中國儲能網(wǎng)訊：加快發(fā)展可再生能源是國際社會應(yīng)對能源資源緊張、環(huán)境惡化、氣候變暖的重要手段。近年來，在國家政策的大力引導(dǎo)下，我國可再生能源保持持續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢。截至2019年底，風(fēng)電與光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到2.1億kW和2.04億kW，年發(fā)電量分別達(dá)到4057億kW·h 和2243億kW·h，我國穩(wěn)居可再生能源消納量最大的國家。
與此同時，由于火電靈活性改造等一列措施的推動，我國可再生能源消納情況實現(xiàn)了逐步改善。為實現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費革命的目標(biāo)，“十四五”期間，可再生能源將繼續(xù)維持高速發(fā)展態(tài)勢，風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量將有望達(dá)到“雙4億”的目標(biāo)。
因此，電力系統(tǒng)調(diào)峰問題、平衡調(diào)節(jié)能力提升問題將貫穿“十四五” 期間。我國電源結(jié)構(gòu)性矛盾突出，系統(tǒng)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足是影響我國可再生能源消納的核心問題。我國電源結(jié)構(gòu)以火電為主，占全國電源裝機(jī)比重達(dá)到67%，但調(diào)峰能力普遍只有50%左右。其中，“三北”地區(qū)供熱機(jī)組占有很大比重，10個省區(qū)超過40%，供熱期調(diào)峰能力僅為20%左右。相比之下，西班牙、丹麥等國家火電機(jī)組都具備深度調(diào)峰能力，調(diào)峰能力高達(dá)80%。截至2019年，我國已完成火電靈活性改造容量約5775萬kW，火電靈活性改造的深度和廣度有待進(jìn)一步提高。我國以火電為主的電源結(jié)構(gòu)決定了未來電源靈活性的主體仍然需要從火電入手。與此同時，由于環(huán)保壓力的加大，部分地區(qū)已出現(xiàn)短時缺電的情況，“十四五”期間，電源充裕性與靈活性問題將在局部地區(qū)同時存在。
因此，火電靈活性已被各國認(rèn)為是高比例可再生能源電力系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是我國實現(xiàn)中國特色電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型之路的必然途徑。十四五期間，火電靈活性改造仍是電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提升的關(guān)鍵手段和最主要調(diào)節(jié)能力增量來源。本文立足我國現(xiàn)狀，力圖通過對火電靈活性改造歷史沿革、核心要素與未來趨勢的梳理，構(gòu)建全景化視角，為我國靈活性改造提供整體性解決思路。
1 火電靈活性改造的歷史與現(xiàn)狀
1.1 火電靈活性改造的定義
火電靈活性是電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵指標(biāo)，也是電力系統(tǒng)靈活性的核心組成部分?；痣婌`活性通常指火電機(jī)組的運行靈活性，即適應(yīng)出力大幅波動、快速響應(yīng)各類變化的能力，主要指標(biāo)包括調(diào)峰幅度、爬坡速率及啟停時間等。目前，國內(nèi)火電靈活性改造的核心目標(biāo)是充分響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動性變化，實現(xiàn)降低最小出力、快速啟停、快速升降負(fù)荷三大目標(biāo)，其中降低最小出力，即增加調(diào)峰能力是目前最為廣泛和主要的改造目標(biāo)。
1.2 火電靈活性改造的歷史
丹麥、德國是歐洲火電靈活性改造的主要國家，其火電靈活性改造是市場推動、逐步深入的過程，也是其電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的重要組成部分。
近20年來，丹麥火電機(jī)組靈活性改造分3個階段，電力市場化帶來的價格波動是促使火電向更為林火運行方式轉(zhuǎn)變的直接動因，其歷史進(jìn)程如圖1所示。
