“十三五”燃煤發電設計技術發展方向分析

龍輝，黃晶晶

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“十三五”燃煤發電設計技術發展方向分析

龍輝，黃晶晶

（中國電力工程顧問集團有限公司，北京市 西城區 100120）

通過對中國政策法規和《電力發展“十三五”規劃》的研究，對中國燃煤發電設計技術的未來發展走向進行分析，提出了潔凈煤發電技術仍將是“十三五”燃煤發電機組技術發展的核心，同時應努力開展低碳燃煤發電技術的研發。結論是“十三五”期間更高參數超超臨界燃煤發電技術、燃劣質煤“超低排放”改造技術、火電靈活性改造技術、節能改造技術、深度節水技術以及大型燃煤鍋爐生物質混燒技術將有一定的發展空間，進而對相關技術研究重點提出了建議。

“十三五”；燃煤發電；節能；節水；碳排放

0 引言

根據中國工程院公開發布的即將完成的重大咨詢項目“推動能源生產和消費革命戰略研究(一期)”的研究成果，即使到2050年，煤炭仍將占我國一次能源的40%，煤炭仍然是我國一次能源的基礎。筆者有幸參加該課題的編寫工作，深刻感受到中國不可能像歐洲一些國家那樣完全去煤化，燃煤發電在未來30年仍將占較高的比重，人們對未來燃煤發電技術發展仍充滿期望。要全面分析研究我國未來燃煤火電機組實現高效、清潔、低碳發展的技術，持續降低供電煤耗，降低CO2排放，是今后燃煤發電技術的重點研發方向。

1 “十三五”燃煤發電技術發展特點分析

1.1 燃煤火電機組能耗和碳排放控制的政策 法規

國家發展改革委、環境保護部和國家能源局于2016年1月15日在北京召開“加快推進煤電超低排放和節能改造動員大會”，要求到2020年全國新建機組平均供電煤耗低于300g/(kW×h)，現役燃煤發電機組改造后平均供電煤耗低于310g/(kW×h)。各火電集團分別提出了燃煤火電機組供電煤耗要求。特別是部分燃煤火電機組比例過高的火電集團，充分認識到燃煤火電機組降低能耗的重要性，中國神華集團公司提出綠色發電節能環保升級改造行動計劃，其中供電煤耗要求見表1。

表1 中國神華集團燃煤火電機組供電煤耗要求

在國際上，為應對全球氣候變化，我國提出了以發展低碳經濟，實現國家的可持續發展目標。在2015年巴黎氣候大會后，為實現我國承諾的使中國的二氧化碳排放在2030年達到峰值，國務院2016年10月27日關于印發“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知(國發〔2016〕61號)指出：到2020年，單位國內生產總值二氧化碳排放比2015年下降18%。到2020年，能源消費總量控制在50億t標準煤以內，“十三五”期間累計減排CO2當量11億t以上，推動部分區域率先達峰[1]。支持優化開發區域在2020年前實現碳排放率先達峰。鼓勵其他區域提出峰值目標，明確達峰路線圖，在部分發達省市研究探索開展碳排放總量控制。

我國將出臺一系列有關二氧化碳減排的政策。2017年全國7個碳排放權交易市場全面啟動運行，并正式開展碳稅交易，燃煤發電成本會大大增加。燃煤火電機組面臨著降低CO2排放的空前壓力。如何解決燃煤火電機組的CO2排放，是燃煤發電企業面臨的巨大挑戰。

1.2 《電力發展“十三五”規劃》中燃煤火電機組規劃

2016年12月，國家發展改革委、國家能源局正式發布《電力發展“十三五”規劃》(以下簡稱《規劃》)，描繪出了我國“十三五”電力工業發展藍圖。《規劃》預期到2020年與燃煤火電機組有關的新增裝機及燃煤火電機組技術改造容量要求見表2[2]。

《規劃》提示：隨著大規模的燃煤火電機組建設高潮的回落，燃煤火電機組的工程設計重點將由單一的新建燃煤發電工程設計向新建燃煤發電機組設計、“超低排放”改造工程設計、火電靈活性改造和節能技術改造這四個方面開展設計研究工作，同時我國新建燃煤火電機組主要集中在中西部，應注意在中西部缺水地區注意燃煤火電機組的深度節水研究。

