煤电机组灵活性潜力诊断方法研究与建议

李艳杰

(国能集团(印尼)南苏发电有限公司)

0 前 言

电力系统在全世界范围内正在加速转型发展，推动转变的主要有三个因素。首先，随机性且较低运行成本的风能和太阳能资源等再生资源；其次，分布式能源的快速发展，例如，屋顶光伏电站和智能运输工具等；最后，智能化的发展，从发电到用户贯穿整个电力系统，从而带来了降低成本和提高性能的新机会。

从电源结构看，十年来我国传统化石能源发电装机比重持续下降、新能源装机比重明显上升。2020年火电装机比重较2011年下降了15.7个百分点，风电、太阳能发电装机比重上升了近20个百分点，发电装机结构进一步优化(图1 2011～2020年全国电力装机结构)。水电、风电、光伏、在建核电装机规模等多项指标保持世界第一。2021年4月，我国在出席领导人气候峰会上承诺，“中国将严控煤电项目，‘十四五’时期严控煤炭消费增长、‘十五五’时期逐步减少。”电力行业将加速低碳转型，发挥煤电保底的支撑作用，同时，要继续推进煤电机组灵活性改造，加快煤电向电量和电力调节型电源转换，实现煤电尽早达峰并在总量上尽快下降。

图1 2011～2020年全国电力装机结构

2020年，新增发电装机以新能源为增量主体。并网风电、太阳能发电新增装机合计11987万千瓦，超过上年新增装机总规模，占2020年新增发电装机总容量的62.8%，连续四年成为新增发电装机的主力(见图2)。2020年包括煤电、气电、生物质发电在内的火电新增装机占全部新增装机的29.53%，与2015年相比降低21个百分点；水电新增装机占比为6.93%。

图2 2015年与2020年新增电力装机结构对比

这些变化正在推动电力系统灵活性成为发展趋势，电力系统的结构性转型，煤电机组是电力系统转型发展中灵活性的最重要手段[1]。因此，电力系统为煤电机组灵活性创造条件，煤电机组运行优化挖掘灵活性潜力，必要时重大技术改造，创造适当的机会、市场和监管环境，以应对变化的影响，新建煤电机组要达到灵活性的规定要求。煤电机组灵活性改造和新建有利于加速投资、创新和使用智能、高效、灵活和环保的新技术。通过使用煤电机组灵活性潜力诊断方法，从在役煤电机组灵活性的运行优化、在役煤电机组灵活性的重大改造、新建煤电机组灵活性的来实现煤电机组灵活性的潜力，创新煤电机组灵活性解决方案的潜力，可供设计和运行参考。

1 煤电机组灵活性定义和特点

煤电机组灵活性定义[2]：国际上对火力发电厂定义实际包含了所有以燃烧方式将化学能转换成热能进而通过透平机带动发电机进行发电的电厂。而燃料除了常规的化石燃料如煤、油、天然气等之外，还包括了生物质和垃圾等可再生能源燃料。因此，火电灵活性主要包括两个方面：

(1)负荷调整的灵活性：深度调峰(锅炉及汽机的低负荷运行)、煤电机组快速启停、煤电机组爬坡速率和热电联产煤电机组的热电解耦。具体技术指标：煤电机组深度调峰达到规定的最低负荷；供热煤电机组实现热电解耦，即供热煤电机组深度调峰达到规定的最低负荷；煤电机组2～4小时的快速启停；煤电机组1%～2%爬坡能力。

(2)燃料的灵活性：火电厂燃料的可变性，包括煤、油、燃气等多种化石燃料，化石燃料与生物质燃料的混烧，甚至包括完全的生物质、垃圾等多种可再生能源燃料。目前，丹麦的主要大型火电煤电机组均实现了从传统煤粉炉向掺烧生物质，进而过度到完全的生物质或垃圾等可再生能源燃料的转换。

特点：煤电机组灵活性具有三个特点，一是时间性，电力供需从秒到年都需要持续平衡供需；二是具有约束性，在时间间隔内，控制参数或指标达到规定的数值；三是煤电机组适应能力多样化和智能化的功能是煤电机组灵活性发展趋势。

