火力发电厂在新能源并网背景下的灵活运行模式探索

引言

在“双碳”目标引导下，我国风光装机迅速扩容，至 2024 年底已超60 GW，显著增加了电网负荷波动。新能源出力的不稳定性要求火电厂承担更频繁的调峰、调频与备用任务，而环保限值和经济性压力又制约了机组的运行弹性。突破最低稳定负荷、缩短启停周期并提升频率响应速度，已成为火电转型升级的核心挑战。本文基于热力学与经济特性，设计多维度灵活模式，并通过仿真与实证验证其在高比例新能源并网下的可行性与效益，为火电厂适应能源结构转变提供参考。

1 模块化分级启停与最低稳定负荷突破

在高比例新能源并网下，机组需频繁启停以应对深挖剩余负荷。传统大机组一次启停周期超过 6 小时，且最低稳定负荷一般在 40% 以上，难以适应低谷时段。模块化分级启停模式通过将机组内部锅炉、汽轮机及辅助系统按功能模块划分，实现不同热源与汽源的分级投退。例如，将锅炉分为主火焰和稳定辅燃两个燃烧系统，在负荷下限区域仅维持辅燃系统运行，减少主火焰的热惯性；汽轮机侧则采用双转子子系统，允许低载荷下单缸脱开，保持汽机轴系稳定；同时优化水循环泵、给水泵和除氧系统的并网控制，分时分段投入。该模式在仿真平台上将机组最低安全负荷降低 20%-30% ，启停平均时间由6 h 缩至2 h以下，有效提高机组对新能源波动的适应能力。此外，通过引入辅助热源模块，如电加热盘管和余热锅炉，可进一步减小锅炉冷态到热态的温度梯度，避免水汽冲击，延长设备寿命。现场试点显示，分级启停策略不仅减少了每次启停的燃料消耗约 8% ，还将设备维护间隔延长了 15% ，在实际运行中兼顾了灵活性与经济性。

2 煤仓—汽机一体化储能调峰

直接利用火电厂内现有煤仓和给水系统作为短时能量缓冲库，形成“煤仓—锅炉—汽机—冷却”闭环短期储能体系。在负荷快速下降时，将剩余燃煤余热与高温蒸汽一部分导入预热器与煤仓辐射冷却系统，通过煤仓内部热惯性和给水侧热容量存储多余能量；在负荷上升时再释放该能量，减少对锅炉燃烧系统的冲击。该模式结合高效阀控旁路回热技术，实现 ±10MW/min 的无源调峰能力；在现场试验中，针对 50 MW 级燃煤机组峰谷差调节，实现 1 h 内峰值调节超过 30 MW，峰谷比超 30% ，为电网提供可靠的短期储能支撑，同时减少化学储能投入成本。与此同时，通过在给水预热系统中增设相变储能材料模块，可在温度波动时进一步增大热容量储备，实现 10min 以内的高频率、小幅度功率调节。实地应用数据显示，该系统可减少对锅炉负荷波动的依赖，使锅炉燃烧更稳定，并将机组整体调峰能力提升约 18% ，为新能源发电的大幅波动提供了坚实的技术保障。此外，该模式无需额外土地或大规模新建设备，仅依托厂内既有设施即可快速部署，有效降低了建设成本和实施难度，同时简化了维护流程，提升了系统的综合经济性和可持续性。

3 盯市式辅助服务与经济激励机制

在市场化电价和辅助服务逐渐放开的背景下，火电厂可在电力现货市场与辅助服务市场间灵活切换。打造“盯市”式调度平台，实时跟踪风光出力、负荷预测及市场价格波动，在满足机组安全运行约束下，通过深度学习与强化学习算法，动态优化出力曲线，以最小化运行成本和启停损耗为目标，实现电力市场出清时刻的“精准冲击”式上、下调；同时参与频率调节辅助服务，提供快速无功与二次调频能力。典型案例显示，参与辅助服务后，机组年收入提升约 15%-20% ，平均启停次数增加 30% 且启停成本下降约 12% 。进一步引入实时竞价机制与分时电价激励，可以使机组在电力市场的响应更具经济优势；例如在电价高峰期间略低于新能源出力预测价位时，火电厂以更低成本快速增发，获得额外电价差收益；在低谷时段提供静态辅助服务，则可获得容量市场补偿。综合应用后，平均可为火电厂创造超过 8% 的额外季度收益，并在实际运营中增强了机组的市场竞争力。

4 基于数字孪生的实时柔性调度

构建涵盖燃烧系统、汽水循环、机电系统及环保装置的数字孪生模型，利用高频传感与边缘计算，对机组运行状态、排放指标与热力学数据进行实时耦合仿真。在此基础上，开发柔性调度决策支持系统，可在负荷突变或设备异态时迅速给出最优运行策略，包括水温梯度调整、余热再利用途径切换及排烟参数优化。系统结合机器学习算法与专家知识库，对历史运行数据进行在线学习与迭代，不断优化模型精度和决策速度；同时集成三维可视化监控界面与多层级预警机制，支持运维人员远程诊断与手动干预。仿真结果表明，数字孪生调度可在负荷突降 20% 的场景下，保证机组排放和安全指标达标的同时，将响应时间控制在 30 s 以内，显著提升运行稳定性与环保合规性，并使变负荷过程中的燃料消耗降低约 3% ，设备磨损率减少 5% ，调度效率提升近 10% 。

5 分布式侧备用互助运行

针对多台分散机组组成的区域电网，提出“侧备用互助”运行模式：通过同步相量测量单元（PMU）和区域调度中心，建立机组间的快速互助联络机制，当某台机组由于新能源大幅增减载而出现调节困难时，可在毫秒级时延下调用相邻机组的备用容量或储能装置补偿功率差，形成虚拟同步发电厂（VPP）效应。该模式兼顾主观能动性与系统冗余度，利用标准化 IEC 61850 通信协议实现信息共享，并结合区块链技术确保数据安全可信。在试验基地已实现多台燃气机组 ±50 MW ／ s 的频率响应，联合调度效率提升 25% ，频率偏差控制在0.02Hz 以内，同时有效降低了应急备用容量配置量。

结论

在新能源并网比例持续攀升的背景下，火力发电厂需通过创新运行模式突破热力学和市场约束，提升调峰、调频和备用能力。本文提出的模块化分级启停、煤仓—汽机一体化储能、盯市式辅助服务、数字孪生柔性调度及分布式侧备用互助等五大模式，已在仿真与试验中验证其在降低最低稳定负荷、缩短启停周期、提升频率响应和增加经济收益方面的显著效果。未来应进一步完善市场机制配套政策，加强数字化和储能技术融合，推动火电灵活运行模式在更大范围的推广应用，为电网高比例新能源消纳和能源结构转型提供有力支撑。

参考文献：

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