煤電機組靈活性潛力診斷方法研究與建議

李艷杰

(國能集團(印尼)南蘇發電有限公司)

0 前 言

電力系統在全世界范圍內正在加速轉型發展，推動轉變的主要有三個因素。首先，隨機性且較低運行成本的風能和太陽能資源等再生資源；其次，分布式能源的快速發展，例如，屋頂光伏電站和智能運輸工具等；最后，智能化的發展，從發電到用戶貫穿整個電力系統，從而帶來了降低成本和提高性能的新機會。

從電源結構看，十年來我國傳統化石能源發電裝機比重持續下降、新能源裝機比重明顯上升。2020年火電裝機比重較2011年下降了15.7個百分點，風電、太陽能發電裝機比重上升了近20個百分點，發電裝機結構進一步優化(圖1 2011～2020年全國電力裝機結構)。水電、風電、光伏、在建核電裝機規模等多項指標保持世界第一。2021年4月，我國在出席領導人氣候峰會上承諾，“中國將嚴控煤電項目，‘十四五’時期嚴控煤炭消費增長、‘十五五’時期逐步減少。”電力行業將加速低碳轉型，發揮煤電保底的支撐作用，同時，要繼續推進煤電機組靈活性改造，加快煤電向電量和電力調節型電源轉換，實現煤電盡早達峰并在總量上盡快下降。

圖1 2011～2020年全國電力裝機結構

2020年，新增發電裝機以新能源為增量主體。并網風電、太陽能發電新增裝機合計11987萬千瓦，超過上年新增裝機總規模，占2020年新增發電裝機總容量的62.8%，連續四年成為新增發電裝機的主力(見圖2)。2020年包括煤電、氣電、生物質發電在內的火電新增裝機占全部新增裝機的29.53%，與2015年相比降低21個百分點；水電新增裝機占比為6.93%。

圖2 2015年與2020年新增電力裝機結構對比

這些變化正在推動電力系統靈活性成為發展趨勢，電力系統的結構性轉型，煤電機組是電力系統轉型發展中靈活性的最重要手段[1]。因此，電力系統為煤電機組靈活性創造條件，煤電機組運行優化挖掘靈活性潛力，必要時重大技術改造，創造適當的機會、市場和監管環境，以應對變化的影響，新建煤電機組要達到靈活性的規定要求。煤電機組靈活性改造和新建有利于加速投資、創新和使用智能、高效、靈活和環保的新技術。通過使用煤電機組靈活性潛力診斷方法，從在役煤電機組靈活性的運行優化、在役煤電機組靈活性的重大改造、新建煤電機組靈活性的來實現煤電機組靈活性的潛力，創新煤電機組靈活性解決方案的潛力，可供設計和運行參考。

1 煤電機組靈活性定義和特點

煤電機組靈活性定義[2]：國際上對火力發電廠定義實際包含了所有以燃燒方式將化學能轉換成熱能進而通過透平機帶動發電機進行發電的電廠。而燃料除了常規的化石燃料如煤、油、天然氣等之外，還包括了生物質和垃圾等可再生能源燃料。因此，火電靈活性主要包括兩個方面：

(1)負荷調整的靈活性：深度調峰(鍋爐及汽機的低負荷運行)、煤電機組快速啟停、煤電機組爬坡速率和熱電聯產煤電機組的熱電解耦。具體技術指標：煤電機組深度調峰達到規定的最低負荷；供熱煤電機組實現熱電解耦，即供熱煤電機組深度調峰達到規定的最低負荷；煤電機組2～4小時的快速啟停；煤電機組1%～2%爬坡能力。

(2)燃料的靈活性：火電廠燃料的可變性，包括煤、油、燃氣等多種化石燃料，化石燃料與生物質燃料的混燒，甚至包括完全的生物質、垃圾等多種可再生能源燃料。目前，丹麥的主要大型火電煤電機組均實現了從傳統煤粉爐向摻燒生物質，進而過度到完全的生物質或垃圾等可再生能源燃料的轉換。

特點：煤電機組靈活性具有三個特點，一是時間性，電力供需從秒到年都需要持續平衡供需；二是具有約束性，在時間間隔內，控制參數或指標達到規定的數值；三是煤電機組適應能力多樣化和智能化的功能是煤電機組靈活性發展趨勢。