2 煤电机组灵活性潜力诊断方法

2.1 煤电机组灵活性潜力诊断原则

煤电机组灵活性潜力诊断工作应遵循安全性、系统性、针对性和实操性原则。具体如下：

(1)安全性。煤电机组灵活性潜力诊断要依靠科学、合理的评估方法，遵循国家、电力行业相关规程、规定、试验方法，提出改进技术方案，要确保煤电机组设备安全可靠运行。

(2)系统性。煤电机组灵活性潜力诊断工作涉及汽机、锅炉、电气、热控、公用设备等专业，系统性对主辅设备煤电机组整体性能诊断。煤电机组灵活性潜力诊断是一种系统化的方法，其系统性主要体现在以国家现有的灵活性能源政策、能源法规、指令、各种能源标准、技术评价原理为依据，对煤电机组灵活性全过程进行分析、对关键发电生产设备运行状况和性能指标进行灵活性潜力诊断。

(3)针对性。针对主要锅炉及辅助设备、汽轮机及辅助设备、电气设备、热控设备、公用系统等开展诊断工作。煤电机组灵活性潜力诊断结果采用针对性的量化分析，设备诊断重视证据和数据分析、核算，具有针对性，例如，性能试验报告，分析计算等方法，定量诊断煤电机组影响煤电机组灵活性因素，分析潜力。

(4)实操性。应根据发电企业特点，通过煤电机组灵活性诊断将可控因素分为运行优化、设备治理、技术改造等三个方面，树立从简单到复杂的整改思路，提出科学、合理、可操作的灵活性潜力诊断的技术改造方案、设备维护改进和运行调整意见。

2.2 煤电机组灵活性潜力诊断方法与技术路线

建立了一套发电企业煤电机组灵活性潜力诊断的方法与流程，使能耗诊断能够有效和规范的进行，达到实用化、系统化的要求。

2.2.1 诊断方法

发电设备和系统复杂性，单一或综合，可以选择如下方法。

标准对照法：是指通过对照相关节能法律法规、政策、电力行业及产业技术标准和规范等，对企业的煤电机组灵活性利用是否科学合理进行分析比对。

类比分析法：是指在缺乏相关标准规范的情况下，通过与处于电力行业煤电机组灵活性先进水平的既有设施进行对比，分析判断所评估设施的煤电机组灵活性是否科学合理。类比分析法应判断所参考的类比工程煤电机组灵活性水平是否达到同类型、同容量国内领先或先进水平，并具有时效性。

专家判断法：是指在采用上述两种诊断方法的同时，利用专家经验、知识和技能，对项目煤电机组灵活性是否科学合理进行分析判断的方法。

简单指标对比法：根据煤电机组和设备热力试验性能，定期进行统计和煤电机组工况分析，与同期比较、与历史趋势比较；与设计值比较、与同期最好值、与同类煤电机组先进值比较，分析存在的问题。

2.2.2 煤电机组灵活性潜力诊断技术路线

煤电机组灵活性潜力诊断工作的开展和实施可分如下阶段进行：

第一阶段：文件收集和审核。通过对企业现场诊断前提供的资料、数据进行分析，初步识别现场诊断中的关键点。近三年月度和年度指标统计台账；锅炉热力计算说明书；汽轮机热力特性说明书；辅助设备特性说明书；煤电机组灵活性试验报告；辅助设备性能试验报告；供热系统用汽参数、供热负荷等；煤电机组运行规程和系统图；掌握煤电机组利用小时、上网电价、发电成本、标煤单价、峰谷差等；近三年煤电机组灵活性方面开展的工作、实施的效果、存在问题和今后努力方向的新举措；已经实施的煤电机组灵活性改造设备清单和采用技术类型和效果。

第二阶段：有针对性的开展现场煤电机组灵活性潜力诊断工作。现场查看或收集锅炉及辅助设备、汽轮机及辅助设备、电气设备、热控设备、公用系统的设备运行参数和运行方式；重点掌握和分析主要主辅设备和系统工艺运行参数。在现场诊断阶段实地调研各种文件资料、与一线人员交流、发现现场问题、通过PI数据进行简单分析计算等。通过对生产数据、资料、实地情况等信息进行分析，定量的查找影响发电煤电机组灵活性指标的原因，查找问题。

第三阶段：提出煤电机组灵活性潜力的技术措施和建议。根据原始资料、数据和现场测试，分析影响发电煤电机组灵活性的主要问题，提出成熟的具有操作性的提升煤电机组灵活性的整改措施和整改目标，煤电机组灵活性潜力改造措施依据难易程度，可分为优化运行、设备治理、技术改造三种，依据实际条件适时的进行整改，有计划、有措施、有目标的提升煤电机组灵活性潜力，对各措施进行技术经济分析并提出可适用的措施，最后，编制完成煤电机组灵活性潜力诊断报告。

