測量；隨后在一次風(fēng)管路上安裝風(fēng)粉均衡調(diào)整設(shè)備（帶電動執(zhí)行器），在磨出口安裝磨出口粉量均衡調(diào)整（一般配置為手動），用于調(diào)整從磨出口分離器到燃燒器間管段的流程阻力及粉量分配。最后，基于煤粉在線測量實時數(shù)據(jù)及風(fēng)粉調(diào)整設(shè)備，構(gòu)建基于DCS 控制的自動在線調(diào)平控制系統(tǒng)，用于在不同的磨工況下使燃燒器出口風(fēng)粉濃度、流速的分布均在設(shè)定的偏差范圍內(nèi)。

1.1.2 燃燒系統(tǒng)

燃燒器穩(wěn)燃改造：對于直流燃燒系統(tǒng)可采用著火能力強的濃淡燃燒器或加裝穩(wěn)燃齒，提升煤粉濃度，降低穩(wěn)燃負(fù)荷。

小功率雙噴口燃燒器改造：將最上層燃燒器功率改小，降低單層燃燒器功率，增加一層燃燒器（圖3）。改造后的燃燒器可以分兩層布置，煤粉氣流的總表面積增大，煤粉氣流的吸熱面積增大，更有利于煤粉氣流的著火和穩(wěn)定燃燒。在低負(fù)荷時投運該系統(tǒng)，通過低負(fù)荷狀態(tài)下該燃燒器的自穩(wěn)能力，提供持續(xù)穩(wěn)定的熱量給其它常規(guī)燃燒器，達(dá)到低負(fù)荷穩(wěn)燃的目的。

圖2 風(fēng)粉在線監(jiān)測及調(diào)平系統(tǒng)

圖3 小功率雙噴口燃燒器改造示意圖

助燃燃燒器改造：還可以采用特殊助燃技術(shù)加強燃燒穩(wěn)燃能力。富氧微油點火燃燒器主要采用富氧燃燒技術(shù)，將燃料風(fēng)氧濃度控制在21%以上，提高了燃燒區(qū)域溫度，促進(jìn)煤粉表面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)及燃燒速度（圖4）。

1.1.3 輔機系統(tǒng)

三大風(fēng)機改造：風(fēng)機電機工頻改變頻，通過調(diào)整風(fēng)機電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)風(fēng)機流量的調(diào)整，既滿足了運行工況的需要又節(jié)約了電能，尤其是開停機和低負(fù)荷工況時大大降低電機的功耗。

脫硝系統(tǒng)改造：針對低負(fù)荷下SCR反應(yīng)器脫硝投運溫度偏低問題進(jìn)行寬負(fù)荷脫硝改造，改造手段通常有兩種：省煤器給水置換。在簡單水旁路的基礎(chǔ)上，除了旁路一部分給水以外，同時將部分下降管中工質(zhì)利用循環(huán)泵打入省煤器入口，達(dá)到提高進(jìn)入省煤器工質(zhì)溫度的效果，從而提升省煤器出口煙溫（圖5）；省煤器分級。該技術(shù)主要涉及將原有省煤器部分拆除，在SCR反應(yīng)器后設(shè)置一定的省煤器受熱面（一級省煤器），在SCR反應(yīng)器前（原有省煤器區(qū)域）保留一定的省煤器受熱面（二級省煤器）。給水直接引至位于SCR反應(yīng)器后的省煤器，然后通過連接管道再引至位于SCR反應(yīng)器前的省煤器（圖6）。減少SCR反應(yīng)器前省煤器的吸熱量，達(dá)到提高SCR入口煙氣溫度的目的。

圖4 富氧微油點火燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 省煤器給水置換技術(shù)原理示意圖

圖6 省煤器分級技術(shù)原理示意圖

1.2 供熱機組

供熱機組深度調(diào)峰所面臨的主要問題是如何進(jìn)一步提高供熱能力并降低電負(fù)荷（即熱電解耦的問題），不同的機組應(yīng)選擇不同的熱電解耦技術(shù)，在考慮經(jīng)濟(jì)投資和靈活性等因素后，制定相應(yīng)的技術(shù)路線。

