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3. 电力市场体制改革压力
我国电力市场体制改革正在有序推进,在发电侧引入了竞争机制,激励企业以最佳的节能减排效益来获得最大程度的竞争收益。传统火电与新能源作为电力市场的主体,一同参与竞争,但国家电网节能减排的调度原则使火电企业不仅承担了调峰任务,还面临着利润压缩的风险。2015年,全国火电机组平均运行小时数已经下降至4329h,并将长期保持在较低水平,部分火电基荷电源甚至将作为调峰电源运行。
在新的电力供需环境下,可再生能源处于优先地位,火电机组则担负电网的稳定电源。随着电力市场体制改革进程的不断深入,政府需要通过政策激励等手段,提升火电企业辅助服务积极性,其中完善辅助服务市场体制是关键。火电企业作为市场化环境下生产运营的决策者,必须结合已有的市场规则和自身技术特点,合理评估自2应用能源技术2017年第5期(总第233期)身在市场竞争中的地位,在电力市场交易中合理调整竞价策略,实现利益最大化。
电力市场化改革明确用户可与发电企业自主协商确定售电价格,鼓励用户选择节能高效环保机组。电力资源的市场化配置,推动火电企业开展机组灵活性改造,使其能够根据市场需求灵活调节出力,让出空间接纳新能源发电入网,提升火电机组市场适应能力和市场竞争力。电力市场体制改革背景下火电机组缺乏灵活性就是缺乏竞争能力,这也是火电企业的内在压力。
国内外关于提升火电机组灵活性技术的发展状况
1.火电机组灵活性改造的研究方向
火电机组分为热电机组和凝汽机组两大类,欧美多数广泛使用热电联产机组,但其中较大比重为大容量抽凝式机组;国内两类机组都普遍存在,热电机组装机容量大约为火电总装机容量的32%。火电机组灵活性主要包括机组的调峰深度,爬坡能力和启停速度等内容,改造主要的研究方向如图1所示。调峰运行方式的优化和锅炉燃烧系统的优化改造是火电机组灵活性改造的主要手段。
图1 火电机组灵活性改造的主要研究方向
2. 火电机组的储热改造
国外对火电机组灵活性改造集中于小型化的热电联产机组展开,其中尤以储热装置的研究非常流行,主要方法是运用energyPLUS、ANSYS等软件进行建模分析,从而得到可行的改造方案。
在此基础上,运用储热技术开发和利用储热锅炉和储热式设备,建立灵活机动的中小型储热电站的方案逐渐成为热点。储热设备与火电站改造相结合,不仅设计灵活,而且维修使用方便且易于管理。
瑞典斯德哥尔摩市政热电厂的电锅炉调峰项目便设置了卧式的大型蓄热罐来实现机组灵活性的提升;德国和丹麦的供热系统基本都配置大型蓄热罐,同时在电源侧和热网侧充当储能设施,除了实现热电厂短时间的热电解耦,还可起到定压补水和膨胀水箱的作用;我国东北部分地区也开始逐步采用采用蓄热罐和电锅炉改善热电厂的调峰收益。
3. 储能系统与联合调峰运行策略
火电机组灵活性的改善需要大容量储能技术相配合,除了上述利用储热装置的方法以外,主要的储能系统是以抽水蓄能电站、燃气轮机电站和常规水电机组等为主的调峰电源。
由于相关技术相对较成熟,抽水蓄能电站是国内外建设调峰电源的首选。最佳抽水蓄能容量需综合考虑操作和投资成本来确定,且必须与已有电站配合建设。我国抽水蓄能电站在电源结构的比例还很低,根据电网的资源优化配置,至2020年,抽水蓄能电站装机达到4000万左右比较符合我国的国情。
此外,利用以燃料电池为核心的储能系统辅助调峰提高火电灵活性的技术也在持续研究中。燃料电池技术整体还不成熟,相关研究主要集中于材料、结构和催化剂的改良。近日,美国橡树岭国家实验室能源部使用纳米尖峰催化剂将温室气体二氧化碳转化为乙醇,研究人员认为可利用二氧化碳可以制造和存储为乙醇的特性,研制新型电池储能系统平衡间歇电源对电网稳定性的影响。
风力、光伏发电等可再生能源发电方式的波动性极大影响了电力系统供电稳定性和可靠性,考虑调峰电源、传统电源和新能源之间的联合调峰运行也是提升火电机组灵活性的研究热点。
4.火电机组的调峰优化措施
九十年代以来,为了在火电机组变工况调峰的过程中来提高调峰能力和经济性,研究人员从火电机组燃烧系统改造和变工况运行策略的角度对锅炉设备的燃烧稳定性、水循环安全性和锅炉辅机的限制等影响火电机组调峰能力的因素进行了深入研究。
机组调峰改造和节能改造一般结合进行,常见的低负荷燃烧与排放控制技术有:锅炉的燃烧优化,包括对燃烧器、尾部烟道和磨煤机等辅助设备进行稳燃改造和燃料混燃技术等;系统加装前置汽轮机来提高效率,厂用电错峰转移配合调整汽轮机出力大小;通过系统旁路改造和控制烟气温度,降低最小负荷出力,拓宽出力区间;尾部烟道净化处理和相关污染物脱除技术等。从变工况调峰运行的角度来考虑,经过经济性、安全性、机动性和调峰幅度比较评价之后,国内大多数火电机组使用低负荷运行方式,并且随着负荷的降低,采用定压-滑压-定压的运行方式;实际运行时除了考虑电网负荷特性、机组安全性和经济性之外,还必须提高运行人员管理工况频繁变化机组的操作水平等。
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