2.3 煤电机组灵活性潜力诊断技术依据

煤电机组灵活性潜力诊断的依据国家能源或电力行业煤电机组灵活性调峰规定等，国家和电力行业相关煤电机组灵活性技术标准或规定；煤电机组灵活性热力试验报告、煤电机组深度调峰数据、锅炉热力计算书、汽轮机热力特性、煤电机组深度调峰工作总结、煤电机组热态启停主要负荷和参数曲线、锅炉混配煤和掺烧技术方案、煤电机组一次调频和AGC负荷率变化率曲线、煤电机组灵活性技术改造方案和后评价等。

2.4 煤电机组灵活性潜力诊断指标

煤电机组机组灵活性潜力指标见表3 所示，按相互影响的层面划分，节能指标评价表的内容构成主要有二级指标，是依据国家、行业的相关标准以及现场规程和实践经验等建立起来的，针对煤电机组灵活性指标工作进行逐项评价。

表3 煤电煤电机组灵活性参数或指标构成

2.5 煤电机组灵活性潜力诊断内容

根据煤电机组灵活性的定义，涉及负荷调整灵活性和燃料灵活性，煤电机组灵活性潜力诊断采取，与煤电机组灵活性控制参数或指标对比的方法或类比法等，来诊断煤电机组灵活性潜力，煤电机组灵活性潜力诊断内容，具体内容为：

(1)锅炉燃烧多种、可变燃料能力与有关规定要求的差距，分析限制因素，提出改进措施；

(2)纯凝煤电机组深度调峰达到的最低负荷与规定的最低负荷或最小技术负荷差值，分析限制因素，提出改进措施；

(3)供热煤电机组满足热电供热需求情况下，煤电机组深度达到的最低负荷与规定值的最低负荷或最小技术负荷的差值，分析限制因素，提出改进措施；

(4)煤电机组热态快速启动时间与规定的煤电机组2-4小时的快速启动的差距，分析限制因素，提出改进措施；

(5)煤电机组调峰负荷范围内快速增加变化率与煤电机组1%-2%MW/min爬坡能力的差值，分析限制因素，提出改进措施。

3 煤电机组灵活性潜力诊断方法的应用

影响机组灵活性潜力的因素，不仅技术因素将决定机组的灵活性，而且，从成本角度来看，机组灵活性调峰给予一定的补偿政策。电力市场制定适当的灵活性策略，可以推行电力系统的各种灵活性措施，不仅需要考虑当前和未来的系统需要，同时要考虑在役和新建发电煤电机组、电力市场情况等状况，以及创新灵活性解决方案的潜力[1]。使用煤电机组灵活性潜力诊断方法，从三个方面分析在役煤电机组灵活性的运行优化、在役煤电机组灵活性的重大改造、新建煤电机组灵活性的来实现煤电机组灵活性的潜力。

3.1 在役煤电机组灵活性的运行优化的潜力

火力发电煤电机组无论是热电联产煤电机组还是纯凝煤电机组，首选的煤电机组深度调峰技术方案是不增加任何附加投资的设备和措施基础上，开展热力试验等，挖掘煤电机组本身的深度调峰潜力。通过锅炉掺烧、变煤种等试验来检验锅炉安全、技术性能和环保指标；通过煤电机组试验最低负荷、负荷变化率、停止和启动时间等试验来检验煤电机组性能指标与规定值或技术允许值的差值，更主要是金属控制指标，对热应力影响；热控协调优化和自动控制系统控制参数优化，锅炉燃烧更稳定、水汽参数更优化、汽轮机冷端经济合理等，提升煤电机组深度调峰或负荷变化时稳定性；利用在线实时监控方式，分析煤电机组运行参数和方式的变化情况，以及更主要安全限制因素，从而可以很好地提升在役煤电机组潜在的灵活性，最大限度的满足煤电机组灵活性的五项参数或指标；通过利用大数据平台，来分析锅炉燃烧工况优化、主要蒸汽参数、水系统参数、烟气参数、汽轮机进汽和冷端参数等变化规律，寻找煤电机组停止和启动，以及深度调峰的最优工况。某发电厂330 MW亚临界煤电机组应用掺烧低质煤、深度调峰30%负荷、一次调频负荷变化速度1.2%/min等均达到了区域电网的要求，取得了效果经济效益。

