加快發(fā)展可再生能源是國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)能源資源緊張、環(huán)境惡化、氣候變暖的重要手段。近年來(lái)，在國(guó)家政策的大力引導(dǎo)下，我國(guó)可再生能源保持持續(xù)快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。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(guó)穩(wěn)居可再生能源消納量最大的國(guó)家。

與此同時(shí)，由于火電靈活性改造等一列措施的推動(dòng)，我國(guó)可再生能源消納情況實(shí)現(xiàn)了逐步改善。為實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)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(shì)，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(wèn)題、平衡調(diào)節(jié)能力提升問(wèn)題將貫穿“十四五”期間。我國(guó)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(guó)可再生能源消納的核心問(wèn)題。我國(guó)電源結(jié)構(gòu)以火電為主，占全國(guó)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(gè)省區(qū)超過(guò)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(guó)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(guó)已完成火電靈活性改造容量約5775萬(wàn)kW，火電靈活性改造的深度和廣度有待進(jìn)一步提高。我國(guó)以火電為主的電源結(jié)構(gòu)決定了未來(lái)電源靈活性的主體仍然需要從火電入手。與此同時(shí)，由于環(huán)保壓力的加大，部分地區(qū)已出現(xiàn)短時(shí)缺電的情況，“十四五”期間，電源充裕性與靈活性問(wèn)題將在局部地區(qū)同時(shí)存在。

因此，火電靈活性已被各國(guó)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(guó)實(shí)現(xiàn)中國(guó)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(lái)源。本文立足我國(guó)現(xiàn)狀，力圖通過(guò)對(duì)火電靈活性改造歷史沿革、核心要素與未來(lái)趨勢(shì)的梳理，構(gòu)建全景化視角，為我國(guó)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。火電靈活性通常指火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性，即適應(yīng)出力大幅波動(dòng)、快速響應(yīng)各類(lèi)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(shí)間等。目前，國(guó)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(dòng)性變化，實(shí)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(guó)是歐洲火電靈活性改造的主要國(guó)家，其火電靈活性改造是市場(chǎng)推動(dòng)、逐步深入的過(guò)程，也是其電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的重要組成部分。

近20年來(lái)，丹麥火電機(jī)組靈活性改造分3個(gè)階段，電力市場(chǎng)化帶來(lái)的價(jià)格波動(dòng)是促使火電向更為林火運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變的直接動(dòng)因，其歷史進(jìn)程如圖1所示。

90年代初，隨著電力市場(chǎng)化改革的推進(jìn)和現(xiàn)貨市場(chǎng)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(chǎng)（NordPool）,電力交易價(jià)格開(kāi)始明顯變化。為適應(yīng)交易市場(chǎng)內(nèi)價(jià)格的波動(dòng)性變化，提升自身靈活性已成為必然選擇。此時(shí)，由于價(jià)格波動(dòng)也相對(duì)平滑，靈活性改造的主要工作集中于運(yùn)行與管理的優(yōu)化，資產(chǎn)性投入相對(duì)較少，通過(guò)細(xì)化監(jiān)控，主要從管理和運(yùn)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(chǎng)內(nèi)的價(jià)格波動(dòng)日益頻繁，波動(dòng)幅度也不斷增加，負(fù)成交價(jià)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(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，多種蓄熱裝置逐步投入使用，以實(shí)現(xiàn)供熱和發(fā)電收益的最大化。

