• 火電廠靈活性改造技術對比分析

    上傳日期:2020-02-27 瀏覽次數:2100 返回列表>>

    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(電極鍋爐與蓄熱罐)

    來源:北極星電力網    注:本文系投稿,本文觀點不代表北極星電力網觀點!

    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?;痣姀S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。

    2.6 熱水罐儲能技術

    利用汽輪機抽汽,將熱網回水加熱至供熱溫度,存儲在大型熱水罐中,使機組在用電負荷高而供暖負荷低的白天進行熱水儲能,夜間用電負荷低而供熱負荷高時由儲能系統進行供熱,在滿足供熱要求的基礎上提高機組運行的靈活度,可以使熱電聯產機組參與調峰,這也是目前北歐地區普遍采用的熱電解耦技術。

    為降低成本,一般熱水罐采用單罐斜溫層儲熱模式,也就是利用熱水的溫度密度差,熱水存儲在儲罐的上部,冷水在儲罐的下部,熱水和冷水之間有一層厚度較小的溫度梯度層——斜溫層,實現一個罐體同時儲存高低溫水,簡化了儲熱系統配置。熱水罐分為常壓罐和承壓罐,常壓罐內壓力1bar,供熱溫度在95℃左右,優點是設備簡單,造價相對較低,但儲能密度小,體積較大;承壓罐壓力一般為2~3bar,熱水溫度為115~120℃,優點是儲能密度相對較高,但設備較復雜,罐壁較厚,造價較高。目前常壓儲熱水罐的工程應用較多,運行經驗豐富,技術成熟可靠。

    3、 靈活性改造技術比較

    熱電廠采用哪種改造技術,除了考察技術方案的安全性和可靠性之外,技改方案的調峰深度,投資成本,運行成本等將是決定最佳技術路線的關鍵因素,因此靈活性改造需要從這些方面進行對比分析。

    以上6種靈活性改造技術路線中,汽輪機旁路供熱,低壓缸零出力技術和高背壓改造技術涉及汽輪機本體技改,主要是將汽輪機內部高溫高壓蒸汽的做功份額減小,將其轉化為對外供暖的熱能。汽輪機旁路供熱將做功能力較強的高溫高壓蒸汽抽出供熱,能夠大幅降低汽輪機組的強迫出力,具有較強的調峰能力,但同時,考慮到汽輪機旁路容量,再熱器超溫,汽輪機軸系推力匹配,抽汽回熱等問題,汽輪機旁路難以實現全容量抽汽,因此調峰幅度具有一定限制;從運行成本來看,將高品位熱能的高溫高壓蒸汽用于供暖,存在較大的熱經濟損失,運行成本較高。

    低壓缸零出力技改將中壓缸排汽全部用于供熱,低壓缸做功為零,降低了發電機組出力水平,具有較強的調峰能力,而且由于排汽全部用于供熱,消除了冷源損失,具有很好的熱經濟性,運行費用較低。

    低壓缸高背壓循環水供熱技術是將低壓缸的排汽壓力升高,利用較高的排汽溫度加熱循環水供熱,使低壓缸既保留了做功能力,又能夠供熱且消除冷源損失,具有最佳的熱經濟性和運行成本優勢,但由于排汽壓力較高,需要更換專門的低壓缸轉子,改造費用較高。值得注意的是,高背壓技改方案使發電機組處于不可切換的高背壓運行狀態,使發電功率降低,并導致發電機組的頂尖峰負荷能力下降,可能帶來調峰收益折減。

    汽輪機旁路供熱和低壓缸零出力改造的調峰深度如下圖2所示:

    圖2:汽輪機旁路供熱和低壓缸零出力調峰深度

    上圖中,紅線范圍是熱電廠原來的發電供熱運行范圍,經過汽輪機旁路和低壓缸零出力改造后的運行范圍如圖中實線藍線和黃線所示,綠色虛線是熱負荷線。改造后,汽輪機調峰能力和供熱能力增加,在供熱負荷不變的條件下,調峰能力較大的是低壓缸零出力技術,汽輪機旁路技術一般只能抽出部分容量主蒸汽對外供熱,因此調峰范圍有一定限制。

    電極鍋爐、電熱固體儲熱和熱水罐儲熱技術不涉及熱電廠設備本體改造,對熱電廠正常運行影響較小。電極鍋爐直接消耗電能,減少熱電廠對外供電,以此增加對外調峰能力,但為滿足供熱需求,電極鍋爐供熱量需要和電廠鍋爐運行協調控制,因此調峰深度有限;相比之下,電熱固體儲熱一般具有較大的儲熱容量,可以靈活調節熱電廠發電功率和供熱量,甚至能夠實現熱電廠零出力,具有最好的調峰靈活性,但缺點是投資成本高,而且由于采用電供熱,熱經濟性差,運行成本高。