2 煤電機組靈活性潛力診斷方法

2.1 煤電機組靈活性潛力診斷原則

煤電機組靈活性潛力診斷工作應遵循安全性、系統性、針對性和實操性原則。具體如下：

(1)安全性。煤電機組靈活性潛力診斷要依靠科學、合理的評估方法，遵循國家、電力行業相關規程、規定、試驗方法，提出改進技術方案，要確保煤電機組設備安全可靠運行。

(2)系統性。煤電機組靈活性潛力診斷工作涉及汽機、鍋爐、電氣、熱控、公用設備等專業，系統性對主輔設備煤電機組整體性能診斷。煤電機組靈活性潛力診斷是一種系統化的方法，其系統性主要體現在以國家現有的靈活性能源政策、能源法規、指令、各種能源標準、技術評價原理為依據，對煤電機組靈活性全過程進行分析、對關鍵發電生產設備運行狀況和性能指標進行靈活性潛力診斷。

(3)針對性。針對主要鍋爐及輔助設備、汽輪機及輔助設備、電氣設備、熱控設備、公用系統等開展診斷工作。煤電機組靈活性潛力診斷結果采用針對性的量化分析，設備診斷重視證據和數據分析、核算，具有針對性，例如，性能試驗報告，分析計算等方法，定量診斷煤電機組影響煤電機組靈活性因素，分析潛力。

(4)實操性。應根據發電企業特點，通過煤電機組靈活性診斷將可控因素分為運行優化、設備治理、技術改造等三個方面，樹立從簡單到復雜的整改思路，提出科學、合理、可操作的靈活性潛力診斷的技術改造方案、設備維護改進和運行調整意見。

2.2 煤電機組靈活性潛力診斷方法與技術路線

建立了一套發電企業煤電機組靈活性潛力診斷的方法與流程，使能耗診斷能夠有效和規范的進行，達到實用化、系統化的要求。

2.2.1 診斷方法

發電設備和系統復雜性，單一或綜合，可以選擇如下方法。

標準對照法：是指通過對照相關節能法律法規、政策、電力行業及產業技術標準和規范等，對企業的煤電機組靈活性利用是否科學合理進行分析比對。

類比分析法：是指在缺乏相關標準規范的情況下，通過與處于電力行業煤電機組靈活性先進水平的既有設施進行對比，分析判斷所評估設施的煤電機組靈活性是否科學合理。類比分析法應判斷所參考的類比工程煤電機組靈活性水平是否達到同類型、同容量國內領先或先進水平，并具有時效性。

專家判斷法：是指在采用上述兩種診斷方法的同時，利用專家經驗、知識和技能，對項目煤電機組靈活性是否科學合理進行分析判斷的方法。

簡單指標對比法：根據煤電機組和設備熱力試驗性能，定期進行統計和煤電機組工況分析，與同期比較、與歷史趨勢比較；與設計值比較、與同期最好值、與同類煤電機組先進值比較，分析存在的問題。

2.2.2 煤電機組靈活性潛力診斷技術路線

煤電機組靈活性潛力診斷工作的開展和實施可分如下階段進行：

第一階段：文件收集和審核。通過對企業現場診斷前提供的資料、數據進行分析，初步識別現場診斷中的關鍵點。近三年月度和年度指標統計臺賬；鍋爐熱力計算說明書；汽輪機熱力特性說明書；輔助設備特性說明書；煤電機組靈活性試驗報告；輔助設備性能試驗報告；供熱系統用汽參數、供熱負荷等；煤電機組運行規程和系統圖；掌握煤電機組利用小時、上網電價、發電成本、標煤單價、峰谷差等；近三年煤電機組靈活性方面開展的工作、實施的效果、存在問題和今后努力方向的新舉措；已經實施的煤電機組靈活性改造設備清單和采用技術類型和效果。

第二階段：有針對性的開展現場煤電機組靈活性潛力診斷工作。現場查看或收集鍋爐及輔助設備、汽輪機及輔助設備、電氣設備、熱控設備、公用系統的設備運行參數和運行方式；重點掌握和分析主要主輔設備和系統工藝運行參數。在現場診斷階段實地調研各種文件資料、與一線人員交流、發現現場問題、通過PI數據進行簡單分析計算等。通過對生產數據、資料、實地情況等信息進行分析，定量的查找影響發電煤電機組靈活性指標的原因，查找問題。

第三階段：提出煤電機組靈活性潛力的技術措施和建議。根據原始資料、數據和現場測試，分析影響發電煤電機組靈活性的主要問題，提出成熟的具有操作性的提升煤電機組靈活性的整改措施和整改目標，煤電機組靈活性潛力改造措施依據難易程度，可分為優化運行、設備治理、技術改造三種，依據實際條件適時的進行整改，有計劃、有措施、有目標的提升煤電機組靈活性潛力，對各措施進行技術經濟分析并提出可適用的措施，最后，編制完成煤電機組靈活性潛力診斷報告。