2010年之后，靈活性的價(jià)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(duì)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(chǔ)熱特性，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)運(yùn)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(yàn)也被推廣到歐洲各國(guó)。西班牙根據(jù)其電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)幾個(gè)信息研究表明更為靈活的運(yùn)行方式將為煤電機(jī)組收益帶來(lái)20%~50%的提升，為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組收益帶來(lái)20%~50%的提升，相應(yīng)也帶來(lái)?xiàng)夛L(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(guó)內(nèi)，隨著調(diào)峰形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻和調(diào)峰考核的加強(qiáng)以及深度調(diào)峰補(bǔ)償措施的完善，一些電廠也開(kāi)始試點(diǎn)開(kāi)展深度調(diào)峰改造，如大連莊河電廠60萬(wàn)kW純凝機(jī)組調(diào)峰能力已接近70%，華能丹東電廠30萬(wàn)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(chǎng)推開(kāi)和調(diào)峰輔助收益明顯增加，火電將實(shí)質(zhì)性地實(shí)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(guó)、丹麥火電靈活性情況見(jiàn)表2，目前在丹麥、德國(guó)，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(chǎng)中，這些機(jī)組往往根據(jù)電價(jià)信號(hào)及時(shí)調(diào)整自身出力，在低電價(jià)甚至負(fù)電價(jià)時(shí)降低出力甚至停機(jī)，以獲得更優(yōu)的市場(chǎng)回報(bào)，其火電運(yùn)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(guó)家能源局于2016年下發(fā)《關(guān)于火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目通知》，安排“三北”地區(qū)21個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，合計(jì)改造規(guī)模1635萬(wàn)kW。通過(guò)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(guó)際先進(jìn)水平，機(jī)組不投油穩(wěn)燃時(shí)純凝工況最小技術(shù)出力達(dá)到20%~25%。《電力發(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(wàn)kW；其他地方純凝改造約450萬(wàn)kW。改造后，增加調(diào)峰能力4600萬(wàn)kW，其中，“三北”地區(qū)增加4500萬(wàn)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(wèn)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(diǎn)解決燃燒穩(wěn)定性、制粉系統(tǒng)穩(wěn)定性、換熱水動(dòng)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(yùn)行安全等問(wèn)題。

1）鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)。鍋爐在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，火焰在爐內(nèi)的充滿(mǎn)程度會(huì)比高負(fù)荷時(shí)差，負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，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(shí)火焰對(duì)爐壁輻射損失相對(duì)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(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)、磨投運(yùn)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(dòng)態(tài)分離器、風(fēng)粉在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置等；改善入爐煤質(zhì)，儲(chǔ)備調(diào)峰煤、摻燒生物質(zhì)等。

2）寬負(fù)荷脫硝技術(shù)。國(guó)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(yùn)行時(shí)，煙氣溫度往往偏低，帶來(lái)催化劑活性降低、還原劑結(jié)晶、空預(yù)器腐蝕等問(wèn)題。為了保證SCR脫硝系統(tǒng)寬負(fù)荷運(yùn)行，主要技術(shù)路線(xiàn)有2類(lèi)：通過(guò)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(guò)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(diǎn)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(wèn)題。

1）汽輪機(jī)通流設(shè)計(jì)與末級(jí)葉片性能優(yōu)化技術(shù)。汽輪機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于蒸汽流量減小，動(dòng)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(shí)，汽流脫離引起的不穩(wěn)定流場(chǎng)與葉片彈性變形之間氣動(dòng)耦合將可能激發(fā)葉片的自激振動(dòng)，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(yùn)行特性，通常采用的技術(shù)路徑為強(qiáng)化末級(jí)葉片性能、優(yōu)化通流設(shè)計(jì)參數(shù)、增加冷卻方式控制等。

2）供熱機(jī)組熱點(diǎn)解耦技術(shù)。熱點(diǎn)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(guó)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(guó)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(shí)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(duì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)熱電解耦；設(shè)置儲(chǔ)熱罐，作為電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)機(jī)組供熱抽汽的補(bǔ)充。除了以上常用技術(shù)，還可以采用吸收式熱泵、電驅(qū)動(dòng)熱泵等技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

2.1.3控制與監(jiān)測(cè)

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(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于汽輪機(jī)慣性時(shí)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(dòng)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(guò)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(shí)將影響水冷壁的安全運(yùn)行。為此，需要精準(zhǔn)的監(jiān)控與有效的措施來(lái)維持良性的水循環(huán)。目前，主要的措施包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)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(lèi)改造的投資。對(duì)于常規(guī)火電機(jī)組，改造包括對(duì)鍋爐、汽輪機(jī)等主機(jī)設(shè)備的改造，也包括對(duì)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(duì)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(guò)低壓缸旁路、蓄熱罐、電鍋爐等方式，改變?cè)邪l(fā)電與供熱間的耦合關(guān)系，釋放機(jī)組的運(yùn)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(lái)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(dú)測(cè)算，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的造價(jià)限額控制。在不包括儲(chǔ)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(kāi)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(yùn)行維護(hù)成本及由于長(zhǎng)時(shí)間深度調(diào)峰和大范圍負(fù)荷率變動(dòng)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(shí)，也可以看出，火電機(jī)組由于設(shè)計(jì)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(lái)的供電煤耗增量也有所不同。

