我國火電機組缺乏靈活性的現狀與改善之路

2019-04-12 11:47:00
shenyanghzy
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導讀:電力發展“十三五”規劃中明確要求充分挖掘現有系統調峰潛力,增強 火電機組的靈活性,大幅度接納新能源入網。文中闡述了我國火電機組缺乏靈活性的現狀與潛在壓力,主要從系統儲熱改造和調峰運行策略的角度介紹了國內外關于提升火電機組靈活性技術的發展狀況,其中丹麥提升火電機組靈活性技術的實例有借鑒啟示,并初步提出了我國火電機組靈活性改善的路徑建議。

2016年11月初,國家發改委和能源局發布的電力發展“十三五”規劃(以下簡稱《規劃》)中明確表示要充分挖掘現有系統調峰潛力,著力增強系統尤其是火電機組的靈活性。自2006年頒布實施《可再生能源法》之后,我國新能源產業發展迅速。但是,由于新能源的波動性以及管理利用水平和配套政策的不完善等因素,新能源的消納成了一個能源電力領域亟待解決的新問題。與此同時,電力體制改革正通過有序縮減發用電計劃,開展發電企業與用戶直接交易,逐步擴大市場化電量的比例,為進一步完善電力市場提供空間。因此,從電網側、用戶側和電源側統籌規劃,提升火電機組靈活性,加強機組 調峰能力和消納新能源入網是“十三五”能源戰略的調整重點。

據統計資料顯示:2015年全國平均棄風率為15%;“三北”地區的棄風問題尤為嚴峻,棄風率超過30%?;痣娮鳛槲覈闹髁﹄娫?,目前裝機容量超過9億kW,而其中大容量火電機組的調峰深度不到50%,北方地區熱電機組的調峰深度只有20%左右。因此,探尋提升火電機組靈活性的技術路徑,以適應新的能源戰略要求,更好地接納新能源入網,以及實現在役大容量火電機組的技術改造優化都有實際意義。

我國火電機組缺乏靈活性的潛在壓力

1.能源與環境壓力

能源作為環境的組成部分,在能源開發和利用的整個生命周期中,從能源資源的開采、加工和運輸到二次能源的生產發電以及電力的傳輸和分配直至能源的最終消費,各階段都會對環境造成壓力,引起局部的、區域性的、乃至全球性的環境問題。

火電工業和能源緊密相關,僅化石能源的消耗使全世界每年排放二氧化碳320億t,二氧化硫1.2億t,氮氧化物1億t,帶來嚴重的環境污染和氣候變化問題。在我國,2014年火電行業二氧化硫、氮氧化物和粉塵的工業排放量分別達到了620萬t、710萬t和270萬t,造成了嚴重的霧霾和酸雨等污染現象;2015年全國電力工業煤炭消費量約20億t,造成的環境損失高達數千億。環境的日益惡化,引起了公眾的廣泛關注。

為了解決環境污染問題,過去二十年以來,我國關停了近9000萬kW的小容量機組,目前60萬kW及以上容量的火電機組在整個電力系統中的份額已經超越了三分之一。但是,我國大容量火電機組調峰運行時效率明顯下降,單位煤耗顯著上升,以新建1000MW機組為例,50%負荷下的供電煤耗比滿負荷時增加約20g/kWh。此外,低負荷運行時爐內燃燒的不穩定,引起了煙氣溫度和粉塵濃度等參數的大幅變化,嚴重影響了除塵器等設備的工作效率,污染物排放量也顯著增加。雖然火電結構向高參數、大容量優化轉型,但機組運行靈活性的不足仍然突顯了火電能耗和環保的壓力。

