燃煤發電產業升級支撐我國節能減排與碳中和國家戰略

黃 暢，張 攀，王衛良，黃 中，呂俊復，劉吉臻，岳光溪，倪維斗

（1.暨南大學能源電力研究中心，廣東 珠海 519070；2.清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；3.中國華能集團有限公司，北京 100031）

為應對氣候變化，實現我國既定的碳排放達峰目標和碳中和目標，亟需加快能源結構轉型的步伐。截至2020年11月底，全國風電、太陽能發電總裝機已達4.7億kW，約占全國發電裝機容量的22%[1]。國家主席習近平在氣候雄心峰會上強調，到2030年風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上[2]。由于風資源的波動、風力機調峰能力弱，風電出力存在隨機波動性和反調峰特性[3]；太陽能光伏發電嚴重依賴光照情況，存在天然的不確定性和間歇性[4]，屆時大量“陰晴不定”的新能源并網將給電網帶來前所未有的調峰壓力。

從調峰性能來看，雖然水力發電相對于燃煤發電更容易調控，在水庫容量滿足的情況下可快速響應電網調頻和調峰的需求，但水力發電的負荷受季節性影響較大。核電雖然可以調峰，但考慮到安全問題，國內核電機組一般只承擔基本負荷。與水電、風電、太陽能發電等可再生能源“靠天吃飯”的情況不同，燃煤發電幾乎不受季節、環境等影響，調峰性能較好。只要燃料充足，常規燃煤發電機組一般可根據電網需求在50%~100%負荷之間靈活調整。隨著我國能源結構快速轉型，以燃煤發電為主體的基礎能源電力的調峰能力，將直接決定風電、太陽能發電等可再生能源的發展空間，進而影響我國節能減排事業，以及碳達峰和碳中和國家戰略的順利實施。因此，大量間歇性新能源電力并網必將迫使燃煤發電機組全面參與深度調峰。

為此，已有多個省份/地區相繼發布電力調峰輔助服務辦法，燃煤發電機組全面參與深度調峰勢在必行。但是燃煤發電深度調峰依然困難重重。一方面，燃煤發電機組低負荷工況高能耗問題凸顯。大容量高參數燃煤發電機組，設計最佳經濟運行工況一般在85%～95%負荷區間，燃煤發電機組全面參與深度調峰，長時間在低負荷工況下運行，不僅安全穩定難以保證，機組效率還大幅下降，影響供電煤耗往往達10%量級。另一方面，占燃煤發電裝機近50%的供熱/供汽機組為保障供熱/供汽，往往采取“以熱定電”方式運行。熱電聯產機組若不能開展熱電解耦，實現“按需定電”，必將大幅影響燃煤發電機組的總體調峰能力。當前市場上雖然已出現一些“熱電解耦”技術，但往往會導致系統熱效率大幅下降等問題。如諸多供熱機組為了深度調峰將機組發出來的高品位電能在上網之前直接燒熱水供熱，其能效水平比普通熱水鍋爐還要低60%左右，堪稱為“煤電棄電”，造成了極大能源浪費。燃煤發電機組，特別是熱電聯產機組，其深度調峰與節能降耗矛盾非常突出。

基于我國電力工業和能源結構的發展狀況，中國工程院和國家自然科學基金委員會曾聯合資助“中國燃煤發電機組節能減排戰略研究”項目，對我國燃煤發電開展了深入研究和系統論證。基于該項目研究成果，能源領域16位院士共同起草了“關于推動燃煤發電產業升級，強化機組深度調峰能力，提高可再生能源消納水平，以推進節能減排的建議”，以支撐我國節能減排與碳中和國家戰略。

1 燃煤發電產業升級，助力節能減排與碳中和

長期以來，在國家節能減排政策驅動下，燃煤發電為我國的節能減排事業做出了重大貢獻。“十一五”之前，我國全面向以德國為代表的發達國家學習先進燃煤發電技術，并逐步實現趕超。“十二五”以后，國際燃煤發電領域已無先進案例可供參考，再加上深度調峰、集中供熱（汽）等獨特復雜運行條件，更是世界無二，亟待自主研發先進節能降耗技術體系。隨著燃煤發電熱力系統越來越復雜[5]，傳統燃煤發電技術基礎已難以支撐相關技術進一步發展（圖1），亟待研究基于能量品級綜合高效利用的現代熱力系統節能理論，研發燃煤發電機組低負荷工況保效技術，以及熱電聯產機組“按需定電”與調峰過程“能級匹配”的高效供熱技術，以支撐泛熱力系統能源綜合高效利用。

