摘要：

在能源結構調整的背景下，提高火電運行靈活性是火電行業轉型發展的重要方向，選擇合適的技術路線是火電廠靈活性改造的關鍵，需要從調峰效果、改造成本和運行成本等方面進行對比分析;基于設備改造的汽輪機旁路技術、低壓缸零出力技術和高背壓循環水供熱技術將汽輪機部分做功蒸汽對外輸出供熱，增加了電廠供熱能力和調峰能力，但發電能力也隨之降低;電極鍋爐和電鍋爐固體儲熱技術能夠大幅增加調峰能力，但存在改造成本高，運行費用高的問題，在市場競爭中難以獲得優勢;熱水罐儲能技術既能增加機組低負荷運行能力，也能增加頂負荷能力，投資成本和運行成本較低，具有明顯的優勢，但存在儲能密度低、空間占用大的問題，有必要開發新的成本低、儲能密度高的熱儲能技術。

關鍵字：火電 靈活性改造 技術路線對比 熱儲能

1、技術背景

隨著電力市場化改革進程的深入推進，以可再生能源為主的能源結構調整不斷倒逼現有煤電行業轉型升級。為避免在新一輪以清潔、低碳、高效的各類能源互聯互通互補為特點的能源革命浪潮中被淘汰，目前仍然占主力地位的火電行業應主動順應能源發展潮流，一方面堅持清潔高效發展路線，另一方面適應靈活多變的電力市場需求，增加火電運行靈活性，在市場中尋找新的盈利模式，走出創新發展的轉型之路。

事實上，自2017年東北電力輔助服務市場啟動以來，越來越多的省份出臺了電力輔助服務市場的政策文件，初步建立了電力調峰市場;未來，隨著電力輔助服務市場的不斷發展成熟和電力現貨市場的建立，火電廠運營將從以電量為中心逐步轉移到以電價為中心的經營模式，與此相對應的，火電廠為適應電力市場運行的靈活性改造技術將會迎來發展機遇。對于火電廠，選擇哪一種靈活性改造技術，需要綜合考慮調峰效果，改造成本和運行成本等多個因素，因此需要對多種靈活性改造技術進行分析比較。

2、靈活性改造技術說明

提高火電靈活性，主要是指增加火電機組的出力變化范圍，響應負荷變化或調度指令的能力，多數情況下是指增加火電機組在低負荷時的穩定、清潔、高效運行能力。火電廠根據自身發電設備技術特點和用戶用能需求，從制煤系統，鍋爐系統、汽機系統、排放系統等多個方面進行改造技術路線分析，做出技術經濟比選，得到最佳的技術方案。

針對不同的火電機組類型，相應的靈活性改造技術路線有所不同，對于純凝機組，負荷調節能力較強，需要解決鍋爐系統的低負荷穩燃問題和排放問題，增加對制煤、鍋爐穩燃、脫硝、汽機輔機和控制等系統的技術調整或改造。

對于供熱機組來說，由于冬季供熱負荷一般較大，需要維持一定的鍋爐出力，較少涉及鍋爐低負荷運行問題，主要矛盾集中在滿足供熱條件下的發電出力調節范圍過小，也就是熱電解耦的問題。如何在滿足供熱的同時減少蒸汽做功，也就是高溫高壓蒸汽在汽輪機內做功份額和供熱份額的再分配是解決問題的關鍵。因此，供熱機組靈活性改造的技術路線主要分為兩類：一是增加機組的供熱能力來降低最小出力，主要有減少汽輪機通流環節的低壓缸零出力技術和高背壓供熱技術，和減少通流部分蒸汽流量的汽輪機旁路供熱技術;二是熱儲能技術，主要有熱水罐儲能，電鍋爐固體蓄熱和電極鍋爐等方案。

綜上所述，純凝機組和供熱機組的靈活性改造技術特點如下表。

國家對火電靈活性改造工作非常支持，2016年6月和7月，國家能源局綜合司分別下達了兩批火電機組靈活性改造試點項目的通知，確定丹東電廠等22個項目為提升火電機組的靈活性改造試點項目，共涉及44臺機組，約1818萬kW，在這22個火電項目中僅有2個涉及純凝機組改造，其余均為供熱機組靈活性改造。

根據資料統計，在這22個火電廠靈活性改造試點項目中，采用最多的是熱儲能技術，占比達到65%，其中采用單罐熱水儲能技術有7家電廠，采用電熱固體儲熱和電極鍋爐項目有6家，采用低壓缸零出力技改的電廠有2個，采用汽輪機低壓缸高背壓改造的1家，涉及制煤和穩燃脫硝系統改造的電廠有4家，各改造技術占比如下圖1所示。