2. 電源結構壓力

我國的電源結構主要以火電為主,如表1所示。2015年全國發電裝機總容量為15.3億kW,比上年增長了約12%,增速幅度放緩。與此同時,電源結構也在逐漸調整。2014年,火電在能源結構組成中仍占約70%的比例,風能及太陽能等新能源只占不到10%;2015年,火力發電裝機容量則約占當年總容量的65%,穩中略降,新能源的比例則提升為13%,增幅明顯?!兑巹潯访鞔_表明,按照非化石能源消費比重達到15%的要求,到2020年,非化石能源發電裝機達到約7.7億kW,占比提高到39%;火電裝機力爭控制在11億kW以內,占比降至約55%。

表1 我國的電源結構

由此可見,隨著我國電網機組裝機容量的不斷擴大,傳統火電和新能源發展之間的矛盾也因此顯現。電網中大容量火電機組普遍參與電網的調峰,為可再生能源消納提供足夠的容量空間,以滿足電源結構中新能源比重提升的需要。我國大部分主力火電機組長期在65%~75%的負荷下運行,不僅調峰深度普遍不夠,而且機組運行能效和污染物控制能力明顯下降;煤電自身結構也有待進一步優化轉型以適應總體電源結構的改變。因此,火電機組缺乏靈活性面臨著來自電源結構調整的壓力。

3. 電力市場體制改革壓力

我國電力市場體制改革正在有序推進,在發電側引入了競爭機制,激勵企業以最佳的節能減排效益來獲得最大程度的競爭收益。傳統火電與新能源作為電力市場的主體,一同參與競爭,但國家電網節能減排的調度原則使火電企業不僅承擔了調峰任務,還面臨著利潤壓縮的風險。2015年,全國 火電機組平均運行小時數已經下降至4329h,并將長期保持在較低水平,部分火電基荷電源甚至將作為調峰電源運行。

在新的電力供需環境下,可再生能源處于優先地位,火電機組則擔負電網的穩定電源。隨著電力市場體制改革進程的不斷深入,政府需要通過政策激勵等手段,提升火電企業輔助服務積極性,其中完善輔助服務市場體制是關鍵?;痣娖髽I作為市場化環境下生產運營的決策者,必須結合已有的市場規則和自身技術特點,合理評估自2應用能源技術2017年第5期(總第233期)身在市場競爭中的地位,在電力市場交易中合理調整競價策略,實現利益最大化。

電力市場化改革明確用戶可與發電企業自主協商確定售電價格,鼓勵用戶選擇節能高效環保機組。電力資源的市場化配置,推動火電企業開展機組 靈活性改造,使其能夠根據市場需求靈活調節出力,讓出空間接納新能源發電入網,提升火電機組市場適應能力和市場競爭力。電力市場體制改革背景下火電機組缺乏靈活性就是缺乏競爭能力,這也是火電企業的內在壓力。

國內外關于提升火電機組靈活性技術的發展狀況

1.火電機組靈活性改造的研究方向

火電機組分為熱電機組和凝汽機組兩大類,歐美多數廣泛使用熱電聯產機組,但其中較大比重為大容量抽凝式機組;國內兩類機組都普遍存在,熱電機組裝機容量大約為火電總裝機容量的32%?;痣姍C組靈活性主要包括機組的調峰深度,爬坡能力和啟停速度等內容,改造主要的研究方向如圖1所示。調峰運行方式的優化和鍋爐燃燒系統的優化改造是火電機組靈活性改造的主要手段。

圖1 火電機組靈活性改造的主要研究方向

2. 火電機組的儲熱改造

國外對火電機組靈活性改造集中于小型化的熱電聯產機組展開,其中尤以儲熱裝置的研究非常流行,主要方法是運用energyPLUS、ANSYS等軟件進行建模分析,從而得到可行的改造方案。

在此基礎上,運用儲熱技術開發和利用儲熱鍋爐和儲熱式設備,建立靈活機動的中小型儲熱電站的方案逐漸成為熱點。儲熱設備與火電站改造相結合,不僅設計靈活,而且維修使用方便且易于管理。

