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  • 我国火电机组缺乏灵活性的现状与改善之路

    2019-04-12 11:47:00
    shenyanghzy
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    导读:电力发展“十三五”规划中明确要求充分挖掘现有系统调峰潜力,增强 火电机组的灵活性,大幅度接纳新能源入网。文中阐述了我国火电机组缺乏灵活性的现状与潜在压力,主要从系统储热改造和调峰运行策略的角度介绍了国内外关于提升火电机组灵活性技术的发展状况,其中丹麦提升火电机组灵活性技术的实例有借鉴启示,并初步提出了我国火电机组灵活性改善的路径建议。

    2016年11月初,国家发改委和能源局发布的电力发展“十三五”规划(以下简称《规划》)中明确表示要充分挖掘现有系统调峰潜力,着力增强系统尤其是火电机组的灵活性。自2006年颁布实施《可再生能源法》之后,我国新能源产业发展迅速。但是,由于新能源的波动性以及管理利用水平和配套政策的不完善等因素,新能源的消纳成了一个能源电力领域亟待解决的新问题。与此同时,电力体制改革正通过有序缩减发用电计划,开展发电企业与用户直接交易,逐步扩大市场化电量的比例,为进一步完善电力市场提供空间。因此,从电网侧、用户侧和电源侧统筹规划,提升火电机组灵活性,加强机组 调峰能力和消纳新能源入网是“十三五”能源战略的调整重点。

    据统计资料显示:2015年全国平均弃风率为15%;“三北”地区的弃风问题尤为严峻,弃风率超过30%。火电作为我国的主力电源,目前装机容量超过9亿kW,而其中大容量火电机组的调峰深度不到50%,北方地区热电机组的调峰深度只有20%左右。因此,探寻提升火电机组灵活性的技术路径,以适应新的能源战略要求,更好地接纳新能源入网,以及实现在役大容量火电机组的技术改造优化都有实际意义。

    我国火电机组缺乏灵活性的潜在压力

    1.能源与环境压力

    能源作为环境的组成部分,在能源开发和利用的整个生命周期中,从能源资源的开采、加工和运输到二次能源的生产发电以及电力的传输和分配直至能源的最终消费,各阶段都会对环境造成压力,引起局部的、区域性的、乃至全球性的环境问题。

    火电工业和能源紧密相关,仅化石能源的消耗使全世界每年排放二氧化碳320亿t,二氧化硫1.2亿t,氮氧化物1亿t,带来严重的环境污染和气候变化问题。在我国,2014年火电行业二氧化硫、氮氧化物和粉尘的工业排放量分别达到了620万t、710万t和270万t,造成了严重的雾霾和酸雨等污染现象;2015年全国电力工业煤炭消费量约20亿t,造成的环境损失高达数千亿。环境的日益恶化,引起了公众的广泛关注。

    为了解决环境污染问题,过去二十年以来,我国关停了近9000万kW的小容量机组,目前60万kW及以上容量的火电机组在整个电力系统中的份额已经超越了三分之一。但是,我国大容量火电机组调峰运行时效率明显下降,单位煤耗显著上升,以新建1000MW机组为例,50%负荷下的供电煤耗比满负荷时增加约20g/kWh。此外,低负荷运行时炉内燃烧的不稳定,引起了烟气温度和粉尘浓度等参数的大幅变化,严重影响了除尘器等设备的工作效率,污染物排放量也显著增加。虽然火电结构向高参数、大容量优化转型,但机组运行灵活性的不足仍然突显了火电能耗和环保的压力。

    2. 电源结构压力

    我国的电源结构主要以火电为主,如表1所示。2015年全国发电装机总容量为15.3亿kW,比上年增长了约12%,增速幅度放缓。与此同时,电源结构也在逐渐调整。2014年,火电在能源结构组成中仍占约70%的比例,风能及太阳能等新能源只占不到10%;2015年,火力发电装机容量则约占当年总容量的65%,稳中略降,新能源的比例则提升为13%,增幅明显。《规划》明确表明,按照非化石能源消费比重达到15%的要求,到2020年,非化石能源发电装机达到约7.7亿kW,占比提高到39%;火电装机力争控制在11亿kW以内,占比降至约55%。

    表1 我国的电源结构

    由此可见,随着我国电网机组装机容量的不断扩大,传统火电和新能源发展之间的矛盾也因此显现。电网中大容量火电机组普遍参与电网的调峰,为可再生能源消纳提供足够的容量空间,以满足电源结构中新能源比重提升的需要。我国大部分主力火电机组长期在65%~75%的负荷下运行,不仅调峰深度普遍不够,而且机组运行能效和污染物控制能力明显下降;煤电自身结构也有待进一步优化转型以适应总体电源结构的改变。因此,火电机组缺乏灵活性面临着来自电源结构调整的压力。

    3. 电力市场体制改革压力

    我国电力市场体制改革正在有序推进,在发电侧引入了竞争机制,激励企业以最佳的节能减排效益来获得最大程度的竞争收益。传统火电与新能源作为电力市场的主体,一同参与竞争,但国家电网节能减排的调度原则使火电企业不仅承担了调峰任务,还面临着利润压缩的风险。2015年,全国 火电机组平均运行小时数已经下降至4329h,并将长期保持在较低水平,部分火电基荷电源甚至将作为调峰电源运行。