2.3 煤電機組靈活性潛力診斷技術依據

煤電機組靈活性潛力診斷的依據國家能源或電力行業煤電機組靈活性調峰規定等，國家和電力行業相關煤電機組靈活性技術標準或規定；煤電機組靈活性熱力試驗報告、煤電機組深度調峰數據、鍋爐熱力計算書、汽輪機熱力特性、煤電機組深度調峰工作總結、煤電機組熱態啟停主要負荷和參數曲線、鍋爐混配煤和摻燒技術方案、煤電機組一次調頻和AGC負荷率變化率曲線、煤電機組靈活性技術改造方案和后評價等。

2.4 煤電機組靈活性潛力診斷指標

煤電機組機組靈活性潛力指標見表3 所示，按相互影響的層面劃分，節能指標評價表的內容構成主要有二級指標，是依據國家、行業的相關標準以及現場規程和實踐經驗等建立起來的，針對煤電機組靈活性指標工作進行逐項評價。

表3 煤電煤電機組靈活性參數或指標構成

2.5 煤電機組靈活性潛力診斷內容

根據煤電機組靈活性的定義，涉及負荷調整靈活性和燃料靈活性，煤電機組靈活性潛力診斷采取，與煤電機組靈活性控制參數或指標對比的方法或類比法等，來診斷煤電機組靈活性潛力，煤電機組靈活性潛力診斷內容，具體內容為：

(1)鍋爐燃燒多種、可變燃料能力與有關規定要求的差距，分析限制因素，提出改進措施；

(2)純凝煤電機組深度調峰達到的最低負荷與規定的最低負荷或最小技術負荷差值，分析限制因素，提出改進措施；

(3)供熱煤電機組滿足熱電供熱需求情況下，煤電機組深度達到的最低負荷與規定值的最低負荷或最小技術負荷的差值，分析限制因素，提出改進措施；

(4)煤電機組熱態快速啟動時間與規定的煤電機組2-4小時的快速啟動的差距，分析限制因素，提出改進措施；

(5)煤電機組調峰負荷范圍內快速增加變化率與煤電機組1%-2%MW/min爬坡能力的差值，分析限制因素，提出改進措施。

3 煤電機組靈活性潛力診斷方法的應用

影響機組靈活性潛力的因素，不僅技術因素將決定機組的靈活性，而且，從成本角度來看，機組靈活性調峰給予一定的補償政策。電力市場制定適當的靈活性策略，可以推行電力系統的各種靈活性措施，不僅需要考慮當前和未來的系統需要，同時要考慮在役和新建發電煤電機組、電力市場情況等狀況，以及創新靈活性解決方案的潛力[1]。使用煤電機組靈活性潛力診斷方法，從三個方面分析在役煤電機組靈活性的運行優化、在役煤電機組靈活性的重大改造、新建煤電機組靈活性的來實現煤電機組靈活性的潛力。

3.1 在役煤電機組靈活性的運行優化的潛力

火力發電煤電機組無論是熱電聯產煤電機組還是純凝煤電機組，首選的煤電機組深度調峰技術方案是不增加任何附加投資的設備和措施基礎上，開展熱力試驗等，挖掘煤電機組本身的深度調峰潛力。通過鍋爐摻燒、變煤種等試驗來檢驗鍋爐安全、技術性能和環保指標；通過煤電機組試驗最低負荷、負荷變化率、停止和啟動時間等試驗來檢驗煤電機組性能指標與規定值或技術允許值的差值，更主要是金屬控制指標，對熱應力影響；熱控協調優化和自動控制系統控制參數優化，鍋爐燃燒更穩定、水汽參數更優化、汽輪機冷端經濟合理等，提升煤電機組深度調峰或負荷變化時穩定性；利用在線實時監控方式，分析煤電機組運行參數和方式的變化情況，以及更主要安全限制因素，從而可以很好地提升在役煤電機組潛在的靈活性，最大限度的滿足煤電機組靈活性的五項參數或指標；通過利用大數據平臺，來分析鍋爐燃燒工況優化、主要蒸汽參數、水系統參數、煙氣參數、汽輪機進汽和冷端參數等變化規律，尋找煤電機組停止和啟動，以及深度調峰的最優工況。某發電廠330 MW亞臨界煤電機組應用摻燒低質煤、深度調峰30%負荷、一次調頻負荷變化速度1.2%/min等均達到了區域電網的要求，取得了效果經濟效益。