再者，深度調(diào)峰的機(jī)會(huì)成本也應(yīng)納入火電靈活性改造的成本中加以考慮。火電機(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(huì)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(fèi)用和獲得的調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用兩部分。在改造之前，供熱火電機(jī)組往往運(yùn)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(bǔ)償費(fèi)用，進(jìn)行改造之后，該部分費(fèi)用將消失，形成機(jī)會(huì)收益。隨著改造深度增加，火電機(jī)組可運(yùn)行至深度調(diào)峰區(qū)域，可獲得深度調(diào)峰補(bǔ)償。根據(jù)調(diào)峰深度不同，調(diào)峰補(bǔ)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(guó)內(nèi)火電靈活性改造的核心經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力在于調(diào)峰輔助服務(wù)費(fèi)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(dòng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，2016年以來(lái)，東北、福建、山西、新疆、山東、甘肅、西北（寧夏）、南方（廣東）8個(gè)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)相繼獲批，并逐步開(kāi)始建設(shè)。到現(xiàn)在，各地調(diào)峰市場(chǎng)活躍程度與市場(chǎng)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(wèn)題。

調(diào)峰輔助市場(chǎng)對(duì)于火電靈活性的推動(dòng)作用明顯，以最早實(shí)施的東北為例，在輔助服務(wù)市場(chǎng)的推動(dòng)下，一方面，一些火電機(jī)組通過(guò)靈活性改造實(shí)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(wàn)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(guò)運(yùn)行調(diào)節(jié)，實(shí)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(wàn)kW。

現(xiàn)貨市場(chǎng)是歐洲許多國(guó)家推動(dòng)火電靈活性改造的基本要素，運(yùn)行靈活性決定了其在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力與收益。隨著電力市場(chǎng)接波動(dòng)的變化，德國(guó)等國(guó)的火電機(jī)組運(yùn)行模式與靈活性也發(fā)生過(guò)了顯著改變，如圖5所示。國(guó)內(nèi)現(xiàn)貨市場(chǎng)正在穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)第一批8個(gè)電力現(xiàn)貨商行試點(diǎn)地區(qū)已全部進(jìn)入試運(yùn)行，經(jīng)過(guò)改造的這些機(jī)組將在現(xiàn)貨市場(chǎng)中獲得更好收益。

火電靈活性改造是發(fā)電企業(yè)主動(dòng)適應(yīng)由電量主體向容量主體轉(zhuǎn)變的過(guò)程，本質(zhì)核心是收益模式的變化。隨著發(fā)電量計(jì)劃的放開(kāi)、燃料和上網(wǎng)電價(jià)的雙側(cè)波動(dòng)以及中長(zhǎng)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(dòng)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(chǎng)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(guò)較少量的投資，降低自身輔助服務(wù)費(fèi)用分?jǐn)偂＿@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(yùn)行調(diào)整的方式挖掘機(jī)組內(nèi)在潛力，通過(guò)“邊試邊學(xué)”的模式探索機(jī)組安全運(yùn)行的新邊界，以小步快走的理念實(shí)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(méi)有納入火電靈活性改造的統(tǒng)計(jì)。

3.2深度改造模式

在國(guó)家試點(diǎn)示范和調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)初期高投資回報(bào)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(chǎng)中探路的先鋒，通過(guò)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(chǎng)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(gè)部分，同時(shí)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(duì)較大。典型改造方式包括低壓缸切除、蓄熱罐等。與此同時(shí)，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(shí)施日前現(xiàn)貨市場(chǎng)的地區(qū)，如丹麥、德國(guó)等。