90年代初，隨著電力市場化改革的推進(jìn)和現(xiàn)貨市場的逐步建立，火電機(jī)組盈利模式發(fā)生根本轉(zhuǎn)變。丹麥加入北歐電力市場（NordPool）,電力交易價格開始明顯變化。為適應(yīng)交易市場內(nèi)價格的波動性變化，提升自身靈活性已成為必然選擇。此時，由于價格波動也相對平滑，靈活性改造的主要工作集中于運行與管理的優(yōu)化，資產(chǎn)性投入相對較少，通過細(xì)化監(jiān)控，主要從管理和運行上找潛力。燃煤機(jī)組從基荷機(jī)組逐步向負(fù)荷跟隨機(jī)組轉(zhuǎn)變。
進(jìn)入20世紀(jì)，由于可再生能源的大量并網(wǎng)，交易市場內(nèi)的價格波動日益頻繁，波動幅度也不斷增加，負(fù)成交價格也不斷發(fā)生。為此，火電機(jī)組不得不加大在靈活性改造中的投入，其核心是進(jìn)一步挖掘各設(shè)備靈活性潛力和優(yōu)化機(jī)組控制，對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，多種蓄熱裝置逐步投入使用，以實現(xiàn)供熱和發(fā)電收益的最大化。
2010年之后，靈活性的價值逐步被認(rèn)可，火電機(jī)組的變工況研究逐漸深入。多樣化的靈活性提升手段紛紛被采用，其改造歷程如圖2所示。其中針對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，蓄熱裝置成為基本配置，利用蓄熱裝置及供熱系統(tǒng)儲熱特性，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)運行方式的改善和靈活性的提升，電鍋爐、熱泵等電制冷、制熱方式也被逐漸應(yīng)用。
這樣的經(jīng)驗也被推廣到歐洲各國。西班牙根據(jù)其電力市場實時幾個信息研究表明更為靈活的運行方式將為煤電機(jī)組收益帶來20%~50%的提升，為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組收益帶來20%~50%的提升，相應(yīng)也帶來棄風(fēng)比例的明顯降低，這使得歐洲火電的角色發(fā)生明顯的變化，如表1所示。
在國內(nèi)，隨著調(diào)峰形勢的日趨嚴(yán)峻和調(diào)峰考核的加強以及深度調(diào)峰補償措施的完善，一些電廠也開始試點開展深度調(diào)峰改造，如大連莊河電廠60萬kW純凝機(jī)組調(diào)峰能力已接近70%，華能丹東電廠30萬kW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在非供熱調(diào)峰能力已接近80%。依靠電量為主的交易結(jié)算方式難以支撐靈活性的要求，隨著輔助服務(wù)市場推開和調(diào)峰輔助收益明顯增加，火電將實質(zhì)性地實現(xiàn)電量主體向容量主體的轉(zhuǎn)變。
1.3火電靈活性改造的現(xiàn)狀
德國、丹麥火電靈活性情況見表2，目前在丹麥、德國，硬煤火電機(jī)組最小出力可達(dá)25%~30%，褐煤機(jī)組最小出力可達(dá)40%~50%，爬坡速率可分別達(dá)到4%/min~6%/min和2.5%/min~4%/min。在電力現(xiàn)貨市場中，這些機(jī)組往往根據(jù)電價信號及時調(diào)整自身出力，在低電價甚至負(fù)電價時降低出力甚至停機(jī)，以獲得更優(yōu)的市場回報，其火電運行典型方式如圖3所示。
為了充分挖掘火電機(jī)組調(diào)峰潛力，提高系統(tǒng)可再生能源消納能力，國家能源局于2016年下發(fā)《關(guān)于火電靈活性改造試點項目通知》，安排“三北”地區(qū)21個試點項目，合計改造規(guī)模1635萬kW。通過靈活性改造，使熱電機(jī)組增加20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到40%~50%額定容量，純凝機(jī)組增加15%~20%額定容量的調(diào)峰能力，最小技術(shù)出力達(dá)到30%~35%額定容量，部分具備改造條件的電廠預(yù)期達(dá)到國際先進(jìn)水平，機(jī)組不投油穩(wěn)燃時純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到20%~25%?！峨娏Πl(fā)展“十三五”規(guī)劃》 中明確指出，“十三五”期間，“三北”地區(qū)熱電機(jī)組靈活性改造約1.33億kW，純凝機(jī)組改造約8200萬kW；其他地方純凝改造約450萬kW。改造后，增加調(diào)峰能力4600萬kW，其中，“三北”地區(qū)增加4500萬kW。這些措施已作為提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的核心組成部分。部分東北火電靈活性改造機(jī)組情況如表3所示。
