前言
近年来，随着我国经济发展进入新常态，电力生产消费也呈现新常态特征。由于电力消费增速减速换挡、煤电机组投产过多、煤电机组承担高速增长的非化石能源发电深度调峰和备用等功能的原因，国内火电设备利用小时持续下降，机组长期处于低负荷的“非经济负荷区”运行，这也从优化机组设备运行方式、加强设备技术改造等方面提出了提高低负荷运行经济性的实际需求。
热电解耦的目的是为了解决在供热期内，机组在“以热定电”的运行方式下，电负荷和热负荷之前的矛盾。在保证供热的前提下，能极大的降低机组电负荷，提高煤电机组调峰能力。
本文基于火电机组深度调峰和灵活性改造的需求，系统的总结了热电解耦技术路径，为火电机组实施灵活性改造提供参考、借鉴作用。
1 余热回收供热技术
余热回收利用改造可提高机组在热电解耦时段的供热能力。在供热季，由于汽轮机组受限于低压缸最小排汽流量，即便低负荷时仍有循环水上塔冷却，因此存在大量的循环水余热浪费。
可通过热泵技术或者低真空供热技术回收循环水余热供热。低真空供热技术需改造汽轮机转子，而且运行时以热定电运行，灵活性调峰功能较差，因此并不适用。热泵技术需要蒸汽或者电力等作为驱动，回收循环水余热，可提高机组供热能力，同时消耗蒸汽或者电量而降低机组电负荷。
低负荷运行时，锅炉产生的连排疏水，吹灰疏水，暖风机疏水等各路疏水的处理上存在能源不能回收加以利用，如：（1）连排疏水蒸汽经连排扩容器后，进入除氧器继续利用，而除氧器排氧门直接对空排气；（2）吹灰疏水通入定排扩容器后直接排放；（3）其他的管路阀门疏水通过锅炉疏水扩容器直接排放。
通过添加回收设备，能够统一回收利用连排疏水，吹灰疏水等电厂汽水系统低品位热能，用以加热主凝结水，以减少抽汽，提高机组效率，加温后的凝结水并入低压加热器出口管路。
2 采暖蒸汽调峰技术
针对现有常规供热机组，采暖抽汽从五段抽汽抽取。五段抽汽用户为采暖抽汽、五号低加用汽和低压辅汽。中压缸排汽分成两部分，一部分抽汽进入汽轮机中压缸末级出口引出的抽汽管道，另一部分通过中低压缸联通管进入低压缸做功。五段抽汽的量主要通过调整中低压缸联通管的LV阀开度来实现。关小LV阀，可使更多的中压缸排汽进入五段抽汽，进而进入采暖抽汽母管。
对于现有机组，首先采用运行方式调整来增大采暖抽汽量。通过关小LV阀减少低压缸进汽量，增大采暖可抽汽量。低压缸进汽量主要受限于低压缸最小排汽流量。在实际运行中，尤其在热电解耦低负荷运行阶段，可以依据汽轮机厂家提供的最小功率工况下，机组采暖抽汽口最大抽汽能力，判断在不同主机负荷下、不同主机进汽量下时抽汽量是否达到最大值。
3 蓄热调峰系统技术
蓄热调峰系统在供热期内运行，主要起到满足外网热负荷由于温度的变化，而发生的波动，以及实现在高峰值的热负荷情况下的热电解耦作用。
蓄热罐内部储存热水，因为工作压力为常压，最高工作温度不高于98℃。水温不同，水的密度不同，在一个足够大容器中，热水在上，冷水在下，中间为过渡层，这就是蓄热罐内水的分层原理。蓄热罐根据水的分层原理设计和工作的，并使其工作保持在高效率。蓄热时，热水从上部水管进入，冷水从下部水管排出，过渡层下移；放热时，热水从上部水管排出，冷水从下部水管进入，过渡层。