3.3第三方投資模式

在市場(chǎng)的激勵(lì)下，一些第三方投資機(jī)構(gòu)開(kāi)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(xiǎn)、高回報(bào)。這樣的改造往往以獲得最高峰補(bǔ)償為目標(biāo)，占據(jù)調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)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(duì)沖高投資帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。上述模式另一個(gè)顯著特征為界面的清晰劃分，涉及資產(chǎn)界面、運(yùn)行界面、費(fèi)用節(jié)面等，通過(guò)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(huì)存在作用與運(yùn)行方式的差異，而我國(guó)目前尚未建立節(jié)點(diǎn)電價(jià)、線(xiàn)路擁堵費(fèi)等反映該差異的市場(chǎng)機(jī)制，這使得火電機(jī)組在開(kāi)展靈活性改造時(shí)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(kāi)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(chǎng)需求的推動(dòng)下，我國(guó)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(lèi)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(chǎng)表現(xiàn)的示范作用，火電機(jī)組的設(shè)計(jì)理念也在逐步改變，考慮靈活性的設(shè)計(jì)方式如圖6所示已逐步推廣。熱點(diǎn)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(jì)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(chǎng)已成為目前刺激火電靈活性改造最主要的市場(chǎng)要素，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。一方面，市場(chǎng)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(gè)試點(diǎn)，并將在全國(guó)各省區(qū)全面鋪開(kāi)。另一方面，市場(chǎng)交易電量與費(fèi)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(fèi)用的歷年變化，調(diào)峰輔助費(fèi)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(guò)合同能源管理，甚至獨(dú)立調(diào)峰主體等方式參與其中。

在調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)建立的初期，由于調(diào)峰資源緊缺，賣(mài)方主導(dǎo)了市場(chǎng)交易，成交價(jià)格均為最高限價(jià)。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，部分省份的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)已發(fā)生變化，開(kāi)始逐步顯現(xiàn)市場(chǎng)競(jìng)價(jià)氛圍。以東北為例，總體來(lái)說(shuō)，遼寧調(diào)峰形勢(shì)相對(duì)較好，賣(mài)方優(yōu)勢(shì)相對(duì)弱化，市場(chǎng)競(jìng)價(jià)氛圍相對(duì)其他省份更濃。2019年，第1檔報(bào)價(jià)中，88家火電廠中有32家火電廠采取了低于最高限價(jià)的報(bào)價(jià)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(bào)價(jià)中，有30家火電廠采取了低于最高限價(jià)的報(bào)價(jià)方式，其中蒙東4座，遼寧21座，吉林3座，黑龍江2座。從實(shí)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(jià)格低于最高限價(jià)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(jià)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(guò)850萬(wàn)kW，其中14家采用了蓄熱式電鍋爐方案。與此同時(shí)，更多的火電企業(yè)通過(guò)運(yùn)行調(diào)整，優(yōu)化自身調(diào)峰空間，火電在補(bǔ)償費(fèi)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(chǎng)規(guī)模前景

“十四五”期間，我國(guó)新能源發(fā)展仍然維持高速，年均增長(zhǎng)規(guī)模可能超過(guò)8000萬(wàn)kW。新能源消納壓力仍然明顯，一些研究表明，到2030年，我國(guó)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(guó)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(cè)可以表征為其靈活性潛力的分析，如圖8所示。從層級(jí)上，可分為資源潛力、技術(shù)潛力、經(jīng)濟(jì)潛力與市場(chǎng)潛力4個(gè)層級(jí)，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(lèi)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)、具備經(jīng)濟(jì)性的調(diào)節(jié)容量增量；市場(chǎng)潛力為各類(lèi)市場(chǎng)容量，特別是調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)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(chǎng)容量大小，特別是調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)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(chǎng)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(guó)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(diǎn)問(wèn)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(lái)源于負(fù)荷的波動(dòng)，隨著可再生能源比例的提高，電源的波動(dòng)性引起了更大幅度和更大程度的靈活性需求。因此，在開(kāi)展電力規(guī)劃中，須充分考慮靈活性的要素，合理配置各類(lèi)靈活性資源，將靈活性作為規(guī)劃的核心要素加以重視。火電靈活性改造應(yīng)與系統(tǒng)靈活性需求的時(shí)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(pán)棋的格局。