    在新的电力供需环境下,可再生能源处于优先地位,火电机组则担负电网的稳定电源。随着电力市场体制改革进程的不断深入,政府需要通过政策激励等手段,提升火电企业辅助服务积极性,其中完善辅助服务市场体制是关键。火电企业作为市场化环境下生产运营的决策者,必须结合已有的市场规则和自身技术特点,合理评估自2应用能源技术2017年第5期(总第233期)身在市场竞争中的地位,在电力市场交易中合理调整竞价策略,实现利益最大化。

    电力市场化改革明确用户可与发电企业自主协商确定售电价格,鼓励用户选择节能高效环保机组。电力资源的市场化配置,推动火电企业开展机组 灵活性改造,使其能够根据市场需求灵活调节出力,让出空间接纳新能源发电入网,提升火电机组市场适应能力和市场竞争力。电力市场体制改革背景下火电机组缺乏灵活性就是缺乏竞争能力,这也是火电企业的内在压力。

    国内外关于提升火电机组灵活性技术的发展状况

    1.火电机组灵活性改造的研究方向

    火电机组分为热电机组和凝汽机组两大类,欧美多数广泛使用热电联产机组,但其中较大比重为大容量抽凝式机组;国内两类机组都普遍存在,热电机组装机容量大约为火电总装机容量的32%。火电机组灵活性主要包括机组的调峰深度,爬坡能力和启停速度等内容,改造主要的研究方向如图1所示。调峰运行方式的优化和锅炉燃烧系统的优化改造是火电机组灵活性改造的主要手段。

    图1 火电机组灵活性改造的主要研究方向

    2. 火电机组的储热改造

    国外对火电机组灵活性改造集中于小型化的热电联产机组展开,其中尤以储热装置的研究非常流行,主要方法是运用energyPLUS、ANSYS等软件进行建模分析,从而得到可行的改造方案。

    在此基础上,运用储热技术开发和利用储热锅炉和储热式设备,建立灵活机动的中小型储热电站的方案逐渐成为热点。储热设备与火电站改造相结合,不仅设计灵活,而且维修使用方便且易于管理。

    瑞典斯德哥尔摩市政热电厂的电锅炉调峰项目便设置了卧式的大型蓄热罐来实现机组灵活性的提升;德国和丹麦的供热系统基本都配置大型蓄热罐,同时在电源侧和热网侧充当储能设施,除了实现热电厂短时间的热电解耦,还可起到定压补水和膨胀水箱的作用;我国东北部分地区也开始逐步采用采用蓄热罐和电锅炉改善热电厂的调峰收益。

    3. 储能系统与联合调峰运行策略

    火电机组灵活性的改善需要大容量储能技术相配合,除了上述利用储热装置的方法以外,主要的储能系统是以抽水蓄能电站、燃气轮机电站和常规水电机组等为主的调峰电源。

    由于相关技术相对较成熟,抽水蓄能电站是国内外建设调峰电源的首选。最佳抽水蓄能容量需综合考虑操作和投资成本来确定,且必须与已有电站配合建设。我国抽水蓄能电站在电源结构的比例还很低,根据电网的资源优化配置,至2020年,抽水蓄能电站装机达到4000万左右比较符合我国的国情。

    此外,利用以燃料电池为核心的储能系统辅助调峰提高火电灵活性的技术也在持续研究中。燃料电池技术整体还不成熟,相关研究主要集中于材料、结构和催化剂的改良。近日,美国橡树岭国家实验室能源部使用纳米尖峰催化剂将温室气体二氧化碳转化为乙醇,研究人员认为可利用二氧化碳可以制造和存储为乙醇的特性,研制新型电池储能系统平衡间歇电源对电网稳定性的影响。

    风力、光伏发电等可再生能源发电方式的波动性极大影响了电力系统供电稳定性和可靠性,考虑调峰电源、传统电源和新能源之间的联合调峰运行也是提升火电机组灵活性的研究热点。

    4.火电机组的调峰优化措施

    九十年代以来,为了在火电机组变工况调峰的过程中来提高 调峰能力和经济性,研究人员从火电机组燃烧系统改造和变工况运行策略的角度对锅炉设备的燃烧稳定性、水循环安全性和锅炉辅机的限制等影响火电机组调峰能力的因素进行了深入研究。

    机组调峰改造和节能改造一般结合进行,常见的低负荷燃烧与排放控制技术有:锅炉的燃烧优化,包括对燃烧器、尾部烟道和磨煤机等辅助设备进行稳燃改造和燃料混燃技术等;系统加装前置汽轮机来提高效率,厂用电错峰转移配合调整汽轮机出力大小;通过系统旁路改造和控制烟气温度,降低最小负荷出力,拓宽出力区间;尾部烟道净化处理和相关污染物脱除技术等。从变工况调峰运行的角度来考虑,经过经济性、安全性、机动性和调峰幅度比较评价之后,国内大多数火电机组使用低负荷运行方式,并且随着负荷的降低,采用定压-滑压-定压的运行方式;实际运行时除了考虑电网负荷特性、机组安全性和经济性之外,还必须提高运行人员管理工况频繁变化机组的操作水平等。