表2 《規劃》與燃煤火電機組有關的新增裝機及技術改造容量要求

1.3 “十三五”燃煤火電機組發展特點分析

歸納總結“十三五”燃煤火電機組發展特點，無論是國家政策、法規要求，還是《規劃》要求，均圍繞燃煤火電機組綠色發展和低碳發展主題開展相關工作。本文的判斷是“十三五”前期將以進一步節能降耗為主線(如有火電集團已經在內部提出到2020年將供電標煤耗降低到295g/ (kW×h)以下)，從“十三五”末期到“十四五”將貫穿始終的是燃煤火電機組降低CO2排放的技術發展。“十三五”燃煤火電機組技術發展將具體體現在建設更高效燃煤火電機組、“超低排放”改造、火電靈活性改造、老機組節能改造、中西部地區建設深度節水燃煤火電機組和低碳燃煤發電等6個方面。

2 “十三五”燃煤發電相關技術發展方向分析

2.1 更高效率燃煤火電機組技術研發

2.1.1 600℃超超臨界燃煤機組達到更高效率研究

根據國外600℃超超臨界燃煤機組最新技術進展資料，我國與發達國家在600℃超超臨界機組設計的凈效率方面仍有一定的差距[3]。我國目前最新設計投運的某1000MW機組與德國RDK8機組效率指標對比見表3。

表3 我國1000MW機組與德國RDK8機組效率指標對比

Tab.3 The efficiency comparison of coal-fired power units between a 1000MW power unit in China and the RDK8 power unit in Germany

由表3可見，我國設計并建成的1000MW級超超臨界機組供電效率與歐洲公司最新設計建成的同樣等級的超超臨界機組相比，供電效率低1.6%(本文主要分析系統整體優化和汽輪機本體熱耗降低方面的差異)；同時，國外公司設計的 1000MW機組普遍帶區域供熱，國外設計項目供熱效率>58%，大型燃煤火電機組帶區域供熱也將是未來新建燃煤發電技術發展的一種趨勢。

2.1.2 650℃等級高效超超臨界燃煤機組設計技術研究

從2011年起，中電工程參加由國家能源局組織的國家700℃超超臨界燃煤發電關鍵技術與設備研發及應用課題。負責其中子課題一和子課題六，即總體方案設計研究和示范電站工程可行性研究2個課題研究。國內、外初步的研究表明：受制于700℃超超臨界燃煤機組汽輪機部分高鎳基材料研發難度的困擾和性價比問題，預計700℃超超臨界燃煤發電機組的投運時間將推遲到2026年后。然而中電工程從700℃超超臨界燃煤發電技術研究受到相關啟發，在2015年首先在國內提出研發650℃等級高效超超臨界燃煤機組發電技術。650℃等級超超臨界機組可以嘗試應用國內外最新研究的耐高溫材料(如G115、HR6W、GH984G、Sanicro25等)，并盡可能減少昂貴的鎳基合金的使用，結合創新的總體熱力系統設計和更高效率的主機方案，根據測算當參數為33MPa/650℃/670℃，機組發電凈效率有望達到48%以上。與“700℃”方案相比，大幅降低高溫高壓材料的研發難度，并大幅度降低機組造價。目前中電工程已配合國內幾個發電集團開展相關技術研究工作。

2.2 燃劣質煤火電機組“超低排放”技術研究

“十三五”期間，中電工程與火電集團、科研院所、大學等共同形成產學研合作團隊獲得國家重大科技專項研究中2個項目：1）2016年國家重點研發計劃大氣污染成因與控制技術研究中的《煙氣污染物“超低排放”關鍵技術及評估》課題；2）2017年國家重點研發計劃煤炭清潔高效利用和新型節能技術中的《新型高效靜電除塵裝備》課題。

其中煙氣污染物“超低排放”關鍵技術及評估課題，將緊密圍繞燃劣質煤火電廠煙氣“超低排放”達標的技術需求，結合煙氣污染物“超低排放”關鍵技術與評估研究，解決燃劣質煤火電廠煙氣“超低排放”技術面臨的瓶頸和突出問題，收集燃煤火電廠煤質，建立煤質數據庫，提出適用于劣質煤的經濟合理的“超低排放”協同治理技術路線，在此基礎上建立燃煤電廠煙氣污染物“超低排放”技術標準與規范。

