“‘雙碳’目標(biāo)下，我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從高碳化石能源向綠色、低碳可再生能源轉(zhuǎn)型，最主要的措施是發(fā)展新能源，但由于風(fēng)光類新能源具有隨機(jī)性、間隙性、波動(dòng)性且不可調(diào)的特點(diǎn)，這需要煤電機(jī)組成為新能源電力消納的保障。”在由中國(guó)能源學(xué)會(huì)和北京能源與環(huán)境學(xué)會(huì)組織的院士專家燃煤發(fā)電技術(shù)座談會(huì)上，上海申能電力科技有限公司總經(jīng)理馮偉忠表示。

      加速推動(dòng)煤電由常規(guī)主力電源向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型，是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要和國(guó)家能源政策重要導(dǎo)向。在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的過程中，煤電裝機(jī)容量事關(guān)電力供應(yīng)的安全底線，提高存量煤電機(jī)組的靈活性和可靠性是其重要出路。在馮偉忠看來，隨著風(fēng)光等新能源比例不斷提升，煤電靈活性改造的需求將進(jìn)一步釋放，在此過程中，技術(shù)創(chuàng)新將持續(xù)引領(lǐng)電力行業(yè)減煤降碳。

技術(shù)減碳正當(dāng)時(shí)

      2021年，國(guó)家能源局聯(lián)合科技部印發(fā)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，圍繞煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)以及先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)等，進(jìn)一步推動(dòng)煤電行業(yè)清潔低碳、安全高效發(fā)展。立足以煤為主的基本國(guó)情，新建項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用大容量、高參數(shù)、低能耗、調(diào)節(jié)能力好的發(fā)電機(jī)組。

      中國(guó)工程院院士、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)教授武強(qiáng)提出，業(yè)內(nèi)需重點(diǎn)關(guān)注2021中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容，即傳統(tǒng)能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基礎(chǔ)上，要立足以煤為主的基本國(guó)情，抓好煤炭清潔高效利用，新增可再生能源和原料用能不納入能源消費(fèi)總量控制。“換言之，可再生能源在沒有成為我國(guó)主體能源之前，化石能源在未來一段時(shí)期內(nèi)仍是我國(guó)的主體能源。”

      武強(qiáng)認(rèn)為，煤電的清潔低碳化利用包含三個(gè)思路：一是通過高效的方式，削減煤炭用量實(shí)現(xiàn)減排；二是以系統(tǒng)化的思路，通過采取CCS或者CCUS技術(shù)在末端進(jìn)行減碳；三是通過靈活性方式，推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)、調(diào)節(jié)調(diào)峰技術(shù)等來增大可再生能源使用量，減少煤炭的火力發(fā)電供應(yīng)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)減碳。

      “在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，我國(guó)還不具備退出煤電的可行性，而煤電的逐步脫碳才是業(yè)內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和努力的方向。”馮偉忠認(rèn)為，現(xiàn)階段，通過技術(shù)減碳，即“高效化實(shí)現(xiàn)自身減碳”和“靈活性實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減碳”是煤電的兩大目標(biāo)。

擺脫高溫高壓管道制約

      目標(biāo)已經(jīng)確立，持續(xù)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新是下一步的關(guān)鍵。近年來，為提高發(fā)電效率，煤電行業(yè)主要采用的技術(shù)路徑為更高等級(jí)蒸汽參數(shù)（700攝氏度）以及二次再熱技術(shù)。

      馮偉忠認(rèn)為，發(fā)展以鎳基超級(jí)合金為基礎(chǔ)的700攝氏度等級(jí)技術(shù)，目前尚存在材料技術(shù)和造價(jià)瓶頸。

      據(jù)了解，提高蒸汽溫度，是煤電機(jī)組效率提升的重要途徑，但蒸汽溫度上升對(duì)蒸汽管道材料提出了更高要求，管道價(jià)格也隨之上漲。目前600攝氏度等級(jí)機(jī)組蒸汽管道綜合造價(jià)不到20萬元/噸，而700攝氏度高效超超臨界機(jī)組采用昂貴的鎳基超級(jí)合金，管道價(jià)格達(dá)300萬元/噸左右。在上述背景下，與現(xiàn)有600攝氏度等級(jí)機(jī)組相比，采用700攝氏度機(jī)組的電廠造價(jià)約為前者的一倍。