2火電靈活性改造的關(guān)鍵問題
2.1 技術(shù)要素
2.1.1鍋爐側(cè)
鍋爐側(cè)靈活性改造須重點解決燃燒穩(wěn)定性、制粉系統(tǒng)穩(wěn)定性、換熱水動力穩(wěn)定性、受熱面高溫腐蝕與疲勞損傷、空預(yù)器低溫腐蝕及泄露、脫硝運行安全等問題。
1）鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)。鍋爐在低負(fù)荷下運行時，火焰在爐內(nèi)的充滿程度會比高負(fù)荷時差，負(fù)荷降低到一定程度時，由于爐內(nèi)溫度下降，導(dǎo)致每分氣流的著火距離增大，同時火焰對爐壁輻射損失相對增加，所以就容易出現(xiàn)燃燒的不穩(wěn)定，甚至鍋爐熄火。為提高燃燒穩(wěn)定性，通常采用的技術(shù)路徑包括：低負(fù)荷精細(xì)化燃燒調(diào)整，主要針對燃燒器結(jié)構(gòu)、磨投運方式、煤粉精度、一次風(fēng)速、配風(fēng)方式等內(nèi)容；燃燒器、制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造，改造內(nèi)容涉及燃燒器、磨煤機(jī)動態(tài)分離器、風(fēng)粉在線監(jiān)測裝置等；改善入爐煤質(zhì)，儲備調(diào)峰煤、摻燒生物質(zhì)等。
2）寬負(fù)荷脫硝技術(shù)。國內(nèi)普遍采用的NOx脫除技術(shù)為選擇性催化還原法（selective catalytic reduction，SCR），其要求煙氣溫度穩(wěn)定在280~420℃范圍內(nèi)，才能保證還原劑與催化劑的良好作用。當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運行時，煙氣溫度往往偏低，帶來催化劑活性降低、還原劑結(jié)晶、空預(yù)器腐蝕等問題。為了保證SCR脫硝系統(tǒng)寬負(fù)荷運行，主要技術(shù)路線有2類：通過改造鍋爐熱力系統(tǒng)或煙氣系統(tǒng)，提高低負(fù)荷階段SCR反應(yīng)器入口溫度；選用寬溫催化劑，在常規(guī)V-W-TiO2催化劑基礎(chǔ)上，通過添加其他元素改進(jìn)催化劑性能，提高低溫下催化劑活性。
2.1.2 汽輪機(jī)側(cè)
深度調(diào)峰狀態(tài)，汽輪機(jī)側(cè)須重點關(guān)注汽輪機(jī)設(shè)備適應(yīng)性以及供熱機(jī)組以熱定電等問題。
1）汽輪機(jī)通流設(shè)計與末級葉片性能優(yōu)化技術(shù)。汽輪機(jī)在低負(fù)荷運行時，由于蒸汽流量減小，動葉片根部和靜葉柵出口頂部易出現(xiàn)汽流脫離，造成水蝕。同時，汽流脫離引起的不穩(wěn)定流場與葉片彈性變形之間氣動耦合將可能激發(fā)葉片的自激振動，使之落入共振區(qū)。蒸汽流量不足也將導(dǎo)致重?zé)嵝?yīng)，轉(zhuǎn)子、汽缸等部件由于葉片摩擦鼓風(fēng)而被加熱，受熱不均將產(chǎn)生漲差。為改善汽輪機(jī)低負(fù)荷運行特性，通常采用的技術(shù)路徑為強化末級葉片性能、優(yōu)化通流設(shè)計參數(shù)、增加冷卻方式控制等。
2）供熱機(jī)組熱點解耦技術(shù)。熱點聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力還受到供熱負(fù)荷的制約，我國主力熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能力還受到供熱負(fù)荷的制約，我國主力熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為抽凝機(jī)組，隨著抽汽供熱量的增加，調(diào)峰能力將逐漸被壓縮。因此，在供熱中期，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力將進(jìn)一步被限制。為了實現(xiàn)熱電解耦，采取的改造技術(shù)有：切除低壓缸供熱，中壓缸排汽絕大部分用于對外供熱，僅保持少量的冷卻蒸汽，使低壓缸在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運行；電熱鍋爐，在熱源側(cè)設(shè)置電熱鍋爐，主要包括直熱式電熱鍋爐和蓄熱式電熱鍋爐，實現(xiàn)熱電解耦；設(shè)置儲熱罐，作為電網(wǎng)負(fù)荷較低時機(jī)組供熱抽汽的補充。除了以上常用技術(shù)，還可以采用吸收式熱泵、電驅(qū)動熱泵等技術(shù)實現(xiàn)熱電解耦。