對(duì)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(lèi)市場(chǎng)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(shí)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(yùn)行，具有很大的靈活性空間。對(duì)于火電機(jī)組，特別是對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，一方面可以通過(guò)自身改造措施的完善，提升靈活性，另一方面，通過(guò)熱、電2個(gè)系統(tǒng)的互補(bǔ)，從建筑體、供熱管網(wǎng)、儲(chǔ)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歉统杀尽⒏笊疃葘?shí)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(lèi)靈活性資源將更加拓展，并進(jìn)行一致化的評(píng)價(jià)與調(diào)用，靈活性資源將跨越傳統(tǒng)的網(wǎng)源荷儲(chǔ)劃分，實(shí)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(gè)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(lèi)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(zhǎng)周期影響評(píng)估

火電靈活性改造后，機(jī)組的運(yùn)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(jì)工況，帶來(lái)各類(lèi)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(duì)機(jī)組的影響往往也不容易在短期內(nèi)顯現(xiàn)，各個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)期影響可能存在明顯差異。因此，對(duì)于火電靈活性改造應(yīng)充分結(jié)合長(zhǎng)短期的影響分析，特別是加強(qiáng)長(zhǎng)期影響的監(jiān)控，避免對(duì)機(jī)組可靠性的影響。

火電機(jī)組在開(kāi)展靈活性改造時(shí)，往往一種改造方式將會(huì)引起其他性能的變化，例如深度調(diào)峰改造就有可能帶來(lái)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(duì)系統(tǒng)的深度影響將會(huì)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(wèn)題。

5.4市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下的火電靈活性改造策略?xún)?yōu)化

從整體電力系統(tǒng)來(lái)看，我國(guó)火電機(jī)組將面臨多元的電力市場(chǎng)格局。一方面，隨著電力市場(chǎng)推進(jìn)，現(xiàn)貨市場(chǎng)將逐步完善；另一方面，以輔助服務(wù)為代表的各類(lèi)靈活性市場(chǎng)也將隨著靈活性需求的增加而變得活躍。通過(guò)靈活性改造的火電機(jī)組將不僅通過(guò)銷(xiāo)售電量獲得收益，多種市場(chǎng)并行的局面將決定了其將成為多個(gè)市場(chǎng)的共同成員。因此，構(gòu)建多元市場(chǎng)聯(lián)合下的規(guī)劃分析方法，進(jìn)而引導(dǎo)、銜接各市場(chǎng)間的關(guān)系，避免市場(chǎng)間的交叉、過(guò)渡問(wèn)題影響靈活性的市場(chǎng)，建立基于市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)。

從機(jī)組層面來(lái)看，由于自身技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各類(lèi)條件的不同，決定了其參與各類(lèi)市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)策略上。這將直接導(dǎo)致其開(kāi)展靈活性改造的策略發(fā)生變化，即通過(guò)哪種類(lèi)型的改造，更適合電廠的自身?xiàng)l件與所處的市場(chǎng)環(huán)境，在不同市場(chǎng)中形成更高利潤(rùn)的集合，將成為重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

6、結(jié)語(yǔ)

靈活性改造將作為火電技術(shù)改造的主流方向和長(zhǎng)期目標(biāo)而持續(xù)進(jìn)行。隨著電力改革的推進(jìn)和各類(lèi)靈活性市場(chǎng)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(lèi)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(jì)理念和設(shè)計(jì)方案將應(yīng)用到各類(lèi)火電機(jī)組的設(shè)計(jì)中，并逐步投放市場(chǎng)。

為滿(mǎn)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(guó)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(zhǎng)期存在，并成為未來(lái)高比例新能源電力系統(tǒng)的重要組成部分。

我國(guó)火電靈活性改造規(guī)模的核心主導(dǎo)要素為市場(chǎng)引導(dǎo)，在調(diào)峰輔助服務(wù)等市場(chǎng)機(jī)制的引導(dǎo)下，火電靈活性改造帶來(lái)了電力系統(tǒng)靈活性的明顯提升，也推動(dòng)更多機(jī)組潛在靈活性的釋放。在網(wǎng)源荷儲(chǔ)一體化的市場(chǎng)機(jī)制推動(dòng)下，將有更多的靈活性資源被調(diào)動(dòng)起來(lái)。因此，培育因地制宜的靈活性市場(chǎng)，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(guó)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。

注：本文轉(zhuǎn)自電力建設(shè)，作者為潘爾生、田雪沁、徐彤、王新雷，供職于國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司。