導(dǎo)讀：電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃中明確要求充分挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)峰潛力，增強(qiáng)火電機(jī)組的靈活性，大幅度接納新能源入網(wǎng)。文中闡述了我國火電機(jī)組缺乏靈活性的現(xiàn)狀與潛在壓力，主要從系統(tǒng)儲(chǔ)熱改造和調(diào)峰運(yùn)行策略的角度介紹了國內(nèi)外關(guān)于提升火電機(jī)組靈活性技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，其中丹麥提升火電機(jī)組靈活性技術(shù)的實(shí)例有借鑒啟示，并初步提出了我國火電機(jī)組靈活性改善的路徑建議。

2016年11月初，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布的電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(以下簡稱《規(guī)劃》)中明確表示要充分挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)峰潛力，著力增強(qiáng)系統(tǒng)尤其是火電機(jī)組的靈活性。自2006年頒布實(shí)施《可再生能源法》之后，我國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。但是，由于新能源的波動(dòng)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(gè)能源電力領(lǐng)域亟待解決的新問題。與此同時(shí)，電力體制改革正通過有序縮減發(fā)用電計(jì)劃，開展發(fā)電企業(yè)與用戶直接交易，逐步擴(kuò)大市場化電量的比例，為進(jìn)一步完善電力市場提供空間。因此，從電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)和電源側(cè)統(tǒng)籌規(guī)劃，提升火電機(jī)組靈活性，加強(qiáng)機(jī)組調(diào)峰能力和消納新能源入網(wǎng)是“十三五”能源戰(zhàn)略的調(diào)整重點(diǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示:2015年全國平均棄風(fēng)率為15%;“三北”地區(qū)的棄風(fēng)問題尤為嚴(yán)峻，棄風(fēng)率超過30%?；痣娮鳛槲覈闹髁﹄娫?，目前裝機(jī)容量超過9億kW，而其中大容量火電機(jī)組的調(diào)峰深度不到50%，北方地區(qū)熱電機(jī)組的調(diào)峰深度只有20%左右。因此，探尋提升火電機(jī)組靈活性的技術(shù)路徑，以適應(yīng)新的能源戰(zhàn)略要求，更好地接納新能源入網(wǎng)，以及實(shí)現(xiàn)在役大容量火電機(jī)組的技術(shù)改造優(yōu)化都有實(shí)際意義。

我國火電機(jī)組缺乏靈活性的潛在壓力

1.能源與環(huán)境壓力

能源作為環(huán)境的組成部分，在能源開發(fā)和利用的整個(gè)生命周期中，從能源資源的開采、加工和運(yùn)輸?shù)蕉文茉吹纳a(chǎn)發(fā)電以及電力的傳輸和分配直至能源的最終消費(fèi)，各階段都會(huì)對(duì)環(huán)境造成壓力，引起局部的、區(qū)域性的、乃至全球性的環(huán)境問題。

火電工業(yè)和能源緊密相關(guān)，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(yán)重的環(huán)境污染和氣候變化問題。在我國，2014年火電行業(yè)二氧化硫、氮氧化物和粉塵的工業(yè)排放量分別達(dá)到了620萬t、710萬t和270萬t，造成了嚴(yán)重的霧霾和酸雨等污染現(xiàn)象;2015年全國電力工業(yè)煤炭消費(fèi)量約20億t，造成的環(huán)境損失高達(dá)數(shù)千億。環(huán)境的日益惡化，引起了公眾的廣泛關(guān)注。

為了解決環(huán)境污染問題，過去二十年以來，我國關(guān)停了近9000萬kW的小容量機(jī)組，目前60萬kW及以上容量的火電機(jī)組在整個(gè)電力系統(tǒng)中的份額已經(jīng)超越了三分之一。但是，我國大容量火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)效率明顯下降，單位煤耗顯著上升，以新建1000MW機(jī)組為例，50%負(fù)荷下的供電煤耗比滿負(fù)荷時(shí)增加約20g/kWh。此外，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)燃燒的不穩(wěn)定，引起了煙氣溫度和粉塵濃度等參數(shù)的大幅變化，嚴(yán)重影響了除塵器等設(shè)備的工作效率，污染物排放量也顯著增加。雖然火電結(jié)構(gòu)向高參數(shù)、大容量優(yōu)化轉(zhuǎn)型，但機(jī)組運(yùn)行靈活性的不足仍然突顯了火電能耗和環(huán)保的壓力。