圖1 行業發展需求與難點分析Fig.1 Analysis of needs and difficulties for the industry

2 現代熱力系統節能理論

燃煤發電一直是世界主要電源組成，長期貢獻40%以上的發電量[6]。燃煤發電是將燃料的化學能通過燃燒轉變為熱能，再將熱能轉變為機械能，最后將機械能轉變為電能，涵蓋了燃料、燃燒、傳熱、動力循環、冷端等關鍵環節。根據常規熱平衡計算，凝汽式燃煤發電系統的冷端熱損失通常占50%以上，是燃煤電站的主要熱損失[7]。冷端熱損失雖然數量龐大，但是因為品質低下、難以利用，節能潛力非常有限。可見，節能潛力與能量損失關系并不直接，卻與能量損失的品質存在莫大的內在聯系。

為了表征燃煤發電系統中能量的品質，挖掘系統節能潛力，早在18世紀70年代，Gibbs就基于熱力學第二定律提出了?的基本思想，并于19世紀50年代被Rant進一步完善形成?的概念，即系統達到與環境平衡過程中可以釋放出的最大有用功[8]。基于此，Sengupta[9]、劉強[10]、楊勇平[11]、SI Ningning[12]等分別對210、600、660、1 000 MW燃煤發電機組熱力系統的?損失進行了系統研究和深入分析。此外，付忠廣和齊敏芳[13]還研究提出了基于最大熵投影尋蹤耦合的燃煤機組節能評價方法；楊勇平等[14]開展了燃煤發電機組能耗統計評價研究；張學鐳和陳海平[15]對循環水預熱回收開展了熱力性能分析。

然而，通過對相關研究的系統分析，發現?損失也不等價于系統的節能潛力。如燃燒?損失幾乎不可避免；煙氣與汽水之間巨大傳熱?損失，也因鋼材的溫度限制而難以降低。雖然相關學者提出了如提高蒸汽參數[10]、給水溫度、負荷率[12]，降低背壓、改變一次風加熱方式[16]等一系列有效的方案，但由于供電煤耗影響因素復雜，缺乏成熟、系統、全面的節能分析與評價方法，節能技術魚龍混雜，節能發展方向并不明確，難以從根本上大幅提升系統效率。隨著能源結構調整和現代工業技術發展，燃煤運行環境和熱力系統日趨復雜，如熱電聯產多用戶多供給、新能源耦合、源網荷儲一體化等能源利用新環境，傳統燃煤發電技術基礎已難以支撐節能技術進一步發展。

現代熱力系統節能理論的建立，應基于能量品級綜合高效利用開展熱量與?的耦合分析，建立涵蓋燃料、燃燒、傳熱、動力循環、冷端等燃煤發電全系統?平衡與熱平衡體系，結合現代工業技術與能量需求情況，揭示火力電站?損失與能量損失的對應關系，進而表征燃煤發電熱力系統能源轉化各個過程的理論節能潛力分布，從而為燃煤發電節能技術的發展方向提供科學依據。

3 基于燃煤發電機組熱力系統狀態重構的低負荷工況保效技術

隨著我國加快能源結構轉型，越來越多的間歇性新能源電量并網，燃煤發電機組必將逐漸全面參與深度調峰。然而，燃煤發電機組在設計過程中主要考慮額定負荷工況下的運行效率，在中、低負荷工況下運行經濟性差，運行方式沒有經過系統優化。基于傳統理論和技術，燃煤發電機組無論采取定壓運行方式還是滑壓運行方式，在深度調峰過程的中低負荷工況下效率都會大幅下降。燃煤發電機組定壓運行與滑壓運行的優缺點如圖2所示。燃煤發電機組采用定壓運行時，負荷響應速度快，汽包溫度穩定，然而汽輪機節流損失大、末級濕度變化大、主蒸汽和再熱蒸汽溫度難以維持；而當燃煤發電機組采用滑壓運行時，又會產生汽包溫度變化大、負荷響應速度慢、機組循環效率降低等問題。另外，機組檢修、設備更換等局部改造和機組長期運行產生性能老化等原因都將導致系統特性變化，單一不變的運行方式難以保障深度調峰工況下發電機組的能效。

