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            機組靈活性改造技術分析

            時間:2021-04-13 14:17:03 發布人:gdndt 瀏覽:

            項目背景:

            電力市場化改革的深入以及波動性可再生能源的增多,將使煤電機組逐步由提供電力、電量的主體性電源,向提供可靠電力、調峰調頻能力的基礎性電源轉變。提高火電靈活性,包括改善機組調峰能力、爬坡速度、啟停時間等多個方面。目前,我國純凝機組在實際運行中的調峰能力一般為額定容量的 50%左右,典型的抽凝機組在供熱期的調峰能力僅為額定容量的20%。

            通過靈活性改造,預期將使熱電機組增加20%額定容量的調峰能力,最小技術出力達到40%-50%額定容量;純凝機組增加 15%-20%額定容量的調峰能力,最小技術出力達到30%-35%額定容量,部分機組不投油穩燃時純凝工況最小技術出力達到 20%-25%。

            一、供熱機組靈活性改造的幾種常用技術路線分析:

            對于供熱機組進行靈活性改造,主要通過熱電解耦實現,當前的技術路線主要有:儲熱技術、電熱鍋爐、主再熱蒸汽輔助供熱、低壓轉子改光軸、低壓缸接近零出力供熱等技術。 

            1、儲熱技術 

            儲熱技術是在熱網中增加熱網循環水儲能系統,通過儲能系統能量的吸收和釋放,可實現“熱電解耦”,在供熱期可提高機組的變負荷靈活性。 





            上圖為蓄熱罐與熱網系統直接連接系統示意圖,蓄熱水罐系統在熱網中的連接方式一般采用直接連接,即蓄熱水罐直接并入熱網中去。但采暖季熱負荷最大的時間內,當蓄熱水罐無法單獨確保熱電解耦時,一般采用鍋爐抽汽方式或電鍋爐方案配合使用,與蓄熱水罐一起繼續保證蓄熱系統的熱電解耦時間。另外,當增加蓄熱系統后,在考慮最冷月采暖熱負荷的情況下,熱網循環水泵需分流一部分流量用于蓄熱,用于供熱的熱網循環水流量將減少,需要對供暖期最大供熱負荷下的熱網循環水流量進行核算,避免機組在最冷月份無法參與調峰。

            2、電熱鍋爐技術 

            電熱鍋爐技術主要分為電阻式鍋爐、電極式鍋爐、電熱相變材料鍋爐和電固體蓄熱鍋爐,其中做到高壓電直接接入和大功率直供發熱的方案是電極式鍋爐,電極式鍋爐是利用含電解質水的導電特性,通電后被加熱產生熱水或蒸汽,單臺鍋爐的最大功率可達 80 MW。電極鍋爐在歐洲的應用較多,投資的商業模式是提供電力市場價格平衡調節的手段,在上網電價低于某一定值時,通過電鍋爐將低利潤甚至負利潤的發電量轉化為高利潤的供熱量。

            3、主再熱蒸汽輔助供熱技術 

            主再熱蒸汽輔助供熱技術是考慮到汽輪機的運行特性和鍋爐燃燒運行工況,確保機組安全穩定運行,并盡可能減少機組改造工作量。從鍋爐主再熱蒸汽取汽,經減溫減壓,并滿足熱網加熱器設計要求參數時,進入熱網加熱器,使機組在低負荷運行工況下最大限度提升機組供熱能力。 

            4 、低壓轉子改光軸技術 

            光軸改造是將現有汽輪機改成高背壓式供熱機組,低壓缸不進汽,主蒸汽由高壓主汽門、高壓調節汽門進入高中壓缸做功。中壓排汽(部分低加回熱抽汽切除)全部進入熱網加熱器供熱。將低壓轉子拆除后,更換成一根光軸,連接高中壓轉子與發電機轉子,光軸僅起到傳遞扭矩的作用。 

            此技術改造后沒有低壓缸做功,可以回收原由低壓缸進入凝汽器排汽熱量,減少冷源損失,使盡可能多的蒸汽用于供熱。目前該技術應用的供熱機組較多,但由于將低壓轉子更換為光軸后低壓缸不進汽,機組帶電負荷能力在整個供熱期將隨之降低,因此機組實際調峰范圍并沒有實質性擴大,采用該技術主要是為提高機組供熱能力,擴大供熱面積。 

            5、低壓缸接近零出力技術 

            低壓缸接近零出力供熱技術,其核心是僅保留少量冷卻蒸汽進入低壓缸,實現低壓轉子“零”出力運行,更多的蒸汽進入供熱系統,提高供熱能力,降低供熱期機組負荷的出力下限,滿足調峰需求,同時減少了機組冷源損失,發電煤耗下降明顯。對于 300 MW 等級機組,改造后在相同主蒸汽量的條件下,采暖抽汽流量每增加 100 t/h,供熱負荷增加約 70 MW,電負荷調峰能力增大約 50 MW,發電煤耗降低約 36g/(kW·h)。該技術能夠實現供熱機組在抽汽凝汽與高背壓運行方式的不停機靈活切換,實現熱電解耦,總體成本低,改造費用低,運行維護費用小。 