2.3 燃煤火電機組火電靈活性改造技術研究

由于我國燃機、抽水蓄能電站裝機量不足，對風電波動需要穩定的電源進行平衡，“十三五”將有2.15億kW燃煤機組進行火電靈活性改造。

我國火電靈活性技術現階段主要集中在熱電機組配置儲熱系統后的熱電解耦效果研究和燃煤機組深度調峰兩方面。我國“三北”地區電源結構以燃煤火電為主，且熱電機組比重較高。在冬季供暖期，熱電機組按“以熱定電”方式運行，調峰能力僅為10%左右。“十三五”期間提高 電源調峰能力，對火電機組進行靈活性改造，特別是熱電機組的靈活性改造，將是解決“三北”地區風電和太陽能發電消納最為直接有效的手段之一。

2.4 燃煤火電機組節能改造技術研究

燃煤火電機組節能改造技術包羅萬象，與系統相關的綜合節能提效改造技術包括：亞臨界參數機組提效改造、供熱機組改造、系統和設備提效改造(煙氣余熱深度利用、鍋爐空氣預熱器提效改造、煙風道節能改造等)等。可密切關注現有300~1000MW機組改造改造技術、系統和設備提效改造等其中的核心技術的研發。

2.5 燃煤火電機組深度節水技術研究

以冷凝法煙氣水回收技術為代表的煙氣水回收技術是目前比較成熟并可以應用于工程的深度節水技術，并且將來還會有較大的發展空間。冷凝法煙氣水回收技術一是實現深度節水，例如，以內蒙古某煤電基地為代表的7個電源點14個機組，在采用空冷技術等一系列節水技術的基礎上，要求進一步將設計耗水指標控制在0.03m3/ (s×GW)以下；其中12臺660MW機組，8臺可能將采用煙氣水回收技術。二是冷凝法煙氣水回收技術同樣可應用于南方，例如，長三間、珠三角等沿海地區燃煤火電機組，用于濕法煙氣脫硫工藝后降溫凝結水，減少白煙產生，再通過煙氣再熱系統消除白煙，國內已有1000MW機組采用該技術，可實現與再熱器直接加熱消除白煙同樣的目的，同時達到低能耗消除白煙的目標，值得進一步研究。

2.6 燃煤火電機組CO2深度減排技術研究

2.6.1 燃煤鍋爐耦合生物質混燒改造技術研究

生物質是一種清潔的低碳燃料，含硫和含 氮量均較低，燃燒后SO2、NO排放量比煤炭要小得多。燃煤鍋爐耦合生物質改造技術可降 低CO2排放,提供可靈活調節的、高質量的、新 能源電力供應。根據收購生物質燃料的多少可靈活配比燃料資源利用，使用可再生生物質資源，降低不可再生煤的消耗。燃煤火電機組耦合生 物質發電能夠有效利用生物質，減少機組燃煤量，有利于燃煤火電機組的節能；燃煤火電機組 耦合生物質發電既可以解決農民散燒廢棄秸稈的污染問題，又可以降低燃煤機組本身污染物排放水平。

“十二五”期間，中電工程已經開展了《大型燃煤鍋爐生物質混燒技術應用研究》，完成了相關的技術儲備，提出了大型燃煤鍋爐生物質與煤在煤粉爐中混燒的主要技術路線如圖1所示。

圖1 大型燃煤鍋爐生物質與煤在煤粉爐中混燒的主要技術路線

大型燃煤鍋爐生物質混燒技術發展路線可歸納為生物質顆粒和生物質氣化后燃燒2條主要路線。盡管生物質顆粒混燒技術有難以計量方面的缺點，但若此缺點可以克服，將是大型燃煤鍋爐生物質混燒技術發展的主要方向，可以實現大型鍋爐各種比例混燒技術應用，同時具有成熟、可靠、安全的特點，該技術在國際上已經得到廣泛應用。

2.6.2 大型燃煤鍋爐CO2深度減排技術研究

歐洲最新設計投運的荷蘭鹿特丹的MPP3電廠是世界上最新建成的節能和CO2深度減排示范電廠[4]。1100MW超超臨界機組采取超超臨界參數+生物質混燒+區域供熱的CO2深度減排技術路線。機組容量為2′1100MW，機組參數為28.5MPa/600℃/620℃，機組凈效率>46%。MPP3 電廠混燒30%左右的生物質，采取區域供熱。