瑞典斯德哥爾摩市政熱電廠的電鍋爐調峰項目便設置了臥式的大型蓄熱罐來實現機組靈活性的提升;德國和丹麥的供熱系統基本都配置大型蓄熱罐,同時在電源側和熱網側充當儲能設施,除了實現熱電廠短時間的熱電解耦,還可起到定壓補水和膨脹水箱的作用;我國東北部分地區也開始逐步采用采用蓄熱罐和電鍋爐改善熱電廠的調峰收益。

3. 儲能系統與聯合調峰運行策略

火電機組靈活性的改善需要大容量儲能技術相配合,除了上述利用儲熱裝置的方法以外,主要的儲能系統是以抽水蓄能電站、燃氣輪機電站和常規水電機組等為主的調峰電源。

由于相關技術相對較成熟,抽水蓄能電站是國內外建設調峰電源的首選。最佳抽水蓄能容量需綜合考慮操作和投資成本來確定,且必須與已有電站配合建設。我國抽水蓄能電站在電源結構的比例還很低,根據電網的資源優化配置,至2020年,抽水蓄能電站裝機達到4000萬左右比較符合我國的國情。

此外,利用以燃料電池為核心的儲能系統輔助調峰提高火電靈活性的技術也在持續研究中。燃料電池技術整體還不成熟,相關研究主要集中于材料、結構和催化劑的改良。近日,美國橡樹嶺國家實驗室能源部使用納米尖峰催化劑將溫室氣體二氧化碳轉化為乙醇,研究人員認為可利用二氧化碳可以制造和存儲為乙醇的特性,研制新型電池儲能系統平衡間歇電源對電網穩定性的影響。

風力、光伏發電等可再生能源發電方式的波動性極大影響了電力系統供電穩定性和可靠性,考慮調峰電源、傳統電源和新能源之間的聯合調峰運行也是提升火電機組靈活性的研究熱點。

4.火電機組的調峰優化措施

九十年代以來,為了在火電機組變工況調峰的過程中來提高 調峰能力和經濟性,研究人員從火電機組燃燒系統改造和變工況運行策略的角度對鍋爐設備的燃燒穩定性、水循環安全性和鍋爐輔機的限制等影響火電機組調峰能力的因素進行了深入研究。

機組調峰改造和節能改造一般結合進行,常見的低負荷燃燒與排放控制技術有:鍋爐的燃燒優化,包括對燃燒器、尾部煙道和磨煤機等輔助設備進行穩燃改造和燃料混燃技術等;系統加裝前置汽輪機來提高效率,廠用電錯峰轉移配合調整汽輪機出力大小;通過系統旁路改造和控制煙氣溫度,降低最小負荷出力,拓寬出力區間;尾部煙道凈化處理和相關污染物脫除技術等。從變工況調峰運行的角度來考慮,經過經濟性、安全性、機動性和調峰幅度比較評價之后,國內大多數火電機組使用低負荷運行方式,并且隨著負荷的降低,采用定壓-滑壓-定壓的運行方式;實際運行時除了考慮電網負荷特性、機組安全性和經濟性之外,還必須提高運行人員管理工況頻繁變化機組的操作水平等。

5. 國內外提升 火電機組靈活性的舉措

近年來,法國電力集團、意大利ENEL集團等歐洲知名區域能源運營商針對可再生能源發電的競爭,紛紛將原先火電廠進行儲熱改造,轉型成具有高靈活性的熱電聯產和深度調峰電廠。德國裝備制造協會專門列出了火電機組靈活性專項改造清單,從燃燒系統、鍋爐蒸汽制備到煙氣凈化處理等方面都出臺了具體規定,把火電機組從追求高效率的超超臨界技術轉變為關注機組靈活性,特別是機組的深度調峰和快速啟停能力。

2016年初,國家能源局委托電力規劃設計總院牽頭籌建提升中國火電靈活性協作平臺,研究制定我國火電機組靈活性升級改造技術路線等,協助國家能源局開展國內火電 靈活性改造示范試點工作。在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。