2. 電源結(jié)構(gòu)壓力

我國的電源結(jié)構(gòu)主要以火電為主，如表1所示。2015年全國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繛?5.3億kW，比上年增長了約12%，增速幅度放緩。與此同時(shí)，電源結(jié)構(gòu)也在逐漸調(diào)整。2014年，火電在能源結(jié)構(gòu)組成中仍占約70%的比例，風(fēng)能及太陽能等新能源只占不到10%;2015年，火力發(fā)電裝機(jī)容量則約占當(dāng)年總?cè)萘康?5%，穩(wěn)中略降，新能源的比例則提升為13%，增幅明顯?！兑?guī)劃》明確表明，按照非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到15%的要求，到2020年，非化石能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到約7.7億kW，占比提高到39%;火電裝機(jī)力爭控制在11億kW以內(nèi)，占比降至約55%。

表1 我國的電源結(jié)構(gòu)

由此可見，隨著我國電網(wǎng)機(jī)組裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)火電和新能源發(fā)展之間的矛盾也因此顯現(xiàn)。電網(wǎng)中大容量火電機(jī)組普遍參與電網(wǎng)的調(diào)峰，為可再生能源消納提供足夠的容量空間，以滿足電源結(jié)構(gòu)中新能源比重提升的需要。我國大部分主力火電機(jī)組長期在65%～75%的負(fù)荷下運(yùn)行，不僅調(diào)峰深度普遍不夠，而且機(jī)組運(yùn)行能效和污染物控制能力明顯下降;煤電自身結(jié)構(gòu)也有待進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)型以適應(yīng)總體電源結(jié)構(gòu)的改變。因此，火電機(jī)組缺乏靈活性面臨著來自電源結(jié)構(gòu)調(diào)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(jìn)，在發(fā)電側(cè)引入了競爭機(jī)制，激勵(lì)企業(yè)以最佳的節(jié)能減排效益來獲得最大程度的競爭收益。傳統(tǒng)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(wǎng)節(jié)能減排的調(diào)度原則使火電企業(yè)不僅承擔(dān)了調(diào)峰任務(wù)，還面臨著利潤壓縮的風(fēng)險(xiǎn)。2015年，全國火電機(jī)組平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)已經(jīng)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(diào)峰電源運(yùn)行。

在新的電力供需環(huán)境下，可再生能源處于優(yōu)先地位，火電機(jī)組則擔(dān)負(fù)電網(wǎng)的穩(wěn)定電源。隨著電力市場體制改革進(jìn)程的不斷深入，政府需要通過政策激勵(lì)等手段，提升火電企業(yè)輔助服務(wù)積極性，其中完善輔助服務(wù)市場體制是關(guān)鍵?；痣娖髽I(yè)作為市場化環(huán)境下生產(chǎn)運(yùn)營的決策者，必須結(jié)合已有的市場規(guī)則和自身技術(shù)特點(diǎn)，合理評(píng)估自2應(yīng)用能源技術(shù)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(diào)整競價(jià)策略，實(shí)現(xiàn)利益最大化。

電力市場化改革明確用戶可與發(fā)電企業(yè)自主協(xié)商確定售電價(jià)格，鼓勵(lì)用戶選擇節(jié)能高效環(huán)保機(jī)組。電力資源的市場化配置，推動(dòng)火電企業(yè)開展機(jī)組靈活性改造，使其能夠根據(jù)市場需求靈活調(diào)節(jié)出力，讓出空間接納新能源發(fā)電入網(wǎng)，提升火電機(jī)組市場適應(yīng)能力和市場競爭力。電力市場體制改革背景下火電機(jī)組缺乏靈活性就是缺乏競爭能力，這也是火電企業(yè)的內(nèi)在壓力。

國內(nèi)外關(guān)于提升火電機(jī)組靈活性技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1.火電機(jī)組靈活性改造的研究方向