蓄热罐工作过程的实质就是其蓄热放热过程，在用户低负荷时，将多余的热能吸收储存，等负荷上升时再放出使用。蓄热罐工作时，应保证其进出口水量平衡，保持其液面稳定，使其处于最大工作能力。另外，为避免蓄热罐内的水溶解氧而被带入热网，降低热网水质，蓄热罐内的液面上通常充入蒸汽（或氮气），保持微正压，使蓄热罐内的水和空气隔离。
4 尖峰加热技术
在供热高寒期，外网热负荷偏高。机组要实现热电解耦，如果通过蓄热系统的调节仍然无法进行机组深度调峰的能力或者对机组深度调峰的能力有限时，可以增加尖峰加热系统以满足供热需求。可以抽取再热蒸汽或者主蒸汽进行减温减压后进行供热。
再热蒸汽供热可以分冷再热蒸汽或者热再热蒸汽两种形式。不论哪种形式，都受到机组轴向推力和高压缸末级叶片强度限制。对于冷再热蒸汽抽汽，还需要考虑锅炉再热器超温，因此冷再热抽汽量相对较小。若从冷再热蒸汽抽汽供热，需加设减温减压装置；对于从热再热蒸汽抽汽供热，可利用原低压旁路减温减压装置。
对于主蒸汽减温减压供热，将部分主蒸汽利用机组原有的高旁减温减压器或者新设置的减温减压器，利用锅炉给水泵出口减温后再进入锅炉再热器加热后从热再热蒸汽管道引出，后面还可根据蒸汽参数要求再进行减温减压。主蒸汽减温减压供热可不受抽汽汽量的限制。
5 电锅炉技术
5.1应用概况
在欧洲由于大量风电和光伏发电的快速发展，北欧和德国经常会出现负电价情况，因此很多火电厂通过电热锅炉生产热水供热，来增加火电厂的经济性。电热锅炉在欧洲投资的商业模式是提供电力市场价格平衡调节的手段。这是一个快速和有效的调节电力生产的方式，也是增加热电厂经济性的有效措施。
在北欧的电网系统和热电厂中，大功率的电热锅炉几乎全是电极锅炉，它们被安装在系统中的功能主要有三个：一是在电网中进行峰谷电的平衡和风电光电消纳；二是增加热电厂的火电灵活性，在不干扰机组锅炉汽机系统的条件下，快速实现深度调峰；三是电极蒸汽锅炉配合过热器作为核电站和常规火电机组的冷启动的启动锅炉，提供小汽机冲转和大汽机的启动暖缸等蒸汽来源。
电热锅炉在中国的应用合理性和场景是通过消纳弃风弃光来供热，在不影响机组运行的情况下，电热锅炉是快速实现深度调峰的一个有力的手段。特别是在风光水核等清洁能源发电资源丰富的地区。
电热锅炉技术在国际上主要分为电阻式锅炉、电极式锅炉、电热相变材料锅炉和电固体蓄热锅炉。
5.2电极式锅炉
电极式锅炉将高压电直接接入并大功率直供发热，单台锅炉的最大功率可达80MW。
电极锅炉的使用寿命一般按30年设计，电极一般需要半年清洗一次。
（1）工作原理
电极式锅炉一般采用电厂的除盐水，除盐水的导电率（25℃）一般为＜0.3μs/cm，该水属于不导电。因此锅炉内必须加入一定的电解质，使炉水具有一定的电阻，才能使其导电。当然炉水的导电率不是越高越好，否则容易造成击穿等事故。电极式锅炉就是利用含电解质水的导电特性，通电后被加热产生热水或蒸汽。
根据水流与电极的接触方式不同，电极锅炉主要有以下两种结构形式：
①浸没式电极锅炉：是指连接高压电源的电极直接浸没在锅炉的炉水中进行加热。炉水与锅炉外壁采用绝缘隔离的方式，避免锅炉金属筒体带电。
②喷射式电极锅炉：是指炉水直接喷射到电极上进行加热，而不是直接浸没在炉水中。因此电极与锅炉金属筒体是“相对隔离”的，金属筒体不需要绝缘。由于是利用水的电阻性直接进行加热，电能100%转化成热量，基本没有热损失。当锅炉缺水时，电极间的电流通道被切断。不存在类似常规锅炉那样因缺水烧坏的现象。
（2）与常规锅炉比较
①使用经济性方面
