支撑我国能源转型的灵活燃煤发电新技术：锅炉系统及汽轮发电机系统

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一、摘要：

构建新型电力系统被视为推动能源清洁低碳转型、确保如期实现“双碳”目标的关键战略。在新型电力系统的背景下，新能源正逐渐由电源的辅助地位演进为主力电源，而燃煤机组在这一转变中扮演更为灵活的“兜底保供”和“灵活调节”角色。该文以实际工程应用为基础，系统分析燃煤发电机组在新型电力系统中的灵活运行现状，针对锅炉、汽 轮机、发电机三大主机设备，从运行安全性、低负荷经济性等方面详细梳理机组灵活运行所面临的问题及原因，分析了现有解决方案及不足。进一步，从锅炉系统的超低负荷稳燃燃烧器、新型锅炉结构和全负荷脱硝3 个层面以及汽轮机发电系统的新型汽轮机结构、新型叶片、寿命监测系统、新型发电机结构和动态调相 5 个层面提出机组灵活运行的新技术，并展望未来的研究与发展方向，以期为我国燃煤发电清洁低碳、安全高效、灵活智能转型发展提供一定指导。

二、引言

目前，“双碳”目标的提出对我国能源结构转型、能源技术创新和体制机制改革提出了更高的要求。2021年3月，中央财经委员会第九次会议提出要构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统具备安全高效、清洁低碳、柔性灵活、智慧融 合四大重要特征。其中，安全高效是基本前提，清洁低碳是核心目标，柔性灵活是重要支撑，智慧融合是基础保障。新型电力系统是新型能源体系的重要组成和实现“双碳”目标的关键载体。

“双碳”目标的实现及新型电力系统的构建面临着诸多问题与挑战。高比例新能源和高比例电力电子设备都将导致电力系统动态特性发生深刻的变化，使得电力系统长期、中短期和日内平衡难度逐渐加大。为平抑高比例新能源电力系统中新能源电力的随机性和波动性，提升电力系统稳定性，高比例新能源电力系统亟需与之匹配的灵活可调度 资源。受资源禀赋限制，实施大规模煤电灵活调峰运行，是提高电力系统电源侧调节能力的优先选择。燃煤发电机组由于其稳定和可靠的特性，在过去的几十年中一直是电力系统中主要的电源之一，随着煤电在电力系统中角色定位的调整转变，燃煤机组需要向“兜底保供”与“灵活调节”转变，燃煤机组运行方式从原来的主要承担基荷运行转变成调峰、调压、调频等灵活性运行方式。然而，大量的燃煤机组在建设初期并未考虑到如今的生产环境和要求。

因此，本文基于对现有灵活燃煤发电研究成果的综合分析，总结燃煤发电机组中锅炉系统和汽轮发电机系统在灵活运行方面的现状、在深度调峰和灵活运行过程中所面临的困难和技术挑战以及关键技术原理和目前已有的解决方案。通过对锅炉系统和汽轮发电机系统在运行安全性、低负荷经济性等方面的关键问题进行深入分析，以及对不同灵活性改造路线的研究，系统阐述这两个系统中的重点技术手段与可行的改进方案。最后，总结锅炉系统和汽轮发电机系统的核心技术突破点以及具有前景的 新技术，并对未来的研究方向进行了展望。

三、燃煤发电灵活运行现状

3.1 锅炉系统

随着燃煤发电机组的功能转型，深度调峰和灵活性改造已成为燃煤电站发展的必然趋势。燃煤机组在进行调峰改造时，锅炉的最低稳定负荷工况主要存在燃烧不稳定、水动力性能低、结构热冲击等问题，极大影响了锅炉运行的安全性和经济性。因此，下文从以下几方面来概述锅炉系统调峰运行的研究进展。

3.1.1 运行安全性

1）低负荷稳燃。

在深调运行过程中，锅炉的实际运行负荷远低于设计的最低稳定运行负荷，这导致送入炉膛的煤粉量减少、一次风量减小以及炉膛温度的下降。由于这些变化，煤粉气流点火所需的热量急剧上升，导致煤粉着火位置延迟，火焰的稳定性受到影响。此外，当负荷继续下降时，给煤量和二次风量也急剧减少，从而降低组织炉内空气动力场的能 力，不利于形成促进煤粉气流快速升温的稳定高温区，这进一步降低了燃烧器的稳燃能力。最终，这些变化导致了炉膛温度的急剧下降，煤粉的快速点火变得困难，火焰的充满度减弱，从而引发了火焰的不稳定性，导致炉膛中的火焰中断、甚至出现灭火和爆燃等问题。这些因素直接对管屏等造成变形、开裂、爆管以及炉内结焦等重大安全隐患，如图1 所示。

基于上述问题，研究人员对煤粉燃烧的内在机理不断深入研究，主要涉及煤粉火焰的点火和稳燃过程。Semenov着火理论认为，煤粉颗粒的点火是由活性基团将低能态反应组分激发，产生光和热，并导致反应产物的生成以及温度或压力的变化。徐旭常等指出，在燃烧器出口能否形成“三高 稳燃区”对煤粉的点火和稳燃过程至关重要，如图2(a)所示。周怀春等强调锅炉中煤粉射流升温点火的主要热源是辐射加热，而非热烟气回流所带来的对流传热。魏小林将煤粉气流的预热过程细化为一次预热区和二次预热区。前者主要依靠对流和辐射传热，而后者则接受来自反应区的热传导传热，二者共同促进了煤粉气流的点火过程，如图2(b)所示。此外，贾楠等介绍了逆向复式射流 预燃室燃烧器的机理，其中一次风和煤粉在高温回流区迅速点火，随后二次风与富燃料混合，形成多环形逆向射流的回流区，以提高燃烧效率。这些研究对提高锅炉低负荷燃烧稳定性的创新策略和改进方案提供了科学依据。

然而，在宽负荷快速灵活调峰的背景下，锅炉燃烧面临两个关键挑战。首先，锅炉制粉系统存在供粉严重滞后的问题，即在负荷调整时，制粉系统未能及时响应，导致供粉不足或过剩。其次，燃烧器的自稳燃能力不足，火焰的稳定性不足以支持机组的快速灵活调峰。因此，提出了多种稳燃技术方案，主要包括助燃改造、制粉系统改进、燃烧系统改进以及燃烧参数的精细调控，具体如图3 所示。

