可再生能源與燃煤發電集成互補系統綜述

王瑞林，孫 杰，洪 慧

(1.南京師范大學 能源與機械工程學院，江蘇 南京 210046；2.西安交通大學 化學工程與技術學院，陜西 西安 710049；3.中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190)

0 引 言

隨著我國碳達峰、碳中和戰略的提出和堅定執行，太陽能、風能等可再生能源得到長足發展[1]，為我國能源結構的低碳化轉型提供了支撐。但受限于我國資源稟賦特征和可再生能源發展現狀，燃煤發電仍將是我國電力供應不可或缺的部分，作為主體性電源發揮兜底保障作用。

太陽能、風能等可再生能源目前仍存在不穩定、不連續及成本較高等瓶頸[2]；而燃煤火力發電在靈活性改造、綠色低碳化升級等方面面臨挑戰[3]。太陽能光熱及生物質等可與燃煤發電在同一系統內直接集成，共同驅動蒸汽朗肯循環對外供電[4-5]；光伏、風電等清潔能源利用形式可與燃煤發電在運行中互補，共同提供穩定低碳電力[6-7]。可再生能源與燃煤發電互補集成在技術上具備可行性，可發揮可再生能源和燃煤發電優勢，規避局限，實現互補。此外，我國中西部地區可再生能源和煤炭儲量比較豐富，燃煤發電和可再生能源利用在地域分布上吻合度較好。

考慮燃煤發電與可再生能源互補利用的廣闊前景，眾多學者對其進行深入探索。筆者針對近年來可再生能源與燃煤發電互補系統相關研究進展進行梳理。首先介紹了可再生能源與燃煤發電直接集成的結構形式；其次介紹了可再生能源與燃煤發電系統的協同運行調控研究；之后總結了互補集成系統的分析評價方法；最后對可再生能源與燃煤發電互補系統的發展進行展望，以期為后續可再生能源與燃煤發電互補系統相關研究提供參考和借鑒。

1 可再生能源-燃煤發電系統直接集成

各類可再生能源中，風電、光伏直接產生電力，難與燃煤發電在同一系統內直接集成。但太陽能光熱和生物質則可與燃煤發電直接耦合，利用同一套汽機共同對外供電。

1.1 基于太陽能光熱的集成形式

太陽能光熱與燃煤發電互補集成主要是利用聚光太陽能量部分滿足原燃煤發電某個部件(如回熱加熱器、再熱器等)的加熱功能，從而達到減少燃煤投入或增加系統出功的目的[8]。當前主流的太陽能聚光光熱形式主要包括槽式、塔式、碟式及線性菲涅爾式，相應的聚光集熱溫度接近1 000 ℃[9]。太陽能光熱與燃煤發電潛在集成形式如圖1所示，理論上聚光太陽能光熱可替代燃煤發電任一部件，實現互補集成。早在1975年，ZOSCHAK等[10]提出了太陽能光熱與燃煤互補集成的系統構思，并基于某800 MW燃煤電站初步分析了太陽能替代回熱器、過熱器、再熱器的熱力性能。后續相關研究主要集中于槽式太陽能和塔式太陽能與燃煤電站的互補集成。

圖1 太陽能光熱與燃煤發電潛在集成形式Fig.1 Potential integrated forms of solar photothermal and coal-fired power generation

槽式太陽能一般聚光集熱溫度不高于400 ℃[11]，多用于部分替代燃煤電站的回熱抽汽或省煤器等部件。HU等[12]提出了槽式太陽能替代回熱抽汽加熱鍋爐給水，節省的抽汽于汽輪機內繼續膨脹做功，進而實現系統功率增發的互補方案。YANG等[13]比較了槽式太陽能替代第一級高壓回熱抽汽、替代第二級高壓回熱抽汽、替代全部低壓回熱抽汽及替代最末級抽汽4種不同槽式太陽能替代回熱抽汽的互補方案。結果表明，替代參數最高的第一級高壓回熱抽汽具有最高的太陽能發電效率和最佳的燃煤節省效果。POPOV[14]基于某130 MW燃煤電站，分析了槽式太陽能替代部分省煤器+高壓回熱抽汽方案，并與其他方案對比，結果表明，替代部分省煤器+高壓回熱抽汽方案可將太陽能貢獻的發電份額提升至25%。