圖1：火電靈活性改造試點項目技術路線占比圖

在以上改造技術方案中，除了安全性和可靠性之外，靈活性技改的費效比，也就是能否在改造成本和運行成本最小化的同時實現調峰收益的最大化，是熱電廠選擇技術路線的首要問題，因此各種技術路線的競爭將是滿足安全可靠前提下的經濟性比選。

2.1 汽輪機旁路抽汽供熱技術

一般分為汽輪機高低壓旁路聯合抽汽供熱和低壓旁路抽汽供熱兩種技術方案，聯合旁路抽汽是指利用高壓旁路將部分主蒸汽減溫減壓后送至高壓缸排汽，經鍋爐再熱器加熱后，從低壓旁路(中壓缸進口)抽汽對外供熱;低壓旁路抽汽是利用低壓旁路管道，直接引出部分再熱蒸汽對外供熱。

汽輪機旁路供熱方案將部分做功蒸汽轉化為供熱蒸汽，降低了汽輪發電機組的強迫出力水平，提高了汽輪機的供熱能力，改造投資也較小，但由于將高品質熱能用于供熱，存在一定的熱經濟損失。

2.2 低壓缸零出力供熱技術

低壓缸零出力供熱技術，又稱“切除低壓缸進汽供熱技術”，是指在調峰期間，切除低壓缸全部進汽用于供熱，僅通入少量的冷卻蒸汽，使低壓缸在高真空條件下“空轉”，實現低壓缸“零出力”運行，從而降低汽輪發電機組強迫出力水平，增加機組的調峰能力;并且由于排汽全部用于供熱，消除了冷源損失，具有良好的供熱經濟性。低壓缸零出力改造還具有切換靈活，汽輪機本體改造范圍小，改造費用低，運行維護成本低的優勢。

2.3 汽輪機高背壓循環水供熱技術

對于大型供熱電廠，汽輪機高背壓循環水供熱一般采用低壓缸雙轉子互換技術，在采暖季，將低壓缸轉子用動靜葉片相對較少的高背壓低壓轉子代替，凝汽器高背壓運行，對應排汽溫度提高到70℃~80℃左右，加熱循環水對外供暖;在非采暖季，將原純凝低壓缸轉子換回，排汽背壓完全恢復至原純凝工況運行。高背壓循環水供熱停用汽輪機冷端冷卻設備，汽輪機排汽全部由熱網循環水回水進行冷卻，為滿足一級熱網與二級熱網的換熱要求，高背壓循環水供熱一般采用串聯式兩級加熱系統，熱網循環水首先經過凝汽器進行第一次加熱，吸收低壓缸排汽余熱，然后再經過其他熱源換熱完成第二次加熱，生產高溫熱水，送至熱水管網對外供熱。

汽輪機高背壓循環水供熱，消除了冷源損失，能夠大幅提高供熱能力，降低煤耗，具有良好的熱經濟性，但與其他技術相比，低壓缸蒸汽發電焓降較小，降負荷空間小，調峰能力有限，而且需要每年更換2次低壓缸轉子，投資成本較高，運行維護不便。

2.4 電極鍋爐供熱技術

電極鍋爐是目前工業供熱和民用供暖市場上應用較多的一種電熱鍋爐，與普通的電熱設備不同，電極鍋爐采用高壓三相電極直接在鍋爐內的導電鹽水中放電發熱，使得電能以較高的轉換效率轉換成熱能，然后再通過換熱器將爐內的熱量傳遞給熱網，具有功率大，可快速平滑調節等優勢;作為一種電能消耗設備，電極鍋爐可以直接降低熱電廠出力，并增加供熱能力，是一種有效的調峰技術。

電極鍋爐一般沒有儲熱能力，在滿足熱負荷的條件下，電極鍋爐的功率調節需要和鍋爐負荷調節協調控制，調峰深度有一定限制條件;而且由于涉及電熱轉化，能量利用的經濟性較差。

2.5 電鍋爐固體儲熱技術

電鍋爐固體儲熱技術是指利用電鍋爐將電能轉化為高溫固體的熱能，并利用高溫固體顯熱存儲熱能，在需要熱能時，將儲熱體熱能轉化為熱水、水蒸汽等多種用熱形式。儲熱介質一般采用固體金屬氧化物等耐高溫材料，具有儲熱溫度高，儲能密度高，操作安全簡便的優勢。

固體儲熱能夠有效解決熱電廠的發電和供熱的強耦合問題，甚至可以實現零出力的深度調峰，達到啟停調峰效果，有利于獲得高額調峰補償，但缺點是投資成本高，并且涉及電熱轉換，用能經濟性較差，運行成本高。