在助燃改造方面，包括采用等离子点火、微油/ 无油点火、增加燃煤助燃剂等方式。例如，Messerle 等开发了一种等离子体煤粉燃烧系统，并发现该系统明显提高了优质煤炭的燃烧效率；PawlakKruczek 等基于等离子燃烧技术，研究了煤粉与未燃烧焦炭的混合燃烧过程；Feoktistov等实验研究了锅炉炉壁的钢品属性对煤-水-油浆在混合传热中点火燃烧特性的影响，并发现激光照射有助于强化燃烧。这些改进措施旨在优化煤粉的着火条件，提高燃烧过程的稳定性，从而增强锅炉的稳燃能力。然而，这些措施大多需通过增加外界的能量输入来降低煤粉着火所需能量，以达到低负荷稳燃的目的。这虽然有一定的效果，但不符合节能降耗的目的，没有从根本上改善机组的经济性。针对煤粉制备系统存在供粉严重滞后，目前仅靠优化磨煤机的结构和运行方式，尚无成熟有效解决方案。日本日立公司提出间接式供粉燃烧代替直吹式加快变负荷燃料响应速率的概念；有文献提出利用现有直吹式制粉系统，在磨煤机与燃烧器间增设小粉仓的煤粉快速灵活储供技术。但该技术对磨出口混合气体的含氧量要求极高，尚缺乏一定 的可行度和接受度。此外，调整锅炉煤粉供给策略，采用先进的煤粉供给控制技术，也是改善制粉系统性能的有效手段。

燃烧系统改进的研究主要集中在燃烧方式改进和燃烧器的设计上。吕清刚等介绍了煤粉预热燃烧的技术进展及相关成果，并指出这项技术具有广泛的煤种适应性、低负荷稳燃能力和低NOx排放特性。吕俊复等在 PRP 燃烧器上进行了无烟煤的燃烧实验，证明了预热燃烧具有高稳燃和低NOx 排放性能。

通过改进燃烧器的结构、增强煤粉浓缩、优化燃烧风分布等方法，有望提高火焰的稳定性和燃烧效率，表1列举了一些典型的低负荷燃烧器设计。

此外，精细调控燃烧参数也是实现锅炉超低负荷运行的关键因素之一。通过调整燃料供给量、氧气含量控制、燃气掺烧、烟气再循环等参数，可以 实现更精确的燃烧控制和稳定性。然而，目前仍存在一些关键技术亟待突破，例 低负荷运行下，煤粉供应均匀性不足，燃烧风速 控制复杂，传统燃烧器设计无法满足锅炉稳定燃烧 要求。同时，需要更多深入研究和实践来验证新 案的可行性和效果。

2 ）水动力安全。

锅炉在机组调峰中扮演着关键角色，但高负荷切换至低负荷状态或反之，可能导致水动力问题，如停滞、倒流和传热恶化，管材疲劳破坏，甚至引发严重的爆管事故。例如，南京金陵电厂灵活性改造后，水冷壁出现横向裂纹；庄河电厂则一年出现了10余次锅炉爆管事故。因此，确保锅炉水动力安全是维护机组稳定运行的必要条件。

表2 展示了某 300 MW 亚临界汽包锅炉在不同工况下的水动力计算结果，表明水动力计算对锅炉安全运行的重要性。此外，亚临界汽包锅炉和超临界直流锅炉水冷壁系统在设计和运行方式上存在一定差异，应区别对待。

因此，研究锅炉水动力安全性的热点问题包括锅炉在深度调峰情况下的稳定性、锅炉水循环的动态响应、水动力性能的提升以及水冷壁的裂纹和爆管问题。特别是在应对快速负荷变化的挑战时，锅炉的水动力特性成为热电厂管理的焦点。

首先，研究人员通过仿真研究来深入了解不同条件下锅炉的水流行为。Zhu 等通过仿真研究了 某2953t/h 超超临界压力锅炉中垂直水冷壁的水动力特性，以了解不同条件下的水流行为。这种工作有助于制定技术建议，如最佳节流孔的设置，以改善水动力性能。

其次，研究人员还提出一系列水力计算方法，用于评估锅炉系统的水动力性能。Tucakovic 等提出一种对强制循环和自然循环回路进行水力计算的方法，并预测到膛线管的热安全裕度增加；Dong 等提出单根管道水动力特性的计算方法，使用等效电路图分析了自然循环锅炉的流体动力学，并给出了数值计算方法。这为锅炉水动力安全性提供了一定理论保障。

此外，研究人员还关注锅炉系统的改进技术，以提高水动力安全性能。Nie 等建立了流动网络、金属温度和流动失稳模型，研究发现直通式三压再热蒸发器可以安全可靠地运行，并具有快速提升和降低负载的优点；Liu 等建立了一种超临界燃煤锅炉的完整动态仿真模型和部分控制模型，并发现当给水温度、给水流量和煤量都受到−5%的干扰时， 蒸汽温度的最大偏差分别为−21、+32 和−34℃；马玉华等通过300 MW锅炉水动力试验，发现25%~40%额定负荷下的水动力工况相对安全。吴鹏举等分析了超临界锅炉在20%低负荷深度调峰干态运行时，锅炉的压力变化、流量分配、汽温的分布趋势，验证了在该状态下的水动力安全性；陈听宽等研究了内螺纹管内传热的特性，指出在亚临界压力区，内螺纹管传热强化作用明显，有效地抑制了膜态沸腾的发生。在实际工程中，也经常用内螺纹管来强化传热，避免膜态沸腾的发生。

在深度调峰情况下，对锅炉的水动力安全特性 进行全面的分析计算是维持锅炉系统稳定运行的关键技术。特别地，需要关注水动力计算的核心指标，如流速、压力分布、温度变化以及各关键组件的性能参数。这些指标在维护锅炉水循环的稳定性的基础上，有助于评估系统的水动力性能和安全性。然而，目前在变负荷中水动力性能、水位控制、水利冲击、瞬态热特性等还缺乏深入研究。因此，需要通过综合考虑仿真研究、水力计算方法以及系统改进技术来不断完善水动力安全性能，以应对快速负荷变化，实现锅炉系统的可靠、高效运行。