3.2 在役煤電機組靈活性的重大改造的潛力

根據煤電機組靈活性的運行優化，分析得出影響煤電機組深度調峰達到規定值的限制因素，可以提供一系列的針對性的重大改造方案，技術合理和投資回報率小于規定值，來改進煤電機組的各種靈活性參數，例如，鍋爐適應燃料的多樣性、負荷變化率、停止啟動時間、煤電機組最低負荷等，從而進一步提升煤電機組靈活性潛力。具體操作是組深度調峰技術改造，一是遵循“量身定制”；二是根據區域電力系統環境，在役煤電機組與有關規定值得差距，論證確定最終的調峰深度負荷目標，避免改進技術受目標的變化而產生限制，同時避免投資浪費；三是以安全、可靠、環保為基礎，綜合考慮煤電機組經濟性和靈活性性，逐個系統分析煤電機組深度調峰的技術瓶頸；四是遵循“投資少、見效快、收益高”；五是建議煤電機組深度調峰能力技術改造的技術路線是，確定調峰深度負荷目標值→煤電機組熱力試驗→煤電機組運行優化→技術瓶頸的技術改造→改造后熱力試驗→煤電機組深度調峰實施，力爭滿足煤電機組靈活性的五項參數或指標。某發電廠630 MW超臨界煤電機組應用摻燒低質煤、深度調峰30%負荷、一次調頻負荷變化速度1.5%/min等均達到了區域電網的要求，取得了效果經濟效益。

3.3 新建煤電機組靈活性的技術創新的潛力

針對未來煤電機組將作為電網穩定的和可控的靈活性電源，且仍是燃煤是電網煤電機組靈活性調節最大的供給者。1990年12月能源部頒布了《發電廠調峰技術和安全導則》(能源部1990年12月)中，除劣質煤外，煤電機組調峰能力為30%-35%，以及《加強電網調峰工作若干規定》(能源部1990年12月)中，除劣質煤外新建煤電機組調峰能力為35%-40%。2018年國家發展改革委國家能源局《關于提升電力系統調節能力的指導意見》(發改能源〔2018〕364號)中“純凝煤電機組最小技術出力達到30%～40%額定容量，熱電聯產煤電機組最小技術出力達到40%～50%額定容量;部分電廠達到國際先進水平，煤電機組不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到20%～30%”。因此，未來煤電機組的目標深度調峰負荷20%-100%Ne范圍，調峰能力達到80%Ne、煤電機組額定負荷效率達到50%、20%Ne深度調峰負荷煤耗比傳統煤電機組下降2%，適應煤電機組熱態快速啟停調峰，負荷變化率2%Ne/min，鍋爐燃煤同時可摻燒生物質和城市生活污泥等。因此，從源頭制造和設計入手，開展重大制造裝備鍋爐、汽輪機、發電機關鍵設備靈活性容量和性能研究，組織進行設計制造計算、設計優化研究、設備選型等技術攻關，且開展煤電機組靈活性調峰工程試點，以推廣應用,力爭滿足煤電機組靈活性的五項參數或指標。

4 結 論

可再生新能源快速發展帶來的消納空間需求，對煤電機組靈活性提升產生顯著影響，煤電機組靈活性潛力診斷工作是非常重要的。

建議國家層面組織電力行業協會，編制機組靈活性潛力診斷導則，并且有資質第三方進行潛力診斷，出具報告，分析機組靈活性潛力，提出機組靈活性可以達到的性能指標的對策。綜合考慮在役和新建發電機組、電力市場情況等狀況，創新靈活性解決方案的潛力，尤其是建議組織修編《發電廠調峰技術和安全導則》(能源部1990年12月)，機組深度調峰對發電機組改造或新建的機組要求，制定機組深度調峰的必備功能和技術指標，便于在役機組技術改造適度投資和新建機組設計對設備選型和設計優化，投產后減少技術改造在增加的投入[3]；加快完善市場化營銷體系建設，統籌發電、售電、增量配電、多種經營協同發展；研發電網區域電力現貨輔助決策系統，分析發電成本等，推動現貨交易準確和及時報價。

通過使用機組靈活性潛力診斷方法，從在役機組靈活性的運行優化、在役機組靈活性的重大改造、新建機組靈活性的來實現機組靈活性的潛力，創新機組靈活性解決方案的潛力。