火電機(jī)組分為熱電機(jī)組和凝汽機(jī)組兩大類，歐美多數(shù)廣泛使用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，但其中較大比重為大容量抽凝式機(jī)組;國內(nèi)兩類機(jī)組都普遍存在，熱電機(jī)組裝機(jī)容量大約為火電總裝機(jī)容量的32%。火電機(jī)組靈活性主要包括機(jī)組的調(diào)峰深度，爬坡能力和啟停速度等內(nèi)容，改造主要的研究方向如圖1所示。調(diào)峰運(yùn)行方式的優(yōu)化和鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化改造是火電機(jī)組靈活性改造的主要手段。

圖1 火電機(jī)組靈活性改造的主要研究方向

2. 火電機(jī)組的儲(chǔ)熱改造

國外對(duì)火電機(jī)組靈活性改造集中于小型化的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組展開，其中尤以儲(chǔ)熱裝置的研究非常流行，主要方法是運(yùn)用energyPLUS、ANSYS等軟件進(jìn)行建模分析，從而得到可行的改造方案。

在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用儲(chǔ)熱技術(shù)開發(fā)和利用儲(chǔ)熱鍋爐和儲(chǔ)熱式設(shè)備，建立靈活機(jī)動(dòng)的中小型儲(chǔ)熱電站的方案逐漸成為熱點(diǎn)。儲(chǔ)熱設(shè)備與火電站改造相結(jié)合，不僅設(shè)計(jì)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(diào)峰項(xiàng)目便設(shè)置了臥式的大型蓄熱罐來實(shí)現(xiàn)機(jī)組靈活性的提升;德國和丹麥的供熱系統(tǒng)基本都配置大型蓄熱罐，同時(shí)在電源側(cè)和熱網(wǎng)側(cè)充當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)施，除了實(shí)現(xiàn)熱電廠短時(shí)間的熱電解耦，還可起到定壓補(bǔ)水和膨脹水箱的作用;我國東北部分地區(qū)也開始逐步采用采用蓄熱罐和電鍋爐改善熱電廠的調(diào)峰收益。

3. 儲(chǔ)能系統(tǒng)與聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行策略

火電機(jī)組靈活性的改善需要大容量儲(chǔ)能技術(shù)相配合，除了上述利用儲(chǔ)熱裝置的方法以外，主要的儲(chǔ)能系統(tǒng)是以抽水蓄能電站、燃?xì)廨啓C(jī)電站和常規(guī)水電機(jī)組等為主的調(diào)峰電源。

由于相關(guān)技術(shù)相對(duì)較成熟，抽水蓄能電站是國內(nèi)外建設(shè)調(diào)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(shè)。我國抽水蓄能電站在電源結(jié)構(gòu)的比例還很低，根據(jù)電網(wǎng)的資源優(yōu)化配置，至2020年，抽水蓄能電站裝機(jī)達(dá)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(chǔ)能系統(tǒng)輔助調(diào)峰提高火電靈活性的技術(shù)也在持續(xù)研究中。燃料電池技術(shù)整體還不成熟，相關(guān)研究主要集中于材料、結(jié)構(gòu)和催化劑的改良。近日，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室能源部使用納米尖峰催化劑將溫室氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇，研究人員認(rèn)為可利用二氧化碳可以制造和存儲(chǔ)為乙醇的特性，研制新型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡間歇電源對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

風(fēng)力、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電方式的波動(dòng)性極大影響了電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性和可靠性，考慮調(diào)峰電源、傳統(tǒng)電源和新能源之間的聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行也是提升火電機(jī)組靈活性的研究熱點(diǎn)。

4.火電機(jī)組的調(diào)峰優(yōu)化措施

九十年代以來，為了在火電機(jī)組變工況調(diào)峰的過程中來提高調(diào)峰能力和經(jīng)濟(jì)性，研究人員從火電機(jī)組燃燒系統(tǒng)改造和變工況運(yùn)行策略的角度對(duì)鍋爐設(shè)備的燃燒穩(wěn)定性、水循環(huán)安全性和鍋爐輔機(jī)的限制等影響火電機(jī)組調(diào)峰能力的因素進(jìn)行了深入研究。