圖2 燃煤發電機組定壓運行與滑壓運行的優缺點Fig.2 Pros and cons of constant pressure operation and sliding pressure operation of thermal power units

大型燃煤發電機組中，循環效率和高壓缸效率之間存在一定的矛盾。主蒸汽參數優化是燃煤發電機組運行優化的關鍵。目前大型汽輪發電機組的配汽方式主要有節流配汽和噴嘴配汽2種方式。節流配汽會導致低負荷節流損失大、效率低，僅適用于帶基本負荷的大功率機組。當前普遍采用噴嘴配汽方式，雖然在一定程度減輕節流配汽的節流損失，但因在中低負荷采用滑壓運行方式，低負荷循環效率低下問題沒有得到根本解決；同時，在低負荷工況單個或2個調節閥仍然存在較大的節流損失，導致高壓缸調節級效率大幅下降。

傳統燃煤發電機組的額定負荷工況往往是機組的高效運行工況。隨著負荷下降，無論采用何種運行方式，都必然導致機組綜合效率下降，這是行業共識。為協同提高深度調峰工況主蒸汽壓力和高壓缸效率，必須對熱力系統進行狀態重構。針對新能源發展引起燃煤發電機組必須頻繁參與深度調峰的新需求，基于熱力系統動靜態特性模型和對運行數據的挖掘，以系統整體能效為目標，綜合考慮循環效率、高壓缸效率、給水泵泵功等多種因素的影響規律，協同優化汽輪機通流結構、鍋爐受熱面、給水泵運行方式等，開展燃煤發電機組變負荷多工況的熱力系統狀態重構。

基于系統研究，燃煤發電機組低負荷狀態重構技術可同步大幅提高低負荷區域主蒸汽參數與高壓缸效率，綜合提高低負荷工況機組效率達3%以上，降低供電煤耗10 g/(kW·h)左右。燃煤發電機組低負荷狀態重構技術的推廣應用，可打破燃煤發電機組低負荷效率大幅下降的必然規律，基本實現燃煤發電機組低負荷的系統保效。

4 供熱機組“按需定電”與調峰過程“能級匹配”的高效供熱技術

熱電聯產集中供熱具有能源綜合利用效率高、節能環保等優勢，是城市和工業園區集中供熱的主要供熱方式之一，也是解決我國城市和工業園區存在供熱熱源結構不合理、熱電供需矛盾突出、供熱熱源能效低污染重等問題的主要途徑之一。然而，當前我國熱電聯產發展正面臨嚴峻挑戰：一是大型抽凝供熱機組比例過大，其熱電比通常較小，難以全面參與深度調峰；二是當前熱電聯產機組普遍采用的熱電解耦技術，能耗非常高，亟待開展基于“能級匹配”的高效熱電聯產機組深度調峰技術。

4.1 供熱機組“按需定電”助力電網調峰

燃煤發電機組全面參與深度調峰，占裝機容量近一半的熱電聯產機組必然無法繼續按照“以熱定電”的運行方式獨善其身。供熱機組全面參與電力調峰，是當前解決電網調峰能力不足的重要手段。

我國的熱電聯產機組以為200~600 MW等級的機組為主，且大多采用抽凝式，其熱電比通常較小，難以深度調峰。特別在我國三北地區，熱電聯產機組比重大，水電、純凝機組等可調峰電源稀缺，調峰困難已經成為電網運行中最為突出的問題。以東北電網為例，其目前的電源結構中，燃煤發電占總裝機的70%，風電占總裝機的20%。在冬季采暖期，供熱機組運行容量占燃煤發電機組運行總容量的70%，熱電機組按“以熱定電”方式運行，調峰能力僅為燃煤發電裝機容量的10%左右，新能源發電的消納問題難以解決。

為了充分消納高品位的新能源電力，供熱機組通過“熱電解耦”的方式全面參與深度調峰，實現機組“按需定電”，首先要解決機組供熱能力的保障問題。當前，熱電解耦的主要技術路線有2種：第1種是儲熱式，如熱水儲熱裝置，通過增設蓄熱裝置實現熱電解耦，當電網存在調峰困難時段利用儲熱裝置對外供熱，補充熱電聯產機組由于發電負荷降低帶來的供熱能力不足；第2種是非儲熱式，即取消蓄熱裝置，通過電鍋爐或機組通過抽取更高品位蒸汽減溫減壓以直接用于加熱熱網循環水，進而滿足供熱需求，同時滿足電網對電廠的調峰要求。

