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【干货】东北地区火电机组提升调峰能力的灵活性改造方案
2017-03-02 10:20:37  作者:  来源:清洁高效燃煤发电  
  •   东北地区风电弃风问题严重,火电机组运营遭遇困难,开展火电灵活性改造可有效解决这些问题。介绍了当前火电灵活性改造的政策背景,分析了锅炉富氧燃烧、高压电锅炉、汽机抽汽减温减压及储热罐等灵活性改造技术的特点,针对供热机组和纯凝机组,提出了灵活性改造整体解决方案,并进行经济性核算,改造方案能够确保机组在调峰工况下安全、稳定运行,并获得可观的调峰补助。
    关键字: 火电灵活性 调峰

  1 当前新能源及火力发电发展的困境与对策

  1.新能源消纳困境

  近年来,风电等新能源持续快速发展的同时,2015年“三北”地区出现了严重的弃风现象,其弃风电量占全国弃风总量的80%。如何消纳弃风电量已成为制约我国风电发展的关键因素。

  依据国家能源局《电力发展“十三五”规划》、《风电发展“十三五”规划》,到2020年,我国风电装机将达到2.1亿千瓦,“十三五”增加8100万千瓦,增长率达63%;太阳能发电装机将达到1.1亿千瓦,“十三五”增加6700万千瓦,增长率达156%;2020年以后,风电和光伏装机将进一步增加[-2]。

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  未来,受到多方面因素影响,风电和光伏的消纳形势将日趋严峻,主要原因如下:

  (1)风光资源富集地区的风电和光伏的渗透率将进一步增加;

  (2)随着产业结构调整,用电负荷峰谷差将增大;

  (3)部分地区热电联产机组占比仍将持续增加,供热期调峰困难将加剧;

  (4)“三北”地区调峰电源建设条件有限,灵活性电源仍将短缺;

  破解风电消纳问题,可从提升电源调峰能力、调整风电布局、加强电网互济和负荷侧管理等多个方面采取措施。其中提升电源调峰能力的主要措施见表1。

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  东北地区火电比重近80%,快速灵活的调节电源较少,固有的电源结构,使系统调峰问题突出,不利于消纳风电。由于先天资源限制,在东北开展调峰燃气电站、抽水蓄能电站、储能电站均无法实现广泛应用,特别在冬季,火电供热期、水电枯水期、风电大发期相互叠加,导致调峰困难突出,弃风情况频出。为解决东北电网调峰的实际困难,应立即开展火电灵活性改造,通过技术手段提升火电机组的调峰能力,增加电网可灵活调节电源的比重。

  2.现役火电机组面临困境

  (1)近几年全国新增火电装机发展过快;

  根据中电联的数据,2015年全年净增火电装机7202万千瓦(其中煤电5186万千瓦),为2009年以来年度投产最多的一年。

  (2)现役火电机组发电利用小时大幅下降;

  全国实际火电的发电量连续两年负增长,利用小时2014~2016年逐年大幅下降。

  (3)国家能源局下发特急文件叫停13个省的新建火电项目;

  在2016年8月北京召开的一次能源研讨会上,一位能源学者更是抛出:“中国10年不建煤电项目也能满足电力增长需求”的言论。未来随着可再生能源的进一步发展和电力市场改革的推进,火电成为调峰机组是所有火电厂将要面临的常态。

  3.国内现役机火电组深度调峰存在的问题

  (1)锅炉低负荷稳燃和多煤种配煤掺烧的问题;

  (2)低负荷时段SCR系统运行问题(催化剂活性与排放未达标问题);

  (3)现有汽机旁路满足不了热电解耦要求;

  (4)热电联产机组以热定电,热电耦合,供热季电力调峰能力极差;

  (5)没有电极锅炉和大型蓄热水罐等深度调峰外部辅助设备。

  4.现役火电机组发展对策

  一是近期来看,火电厂尽早开展灵活性改造,可以保证机组优先上网,规避分摊成本,并通过参与深度调峰获得可观的调峰补贴收入。

  二是长远来看,新的电力供需环境在竞争性电力市场中,火电利用小时数将会长期保持在较低水平,部分火电基荷电源的角色将发生转变。火电厂需根据市场中的价格波动灵活调节出力,灵活性改造是大势所趋,有利于火电适应电力市场化进程。