機(jī)組調(diào)峰改造和節(jié)能改造一般結(jié)合進(jìn)行，常見的低負(fù)荷燃燒與排放控制技術(shù)有：鍋爐的燃燒優(yōu)化，包括對(duì)燃燒器、尾部煙道和磨煤機(jī)等輔助設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)燃改造和燃料混燃技術(shù)等;系統(tǒng)加裝前置汽輪機(jī)來提高效率，廠用電錯(cuò)峰轉(zhuǎn)移配合調(diào)整汽輪機(jī)出力大小;通過系統(tǒng)旁路改造和控制煙氣溫度，降低最小負(fù)荷出力，拓寬出力區(qū)間;尾部煙道凈化處理和相關(guān)污染物脫除技術(shù)等。從變工況調(diào)峰運(yùn)行的角度來考慮，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性、安全性、機(jī)動(dòng)性和調(diào)峰幅度比較評(píng)價(jià)之后，國內(nèi)大多數(shù)火電機(jī)組使用低負(fù)荷運(yùn)行方式，并且隨著負(fù)荷的降低，采用定壓-滑壓-定壓的運(yùn)行方式;實(shí)際運(yùn)行時(shí)除了考慮電網(wǎng)負(fù)荷特性、機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性之外，還必須提高運(yùn)行人員管理工況頻繁變化機(jī)組的操作水平等。

5. 國內(nèi)外提升火電機(jī)組靈活性的舉措

近年來，法國電力集團(tuán)、意大利ENEL集團(tuán)等歐洲知名區(qū)域能源運(yùn)營商針對(duì)可再生能源發(fā)電的競爭，紛紛將原先火電廠進(jìn)行儲(chǔ)熱改造，轉(zhuǎn)型成具有高靈活性的熱電聯(lián)產(chǎn)和深度調(diào)峰電廠。德國裝備制造協(xié)會(huì)專門列出了火電機(jī)組靈活性專項(xiàng)改造清單，從燃燒系統(tǒng)、鍋爐蒸汽制備到煙氣凈化處理等方面都出臺(tái)了具體規(guī)定，把火電機(jī)組從追求高效率的超超臨界技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注機(jī)組靈活性，特別是機(jī)組的深度調(diào)峰和快速啟停能力。

2016年初，國家能源局委托電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院牽頭籌建提升中國火電靈活性協(xié)作平臺(tái)，研究制定我國火電機(jī)組靈活性升級(jí)改造技術(shù)路線等，協(xié)助國家能源局開展國內(nèi)火電靈活性改造示范試點(diǎn)工作。在2016年6月和7月，國家能源局綜合司分別下達(dá)了兩批火電機(jī)組靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知，確定丹東電廠等22個(gè)項(xiàng)目為提升火電機(jī)組的靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目，共涉及44臺(tái)機(jī)組，約1818萬kW。

《規(guī)劃》則要求“十三五”期間，實(shí)現(xiàn)熱電機(jī)組靈活性改造1.33億kW，純凝機(jī)組改造8650萬kW，增加調(diào)峰能力4600萬kW。這意味著我國已經(jīng)對(duì)提升火電機(jī)組靈活性展開了全面研究并布置了相關(guān)實(shí)施措施。

丹麥消納新能源與改善火電機(jī)組靈活性實(shí)例

1. 丹麥的新能源消納現(xiàn)狀

丹麥作為一個(gè)風(fēng)能利用大國，也是歐洲電力供應(yīng)安全性最高的國家之一，其火電機(jī)組是世界上最靈活的發(fā)電機(jī)組之一，經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。2015年，丹麥全國棄風(fēng)量接近于零，風(fēng)能的利用約占全國總能耗的42%，見表2，丹麥近年來以風(fēng)力發(fā)電為主，可再生能源發(fā)電量快速增長。丹麥能源署明確表示，到2020年，其占比要高達(dá)50%，并且在2050年左右，丹麥將基本擺脫對(duì)化石燃料的依賴，以新能源為主來支撐能源行業(yè)。隨著波動(dòng)性可再生能源發(fā)電比例的不斷提高，丹麥常規(guī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行模式從承擔(dān)基本負(fù)荷逐漸轉(zhuǎn)向中間和峰值負(fù)荷，預(yù)期中國也會(huì)出現(xiàn)類似的發(fā)展趨勢。

表2 丹麥近年的電源結(jié)構(gòu)