2.1.3控制與監(jiān)測
1）提高負(fù)荷響應(yīng)速率協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)。鍋爐慣性時間遠(yuǎn)長于汽輪機(jī)慣性時間，鍋爐跟不上汽機(jī)是導(dǎo)致火電機(jī)組不靈活、參數(shù)不穩(wěn)定的主要因素之一。目前常用的提高負(fù)荷相應(yīng)速率的技術(shù)有自動發(fā)電控制（automatic generation control,AGC）協(xié)調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制技術(shù)、過熱和再熱汽溫優(yōu)化控制技術(shù)、變負(fù)荷和智能滑壓優(yōu)化控制技術(shù)、供熱抽汽輔助負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)、給水旁路調(diào)節(jié)與0#高加抽汽調(diào)節(jié)技術(shù)等。
2）水冷壁安全防護(hù)技術(shù)。水冷壁分布于鍋爐爐膛的四周，是鍋爐的主要受熱部分。當(dāng)鍋爐出力處于低負(fù)荷或快速變化時將影響水冷壁的安全運行。為此，需要精準(zhǔn)的監(jiān)控與有效的措施來維持良性的水循環(huán)。目前，主要的措施包括：實時監(jiān)測水冷壁溫度的變化以及汽包上下壁溫及溫差、汽包與水冷壁溫差等參數(shù)及其變化。另外，核算管間偏差、核算水循環(huán)安全性、設(shè)置必要的壁溫測點也具有重要的作用。
2.2經(jīng)濟(jì)要素
火電靈活性改造的成本，首先涉及各類改造的投資。對于常規(guī)火電機(jī)組，改造包括對鍋爐、汽輪機(jī)等主機(jī)設(shè)備的改造，也包括對控制系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、冷凝水系統(tǒng)等輔助設(shè)備的改造；對于供熱火電機(jī)組，在上述改造基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步通過低壓缸旁路、蓄熱罐、電鍋爐等方式，改變原有發(fā)電與供熱間的耦合關(guān)系，釋放機(jī)組的運行靈活性。因此，機(jī)組間改造投資差異明顯，不同機(jī)組特征、改造目標(biāo)、燃料特性等條件都將帶來改造投資的巨大差別，往往只能以“一廠一策”的方式進(jìn)行單獨測算，難以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的造價限額控制。在不包括儲能設(shè)備的情況下，改造投資通常在30~90元/kW，最小出力可降至20%~40%。
其次，靈活性改造的目標(biāo)是開展深度調(diào)峰。因此，深度調(diào)峰成本是潛在的可變成本，包括增加的燃料成本、廠用電、設(shè)備運行維護(hù)成本及由于長時間深度調(diào)峰和大范圍負(fù)荷率變動引起的設(shè)備壽命減損、加速更換成本等。其中，隨著調(diào)峰深度的增加，火電機(jī)組的供電煤耗將明顯增加，特別是進(jìn)入深度調(diào)峰區(qū)間后，供電煤耗增速進(jìn)一步加快，如圖4所示。同時，也可以看出，火電機(jī)組由于設(shè)計參數(shù)、技術(shù)流派、定態(tài)選擇等方面的差異，深度調(diào)峰帶來的供電煤耗增量也有所不同。
再者，深度調(diào)峰的機(jī)會成本也應(yīng)納入火電靈活性改造的成本中加以考慮?；痣姍C(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，意味著發(fā)電收益的損失，即由于深度調(diào)峰而損失的潛在發(fā)電收益，反映其為獲得深度調(diào)峰而放棄的發(fā)電收益。由于不同電廠的盈利情況存在差異，機(jī)會成本將有所不同。
