基于电厂锅炉的火电机组灵活性改造技术研究

基于电厂锅炉的火电机组灵活性改造技术研究

摘要：为有效解决电力产能过剩，促进风电核电等清洁能源消纳问题，根据国

家能源局《关于加快推进某地区电力协调发展的实施意见》实现燃煤电厂灵活性

提升改造计划，某热电厂投资建设了电储能锅炉。利用燃煤供热机组在供暖期内

特定时段电网无法接纳的电力进行加热蓄热，并实现对外供热，提高燃煤供热机

组的对外供热能力。通过在电厂内的电热转换可以改变燃煤供热机组传统的“以热定电”运行方式，实现“热电解耦”，同时满足对外供热和供电的需要，提高了燃煤供热机组的灵活性。

关键词：火电机组;灵活性改造;电锅炉;改造方案

引言

近年来，在全球能源改革的大趋势下，国家将持续发展新能源作为推动电力供给侧结构

性改革、实现能源转型的重要举措。而进入“十二五”以来，我国经济进入新常态发展阶段，

宏观经济及工业生产的增长趋缓直接导致用电需求增长放缓、电力供给相对过剩、发电设备

利用小时数持续下降。同时，受资源地域的限制，我国的新能源聚集区往往远离负荷中心，

某地区新能源机组占全网的85%左右，当地电力需求小、供热机组多，冬春季供热期、水电

枯水期与大风期重叠，新能源消纳更加困难，多年来弃风弃光率超过20%，造成较大的资源

浪费。此外，新能源电力的随机波动性较大，尤其随着用电负荷峰谷差增大，目前的电力系

统调节能力难以适应新能源的大规模并网及消纳要求。

1机组概况

某热电厂共有4台机组，总装机容量1100MW，包括2台200MW抽凝供热机组和2台350MW抽凝供热机组。

其中，1号、2号汽轮机组系哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的超高压、冲动、一次

中间再热、三缸双排汽、双抽、凝汽式200MW汽轮机，机组型号为CC140/N200－

12．75/535/535。2012年和2013年分别对2号机组和1号机组进行了汽轮机通流部分改造。2015年对1号机组进行了高背压循环水供热改造。

3号、4号汽轮机是由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的亚临界、一次中间再热、高

中压合缸、双缸、双排汽、单轴、反动、凝汽式汽轮机。机组型号为C300/N350－

16．7/538/538型。4号机组于2013年行了通流部分改造，3号机组于2017年进行通流部分

改造。

2国内外机组灵活性运行现状

欧洲一些发达国家在风能、太阳能、生物能源、二氧化碳捕获和储存等新能源领域技术

的研究及应用经验较为丰富。2016年，欧洲可再生能源发电量占比已达到30.2%，其中风电

和光电合计占比13.2%。丹麦通过近年来大力发展风力发电，实现可再生能源发电量的快速

增长。2017年，丹麦全国弃风量接近零，风能的利用占比高达全国发电总量的43.4%。根据

丹麦能源署规划，到2050年左右，丹麦将基本摆脱对化石燃料的依赖，新能源将成为能源

行业的支柱。

而随着波动性可再生能源的发电比例不断提高，发电机组的运行模式从承担基本负荷逐

渐转为在中间和峰值负荷运行，负荷变化频繁。火电机组的运行目标从追求高效节能转变为

注重提升机组的灵活性、机组深度调峰及快速启停能力。这也是我国未来煤电机组运行的发

展趋势。

丹麦自1995年就开始推广火电机组灵活性运行，其火电机组的灵活性目前处于世界领

先水平。德国装备制造协会针对火电机组的灵活性改造，制定了改造专项清单，对包括燃烧

系统、锅炉蒸汽制备及烟气净化等多方面出台了具体的规定。对于火电机组运行灵活性，主

要从机组调峰能力、爬坡速度及快速启停能力进行评估。其中，调峰能力是指机组能够达到

的最低运行负荷。

3电锅炉及储热系统装设方案

3.1电锅炉型式选择

提升火电机组灵活性改造的主要技术路线有两种:第一种是采用蓄热式系统，如热水储热

装置、蓄热式电锅炉及熔岩储热装置等，通过增设蓄热装置实现热电解耦，当电网存在调峰

困难时段利用储热装置对外供热，补充热电联产机组由于发电负荷降低带来的供热能力不足，降低供热强迫出力;第二种是采用非蓄热式系统，即不设置蓄热装置，而通过直供式电锅炉或

机组通过减温减压装置直接生产用于加热热网循环水的热网加热蒸汽满足供热需求，同时满

足电网对于电厂的调峰需求。

3.2电锅炉容量选择

根据东北电力实时深度调峰交易补贴报价范围，对于热电联产机组而言，其在采暖期负

荷率降低至40%以下能够获得0．4～1元/(kW·h)较高的收益，且深度调峰负荷越低，收入越高，因此根据电厂目前供热情况，对配置240、350MW以及400MW电锅炉容量配置下电厂

调峰深度及运行工况进行了分析。

随着电锅炉容量的增长，抵减电锅炉用电后的机组实际发电负荷率显著降低，在电锅炉

容量为400MW时，扣除电锅炉用电后的实际发电负荷率约为15．6%，考虑采暖期内机组自

身厂用电及供热厂用电率的消耗，为保证发电机组与电网之间的供电潮流方向，其电锅炉容

量不宜再增加，扣除电锅炉用电及机组厂用电后的实际上网供电负荷可以降至约8%，已经接近极限。故推荐配置总容量约400MW的电极式电锅炉，根据目前电锅炉厂家推荐选型，可

以采用配置10台12MW和7台40MW电锅炉或10台40MW电锅炉两种方案。通过电锅炉

供热站的建设用地和静态投资对比，推荐采用10台40MW电锅炉的方案。

3.3热水储热系统

由于电极锅炉自身并不具备蓄热能力，因此通常可以配置热水储热系统作为其蓄热装置，电锅炉系统产生的热量能够以热网循环水的形式存储在热水储热罐中，并在热网有需要时对

外放出，实现电厂的深度调峰、热电解耦。

3.4基于灵活性火电单元的综合能源系统运行决策优化建模和求解

从内容上看，火电灵活性改造之后，决策部门所面临的决策变量更多、约束更复杂，然而，从本质上将，其依然是一个以机组组合和经济运行核心的混合整数规划问题，只要对各

灵活性资源及其相互耦合关系缜密建模，形成一个完整的电热综合能源运行系统优化决策模

型完全是可行的。而随着优化规划理论的发展，各类数值优化方法和智能优化方法已经在电

力系统中得到较多应用，并取得了广泛的应用价值。可以把整个规划问题描述为一个混合整

数线性规划问题，该模型的求解已经有很成熟的算法和商业软件，在求解层面不具有太大的

难度。

结语