2. 丹麥改善火電機(jī)組靈活性的主要措施

丹麥改善火電機(jī)組靈活性的主要措施主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:

(1) 丹麥建設(shè)了具有高集成度和高輸送效率的輸電網(wǎng)線路，目前丹麥由集中式的熱電聯(lián)產(chǎn)大機(jī)組轉(zhuǎn)向發(fā)展分布式的熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組，其單機(jī)容量小就地供熱，本身操作靈活，又利用集成度高的輸電網(wǎng)線路能夠高效地將風(fēng)電輸送至各處，其線路甚至能跨區(qū)域跨國家鋪設(shè)，對(duì)風(fēng)能的消納起到了重要作用，間接地加強(qiáng)了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰能力，有效提升了火電機(jī)組整體的運(yùn)行靈活性。

(2) 政府調(diào)整了電力市場的交易結(jié)構(gòu)和模式，出臺(tái)激勵(lì)政策來加強(qiáng)對(duì)參與調(diào)峰發(fā)電廠運(yùn)營成本的重視，并安裝了績效監(jiān)控系統(tǒng)，讓火電企業(yè)能夠優(yōu)化日常的運(yùn)行管理。此外，提倡企業(yè)利用最低的邊際成本來購買電能，從而推進(jìn)火電提升靈活性，而火電靈活性的提升又體現(xiàn)在日前和實(shí)時(shí)市場的交易量中，電力市場以及企業(yè)根據(jù)交易量的變化進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使整個(gè)能量供需系統(tǒng)達(dá)到了優(yōu)化平衡的目的。

(3) 政府主導(dǎo)對(duì)既有火電廠的技術(shù)改造投資:對(duì)已經(jīng)建成的火電機(jī)組，在嚴(yán)格的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)之后進(jìn)行靈活性改造，利用已有熱存儲(chǔ)容量實(shí)現(xiàn)機(jī)組供熱和發(fā)電的脫鉤，采用全蒸汽機(jī)組旁路和燃料的摻燒、混燒等技術(shù)等，改造更加注重提高效率和降低維護(hù)成本;根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地理情況和需求水平適當(dāng)?shù)匦陆ǔ樗钅茈娬尽⑷細(xì)怆娬竞托⌒突痣娬镜日{(diào)峰電源和分布式儲(chǔ)能設(shè)施。

結(jié)束語

基于我國的能源形勢，為了建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，我國將大力發(fā)展新能源發(fā)電。電力行業(yè)開展火電機(jī)組靈活性技術(shù)路徑的研究，挖掘燃煤機(jī)組調(diào)峰潛力，是破解當(dāng)前新能源消納困境與減少棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象亟待推進(jìn)的戰(zhàn)略舉措。

目前國內(nèi)火電機(jī)組靈活性改進(jìn)措施主要圍繞鍋爐及其輔機(jī)系統(tǒng)的低負(fù)荷穩(wěn)燃優(yōu)化、熱電機(jī)組利用儲(chǔ)熱裝置實(shí)現(xiàn)熱電解耦以及相關(guān)調(diào)峰運(yùn)行方案的制定;電力市場則持續(xù)推進(jìn)創(chuàng)新輔助服務(wù)機(jī)制，鼓勵(lì)電、熱生產(chǎn)企業(yè)和用戶聯(lián)合投資建設(shè)蓄熱器，合理補(bǔ)償調(diào)峰服務(wù)方的收益，提高企業(yè)調(diào)峰積極性，促進(jìn)電力市場的良性競爭。

火電機(jī)組靈活性技術(shù)開發(fā)，重點(diǎn)可從電廠熱力系統(tǒng)的角度，利用已有設(shè)施進(jìn)行技術(shù)改造，深挖調(diào)峰潛力;繼續(xù)推進(jìn)區(qū)域調(diào)峰電源以及相關(guān)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配套建設(shè);對(duì)電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)而言，要完善輸電技術(shù)、需求響應(yīng)措施和峰谷電價(jià)機(jī)制等舉措，綜合優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)與電能替代供熱方案。

作者：龔勝，石奇光，冒玉晨，孫浩祖

原標(biāo)題:我國火電機(jī)組缺乏靈活性的現(xiàn)狀與改善之路