3.2 在役煤电机组灵活性的重大改造的潜力

根据煤电机组灵活性的运行优化，分析得出影响煤电机组深度调峰达到规定值的限制因素，可以提供一系列的针对性的重大改造方案，技术合理和投资回报率小于规定值，来改进煤电机组的各种灵活性参数，例如，锅炉适应燃料的多样性、负荷变化率、停止启动时间、煤电机组最低负荷等，从而进一步提升煤电机组灵活性潜力。具体操作是组深度调峰技术改造，一是遵循“量身定制”；二是根据区域电力系统环境，在役煤电机组与有关规定值得差距，论证确定最终的调峰深度负荷目标，避免改进技术受目标的变化而产生限制，同时避免投资浪费；三是以安全、可靠、环保为基础，综合考虑煤电机组经济性和灵活性性，逐个系统分析煤电机组深度调峰的技术瓶颈；四是遵循“投资少、见效快、收益高”；五是建议煤电机组深度调峰能力技术改造的技术路线是，确定调峰深度负荷目标值→煤电机组热力试验→煤电机组运行优化→技术瓶颈的技术改造→改造后热力试验→煤电机组深度调峰实施，力争满足煤电机组灵活性的五项参数或指标。某发电厂630 MW超临界煤电机组应用掺烧低质煤、深度调峰30%负荷、一次调频负荷变化速度1.5%/min等均达到了区域电网的要求，取得了效果经济效益。

3.3 新建煤电机组灵活性的技术创新的潜力

针对未来煤电机组将作为电网稳定的和可控的灵活性电源，且仍是燃煤是电网煤电机组灵活性调节最大的供给者。1990年12月能源部颁布了《发电厂调峰技术和安全导则》(能源部1990年12月)中，除劣质煤外，煤电机组调峰能力为30%-35%，以及《加强电网调峰工作若干规定》(能源部1990年12月)中，除劣质煤外新建煤电机组调峰能力为35%-40%。2018年国家发展改革委国家能源局《关于提升电力系统调节能力的指导意见》(发改能源〔2018〕364号)中“纯凝煤电机组最小技术出力达到30%～40%额定容量，热电联产煤电机组最小技术出力达到40%～50%额定容量;部分电厂达到国际先进水平，煤电机组不投油稳燃时纯凝工况最小技术出力达到20%～30%”。因此，未来煤电机组的目标深度调峰负荷20%-100%Ne范围，调峰能力达到80%Ne、煤电机组额定负荷效率达到50%、20%Ne深度调峰负荷煤耗比传统煤电机组下降2%，适应煤电机组热态快速启停调峰，负荷变化率2%Ne/min，锅炉燃煤同时可掺烧生物质和城市生活污泥等。因此，从源头制造和设计入手，开展重大制造装备锅炉、汽轮机、发电机关键设备灵活性容量和性能研究，组织进行设计制造计算、设计优化研究、设备选型等技术攻关，且开展煤电机组灵活性调峰工程试点，以推广应用,力争满足煤电机组灵活性的五项参数或指标。

4 结 论

可再生新能源快速发展带来的消纳空间需求，对煤电机组灵活性提升产生显著影响，煤电机组灵活性潜力诊断工作是非常重要的。

建议国家层面组织电力行业协会，编制机组灵活性潜力诊断导则，并且有资质第三方进行潜力诊断，出具报告，分析机组灵活性潜力，提出机组灵活性可以达到的性能指标的对策。综合考虑在役和新建发电机组、电力市场情况等状况，创新灵活性解决方案的潜力，尤其是建议组织修编《发电厂调峰技术和安全导则》(能源部1990年12月)，机组深度调峰对发电机组改造或新建的机组要求，制定机组深度调峰的必备功能和技术指标，便于在役机组技术改造适度投资和新建机组设计对设备选型和设计优化，投产后减少技术改造在增加的投入[3]；加快完善市场化营销体系建设，统筹发电、售电、增量配电、多种经营协同发展；研发电网区域电力现货辅助决策系统，分析发电成本等，推动现货交易准确和及时报价。

通过使用机组灵活性潜力诊断方法，从在役机组灵活性的运行优化、在役机组灵活性的重大改造、新建机组灵活性的来实现机组灵活性的潜力，创新机组灵活性解决方案的潜力。