低壓缸零出力技術(shù)。在中低壓缸導(dǎo)汽管上安裝嚴(yán)密性好的關(guān)斷閥門，在機組運行中關(guān)閉導(dǎo)汽管上閥門，低壓缸不進(jìn)汽，即切除低壓缸（低壓缸零出力）運行，中壓缸排汽基本上全部對外供熱（圖7），實現(xiàn)了在不設(shè)置離合器或不換轉(zhuǎn)子的情況下中壓缸排汽基本上全部對外供熱，機組抽凝運行和背壓運行的自動切換。

高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)。將凝汽器改為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)循環(huán)水直接用作機組循環(huán)水，充分利用機組排汽汽化潛熱，將冷源損失降低為零，從而提高機組循環(huán)熱效率（圖8）。

圖7 低壓缸零出力技術(shù)原理示意圖

圖8 高背壓循環(huán)水供熱技術(shù)原理示意圖

儲能技術(shù)。目前熱電廠的運行采取“以熱定電”的方式，實現(xiàn)了熱電解耦及電能的儲存與轉(zhuǎn)換。該技術(shù)在滿足外網(wǎng)熱負(fù)荷的同時滿足電負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，實現(xiàn)真正意義上的熱電解耦。可用于供熱機組的儲能技術(shù)主要有：熱水蓄熱技術(shù)。蓄熱時熱水從上部水管進(jìn)入、冷水從下部水管排出，過渡層下移，放熱時熱水從上部水管排出、冷水從下部水管進(jìn)入過渡層（圖9）；電鍋爐技術(shù)。該技術(shù)為在熱源側(cè)設(shè)置電熱鍋爐，在熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行時，根據(jù)熱電需求調(diào)節(jié)電鍋爐用電量（轉(zhuǎn)化為熱量）實現(xiàn)熱電解耦，達(dá)到滿足熱電需求的目的。電鍋爐功率可根據(jù)熱網(wǎng)負(fù)荷需求實時連續(xù)調(diào)整，調(diào)整響應(yīng)速率快，運行較為靈活，電負(fù)荷甚至可降至零，機組深度調(diào)峰幅度較大。電熱鍋爐技術(shù)主要分為電阻式鍋爐和電極式鍋爐，電極式鍋爐還可與蓄熱罐配合使用，實現(xiàn)熱能的儲存，提高機組靈活性（圖10）。

2 結(jié)語

純凝機組當(dāng)所需調(diào)峰負(fù)荷降低至機組額定負(fù)荷20～25%THA時（煙煤、褐煤）或者30%THA（無煙煤、貧煤），則需要通過技術(shù)改造等方式來實現(xiàn)鍋爐調(diào)峰深度。當(dāng)其調(diào)峰目標(biāo)能力為30%THA（燃用煙煤、褐煤）或40%THA（燃用無煙煤、貧煤），影響深度調(diào)峰的主要問題（常見于低負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)的投運）很難通過運行優(yōu)化技術(shù)路線來解決，需要輔之以部分靈活性技術(shù)改造來實現(xiàn)鍋爐調(diào)峰深度；供熱機組當(dāng)所需調(diào)峰負(fù)荷降低至機組額定負(fù)荷20～30%THA時，其鍋爐負(fù)荷一般較高，鍋爐側(cè)不存在穩(wěn)燃等其他問題。其深度調(diào)峰所面臨的主要問題是如何進(jìn)一步提高供熱能力并降低電負(fù)荷（即熱電解耦的問題），不同的機組應(yīng)選擇不同的熱電解耦技術(shù)，在考慮經(jīng)濟(jì)投資和靈活性等因素后制定相應(yīng)的技術(shù)路線。

圖9 蓄熱罐工作原理示意圖

圖10 電極式鍋爐+熱水蓄熱罐調(diào)峰原理示意圖