火電靈活性改造的收益主要包括減少的調(diào)峰分?jǐn)傎M用和獲得的調(diào)峰補償費用兩部分。在改造之前，供熱火電機(jī)組往往運行在深度調(diào)峰標(biāo)準(zhǔn)之上，需要分?jǐn)偲渌疃日{(diào)峰機(jī)組的補償費用，進(jìn)行改造之后，該部分費用將消失，形成機(jī)會收益。隨著改造深度增加，火電機(jī)組可運行至深度調(diào)峰區(qū)域，可獲得深度調(diào)峰補償。根據(jù)調(diào)峰深度不同，調(diào)峰補償標(biāo)準(zhǔn)也不相同，以東北為例，最高可到1元/kW·h。
2.3機(jī)制要素
目前，國內(nèi)火電靈活性改造的核心經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力在于調(diào)峰輔助服務(wù)費用的影響，各地調(diào)峰服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)差異明顯，導(dǎo)致改造積極性也各異。2014年，東北率先啟動調(diào)峰輔助服務(wù)市場，2016年以來，東北、福建、山西、新疆、山東、甘肅、西北（寧夏）、南方（廣東）8個電力輔助服務(wù)市場相繼獲批，并逐步開始建設(shè)。到現(xiàn)在，各地調(diào)峰市場活躍程度與市場規(guī)模仍然存在差異，這也是各地火電靈活性改造進(jìn)度不同的核心問題。
調(diào)峰輔助市場對于火電靈活性的推動作用明顯，以最早實施的東北為例，在輔助服務(wù)市場的推動下，一方面，一些火電機(jī)組通過靈活性改造實現(xiàn)大幅度的深度調(diào)峰，截至2017年底，共12家電廠完成靈活性改造，增加調(diào)峰能力240萬kW。另一方面，一些火電機(jī)組僅進(jìn)行少量或不進(jìn)行改造，通過運行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)調(diào)峰能力的輕度改善，截至2017年底，調(diào)峰能力增加約400萬kW。
現(xiàn)貨市場是歐洲許多國家推動火電靈活性改造的基本要素，運行靈活性決定了其在電力市場中的競爭力與收益。隨著電力市場接波動的變化，德國等國的火電機(jī)組運行模式與靈活性也發(fā)生過了顯著改變，如圖5所示。國內(nèi)現(xiàn)貨市場正在穩(wěn)步推進(jìn)，我國第一批8個電力現(xiàn)貨商行試點地區(qū)已全部進(jìn)入試運行，經(jīng)過改造的這些機(jī)組將在現(xiàn)貨市場中獲得更好收益。
火電靈活性改造是發(fā)電企業(yè)主動適應(yīng)由電量主體向容量主體轉(zhuǎn)變的過程，本質(zhì)核心是收益模式的變化。隨著發(fā)電量計劃的放開、燃料和上網(wǎng)電價的雙側(cè)波動以及中長期電力交易的拓展，火電機(jī)組的收益方式將呈現(xiàn)差異化的發(fā)展模式，尋求靈活性突破，獲取靈活性收益將成為火電機(jī)組的主動選擇。
3火電靈活性改造的典型模式
3.1輕度改造模式
由于靈活性市場的不確定性和投資能力的受限，許多火電廠選擇了輕度改造模式，即通過較少量的投資，降低自身輔助服務(wù)費用分?jǐn)?。這部分改造往往集中于控制與輔機(jī)系統(tǒng)等投資較小的領(lǐng)域，更多以運行調(diào)整的方式挖掘機(jī)組內(nèi)在潛力，通過“邊試邊學(xué)”的模式探索機(jī)組安全運行的新邊界，以小步快走的理念實現(xiàn)靈活性的逐漸拓展。這是目前應(yīng)用最多的方式，也是歐洲火電靈活性改造初期的典型做法，典型的改造方式包括低負(fù)荷下的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制、汽輪機(jī)旁路改造等。其中許多機(jī)組由于改造投入較少，常常沒有納入火電靈活性改造的統(tǒng)計。
3.2 深度改造模式
在國家試點示范和調(diào)峰輔助服務(wù)市場初期高投資回報的刺激下，一些火電廠選擇了深度改造模式，以先試先行的魄力，成為第一批在火電靈活性市場中探路的先鋒，通過機(jī)組大規(guī)模的投資改造，顯著提高調(diào)節(jié)能力，成為輔助服務(wù)市場中排名最靠前的機(jī)組。這部分機(jī)組的改造往往是系統(tǒng)性工程，涉及主機(jī)的多個部分，同時也是科技成果應(yīng)用最為集中的體現(xiàn)，相應(yīng)的投資規(guī)模也相對較大。典型改造方式包括低壓缸切除、蓄熱罐等。與此同時，如蓄熱罐等改造方式，為最大程度地釋放改造效果，須與日前調(diào)度緊密配合，提前優(yōu)化抽/放熱方式，更適合已實施日前現(xiàn)貨市場的地區(qū)，如丹麥、德國等。