燃煤發電碳排放巨大，捕集煙氣CO2消耗熱能較多。對此，相關學者提出了利用太陽能光熱直接驅動燃煤發電煙氣碳捕集過程的耦合形式[17-19]。基于此，邢晨健等[20-21]提出了聚光光伏發電、光伏余熱滿足燃煤發電煙氣碳捕集能量需求的耦合形式。該方式在充分利用太陽能光伏產電的基礎上，進一步避免了燃煤發電自身供能碳捕集面臨的性能衰減，實現了燃煤高效發電、零碳排放及可再生能源的高效利用。

1.2 生物質與燃煤發電集成形式

生物質資源總量巨大，不存在風能、太陽能等資源不穩定、不連續的限制。在政策激勵下，我國生物質發電裝機量逐年增加，目前已達3 798萬kW[22]。但生物質單一發電燃料成本較高，生物質與燃煤耦合發電成為重點發展方向[23]。

生物質與燃煤發電耦合形式如圖2所示。生物質與燃煤耦合發電的方式主要包括[24]：① 利用氣化爐氣化生物質后，將可燃氣體送入燃煤鍋爐后為燃煤發電供能；② 處理后的生物質燃料與燃煤混合燃燒，為燃煤發電的蒸汽朗肯循環供能；③ 利用生物質燃料鍋爐和燃煤鍋爐分別生產蒸汽用于驅動蒸汽輪機發電的并聯耦合。

圖2 生物質與燃煤發電耦合形式Fig.2 Coupling form of biomass and coal-fired power generation

生物質氣化后與燃煤耦合利用在國內外得到較廣泛應用，芬蘭VASKILUOTO[25]、奧地利ZELTWEG[26]及我國大唐長山[27]、國電長源[5]等項目運行經驗表明生物質氣化與燃煤耦合利用可有效節省燃煤投入，減少CO2排放，對燃煤鍋爐負面影響較小，可實現高效發電。但從燃煤電站改造角度分析，初投資成本和維護費用較高[28]。生物質直接與燃煤耦合摻燒初投資成本在3種形式中最低，也獲得了廣泛推廣[29]。但不同類型生物質燃料對燃煤鍋爐燃燒影響不同(如農林類生物質可降低燃點[30]，污泥類生物質灰含量高，影響燃燒性能等[24])。同時，生物質中富含的K、Ca等無機元素也加劇了鍋爐換熱面結渣問題[31]。并聯耦合形式較前2種形式具有燃料適應性好、生物質耦合比例高、有利于灰渣分級回收利用等優勢[32]。但受限于較低的熱力參數，系統發電效率相對較低(約2%[33])，同時全套焚燒爐設備導致投資成本較高，降低系統經濟性[32]。

2 系統運行調控

可再生能源與燃煤發電互補集成的運行調控包括2方面：直接集成系統在實際運行中的變工況運行調控策略及方法研究；風電、光伏與燃煤發電相互協同互補運行的調控策略。

2.1 直接集成系統運行調控

針對太陽能光熱與燃煤發電集成系統動態運行調控，相關學者研究了太陽輻照瞬態變化對系統的動態影響特性。閻秦[34]基于200 MW燃煤發電系統和拋物槽式集熱器的動態模型，研究了輻照調節變動對光煤互補系統運行性能的影響。侯宏娟等[35]基于Trnsys平臺構建了太陽能光熱燃煤互補發電系統動態模型，得出了全年不同季節氣象條件下系統的運行特性，并分析了輻照瞬態波動對系統的影響規律和相應的調節方法。LI等[36]和黃暢[37]研究了輻照劇烈變動對光煤互補系統動態運行的安全性影響。WU等[38-39]相繼提出并開展了光煤互補系統集成儲能裝置研究，結果表明互補系統的動態運行性能和穩定性明顯提升。WANG等[40]將槽式集熱器的聚光跟蹤主動調控應用于光煤互補系統中。在無儲能裝置調節下，避免了輻照波動對光煤互補系統動態運行的負面影響。ZHANG等[41-42]基于構建的動態模型，提出了光煤互補系統聚光集熱場的啟停運行策略，實現系統綜合性能提升。