            6、幾種技術路線對比與選擇 

            如表 1 所示,綜合對比分析現有火電機組靈活性改造技術路線的投資費用、運行成本以及各自的優缺點,低壓缸零出力供熱技術在初期投資、運行成本、深度調峰能力方面都比其他技術有優勢,非常適合現階段新建電廠以及已投產電廠機組靈活性改造,因此,電廠進行低壓缸零出力供熱技術改造更具有優勢。 


            二、純凝汽機組靈活性改造技術路線分析

            要點:純凝汽機組調峰能力主要取決于鍋爐的最小穩燃能力。因此靈活性改造的重點是鍋爐側。通過各種手段可降低鍋爐最低負荷。

            (1) 優化電廠磨煤機和燃燒器的協同配合,提高燃燒穩定性;擴展低負荷時燃料靈活性,比如摻燒生物質燃料;通過更換高品質合金材料,減小管道壁厚,提高鍋爐變負荷能力;

            (2) 增加倉儲式制粉系統可實現磨煤和燃燒過程的分離,這不僅能維持燃燒過程的穩定性,避免啟爐所需的重油燃料,而且當電力系統所需電力降低時,能使更多的電能應用到煤粉的研磨上;采用先進的爐內監視和診斷評估系統,實現長期優化燃燒;

            (3) 除了以上手段外,還通過改善燃燒室內空氣的分布、加裝省煤器旁路、給水泵回流管和更新鍋爐DCS控制系統等手段優化鍋爐系統,從而增大負荷區間,提高靈活性。

            詳細措施如下:

            (1)優化磨煤機和燃燒器

            提高火電機組超低負荷運行的能力。在沒有備用點火系統的支撐下,傳統燃煤電廠允許的最低負荷約為40%鍋爐最大連續蒸發量,不能滿足未來電力系統對火電廠最低負荷的需求。然而,通過改變磨煤機運行數量和燃燒器運行范圍優化可獲得25%的最低負荷(2臺磨煤機運行模式),在新建電廠中已經證實單臺磨煤機運行也能夠維持電廠系統穩定,將最低負荷進一步降低至20%以下,從而減少停爐次數。通過采用合適的燃燒器和單臺磨運行模式,德國已將最低負荷降至15%。

            圖:配置四臺磨煤機的燃燒系統運行范圍

            無論在新舊電廠中將最低負荷降至35%被認為是可行的。

            擴展燃料的靈活性

            生物質可作為摻燒燃料用于減少凈CO2排放量。針對大型的超超臨界機組,在低負荷時可運行1臺磨煤機并摻燒10%(熱量基)生物質燃料,提前將磨煤機投入運行可用于優化火電機組的啟動階段,隨后在低負荷運行時,在一次風系統中配置額外的燃燒器能節省更多的能量,這部分節能若用于干燥燃料,將使磨煤機的出力更快。在啟爐階段,通過快速轉換到最低負荷(煤與生物質摻燒),將節省高達90%的啟爐所需重油。

            為了燃燒水分含量較高或熱值較低的煤種,增加磨煤機前置預熱干燥能力是必然的選擇。若對電廠進行全面的升級改造,可采取大型的配置動態分離器磨煤機、具有大出力的一次風機等方案。

            安裝倉儲式制粉系統

            倉儲式制粉系統被成功地改造應用于煤粉鍋爐而獲得最低的鍋爐負荷。它也能提高鍋爐爬坡率和保持部分負荷下的較高效率。采用這種措施,瞬時燃燒率將不再由磨煤機隨時間變化的出力所決定,如圖3所示。磨煤和燃燒過程的分離導致了燃燒系統延遲慣性的明顯減少。這樣的布局允許燃燒的變化率高達10%/min (常規燃燒系統的變化率為2~5%/min)。如果電廠將倉儲式制粉系統與靈活性的燃燒器協調使用時,最低負荷能降低至10%。由于磨煤機能持續處于最優工況下運行,電廠效率在低負荷時也能有所提高。具體的倉儲式制粉系統的優勢參見表1。

            監視與優化燃燒

            近距離監視爐膛內的燃燒狀態對機組運行是非常重要的,尤其是不斷啟停爐的工況。鍋爐燃燒優化系統實時監測鍋爐燃燒過程參數,并采用神經網絡的“自我學習”技術。它具有以下特點:1. 提高鍋爐熱效率,減少發電用煤的消耗;2. 增強鍋爐對煤種變化的適應性,確保鍋爐運行穩定;3. 提高鍋爐對電網調度升降負荷的響應能力;4. 有效監測與防止鍋爐結焦、燃燒失衡對水冷壁的損傷;5. 幫助DCS取得最佳配風量等。

            (2)快速負荷變化率

            火電靈活性還包括增強機組的負荷爬升率及快速啟停的能力,這些能力與鍋爐系統管壁厚度、汽機噴嘴及葉片等金屬部件承受熱應力的能力都有關系,因此對金屬部件溫度場分布和熱應力的檢測是關系機組啟停次數和壽命的關鍵因素。在丹麥,外部加熱蒸汽或者熱存儲系統的應用減少了啟爐時間。國內某利用外部蒸汽加熱技術來加速1000MW 超臨界鍋爐的啟動。該技術加速了啟動過程,降低了廠用電耗,并減少了燃料消耗和因其產生的污染物排放量。


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