电极式锅炉从冷态到热态可以采用电热管进行加热，基本没有排放，因此效率接近100%。况且随时可以起停，非常方便。实际运行时间和成本都非常低。
常规锅炉由于带有过热器，为防止过热器过热损坏，因此必须通过排放蒸汽使其冷却，同时由于这类锅炉一般最小负荷在40%左右，因此造成很大的浪费。
②系统的复杂程度
电极式系统较简单，比常规锅炉多了中压电源系统，而减少了燃料系统。锅炉体积也小，因此占地面积也小。
③启动速度
电极锅炉体积小巧，启动迅速。从冷态启动到满负荷只需要几十分钟，从热态到满负荷只需1分钟。而常规锅炉的启动时间非常长，冷态启动时，一般需要2小时左右，热态一般为15~20分钟。
5.3电固体蓄热锅炉
高电压固体电蓄热设备，它是一种利用电作为动力的新型技术设备。“高电压固体电蓄热设备”是利用低谷电或弃风电采取固体储热方式的一种大功率新型热源。该设备无需变压器，可以直接在220kV电压等级下工作。设备可以全部消纳弃风电，实现了大规模和超大规模城市区域24小时连续供热能力，可以完全替代目前广泛使用的燃煤、燃气、燃油锅炉，使用过程中没有任何废气、废水、废渣产生，实现了二氧化碳零排放，是供热领域环保升级换代产品。
高电压固体电蓄热设备组成：高压电发热体；高温蓄能体；高温热交换器；热输出控制器；耐高温保温外壳和自动控制系统等组成。
工作原理为：在预设的电网低谷时段或风力发电弃风电时段，自动控制系统接通高压开关，高压电网为高压电发热体供电，高压电发热体将电能转换为热能同时被高温蓄能体不断吸收，当高温蓄热体温度达到设定上限温度或电网低谷时段结束或风力发电弃风电时段结束时，自动控制系统切断高压开关，高压电网停止供电，高压电发热体停止工作。高温蓄热体通过热输出控制器与高温热交换器连接，高温热交换器将高温蓄热体储存的高温热能转换为热水、热风或蒸汽输出。
6 切除低压缸供热技术
切除低压缸供热技术路线，即在供热季将汽轮机低压缸进汽全部切除，仅另外引接一股小流量蒸汽对低压缸进行冷却，使低压缸在高真空条件下空转运行，从而提高机组的供热能力。
切除低压缸供热主要考虑在高真空、极低流量条件下，低压转子的运行安全性，低压缸的切除方式以及机组抽汽凝气与背压运行方式的切换问题。该技术路线由于机组以背压机方式运行，无冷源损失，因此供热经济性好。
但是，国内在抽汽凝汽式供热机组中，还尚未进行相关技术的改造以及长时间运行经验，尤其是机组长时间内处于低负荷并且低压缸切除供热工况下运行，仍需进一步进行研究验证。
7 不同技术路线比选
目前火电灵活性改造主要技术路线如前所述主要有采暖抽汽调峰、再热蒸汽调峰、主蒸汽调峰和电锅炉调峰等。对于不同的技术比较如下：
从燃料成本角度分析，各种供热方式存在较大差异。如表1所示。
表1不同供热方式供热成本及调峰成本分析
从深度调峰能力分析，由于各灵活性改造技术路线所采用的调峰介质不同，其调峰能力也存在较大差异，具体如表2所示。
表2不同热电解耦技术路线比选
8 结论与建议
火电灵活性改造是一个系统工程，调峰手段应结合不同的调峰深度需求，按照用能原则，采用灵活的组合方式，优先采用余热供热和采暖抽汽调峰，再采用主再热蒸汽调峰，最后再采用电锅炉调峰。
注：本文作者王克，供职于上海市特种设备监督检验技术研究院。
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