3 ）锅炉结构安全。

锅炉结构安全性的研究一直是电力行业中的一个重要议题。随着火电机组在能源领域的不断演变和发展，锅炉受压部件的设计和维护要求也发生了重大变革。过去锅炉受压部件的强度计算主要基于锅炉稳态工况，只有少数特定部件需要考虑其疲劳性能。近年来，这一领域发生了显著变化，需要对受压部件的更广泛、深入的研究。

GB/T 30580-2022 标准列举了锅炉主要受压部件的损伤模式，强调了疲劳损伤在所有部件中的重要性。这一标准提供了锅炉受压部件寿命评估的基本原则和步骤，同时推荐了在不同损伤模式下常用的寿命评估方法。研究者们也积极开展了关于不同受压元件的失效机制的研究。刘彤针对蠕变和疲劳分别提出了计算模型，以更好地预测和理解这些部件的性能； Bhansali 等对锅炉壳体材料的对比评估。结果表明，与其他材料相比，结构钢在等效应力方面更安全，而钛合金具有极强的耐腐蚀性； Zhao 等发现缝隙腐蚀是壁挂锅炉中一次换热器裂缝的主要原因； Yuan 等研究了不同过量空气系数下煤粉锅炉预燃室的结渣趋势，并指明碰壁的颗粒大部分会流经高温区，进而造成较大的沉积速率； Kalu 等提出一种局部外侵蚀的耐热无缝钢锅炉管失 效评估方法，并发现钢管的归一化剩余厚度的塑性应变响应接近于零。为进一步提高锅炉结构的安全性，一些技术创新也被提出。这包括水动力、受热面布置和燃烧等方面的优化，以减轻受热面超温的风险。典型技术有强化炉水循环技术、水冷壁中间混合系统布置方式等。

此外，还开发了在线监测系统，通过从电厂的分布式控制系统(DCS) 和管理信息系统 (MIS)中提取数据，用于监测受压部件的寿命损耗，如文献提出大容量火电机组寿命管理与调峰运行方法，用以指导抑制部件的应力疲劳损伤。

然而，这些研究也面临一些挑战。首先，基于动态过程的计算受到实际温度情况的不确定性。其次，计算理论仍然需要进一步的研究，特别是在不同温度下不同材料的疲劳曲线方面，缺乏充分的数据支持。

3.1.2 锅炉低负荷经济性

在现代燃煤发电领域，燃煤发电机组的灵活运行，尤其是在低负荷工况下，引发机组运行效率下降和煤耗显著增加等关键问题，成为制约燃煤发电企业参与灵活运行的重要原因之一。

深度调峰运行的成本增加主要有以下几个方面：

首先，当机组负荷偏离额定负荷较多时，会降低设计循环效率，从而导致供电煤耗显著上升。图4 展示了某 600 MW 超临界机组在不同负荷下的供电煤耗曲线，可明显看出负荷偏离对煤耗的不利影响。

其次，在超低负荷或发生快速负荷变化时，燃烧效率下降，燃尽及散热损失增加，从而导致锅炉效率和辅机效率的快速下降。最后，低负荷运行过程中，参数大幅波动，增加了金属部件的应力，从而减少了机组寿命，也进一步增加了折算运行成本。

因此，迫切需要采取措施来提升低负荷和变负荷热力系统的效率，以提高燃煤机组的经济性。例如，陈鹏等通过对某塔式直流锅炉进行受热面改造、运行优化等一系列措施，最终取得在40%、50% 锅炉额定工况下，机组供电煤耗分别降低1.64、1.36 g/(kW·h)，合计每年节约锅炉燃料成本约125万元；任燕燕等为提高调峰下火电机组经济性，建立以煤耗量为经济目标的变负荷优化分配模型，并发现该模型能有效地预测机组煤耗特性；Ma 等建立双再热余热回收系统的 锅炉汽轮机耦合模型，得出锅炉负荷、气体再循环率、空气预热器中一次空气的出口温度对系统的热经济性有明显影响；Yan 等利用燃烧优化手段对1 000 MW 机组进行改进，实现主蒸汽增加6 ℃，再 热蒸汽增加1.9 ℃，同时减少了受热面壁温偏差。

为进一步提高锅炉低负荷经济性，多种热量回收与再利用技术应运而生，具体包括：

1）采用带循环泵的启动系统，以回收锅炉启 动过程及湿态工况中的热量。

2）增设加热蒸汽系统和疏水热量回收系统。

3）增加烟气再循环系统，以提高低负荷工况下锅炉蒸汽品质。

4）优化锅炉设计基准负荷以及与之匹配的辅机设计选型，以改进机组的经济性。

5）深度利用尾部低温烟气余热，回收预热器出口的热一次风热量，也是提高机组经济性的有效途径。

尽管如此，燃煤热电联产机组在超低负荷运行中维持经济性仍然面临严峻的技术挑战。

3.1.3污染物脱除

在污染物排放控制领域，燃煤发电厂目前采用复杂多模块环保设备，包括除尘、脱硫和脱硝等模块，表3 为我国燃煤电厂的大气环保要求。

然而，低负荷运行和快速负荷变化条件下，烟气流场不稳定，导致污染物生成机理复杂，难以实现及时调整和快速响应。这引发了多个问题，如喷氨/ 石灰石消耗过量、氨逃逸严重以及难以处理的脱硫废水等。其中，燃煤电厂中 NOx 排放受多种因素的影响，包括煤种、锅炉规模、燃烧技术、负荷和运行条件。相对于其他污染物的排放控制，燃煤锅炉的NOx排放控制更为复杂。为了解决这一挑战，采用多种脱硝技术，包括低 NOx 燃烧器(LNB)、选择性非催化还原(SNCR) 、 选择性催化还原 (SCR)及它们的组合。据统计，SCR 装置安装在80%的燃煤电厂中，占 脱硝装机容量的近 95%。单独采用LNB 可以将烟煤锅炉的NOx 排放降至200 mg/Nm ³ 以下，贫煤锅炉的 NOx 排放降至 450 mg/Nm 3 以下。因此，LNB-SCR 技术已成为火力发电厂满足NOx 排放小于 50 mg/Nm ³ 限值的主要脱硝方法。这种组合技术既具有良好的技术效益，还在经济上具有竞争力。