基于系統分析，當前主要熱電解耦技術的能效水平都有較大的提升空間。如當前蓄熱式熱電解耦方式的蓄熱熱源一般都是主蒸汽或高品位抽汽，能耗極高。采用電鍋爐供熱的方式，更是直接將高品位的電直接燒熱水供熱，其從煤到熱的轉化效率僅有30%左右。而高低壓兩級減溫減壓器供熱技術方案會降低原電廠運行效率。其他熱電解耦技術，如高背壓供熱改造（雙轉子）、光軸改造方案采暖期需更換2次低壓缸轉子；低壓缸切缸運行、高低旁路協調減溫減壓等系列熱電解耦技術等在保障供熱、供汽穩定前提下，可實現熱電機組的全負荷調峰，調峰水平和熱效率總體較好，但靈活性欠佳。

4.2 熱電聯產“能級匹配”保障系統高效

針對蓄熱式熱電解耦技術，采用“能級匹配”理念，可以采用分級蓄熱，低溫段采用低品質蒸汽或余熱來加熱蓄熱介質。針對電鍋爐補充供熱的方式，可以在電力調節靈活性允許的情況下，盡量避免電能的直接供熱。

一般而言，建筑采暖的目標是維持20 ℃左右的室內溫度。為了滿足大規模熱量集中輸送的要求，采用0.2~1.0 MPa的供熱抽汽作為熱源，熱源與供熱目標的能級嚴重不匹配。每經歷1個換熱環節，熱量的能級就降低1次。

根據熱力學第二定律的?分析方法，計算得到常規熱電聯產機組供熱系統（圖3）首站的汽-水換熱?效率為74.0%，熱力站的水-水換熱?效率為69.6%，用戶末端的水-空氣換熱?效率為52.4%。因此，系統總的?效率為27.0%，即由熱源處提供1 kW·h的抽汽熱量，則耗損0.73 kW·h的?。這意味著該系統存在較大的優化改進空間。

面對多用戶多供給、新能源耦合、源網荷儲一體化等日益復雜的能源利用新環境，基于“能級匹配”理論，對包含源-網-荷的泛熱力系統進行綜合設計，開發基于能級匹配的先進高效熱電聯產技術，系統提高“泛熱力系統”的能源利用效率。在此基礎上，進一步與“按需定電”的熱電解耦技術耦合，對不同能級的熱源、蒸汽/熱用戶進行系統綜合優化，主動高效匹配，實現“按需定電”、供熱/供汽保障與深度節能的智慧統一。

圖3 常規熱電聯產機組供熱系統Fig.3 Schematic diagram of heating system of conventional cogeneration unit

5 結論及建議

為系統實現“2060年實現碳中和”的國家戰略，我國不斷提高非化石能源比例，通過全面實施電氣化、智能化、低碳化，走向以非化石能源為主的新型能源結構。基于我國“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦及新能源“陰晴不定”的能源品質，燃煤發電產業全面升級，是確保新能源順利發展的最可靠保障。為此，必須全面推進燃煤發電現代節能理論創新，在系統兼顧燃煤發電機組多工況能效的同時，不斷強化燃煤發電機組的深度調峰能力，提高可再生能源消納水平。

本文從節能理論及關鍵技術體系2個方面，為我國燃煤發電行業發展提出以下建議。

1）深入開展基于能量品級綜合高效利用的現代熱力系統節能理論研究，為燃煤發電節能技術的發展提供科學依據。

2）研發基于熱力系統狀態重構的燃煤發電機組低負荷工況保效技術，同步實現燃煤發電機組深度調峰與高效節能。

3）研發熱電聯產機組“按需定電”與調峰過程“能級匹配”的現代高效熱電聯產技術，同步保障熱電聯產機組供熱、供汽與系統高效。

碳中和目標既是挑戰，更是機遇。深入開展基于現代節能創新理論和系列關鍵節能技術研發，可全面促進燃煤發電節能技術的發展，推動燃煤發電產業升級，以大幅提高我國電力工業的發展水平和國際競爭力。