    5. 国内外提升 火电机组灵活性的举措

    近年来,法国电力集团、意大利ENEL集团等欧洲知名区域能源运营商针对可再生能源发电的竞争,纷纷将原先火电厂进行储热改造,转型成具有高灵活性的热电联产和深度调峰电厂。德国装备制造协会专门列出了火电机组灵活性专项改造清单,从燃烧系统、锅炉蒸汽制备到烟气净化处理等方面都出台了具体规定,把火电机组从追求高效率的超超临界技术转变为关注机组灵活性,特别是机组的深度调峰和快速启停能力。

    2016年初,国家能源局委托电力规划设计总院牵头筹建提升中国火电灵活性协作平台,研究制定我国火电机组灵活性升级改造技术路线等,协助国家能源局开展国内火电 灵活性改造示范试点工作。在2016年6月和7月,国家能源局综合司分别下达了两批火电机组灵活性改造试点项目的通知,确定丹东电厂等22个项目为提升火电机组的灵活性改造试点项目,共涉及44台机组,约1818万kW。

    《规划》则要求“十三五”期间,实现热电机组灵活性改造1.33亿kW,纯凝机组改造8650万kW,增加 调峰能力4600万kW。这意味着我国已经对提升火电机组灵活性展开了全面研究并布置了相关实施措施。

    丹麦消纳新能源与改善火电机组灵活性实例

    1. 丹麦的新能源消纳现状

    丹麦作为一个风能利用大国,也是欧洲电力供应安全性最高的国家之一,其火电机组是世界上最灵活的发电机组之一,经验值得借鉴。2015年,丹麦全国弃风量接近于零,风能的利用约占全国总能耗的42%,见表2,丹麦近年来以风力发电为主,可再生能源发电量快速增长。丹麦能源署明确表示,到2020年,其占比要高达50%,并且在2050年左右,丹麦将基本摆脱对化石燃料的依赖,以新能源为主来支撑能源行业。随着波动性可再生能源发电比例的不断提高,丹麦常规发电机组的运行模式从承担基本负荷逐渐转向中间和峰值负荷,预期中国也会出现类似的发展趋势。

    表2 丹麦近年的电源结构

    2. 丹麦改善火电机组灵活性的主要措施

    丹麦改善火电机组灵活性的主要措施主要表现在三个方面:

    (1) 丹麦建设了具有高集成度和高输送效率的输电网线路,目前丹麦由集中式的热电联产大机组转向发展分布式的热电联产小机组,其单机容量小就地供热,本身操作灵活,又利用集成度高的输电网线路能够高效地将风电输送至各处,其线路甚至能跨区域跨国家铺设,对风能的消纳起到了重要作用,间接地加强了热电联产机组的调峰能力,有效提升了火电机组整体的运行灵活性。

    (2) 政府调整了电力市场的交易结构和模式,出台激励政策来加强对参与调峰发电厂运营成本的重视,并安装了绩效监控系统,让火电企业能够优化日常的运行管理。此外,提倡企业利用最低的边际成本来购买电能,从而推进火电提升灵活性,而火电灵活性的提升又体现在日前和实时市场的交易量中,电力市场以及企业根据交易量的变化进行反馈调节,使整个能量供需系统达到了优化平衡的目的。

    (3) 政府主导对既有火电厂的技术改造投资:对已经建成的火电机组,在严格的技术经济评价之后进行灵活性改造,利用已有热存储容量实现机组供热和发电的脱钩,采用全蒸汽机组旁路和燃料的掺烧、混烧等技术等,改造更加注重提高效率和降低维护成本;根据当地的实际地理情况和需求水平适当地新建抽水蓄能电站、燃气电站和小型火电站等调峰电源和分布式储能设施。

    结束语

    基于我国的能源形势,为了建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系,我国将大力发展新能源发电。电力行业开展火电机组灵活性技术路径的研究,挖掘燃煤机组调峰潜力,是破解当前新能源消纳困境与减少弃风和弃光现象亟待推进的战略举措。

    目前国内火电机组灵活性改进措施主要围绕锅炉及其辅机系统的低负荷稳燃优化、热电机组利用储热装置实现热电解耦以及相关调峰运行方案的制定;电力市场则持续推进创新辅助服务机制,鼓励电、热生产企业和用户联合投资建设蓄热器,合理补偿调峰服务方的收益,提高企业调峰积极性,促进电力市场的良性竞争。

    火电机组灵活性技术开发,重点可从电厂热力系统的角度,利用已有设施进行技术改造,深挖调峰潜力;继续推进区域调峰电源以及相关储能系统的配套建设;对电网侧和用户侧而言,要完善输电技术、需求响应措施和峰谷电价机制等举措,综合优化热电联产与电能替代供热方案。

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