然而，在低负荷情况下，SCR 技术的脱硝效率可能显著下降。因此，为了满足更高的环保标准，燃煤电厂大多选择相对低成本且具有出色脱硝效果的烟气再热系统。为解决低负荷工况下脱硝催化剂无法正常运作的问题，出现多种全负荷脱硝投运改造技术方案，包括省煤器分级、省煤器烟气旁路、省煤器给水旁路、热水再循环、零号高加、烟道补燃、省煤器旁路复合热水再循环、 新型脱硝催化剂，如图 5 所示。进一步地，表 4 对比了各种宽负荷脱硝投运改造技术方案特征。

在综合考虑性能特点及改造成本的基础上，对比发现，目前较为可行的灵活性改造技术主要包括：

1 ）分级省煤器。

将原位于脱硝反应器入口的省煤器受热面调整一部分至脱硝反应器出口，降低脱硝反应器入口位置的省煤器吸热量，提高脱硝反应器入口烟温，以满足脱硝系统低负荷运行要求。其关键措施在于优化受热面分布。

2 ）脱硝反应器烟气旁路。

在低负荷时，通过抽取较高温度的烟气与省煤器出口的烟气混合，而 不经过省煤器受热面，以此来提高脱硝反应器入口烟温。通过调节烟气旁路烟道上的挡板门来改变通过的高温烟气流量，从而达到调节脱硝反应器入口烟温的目的。这要求更精确的挡板门控制、高温烟气的混合比例优化和提高系统稳定性的控制策略。

3 ）广义省煤器给水旁路。

通过在省煤器的进口集箱之前设置调节阀和连接管道，将部分或全部 给水短路，直接引至省煤器出口集箱或水冷壁下集箱，减少流经省煤器的给水量，从而减少省煤器从烟气中吸收的热量，以达到提高省煤器出口烟温的目的。这一技术包括更智能的调节阀和水路设计、更智能的再循环泵策略，以确保脱硝入口温度要求得到满足。

4 ）多种脱硝技术改造的耦合使用。

例如结合烟气旁路和给水旁路技术，以提供更大的灵活性。这种技术的耦合需要深入研究系统集成，以确定如何有效地将不同的脱硝技术集成到一个系统中，以在不同工况下实现无缝切换。

由此可见，在宽负荷调峰运行中，当前的研究热点仍聚焦于在烟气再热系统中实现宽负荷脱硝，这主要受到了其卓越的灵活性、适应性和成本效益的推动。然而，目前还需进一步开发更为灵活的脱硝工艺、新型脱硝催化剂、脱硝智能控制系统等。

3.2 汽轮发电机系统

回顾我国汽轮机行业的发展历程，主要经历4个阶段：

1 ） 1953—1980 年 ，自力更生、艰苦创业阶段，初步建立汽轮机制造厂和相关研究机构；

2 ） 1981—2005 年 ，大功率亚临界和超临界参数汽轮机技术引进阶段，完善了汽轮机技术体系；

3 ） 2006—2012 年 ，消化吸收再开发阶段，实现汽轮机性能全面优化；

4 ） 2013 年至今 ，自主创新、产业升级阶段，汽轮机研发、设计和制造整体实力达到国际先进水平，实现 300~1000 MW 等级产品全覆 盖，表 5 给出了目前国内投运的典型大功率煤电汽轮机技术参数。

新型电力系统下波动性新能源装机容量逐步提升，对汽轮机的经济性、安全性以及灵活性提出了更高要求。针对汽轮机高效率的经济性需求，国内发展了通流部分优化与宽负荷性能优化等关键技术；针对汽轮机长寿命、高可靠性的安全服役需求，国内发展了汽轮机结构强度与寿命、轴系动特性与支撑以及高温材料与焊接转子等关键技术；针对汽轮机快速启动、深度调峰的灵活运行需求，国内发展了汽轮机一键启停与热应力监控等关键技术，如表6 所示。

在当前大力发展新型能源的形势下，实现汽轮机的灵活运行是保持燃煤发电机组竞争力的关键因素。在过去，依靠燃煤发电机组实现电量供需平衡的压力不大，其运行成本相对较低，可以用于长期承担基本负荷。因此，大型燃煤机组通常在热力循环方面予以优化，如提高蒸汽参数、采用二次再热、增加回热级数等，使其运行时接近最大出力和最高效率，仅保留少量裕度(3%~6%)用于电网调峰或稳定电网频率，但这种 情况在未来会有较大改变。

3.2.1 运行安全性

1 ）汽轮机结构。

我国现役火电机组在设计阶段基本未考虑深度调峰工况，运行过程中不具备较强的调峰能力。

牟春华等对当前形势下火电机组灵活运行现状进行了综合分析，研究发现，深度调峰常态化以后，大量设备运行在非正常工况，汽轮机长期在低负荷工况运行时，造成低压排汽过热及末级长叶片具有更高的交变应力，对机组安全性、环保性及经济性的影响不可忽视。汽轮机的偏离设计工况运行会引起通流效率显著降低。另外，对于长期用于快速调峰运行的汽轮机应确保其在较宽负荷范围内灵活高效运行及具有较高可靠性。

为实现汽轮机组在快速启停和灵活运行方面的特殊要求，应当对机组的关键技术和关键部件进行重点考虑。汽轮机的本体部分，如汽缸、转子和阀门等厚壁部件工作时承受高温高压蒸汽，在汽轮机 频繁、快速启停和变负荷时，因加热和冷却速度过快而引起应力裕度不足，严重消耗汽轮机运行寿命。

罗晓明以某电厂300 MW 机组为例，通过运行试验验证并对比分析了变负荷下定压运行和滑压运行两种方式的机组安全性，机组变负荷运行时，采用滑压运行的方式能够减小高压缸各级温度的变化，从而减小汽缸、转子以及其他相关设备由于温度变化而导致的热应力、热变形等，有利于延长机组的寿命，同时有利于机组参与调峰任务时的安全运行。

变负荷过程中，零部件低周疲劳引起的寿命损耗是机组灵活运行面临的重要问题；王鹏等以降低启 动停机及变负荷工况过程中部件结构的疲劳寿命损耗为目标，广泛开展了针对汽轮机机组结构设计、启动过程优化、辅助运行措施、启动控制自动化、热部件寿命监测等多方面的研究工作。