3.3 第三方投資模式
在市場的激勵下，一些第三方投資機(jī)構(gòu)開始進(jìn)入火電靈活性改造領(lǐng)域，他們的投資風(fēng)格往往更趨于高風(fēng)險、高回報。這樣的改造往往以獲得最高峰補償為目標(biāo)，占據(jù)調(diào)峰輔助服務(wù)市場的頭部位置，在足夠的調(diào)峰缺口下，獲得顯著的收益，從而對沖高投資帶來的風(fēng)險。上述模式另一個顯著特征為界面的清晰劃分，涉及資產(chǎn)界面、運行界面、費用節(jié)面等，通過與相應(yīng)電廠形成界面清晰的利益共同體，從而保證投資收益模式的閉環(huán)。典型的改造方式包括蓄熱式電鍋爐等。
3.4 協(xié)同規(guī)劃方式
在電網(wǎng)中，各火電機(jī)組由于電氣位置的不同，往往會存在作用與運行方式的差異，而我國目前尚未建立節(jié)點電價、線路擁堵費等反映該差異的市場機(jī)制，這使得火電機(jī)組在開展靈活性改造時存在一定盲區(qū)，即出現(xiàn)了在系統(tǒng)靈活性不足的局部地區(qū)，火電機(jī)組靈活性改造的進(jìn)度滯后，而在電力亟需支撐的局部地區(qū)，火電機(jī)組靈活性改造的進(jìn)度反而超前的情況。因此，亟需以電力系統(tǒng)整體視角，統(tǒng)籌考慮開展火電靈活性規(guī)劃，提升火電靈活性改造投資的有效性，降低火電靈活性改造的整體成本，形成以系統(tǒng)整體最優(yōu)的火電靈活性改造模式，而該模式目前更多停留在研究層面。
4 火電靈活性改造的發(fā)展前景
4.1 技術(shù)發(fā)展前景
在市場需求的推動下，我國火電靈活性改造相關(guān)的技術(shù)體系迅速建立。從鍋爐到汽輪機(jī)，從主機(jī)到輔機(jī)，從控制單元到全廠策略，圍繞不同的靈活性需求，各類改造方案紛紛被提出并快速投入應(yīng)用，許多電廠幾乎每次技改大修后，靈活性都有所提升。
隨著市場表現(xiàn)的示范作用，火電機(jī)組的設(shè)計理念也在逐步改變，考慮靈活性的設(shè)計方式如圖6所示已逐步推廣。熱點聯(lián)產(chǎn)機(jī)組已被要求具有與純凝機(jī)組同樣的調(diào)節(jié)能力，靈活性指標(biāo)已成為火電機(jī)組設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)。
4.2 投資盈利前景
調(diào)峰輔助服務(wù)市場已成為目前刺激火電靈活性改造最主要的市場要素，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。一方面，市場范圍由初期的東北帝王擴(kuò)展到東北、山西、福建、山東、新疆、寧夏、甘肅、廣東等8個試點，并將在全國各省區(qū)全面鋪開。另一方面，市場交易電量與費用隨著可再生能源接入比例的升高而出增加，圖7給出了東北調(diào)峰輔助服務(wù)費用的歷年變化，調(diào)峰輔助費用的規(guī)模由初期的5億元左右上升至2019年的30多億元。許多電廠的盈利模式發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變，靈活性改造收入占比迅速攀升，一些第三方投資主體也通過合同能源管理，甚至獨立調(diào)峰主體等方式參與其中。
在調(diào)峰輔助服務(wù)市場建立的初期，由于調(diào)峰資源緊缺，賣方主導(dǎo)了市場交易，成交價格均為最高限價。隨著市場的擴(kuò)大，部分省份的競爭態(tài)勢已發(fā)生變化，開始逐步顯現(xiàn)市場競價氛圍。以東北為例，總體來說，遼寧調(diào)峰形勢相對較好，賣方優(yōu)勢相對弱化，市場競價氛圍相對其他省份更濃。2019年，第1檔報價中，88家火電廠中有32家火電廠采取了低于最高限價的報價方式，其中蒙東5座，吉林6座，黑龍江1座，遼寧20座；第2檔報價中，有30家火電廠采取了低于最高限價的報價方式，其中蒙東4座，遼寧21座，吉林3座，黑龍江2座。從實際出清情況看，雖然次數(shù)和電量占比很少，但在第1檔有償調(diào)峰中，各省均出現(xiàn)了出清價格低于最高限價的情況，在第2檔有償調(diào)峰中，蒙東和遼寧也出現(xiàn)了低于最高限價的情況。