    熱水儲能將用電高峰時的過剩熱能存儲起來,在需要調峰時,釋放熱能以滿足供熱需求,從熱電廠供熱特性圖來看,熱水儲能相當于將相對固定的供熱需求轉化為可變的供熱需求,拓展了熱電廠調峰運行范圍,如下圖3所示。

    圖3:熱水儲能調峰范圍

    如上圖所示,熱水儲能使熱電廠具備了雙向調峰能力,即可增加熱電廠低負荷運行能力,也能增加高峰期的頂負荷能力,也就是供熱蒸汽流量出現過剩時,將多余熱能存儲到熱水罐中,當電力需求處于低谷時,減小鍋爐和汽輪機出力,供熱不足的部分由熱水罐補充;當電力需求處于高峰時,增加鍋爐出力,減少汽輪機對外供熱,增強電廠的頂負荷能力,供熱不足的部分由熱水罐補充;由于采用蒸汽作為熱源,熱水儲能的熱經濟性好,運行成本較低。

    綜上所述,以一個350MW熱電廠技改為例,簡要對比不同靈活性技改路線的投資成本,運行成本和調峰深度,如下表所示。

    表1:靈活性改造技術對比表

    從上表可以看出,在調峰深度指標上,電鍋爐固體儲熱具有最大的深度調峰優勢,但由于采用電能作為熱源,折算到等效煤耗的用能成本最高,因而運行成本最高;考慮到固體儲熱投資成本,采用該方案的項目技術經濟優勢不明顯。另外,從電力輔助服務市場的供求情況來看,在市場初期,調峰容量供不應求,固體儲熱項目往往能夠獲得較高的調峰收益,但隨著調峰電源逐漸增多,市場可提供的調峰容量不斷增加,供需逐漸平衡,高收益的深度調峰需求減少,固體儲熱高投入和高運行費用的劣勢凸顯,在與其他調峰技術競爭時,將處于不利地位。

    電極鍋爐同樣采用電能作為熱源,雖然能夠增加電廠的調峰能力,也存在運行成本高的問題,在調峰深度相同的競價中,難以實現較高報價的收益,市場競爭中難以獲得有利地位。

    汽輪機旁路供熱,低壓缸零出力和低壓缸高背壓技術都能夠增加電廠的供熱能力,配合鍋爐負荷調整,能夠增加發電機組的調峰能力,但調峰能力的增加是以發電能力的降低為代價,而且隨著供熱負荷的增加,機組的頂尖峰能力下降,可能會帶來調峰收益的損失,例如現在東北地區輔助服務市場規則,如果調峰機組尖峰出力達不到額定容量的80%,調峰補償減半。

    以蒸汽為熱源的熱水罐儲能技術,技術成熟可靠,運行成本低,投資費用適中,更重要的是,熱電廠采用熱水儲能可以獲得雙向調峰能力,既能夠增加熱電廠的調峰深度,也能夠增加高峰時段的頂負荷能力,在調峰市場中具有很強的競爭力,也是靈活性改造示范項目中應用最多的調峰技改路線。但同時,熱水儲能也存在儲熱密度低,空間占用較大的問題,尤其是城市區域的熱電廠改造,由于占地限制,技改存在困難。

    4、結論

    隨著電力輔助服務市場的初步建立,建設高效、靈活運行的火電廠是火電行業轉型升級的重要內容,也是建立電力現貨市場的重要物質基礎。各種火電靈活性改造技術面臨著激烈的市場化競爭,從改造成本,運行成本和調峰效果等方面對比分析,可以得出以下結論:

    1) 以電能為熱源的固體儲熱技術和電極鍋爐能夠獲得最大的深度調峰能力,但存在投資成本高,運行費用高的問題,尤其在調峰市場供需趨向平衡的條件下,很難獲得高額的調峰收益,技改項目難以實現滿意的投資回報。

    2) 汽輪機旁路供熱,低壓缸零出力和低壓缸高背壓技術增加了熱電廠的供熱能力,通過調節鍋爐負荷,能夠增加調峰能力,具備較好的技術經濟可行性;但隨著熱負荷增加,機組的發電能力下降,可能帶來調峰收益損失。

    3) 熱水罐儲熱技術具備最佳的運行靈活性,投資成本和運行成本具有明顯優勢,也是靈活性改造示范項目中采用最多的技術路線;但由于熱水儲熱的儲能密度低,空間占用較大,項目實施有一定的限制條件。

    火電廠靈活性改造采用以蒸汽為熱源的熱儲能技術具有明顯的技術經濟優勢,未來仍需要進一步降低改造投資成本和提高儲能密度,隨著熱新技術、新材料、新工藝的不斷出現,熱儲能技術將會在火電廠靈活性改造中占據越來越重要的地位。


    彩68彩票