汽轮机灵活运行期间，进入汽轮机的蒸汽温度和回热系统蒸汽温度发生较大变化，易引起与缸体及阀门相连接的管系对机组产生较大的推力和力矩，这对汽缸稳定性产生较大影响。王洪鹏等针对某1000 MW 汽轮机改造项目高、中压汽缸模块， 提出全新负荷分配的基本理论和调整方法并给定允许偏差，能最大限度地减小汽轮机两侧猫爪受力不均及管系连接产生的附加应力，使汽缸能够自然受力和膨胀，保证汽缸在各工况下不会出现失稳。

汽轮机启停机期间和快速变负荷期间，蒸汽参数急剧变化，静子部件热膨胀量随之变化，若滑销系统设计得不够科学或存在卡涩现象，会引起机组膨胀不畅并出现转子振动问题。蒸汽参数变化会引起动静部件之间轴向膨胀量出现较大偏差易引起轴向碰磨。另外，由于蒸汽流量变化较大，汽缸内蒸汽流量分布严重不均，易引起静子部件变形，既会使部件热应力变大，也可能引起动静部件之间产生径向碰磨问题。汽轮机灵活运行期间，进汽阀门的控制模式会发生较大变化，若控制不当极易引发阀芯振动和高噪声问题。王炜哲等针对某1000 MW 机组超临界汽轮机主汽阀系统内的蒸汽流动和噪声辐射进行了全三维计算分析，求解了蒸汽流场内的噪声源幅度分布；何峥梁等 对某汽轮机组补气阀进行流场数值模拟分析，通过流场特性分析改进阀门结构，为补气阀结构设计提供参考。

基于当前对上述问题的分析，总结出采用现有流行技术的汽轮机组进入深度调峰运行和灵活运行时受到的制约因素可分类归纳如表7 所示。

2 ）汽轮机叶片。

随着煤电向基础性、调节性电源转变，参与调峰的汽轮机组将长期低负荷、频繁启停或两班制运行。当汽轮机在低负荷运行时，由于蒸汽流量减小，动叶片根部和静叶珊出口顶部易出现汽流脱流，造成水蚀。低压模块中的长叶片将不可避免地伴随涡流激振响应，导致叶片动应力存在波动、高值区域难以确定。叶片与气流间的气弹性耦合问题突 出，可能引起颤振，导致叶片疲劳损失，严重时将引起叶片断裂事故。

为满足汽轮机灵活运行要求，新型末级长叶片的研制需综合考虑低压缸流场的全三维气动性能、流固耦合特性、汽液两相特性、强度振动特性和整圈连接结构阻尼特性等。

3 ）发电机结构。

传统汽轮发电机的设计主要考虑在基本负荷及50%负荷以上的运行条件，当汽轮发电机频繁负荷变化和启停时，会对转轴、定转子绕组、铁心、结构部件、绝缘等都会造成不可逆的寿命损失而导致不定期损坏。因此而产生的寿命损失是隐性的，损坏是滞后的，通常因不能直接显现而被忽视。

随着运行实践，问题日益突显，发电企业逐步认识到了火电灵活运行对发电机安全运行造成的影响，因此也尝试了对发电机进行局部升级改造，但受原始设计条件掣肘和技术条件限制，实际效果较为有限，汽轮发电机长期安全稳定运行面临着挑战。

在灵活性运行条件下，发电机组会发生定子线圈端部和引线固定松动、定子线圈槽内固定松动、端部滑移支撑件磨损、转子线圈端部变形及绝缘跑位、密封件老化等问题。

①发电机定子可靠性下降问题。

发电机定子是由涵盖不同材质的金属和非金属零部件紧密装配而成，由于它们线膨胀系数、传热系数存在差异，当机组大幅增减负荷时，引起明显的温度变化，造成零部件的温差而产生膨胀位移和热应力，致使部件失效。定子内零部件相对位移主要有两类，一类是金属部件间的相对移动，主要是铁心和绕组之间轴向膨胀和收缩所产生的铜铁 膨胀差，可能会导致定子绕组松动、主绝缘磨损、脱壳分离，将威胁发电机运行安全，图 6(a)为某发电机在经过长期调峰运行后出现了定子绕组端部支架断裂的事故；主绝缘磨损破坏将会导致高电压接地事故，不仅直接导致机组非停，接地所产生高压弧光也将损毁甚至报废发电机定子。图6(b) 展示了定子绕组端部产生了松动磨损。另一类是金属与绝缘部件间的相对移动，主要是在定子线棒内部，铜导体与绝缘材料间膨胀收缩差所产生的剪切应力，其一旦导致绝缘分层脱离，形成相对铜导体与绝缘材料的相对位移，将会产生间隙而局部放 电，降低绝缘材料的介电性能，直至绕组报废。图 6(c)为铜导体表面的环氧云母绝缘在频繁的膨胀和收缩应力条件下发生脱壳。此外，发电机定子铁心在机组频繁调峰工况中还会受到周期性热应力和交变电磁场影响，产生交变电动力，引发定子的基频或倍频振动问题，容易导致铁心松动。严重的定子振动还会使铁心轭部、齿部的片间绝缘破坏，引发局部涡流发热，甚至熔化局部铁心，造成定子报废，图6(d)为某机组实际发生的铁心烧溶事故。

②发电机转子可靠性下降问题。

与定子情况类似，转子仍然存在铜铁胀差。当负荷调节时，励磁线圈铜导体发热量变化幅度大，而转轴温度变化幅度相对小。同时，转子绕组要承受高速旋转的离心力、幅值变化较大的启停应力，联合作用下会使铜线产生蠕变。虽然转子铜线均采用抗蠕变能力强的含银铜排制造，频繁的胀缩会导致弯角处蠕变变形，发生匝间绝缘移位脱落，导致线圈包间或匝间短路，甚至过热烧溶，图7 展示了某机组绕组端部变形情况。此外，发生匝间短路也会导致转子局部过热，使得转子不平衡量增大，造成转子振动问题，危及机组正常运行。

③发电机其他问题。

发电机灵活性运行发热量的变化除导致定转子绕组、铁心部件热膨胀的差异问题，温度变化还会引起发电机内部氢气压力的变化，频繁氢气压力变化有导致密封失效的可能，引起漏氢。机内气压变化使油密封系统压差阀频繁调节跟踪，跟随性滞后会引起漏油、漏氢现象，降低氢气纯度，给机组运行带来安全隐患。