超超臨界機組+生物質混燒+區域供熱無疑是未來解決新建燃煤火電機組CO2深度減排的主要技術路線，在新建高效超超臨界機組的同時，可進行相關技術研究，甚至可預留相關建設場地，實現未來綠色燃煤火電機組的可持續發展。

3 結論及建議

“十三五”將出現規模空前的燃煤火電新建裝機容量的快速下滑，這已是不爭的現實。因此，需要及時調整發展思路，緊緊圍繞國家電力發展政策和發展規劃確定技術發展目標，緊密結合發電集團發展思路和電廠實際情況開展發電技術研究工作，緊盯國內、外燃煤火電最新技術進展調整工作重點，從傳統的設計更高效超超臨界燃煤發電機組，向設計更高效超超臨界燃煤火電機組、燃劣質煤“超低排放”改造、火電靈活性改造、節能改造、深度節水以及大型燃煤鍋爐生物質混燒技術研究與工程設計方面發展，完成工程設計理念的新突破，同時掌握其中的核心技術。

對于“十三五”燃煤發電設計技術發展，建議如下：

1）瞄準“十三五”燃煤發電技術發展方向，完成燃煤發電技術發展路線圖，做好長期規劃。

2）不斷學習，加快設計轉型的研究。以美國AECOM公司為例，發電設計部分的前身是上世紀80年代在我國國內電力行業非常熟悉的美國依巴斯公司。該公司現在全球擁有85000名員工，在150多個國家運營,營業收入約180億美元。美國《工程新聞記錄》(ENR)2014年度最新全球百大設計公司排名中，總體排名第一。業務范圍除建筑設計、施工服務、規劃+設計、能源、環境、水務等外，在發電技術領域擁有包括SBS(煙氣脫SO3技術)一整套的設計、建設、安裝、運營方面的核心技術。可學習該公司20年以上的轉型經驗，逐步掌握工程設計+擁有核心技術+少量投資+總承包+運營管理的發展模式。而新建超超臨界機組建設、燃劣質煤“超低排放”改造、火電靈活性改造、節能改造、深度節水以及大型燃煤鍋爐生物質混燒等領域已具備這方面的條件。

3）我國將會提出更多的可持續發展政策、法規和強制性國家標準，其核心將指向過度工業化后造成的碳排放問題，建議加大對大型燃煤鍋爐CO2深度減排技術開展更深入的研究。

[1] 《國務院關于印發“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知(國發[2016]61號)》[Z]．2016．

[2] 《電力發展“十三五”規劃(2016-2020年)》[Z]．2016．

[3] 沈波．GE蒸汽發電業務和最新超超臨界燃煤發電技術[C]//2017年GE中國蒸汽發電客戶峰會，2017．

[4] Maasvlakte Power Plant 3 introduction by E?ON (Press info for Franziska Krasnici)[Z]．Rotterdam，2012．

(責任編輯 楊陽)

Development Direction Analysis of Coal-fired Power Units’ Design Technology During the 13th Five-Year Plan

LONG Hui, HUANG Jingjing

(China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100120, China)

According to electric power development the 13th five-year plan and related national policies and legislations, we analyzed coal-fired power units’ design technology trend in China in the future and concluded that the core of coal-fired power units’ development would be clean coal power generation in the next five years and focusing on low carbon coal power generation research at the same time. During the 13th five-year plan, ultra supercritical coal-fired power generation with higher parameter, ultra-low emission reconstruction in fault coal-fired plants, flexibility and energy saving reconstruction, deep water conservation and biomass co-combustion in large coal-fired boilers have certain development space, and more suggestions are emphasized on technology research areas.

the13th five-year plan; coal-fired power units; energy saving; water conversation; carbon emission

2017-12-05。

龍輝(1960)，男，學士學位，教授級高級工程師，從事能源與環保相關技術研究工作，hlong@cpecc.net。

國家重點研發計劃項目(2016YFC02037)。

Project Supported by National Key R&D Plan of China (2016YFC02037).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.002