  三是随着风电、光伏发电等新能源发电大规模投产、并网,调峰缺口将迅速扩大,调峰补贴总额稳定增长,“蛋糕越来越大”,具备深度调峰能力的火力发电厂将率先受益。

  2 政策支持

  2016年6月28日、7月28日,国家能源局先后下达两批火电灵活性改造试点项目的通知[3-4],分别确定辽宁丹东等16个项目、长春热电厂等6个项目为第一、二批提升火电灵活性改造试点项目。

  2016年7月22日,国家发展改革委、国家能源局《关于印发<可再生能源调峰机组优先发电试行办法>的通知》(发改运行〔2016〕1558号)要求[5] “逐步改变热电机组年度发电计划安排原则,坚持以热定电,鼓励热电机组在采暖期参与调峰”。

  2016年11月7日,国家发展改革委、国家能源局发布《电力发展“十三五”规划(2016-2020年)》要求 “加强调峰能力建设,提升系统灵活性”、“全面推动煤电机组灵活性改造”。

  2016年11月18日,国家能源局东北监管局批复[6]《东北电力辅助服务市场运营规则(试行)》,鼓励火电机组进行灵活性改造,提升调峰能力。其中第八十四条 【鼓励技改】指出火电机组进行重大技术改造参与调峰的,同等条件下优先调用其参与调峰。

  在《东北电力辅助服务市场运营规则(试行)》中,火电厂实施有偿调峰基准及补助如下:

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  根据《东北电力辅助服务市场运营规则(试行)》的通知,火电厂应急启调峰补偿基准如下:

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  3 提升调峰能力的灵活性改造技术

  火电机组灵活性提升目标:

  (1)深度调峰:负荷率达到20%~40%;

  (2)快速爬坡能力:2%~3%MW/min爬坡能力;

  (3)快速起停能力:2~4h快速启停。

  以下是符合东北地区火电机组情况的灵活性改造技术:

  3.1 锅炉富氧燃烧技术

  锅炉富氧燃烧技术是现有锅炉侧灵活性改造的最佳方案。

  所谓富氧燃烧技术,系利用小空间自稳燃烧原理,采用主动燃烧稳定结构设计与控制方法,实施燃煤火电灵活性改造。

  通过灵活性一体化系统智能调节氧量、油量(或天然气)等运行参数,整体运行安全,控制简单、易行,煤种适应性强(可适应褐煤、烟煤、贫煤、无烟煤、煤矸石等)。

  富氧燃烧技术安全性评估:

  (1)富氧燃烧系统使一次风煤粉以着火、主动燃烧进入炉膛,确保不会因为炉膛热负荷过低导致燃烧不稳或熄火,保证锅炉运行稳定。

  (2)富氧燃烧技术可适应任何工况,在保证燃烧设备安全的前提下连续运行,且能保证24小时备用。

  (3)富氧燃烧器采用耐高温、耐磨材质,可抵抗高温900-1200℃。

  (4)液氧技术成熟、安全可靠,氧气系统为低压设备、低压运行,不属于重大危险源。

  主要技术性能:

  (1)实现低负荷调峰——煤粉以提前主动燃烧状态进入炉膛,让整个锅炉煤粉不会因为炉膛热负荷过低燃烧不稳而熄火;

  (2)实现2%~3%额定负荷/min快速爬坡——一次风煤粉流以多层(点)投运,可实现增加单位时间内的入炉煤量,确保机组快速提升负荷;

  (3)实现2~4h快速启停——一次风煤粉流多层(点)投运,根据工况需求灵活调整入炉煤量,从而达到降低锅炉启/停时间的目的;

  (4)煤种适应性广泛——利用纯氧气强化煤粉中固碳的燃烧,对煤粉挥发份含量不做要求,有效提高锅炉煤种适应性;

  (5)保证SCR装置的高效投运——利用多层(点)的燃烧,抬高火焰中心,使烟气温度满足SCR投运要求(≥320℃);

  (6)能降低锅炉飞灰含碳量;

  (7)同比工况不会增加NOx排放——一次风粉在富氧燃烧器内提前主动着火燃烧,产生大量CO强还原剂,抑制并还原NOx,保证同比工况下不增加NOx排放。

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