新型电力系统的电力电子化程度越来越高，使得系统装备间相互耦合的结构更为复杂，既有转子多质量块间的直接耦合形式，当系统在受到不同时间尺度扰动时，设备各电气参数将呈现不同的动态特性，当电气频率与汽轮发电机组转子扭振频率耦合时，会引起转子扭振疲劳，甚至发生次同步振荡，造成机组严重破坏。图8 所示为某机组次同 步振荡扭振的疲劳裂纹。

3.2.2 汽轮机低负荷经济性

为了应对电力系统的负荷波动和环保要求，深度调峰政策逐渐成为发电行业的关键议题。然而，这一政策导致了燃煤发电机组的负荷频繁波动，直接对机组的经济性和寿命产生负面影响。其中，汽轮机作为机组的核心设备，其在负荷变动下的经济性备受瞩目。汽轮机的经济性问题不仅包括通流效率和循环热效率下降导致的经济性降低，还包括辅机设备效率下降所带来的影响。在深度调峰情况下，由于锅炉负荷下降，汽轮机组和各辅机设备的运行工况都明显偏离了设计点，导致供电煤耗、汽机发电热耗率和厂用电率呈上升趋势，如图9 所示。

这种变动直接威胁机组的安全性和经济性，同时也可能加速机组的寿命损耗，影响寿命的分配方式，降低整体寿命周期。

另一方面，随着新型能源电力融入电网，煤电汽轮机组的运行经济性不再仅取决于额定负荷。目前，燃煤机组只有很短的时间在100%负荷下运行，当汽轮机深度调峰至 20%负荷以下时，机组的经济性和稳定性显著下降。为了有效提高汽轮机在深度调峰工况下的经济性，通常采用定滑压组合的运行模式或供热抽汽与切除低压缸联合的运行方式，这些策略可以使汽轮机在深度调峰工况下具备更好的经济性。因此，研究将焦点放在汽轮机设计改进上，以提高其低负荷经济性。这些改进涵盖了汽缸结构、叶片型线、末级叶片类型以及叶片表面涂层等方面。这些改进可以减小能量损失，提高汽轮机的性能，尤其是在低负荷运行时，已经有一些关于提升汽轮机低负荷经济性的研究结果。

其次，可以通过改进机组系统来提高低负荷经济性能。这包括增设低压缸进汽流量调节阀、采用背压离合方式、建立零号高加、采用变频循环水泵、引风机汽动驱动供热、废热回收技术。

此外，实施适应性控制策略对于提高汽轮机的低负荷经济性也至关重要。通过引入智能控制算法和模型预测控制技术，可以根据实时负荷变化情况，优化汽轮机的控制策略。

然而，这些研究目前仍需要更多试验数据以量化实际工程效益的提高。

四、 燃煤发电灵活运行新技术

4.1 锅炉系统

4.1.1 新型低负荷燃烧器

为适应新型电力系统的要求，未来燃烧器技术的研究重点在于开发适用于超低负荷工况的先进燃烧器。在满足高效灵活燃烧的同时，需要综合多种新技术和方法，以减少污染物的生成。具体的研究方向包括：

1 ）着重改善燃烧条件和氛围，提高燃烧特性。

在传统燃烧器中，煤粉的着火和燃烬受挥发分比例和焦炭颗粒燃烬时间的限制，无法适应灵活的负荷调峰工况。为此，可以考虑通过改变燃烧条件、 燃料特性和助燃气体特性等手段，实现燃烧过程的灵活调节。例如，采用预热燃烧、富氧/纯氧燃烧以及多种燃料混燃等方式，调整燃料的着火特性和燃烬条件，从而在超低负荷下实现稳定的燃烧。

2 ）调整炉内燃烧组织，优化流场和温度分布。

煤粉在锅炉内燃烧时，炉膛并非绝热环境，炉内烟气与水冷壁之间存在热量交换。在低负荷工况下，合理的水冷壁布置和优化炉内温度场分布对于燃烧器的着火和稳定燃烧至关重要。因此，开发可变炉膛结构以适应负荷变化，确保炉膛热负荷在最佳范围内。考虑到未来耦合不同类型储能系统的新机组中可能的烟气旁路和热烟气抽取，需要有针对性地调整炉内燃烧组织，以解决复杂多变的烟气流场问题。

3 ）改进燃烧器结构，开发低负荷燃烧器。

着重开发能在超低负荷工况下实现稳定燃烧、适应宽燃料范围、高效低污染的燃烧器结构。首先，通过改善煤粉浓度和氧量，提高燃烧的稳定性。超低负荷稳燃燃烧器需要特殊设计的煤粉浓缩器，具备超强的煤粉浓缩能力，浓缩比应根据实际工程风煤比进行设计。其次，通过深入研发低挥发分煤种、生物质/固废-燃煤、燃煤-氢氨燃料等的混燃技术，在燃烧器中增设煤粉预燃室等，以提高宽燃料适应性和燃烬率。进一步研制新型超低NOx燃烧器，通过深度的计算流体力学 (CFD)模拟，对燃烧器内部流场进行优化，以提高燃烧效率和温度均匀性，从而减少全负荷运行条件下的NOx生成。同时，可以通过设计可调控的燃烧器结构，实现在不同负荷条件下的灵活调整，以保持低排放水平。例如，为了克服脱硝系统在调峰条件下效率低下的问题，Yao 等设计了一 种新型内预燃燃烧器，可使D 层和E 层的NO减少量占 53%，其结构示意如图10 所示。

此外，为了实现燃烧稳定性的实时监测，需要开发基于多种在线检测装置的实时检测的燃烧系统。该系统应综合利用光学、声学、压力等多种信号，提出超低负荷工况下燃烧器燃烧稳定性的实时定量指标，以便运行人员能够迅速有效地调整燃烧过程。

4.1.2 新型锅炉结构

全球范围内，用于大容量机组的锅炉型式主要分为Π 型炉和塔式锅炉两种。特别是在欧洲，塔式锅炉由于其高效和灵活的特点已经得到了广泛应用。以德国莱茵-威斯特法伦电力股份公司的褐煤电厂研发项目为例，通过采用的1×1100 MW 蒸汽轮机配合2×550 MW 锅炉的配置(又称“母管制”机组)，能够实现从1100 MW 降至 175 MW 的负荷调节(最低负荷率约16%)，展现了与现代燃气轮机相媲美的灵活性。值得注意的是，如风能资源丰富的丹麦所展示的，火电机组的灵活性在整合可再生能源方面起到了重要作用。这为全球电力行业提供了宝贵的经验和借鉴。