在這樣的氛圍下，截至2019年底，東北網(wǎng)內(nèi)已經(jīng)有接近50家電網(wǎng)完成靈活性改造，增加調(diào)峰能力超過850萬kW，其中14家采用了蓄熱式電鍋爐方案。與此同時，更多的火電企業(yè)通過運行調(diào)整，優(yōu)化自身調(diào)峰空間，火電在補償費用分?jǐn)傊械谋壤延沙跗诘?0%~90%下降至目前的10%~20%。差異化的靈活性策略已經(jīng)成為各火電廠基于自身情況進(jìn)行的自主選擇。
4.3 市場規(guī)模前景
“十四五”期間，我國新能源發(fā)展仍然維持高速，年均增長規(guī)?？赡艹^8000萬kW。新能源消納壓力仍然明顯，一些研究表明，到2030年，我國火電的最小出力均值應(yīng)從目前的60%降低至30%~40%，否則將引起16%~21%左右的棄電率。到2035年，全國考慮風(fēng)電、光伏的凈負(fù)荷日最大峰谷差將達(dá)到約8億kW，占最大負(fù)荷的34.2%，其中，西北和華北的凈負(fù)荷日最大峰谷差都將達(dá)到1.8億kW，分別占其最大負(fù)荷的64.8%和46.2%。因此，火電靈活性持續(xù)增加將是貫穿“十四五”乃至“十五五”期間的核心主題。
火電靈活性改造在“十四五”期間的發(fā)展規(guī)模預(yù)測可以表征為其靈活性潛力的分析，如圖8所示。從層級上，可分為資源潛力、技術(shù)潛力、經(jīng)濟(jì)潛力與市場潛力4個層級，資源潛力為已有及在建火電機(jī)組提供最大可能調(diào)節(jié)容量；技術(shù)潛力為根據(jù)各火電機(jī)組的特征和現(xiàn)有技術(shù)條件能夠提供的調(diào)節(jié)容量增量；經(jīng)濟(jì)潛力為根據(jù)各類補償標(biāo)準(zhǔn)、具備經(jīng)濟(jì)性的調(diào)節(jié)容量增量；市場潛力為各類市場容量，特別是調(diào)峰輔助服務(wù)市場容量下可以制衡的調(diào)節(jié)容量增量。在目前的條件下，市場容量大小，特別是調(diào)峰輔助服務(wù)市場容量大小是決定“十四五”火電靈活性改造規(guī)模的關(guān)鍵要素，如圖9所示，東北調(diào)峰輔助服務(wù)市場規(guī)模明顯大于其他地區(qū)，這也是導(dǎo)致東北地區(qū)已完成火電靈活性改造國領(lǐng)先于其他地區(qū)的關(guān)鍵要素。
5 火電靈活性改造進(jìn)一步關(guān)注與研究的重點問題
5.1 靈活性改造與電力系統(tǒng)規(guī)劃的深度融合
電力系統(tǒng)的靈活性需求傳統(tǒng)上主要來源于負(fù)荷的波動，隨著可再生能源比例的提高，電源的波動性引起了更大幅度和更大程度的靈活性需求。因此，在開展電力規(guī)劃中，須充分考慮靈活性的要素，合理配置各類靈活性資源，將靈活性作為規(guī)劃的核心要素加以重視?；痣婌`活性改造應(yīng)與系統(tǒng)靈活性需求的時空分布相匹配，提升系統(tǒng)靈活性充裕度，降低系統(tǒng)靈活性支出，形成全系統(tǒng)靈活性一盤棋的格局。
對于靈活性改造的規(guī)劃研究應(yīng)進(jìn)一步深入，將其融入系統(tǒng)靈活性的整體規(guī)劃中，并結(jié)合各類市場的影響，將各主體利益進(jìn)行均衡考慮，從而引導(dǎo)形成具有廣泛共識和電力系統(tǒng)內(nèi)協(xié)同優(yōu)化的靈活性改善格局。
5.2 靈活性資源的擴(kuò)充與協(xié)同調(diào)用
許多研究已經(jīng)表明，跨系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運行，具有很大的靈活性空間。對于火電機(jī)組，特別是對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，一方面可以通過自身改造措施的完善，提升靈活性，另一方面，通過熱、電2個系統(tǒng)的互補，從建筑體、供熱管網(wǎng)、儲熱設(shè)備、電鍋爐等各環(huán)節(jié)的差異化響應(yīng)特征入手，充分利用能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將電、熱間的約束關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越换リP(guān)系，從熱電解耦轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭姽采?，是更低成本、更大深度實現(xiàn)靈活性提升的重要手段。
隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，各類靈活性資源將更加拓展，并進(jìn)行一致化的評價與調(diào)用，靈活性資源將跨越傳統(tǒng)的網(wǎng)源荷儲劃分，實現(xiàn)貫通式的綜合利用。這樣，火電靈活性改造將進(jìn)入一個更為多元格局，從調(diào)峰改造、調(diào)頻改造到燃料改造、與光熱電的耦合改造，與區(qū)域各類靈活性資源相融合的改造方式都將進(jìn)入改造范疇。
5.3 靈活性改造的長周期影響評估
火電靈活性改造后，機(jī)組的運行方式將發(fā)生明顯變化，一方面，將可能明顯偏離原有設(shè)計工況，帶來各類部件效率、應(yīng)力、疲勞、磨損等條件的變化。另一方面，不同改造方式對機(jī)組的影響往往也不容易在短期內(nèi)顯現(xiàn)，各個設(shè)備間的長期影響可能存在明顯差異。因此，對于火電靈活性改造應(yīng)充分結(jié)合長短期的影響分析，特別是加強長期影響的監(jiān)控，避免對機(jī)組可靠性的影響。
火電機(jī)組在開展靈活性改造時，往往一種改造方式將會引起其他性能的變化，例如深度調(diào)峰改造就有可能帶來尖峰備用的不足或調(diào)頻能力的下降以及慣性特征的改變。隨著靈活性改造規(guī)模的擴(kuò)大，對系統(tǒng)的深度影響將會逐步體現(xiàn)，建立全局化的研究和考核標(biāo)準(zhǔn)，避免顧此失彼的改造方案是在火電靈活性改造中必須加以重視的問題。
5.4 市場競爭下的火電靈活性改造策略優(yōu)化
從整體電力系統(tǒng)來看，我國火電機(jī)組將面臨多元的電力市場格局。一方面，隨著電力市場推進(jìn)，現(xiàn)貨市場將逐步完善；另一方面，以輔助服務(wù)為代表的各類靈活性市場也將隨著靈活性需求的增加而變得活躍。通過靈活性改造的火電機(jī)組將不僅通過銷售電量獲得收益，多種市場并行的局面將決定了其將成為多個市場的共同成員。因此，構(gòu)建多元市場聯(lián)合下的規(guī)劃分析方法，進(jìn)而引導(dǎo)、銜接各市場間的關(guān)系，避免市場間的交叉、過渡問題影響靈活性的市場，建立基于市場模擬的推演方法，才能保證將靈活性規(guī)劃由藍(lán)圖逐步實現(xiàn)。
從機(jī)組層面來看，由于自身技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各類條件的不同，決定了其參與各類市場策略的不同，電廠與電廠間的差異將不僅僅局限在技術(shù)水平上，更區(qū)別在競爭策略上。這將直接導(dǎo)致其開展靈活性改造的策略發(fā)生變化，即通過哪種類型的改造，更適合電廠的自身條件與所處的市場環(huán)境，在不同市場中形成更高利潤的集合，將成為重點關(guān)注的對象。
6結(jié)語
靈活性改造將作為火電技術(shù)改造的主流方向和長期目標(biāo)而持續(xù)進(jìn)行。隨著電力改革的推進(jìn)和各類靈活性市場的建立，靈活性改造的方案與措施將呈現(xiàn)多種多樣的變化。各類火電靈活性改造技術(shù)將逐步走向成熟，靈活性為更多考量的設(shè)計理念和設(shè)計方案將應(yīng)用到各類火電機(jī)組的設(shè)計中，并逐步投放市場。
為滿足高比例新能源并網(wǎng)的需求，電力系統(tǒng)的靈活性是必不可少的環(huán)節(jié)，國內(nèi)火電機(jī)組基數(shù)決定了火電靈活性資源潛力仍然巨大，其也將持續(xù)作為電力系統(tǒng)的靈活性主體而長期存在，并成為未來高比例新能源電力系統(tǒng)的重要組成部分。
我國火電靈活性改造規(guī)模的核心主導(dǎo)要素為市場引導(dǎo)，在調(diào)峰輔助服務(wù)等市場機(jī)制的引導(dǎo)下，火電靈活性改造帶來了電力系統(tǒng)靈活性的明顯提升，也推動更多機(jī)組潛在靈活性的釋放。在網(wǎng)源荷儲一體化的市場機(jī)制推動下，將有更多的靈活性資源被調(diào)動起來。因此，培育因地制宜的靈活性市場，將成為“十四五”期間電力系統(tǒng)靈活性充足的關(guān)鍵要素，也是火電靈活性改造發(fā)展的核心要素。
在電力規(guī)劃中，將靈活性與充裕性進(jìn)行統(tǒng)籌將成為“十四五”期間中的重要主題。以轉(zhuǎn)型成本為抓手，充分利用現(xiàn)有存量資產(chǎn)，從而走出一條具有中國特色的能源電力轉(zhuǎn)型之路是確保能源轉(zhuǎn)型成功的基石。為此，充分發(fā)揮火電靈活性改造的靈活性增量主體地位，構(gòu)建以火電靈活性改造為主要素的靈活性規(guī)劃體系，將成為“十四五”電力規(guī)劃的有力支撐。