      為突破采用更高等級(jí)蒸汽參數(shù)以及二次再熱技術(shù)的造價(jià)瓶頸，馮偉忠在國(guó)外較成熟的雙軸汽輪機(jī)組技術(shù)基礎(chǔ)上，創(chuàng)新發(fā)明了一種新型的汽輪發(fā)電機(jī)組方案，將高壓軸系放置在鍋爐本體外側(cè)臨近聯(lián)箱處，低位軸系保持不動(dòng)，即高低位分軸布置方案。

      值得注意的是，目前這一技術(shù)創(chuàng)新已應(yīng)用于申能安徽平山電廠二期1350MW高低位分軸布置二次再熱超超臨界機(jī)組。記者在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)看到，塔式鍋爐高位發(fā)電機(jī)組布置在塔式鍋爐82米平臺(tái)處，相當(dāng)于從原來鍋爐的“腳邊”位置挪到了接近鍋爐“肩膀”的高度。

      “這不僅可以大大縮短高溫高壓蒸汽管道長(zhǎng)度，節(jié)省大量高溫高壓管道，而且可以大大降低主蒸汽和再熱蒸汽的壓降和溫降，阻力更小、散熱損失更少、管道建設(shè)成本更低，機(jī)組效率與經(jīng)濟(jì)性得以顯著提升。”據(jù)馮偉忠介紹，這一方案可消除絕大部分高參數(shù)、高價(jià)值管道，大幅節(jié)約投資，為700攝氏度等級(jí)機(jī)組的發(fā)展消除了最主要的制約因素。

      目前，申能安徽平山電廠二期1350MW高低位分軸布置二次再熱超超臨界機(jī)組已在2022年正式投入商業(yè)運(yùn)行。機(jī)組設(shè)計(jì)供電煤耗251克/千瓦時(shí)，比目前最先進(jìn)的兩次再熱機(jī)組煤耗進(jìn)一步下降超15克，大幅提高能源利用水平，平均每年可節(jié)省燃煤近10萬噸。

深度調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性可行

      在技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性是進(jìn)一步追求。“雙碳”目標(biāo)下，煤電機(jī)組成為新能源電力消納的保障，在確保安全、環(huán)保以及能耗升幅不高的前提下，大幅拓展煤電機(jī)組的深度調(diào)峰能力尤為關(guān)鍵，如何做好深度調(diào)峰助力“雙碳”，已成為眾多煤電機(jī)組面臨的現(xiàn)實(shí)難題。

      值得注意的是，深度調(diào)峰具有一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本。“深調(diào)幅度越大，風(fēng)險(xiǎn)和成本越高。安全風(fēng)險(xiǎn)成本、壽命損耗威本以及煤耗上升成本等構(gòu)成了煤電機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)下的主要成本。”馮偉忠表示。

      “要使深調(diào)補(bǔ)貼真正成為電廠盈利的新途徑，并確保機(jī)組安全，就需要控制上述三類成本。”馮偉忠表示，正常情況下，二次再熱機(jī)組應(yīng)盡可能高負(fù)荷運(yùn)行，以充分發(fā)揮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。但結(jié)合我國(guó)煤電發(fā)展現(xiàn)狀，我國(guó)的二次再熱機(jī)組的發(fā)展在保證基本發(fā)電負(fù)荷的同時(shí)，還要承擔(dān)較重的調(diào)峰任務(wù)，因此，除安全高效外，應(yīng)提高機(jī)組低負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)性及靈活性，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性減碳。

      “對(duì)于煤電機(jī)組的提效升級(jí)和清潔化利用，總能耗指標(biāo)哪怕下降幾克煤也非常重要。”中國(guó)工程院院士余貽鑫認(rèn)為，目前，風(fēng)光等新能源發(fā)電需要調(diào)峰煤電來平抑波動(dòng)，如果煤電機(jī)組能保持20%的超低負(fù)荷下的調(diào)峰能力，將極大提高綠色能源的使用占比。因此，煤電機(jī)組能夠安全、可靠地維持低負(fù)荷運(yùn)行具有重要意義。

      在這方面，申能安徽平山電廠二期亦走在前列。據(jù)馮偉忠介紹，該工程進(jìn)行了一系列重大創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，如彈性回?zé)峒夹g(shù)、全負(fù)荷低氧低氮燃燒、廣義變頻技術(shù)等。不僅提高了機(jī)組低負(fù)荷下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，且實(shí)現(xiàn)了20%負(fù)荷深度調(diào)峰干態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行。“在此工況下，機(jī)組供電煤耗上升幅度僅為70克/千瓦時(shí)水平，成本增量與深調(diào)補(bǔ)貼相比很小，從而保證了深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性。”