近年来，随着中国电力市场中调峰需求的不断增加，以及调峰考核和深度调峰补偿措施的不断完善，塔式锅炉在中国市场的占比逐年提升。表8展示了 Π 型炉和塔式锅炉的主要特点。可以发现，二者在锅炉效率和排放控制等主要性能指标上表现出无明显差异。然而，由于两者的炉型结构存在差异，塔式锅炉的阻力略低，这有助于降低用电设备的电耗，从而使得厂用电率略低于Π 型锅炉。此外，塔式锅炉还具有系统简单、性能可靠、结构紧凑、 疏水条件良好、启动时间短、负荷响应速度快以及占地空间小等优点。因此，未来新建的高参数、高灵活性、低碳排放燃煤机组可能更倾向于塔式炉。

同时，可适当考虑发展和引入更多“母管制”火电 机组，以进一步提升系统的调节能力和整合可再生能源的效率。

随着新型燃煤发电系统不断深入发展，一系列先进燃煤发电技术也成为未来建设低碳排放燃煤电站的主要方向，如“燃煤+”耦合发电、整体煤气化联合循环、S-CO2 动力循环技术等，这将推动锅炉系统创新的升级发展。因此，未来关于锅炉结构的研究重心将集中在以下几方面：

1 ）新型换热工质和多工质耦合的锅炉构型。

现有的锅炉系统主要基于朗肯循环，采用水蒸气作为工质，但其在实现高效灵活调峰时存在一定限制。未来的研究可聚焦于开发新型换热工质和多工质耦合的锅炉系统，以摆脱水蒸气系统的制约。其中，基于布雷顿循环的超临界CO2锅炉是一有前景的方向，该热力系统的简化设备结构和小工质热惯性使其更适于快速负荷变化。此外，引入中间工质，如熔盐、有机工质或其他工质，进行燃煤锅炉加热，再由中间工质产生水蒸气，通过中间工质的储存和调配，解除锅炉负荷与机组负荷的紧密耦合关系，满足深度调峰需求。因此，未来的研究可探索基于新型工质和多种工质的耦合机制，实现“一炉多锅”的灵活配置。

2 ）与储能装置深度耦合的锅炉结构。

为满足未来高效和超灵活的能源需求，尤其是与储能系统深度耦合的情境，新型锅炉结构的设计需要更加深入地考虑与不同储能系统深度耦合的优势。通过改进锅炉结构，将储能装置与锅炉主体紧密结合，实现热能的高效存储和释放。这可通过优化烟气和蒸汽与熔盐、相变材料等储能介质之间的传热界面和系统集成来实现。图11 为与高温熔盐储热系统耦合的燃煤发电机组。这种深度耦合将提高能源利用效率、增强系统运行灵活性，并进一步推动锅炉技术的创新。

3 ）全负荷适应性低应力柔性锅炉结构。

着眼于设计全负荷适应性低应力柔性锅炉结构，综合考虑高温受热面材料与规格匹配。通过综合强度计算和蠕变疲劳计算方法，可优化关键设备(如分离器、末级过热器、末级再热器等)及集箱系统的选材、结构和布置形式，减少各部分元件的温度偏差，降低应力集中程度。同时，优化水冷壁系统的结构设计，改进锅炉冷结构、张力板等膨胀系统设计，并优化集箱和管道的焊接及热处理工艺。

此外，引入受热面寿命监测系统和膨胀监测系统，实时统计分析元件的温度变化，提前预警寿命消耗殆尽的情况，以提高锅炉的响应速度和系统的整体可靠性。

4 ）新型锅炉材料和腐蚀涂层材料。

针对新型锅炉结构，未来的研究应专注于采用高强度材料和合理布局，以减轻热应力和机械应力对锅炉的影响。探索先进的材料，如高温合金和耐热钢，以提高锅炉在高温、高压工况下的耐久性和安全性。通过基于涂层材料的基因工程筛选，研发广泛适用的新型腐蚀涂层材料，用于受热面和冷结构等关键部位，以提高锅炉的耐蚀性和抗腐蚀能力，从而延长设备使用寿命。这一研究方向将为未来锅炉技术的可持续发展提供关键的支持。

4.1.3 全负荷脱硝

由于脱硝催化剂的活性和寿命受到影响，大多数燃煤火电机组的脱硝装置的工作温度在300~ 430 ℃之间。在深度调峰时，脱硝入口烟气温度低于工作温度会导致脱硝装置停工，这严重制约着低负荷下脱硝效果。因此，未来锅炉全负荷脱硝技术的研究可能从以下几个方面展开。

1 ）研发宽温度适用性的新型脱硝催化剂。

采用多种制备方法，如溶胶-凝胶法和沉淀法，合成具有高活性、高稳定性、宽温度区间的催化剂，特别是低温催化剂。通过微观结构调控，提高催化剂在全负荷运行时的催化活性，并适应温度波动。

同时，需要结合表面科学理论，深入研究催化剂的反应机制，以提高脱硝效率并减少副产物的生成。例如，通过采用CO+NH3 耦合脱硝技术，Mn-Ce/AC 催化剂可以在150~300℃温度范围内实现较好的脱 硝效果，如图12所示。此外，还可适当增加SCR 催化剂层数和扩大催化剂对负荷范围适应性，以确保 SCR 装置在较低负荷下有效。

2 ）开发新型脱硝工艺。

探索基于催化剂的非对称脱硝技术，优化催化剂的选择和配置，提高催化剂的利用率。同时，优化现有脱硝流程，研发新的工艺，如新型非氨基还原除酸脱硝、新型生物钙脱硝、生物氧化塔法脱硝、新型吸附脱硝等技术，以提高脱硝效率的同时减少废物产生。还需结合新型反应工程学，优化脱硝过程的反应条件，实现在全负荷运行状态下的高效脱硝。

3 ）开发灵活的多污染物协同脱除一体化的新技术。

一方面，对煤炭进行改质，采用深度脱灰、脱 硫、脱氮等前处理方法，并结合高效的低NOx 燃烧技术，设计适用于改质煤种的特制燃烧器，以最大限度减少污染物的排放。另一方面，结合多级除尘和脱硫技术，实现多污染物的协同脱除，提高系统的整体净化效果。设计可调节的一体化系统，能够灵活适应锅炉负荷变化，保证系统在不同工况下的协同脱除效果。在此基础上，还需引入先进的在线监测技术，实时监测多种污染物浓度，调整脱除系统的运行参数，以维持系统的高效运行。图13为华中科技大学所提出的多污染物协同治理技术方案及中试系统。