《規劃》則要求“十三五”期間,實現熱電機組靈活性改造1.33億kW,純凝機組改造8650萬kW,增加 調峰能力4600萬kW。這意味著我國已經對提升火電機組靈活性展開了全面研究并布置了相關實施措施。

丹麥消納新能源與改善火電機組靈活性實例

1. 丹麥的新能源消納現狀

丹麥作為一個風能利用大國,也是歐洲電力供應安全性最高的國家之一,其火電機組是世界上最靈活的發電機組之一,經驗值得借鑒。2015年,丹麥全國棄風量接近于零,風能的利用約占全國總能耗的42%,見表2,丹麥近年來以風力發電為主,可再生能源發電量快速增長。丹麥能源署明確表示,到2020年,其占比要高達50%,并且在2050年左右,丹麥將基本擺脫對化石燃料的依賴,以新能源為主來支撐能源行業。隨著波動性可再生能源發電比例的不斷提高,丹麥常規發電機組的運行模式從承擔基本負荷逐漸轉向中間和峰值負荷,預期中國也會出現類似的發展趨勢。

表2 丹麥近年的電源結構

2. 丹麥改善火電機組靈活性的主要措施

丹麥改善火電機組靈活性的主要措施主要表現在三個方面:

(1) 丹麥建設了具有高集成度和高輸送效率的輸電網線路,目前丹麥由集中式的熱電聯產大機組轉向發展分布式的熱電聯產小機組,其單機容量小就地供熱,本身操作靈活,又利用集成度高的輸電網線路能夠高效地將風電輸送至各處,其線路甚至能跨區域跨國家鋪設,對風能的消納起到了重要作用,間接地加強了熱電聯產機組的調峰能力,有效提升了火電機組整體的運行靈活性。

(2) 政府調整了電力市場的交易結構和模式,出臺激勵政策來加強對參與調峰發電廠運營成本的重視,并安裝了績效監控系統,讓火電企業能夠優化日常的運行管理。此外,提倡企業利用最低的邊際成本來購買電能,從而推進火電提升靈活性,而火電靈活性的提升又體現在日前和實時市場的交易量中,電力市場以及企業根據交易量的變化進行反饋調節,使整個能量供需系統達到了優化平衡的目的。

(3) 政府主導對既有火電廠的技術改造投資:對已經建成的火電機組,在嚴格的技術經濟評價之后進行靈活性改造,利用已有熱存儲容量實現機組供熱和發電的脫鉤,采用全蒸汽機組旁路和燃料的摻燒、混燒等技術等,改造更加注重提高效率和降低維護成本;根據當地的實際地理情況和需求水平適當地新建抽水蓄能電站、燃氣電站和小型火電站等調峰電源和分布式儲能設施。

結束語

基于我國的能源形勢,為了建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系,我國將大力發展新能源發電。電力行業開展火電機組靈活性技術路徑的研究,挖掘燃煤機組調峰潛力,是破解當前新能源消納困境與減少棄風和棄光現象亟待推進的戰略舉措。

目前國內火電機組靈活性改進措施主要圍繞鍋爐及其輔機系統的低負荷穩燃優化、熱電機組利用儲熱裝置實現熱電解耦以及相關調峰運行方案的制定;電力市場則持續推進創新輔助服務機制,鼓勵電、熱生產企業和用戶聯合投資建設蓄熱器,合理補償調峰服務方的收益,提高企業調峰積極性,促進電力市場的良性競爭。

火電機組靈活性技術開發,重點可從電廠熱力系統的角度,利用已有設施進行技術改造,深挖調峰潛力;繼續推進區域調峰電源以及相關儲能系統的配套建設;對電網側和用戶側而言,要完善輸電技術、需求響應措施和峰谷電價機制等舉措,綜合優化熱電聯產與電能替代供熱方案。

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