4 ）开发精准预测和智能控制的脱硝系统。

利用先进的数据分析和机器学习算法，建立全负荷运行条件下的脱硝系统模型，实现对脱硝效果的精准预测。集成先进的传感器网络，实时监测锅炉废气组分和温度，为智能控制系统提供准确的输入数据。同时，优化智能控制策略以确定何时应该切换不同的脱硝技术，并考虑烟气分布策略，以确保不同技术的烟气输入均匀分布到脱硝反应器 中。这需要精确的喷氨量控制和智慧化的系统运行。

4.2 汽轮发电机系统

4.2.1 新型汽轮机结构

从技术发展角度要求燃煤发电机组具有很高的灵活性和能量储备，用来弥补太阳能和风能等新型能源电力在灵活性方面的不足。改变煤电汽轮机的设计方向，使其能够符合电力发展的需求并持续保持竞争力，并在汽轮机的研发过程中着重考虑采取以下几方面技术措施。

1 ）采用能够实现快速改变机组负荷的措施。

高参数煤电汽轮机因其厚重金属构件，其加热和冷却速度过快可能导致应力裕度不足，从而严重制约了汽轮机的升速率和变负荷率。汽轮机快速启停及负荷调节的关键在于结构的合理性，以及进入汽轮机的蒸汽参数是否满足金属换热的匹配要求和对通流部件热应力的控制程度。由于超临界汽轮机的汽缸、转子及阀壳等零部件尺寸较大，在部件表面的几何突变处容易存在应力集中现象，这些位置往往是机械应力疲劳裂纹的发源地，而高温区域的应力集中则是热应力疲劳裂纹的高发地。因此，需要优化汽缸、转子和阀门等关键部件的结构。

为了改善汽轮机的结构，除了采用大直径圆角、特征结构缓慢过渡等优化措施外，还需要对整体结构进行优化对比分析。其中，应用圆筒型汽缸结构、设计低应力转子结构以及优化阀体结构以降低阀 体应力等措施，可以有效降低应力疲劳寿命损耗量，有助于提升机组的快速启停及负荷变化能力。图14 展示了采用圆筒型缸体结构和红套环密封技术的汽缸模块，以替代传统的法兰螺栓密封技术。随着汽轮机高压缸进汽压力的提高，在取消调节级喷嘴室的情况下，高压内缸承受的内外压差增加近一倍，法兰密封结构已达到螺栓密封能力的极 限，因此需要采取密封效果更好、结构更合理的技术来保证高压缸的密封。在此条件下，采用壁厚均匀的薄壁圆筒形缸体结构能大幅减小启动过程中的热应力峰值及由此造成的疲劳寿命消耗量。汽缸模块在结构上更加紧凑，缸体热应力小，启动及变负荷时间短，适应性好。红套环过盈产生的收缩力使环体整圈均匀受力、应力集中小、使用寿命长， 拆装时间短。

图15为典型的汽轮机启动期间高中压转子温度和应力变化情况。汽轮机在启动过程中，蒸汽与转子金属间的温度差异较大，转子表面的热流密度较高，温度上升剧烈，在暖机和升负荷期间，蒸汽与转子表面的温差逐渐减小，热流密度降低，转子表面温度变化趋于平缓。因此，通过改变转子表面换热条件和优化转子结构，能够有效降低转子工作应力和变负荷运行期间的寿命损耗率。考虑到电网对煤电机组的灵活运行要求，为达到转子的使用寿命，需要同时优化转子材料来提高其安全裕度。通过建立先进的长时蠕变本构模型和循环塑性本构 模型，应用转子瞬态热-力分析及寿命损耗分析方法能够精准测算转子寿命损耗率。

在汽轮机组的厚壁部件中，汽轮机阀门是壁厚最大、边界温度变化非常剧烈的部件。由于阀体形状复杂，换热条件不一致，有些部位的应力在启停工况下非常高。因此，必须将汽轮机阀门在启停调峰过程中的寿命损耗作为主要研究对象，研究其在调峰运行情况下的温度场、应力场以及寿命损耗情况。通过结构优化和换热条件优化来消除温度敏感区内的应力峰值，控制合理的金属温度变化率，通过监测各项参数变化，实时分析阀体在受到温度场及结构场耦合作用下的疲劳和蠕变特性及寿命损伤情况，如图16 所示。

此外，应推广采用具有低应力峰值的薄壁圆筒型缸体结构和具有重量轻、强度高、修复性好及生产周期短等优点的空心结构的焊接转子技术，如图17 所示。同时，在汽轮机关键部件的易应力集中部位增加金属应力监测点，配备先进的智慧化应力控制手段，对机组进行实时的寿命评估，实现科学的启停机控制和寿命管理，使其在规定的使用年 限内实现最佳的安全经济运行。

2 ）采用能够在较宽负荷范围内保持较高的运行效率的措施。

大功率高参数汽轮机由于蒸汽参数的影响和 汽轮机结构设计的限制，其通流面积除第一级的调节级能够随机组功率的变化而进行调整外其余各级都是固定不变的。在进行汽轮机的通流面积设计时，通常将额定负荷点作为设计基准，汽轮机在额定功率运行时通流效率最高，偏离设计负荷点时效率将逐渐降低，负荷值偏离设计点越多其效率下降越明显。采用滑压运行的机组在部分负荷时蒸汽参数降低，导致机组循环效率下降。而汽轮机在调峰运行时需要经常性地大幅度变化负荷，而这种固定面积的通流技术难以适应调峰运行要求。

为了解决上述问题，可以考虑降低通流面积设计点，但这无疑会引起机组高负荷时性能下降。在此，可以推广一种通过改变蒸汽在通流内的流程而实现随功率的变化进行通流面积变化的创新型汽轮机，使汽轮机在各种功率下都能获得理想的通流面积和最佳的通流效率，促进机组适应深度调峰的运行要求。创新型汽轮机相对于常规机型在各负荷点的热耗收益值和相对于满负荷的热耗增加率如图18(a)和(b)所示。