針對生物質與燃煤發電的集成系統運行，相關研究多聚焦引入生物質對鍋爐燃燒性能的影響及改進。生物質與燃煤發電的氣化耦合形式可降低CO2、SOx及NOx排放，有利于燃煤發電系統清潔排放，同時對原燃煤發電鍋爐的腐蝕、結渣及其他系統影響較小[43-44]。但相關運行研究發現生物質燃氣投入比例越高，鍋爐煙氣量越多，爐膛溫度隨之降低，鍋爐熱效率和能量效率也降低[45-47]。對此，柯輝[25]提出正壓狀態運行的生物質氣化耦合燃煤發電模式，避免中高溫增壓發風機投入，進一步提升系統安全性和經濟性。生物質與燃煤發電直接耦合摻燒會對燃煤鍋爐安全運行、清潔排放及熱效率產生影響。韓偉哲等[48]研究表明，生物質與燃煤直接混燃對SOx有一定減排效果。但許潔等[49]研究表明，秸稈等農林廢棄物中較多K、Na等無機鹽熔點較低，易造成受熱面結渣、腐蝕等問題。此外，添加鋁基[50]、鈣基[51]及磷基添加劑[52]可有效減少生物質直燃面臨的結渣問題。污泥、生活垃圾等生物質則可能含有較多Cl和F等腐蝕性元素，引發機組引風機葉片等部位腐蝕[53]。相關研究指出，大比例摻燒生物質時，引風機需進行擴容改造滿足需求，受熱面腐蝕、脫硝、除塵和脫硫系統應進行相應處理以保障正常運行[54]。在具體措施方面，張楠等[55-56]提出采用富硅酸鹽物質和耐腐蝕涂層以減少生物質直接混燃腐蝕的影響。在生物質與燃煤耦合，提升系統運行性能方面，王一坤等[57]分析了生物質氣化耦合發電對提升靈活性的技術可行性，并提出了燃燒器等部件適應靈活性改造策略。

2.2 多能互補協同運行策略

在能源結構轉型及雙碳背景下，光伏、風電在我國電力供應中占比逐漸提升。構建燃煤發電、風電及光伏在內的多能互補供電系統有利于發揮不同類型電源的各自優勢，通過相互協調實現穩定、清潔、高效的電力供給。

光伏、風電與燃煤電站協同運行，首先需解決光伏、風電不穩定、不連續的隨機性波動對系統安全穩定運行的沖擊。姚磊[58]針對光伏、燃煤打捆外送出現的次同步振蕩問題，提出在光伏電站上配置模糊自抗擾附加阻尼控制器的調整方法，并通過時域仿真驗證了方案的有效性。忽浩然等[7]以安徽六安電網運行調度為例，介紹了大規模光伏并網與火電打捆外送中面臨的穩定性和安全性挑戰，并提出通過穩控系統配置、通道組織及控制策略調整，實現了系統大規模消納隨機性可再生能源。除穩定運行外，光伏、風電與燃煤發電協同運行調控多以外送風光最大化消納[59]、綜合總成本最優[6]等為目標進行項目規劃設計和運行調度。劉興華等[60]考慮了光伏發電的不確定性，綜合考慮經濟成本和污染物排放，構建綜合指標對火電-光伏發電的經濟調度進行研究。檀勤良等[61]考慮企業購電成本、可再生能源發電量最大及可再生能源出力波動等因素，構建綜合指標，提出了風光火聯合外送優化調度策略，并應用于天中直流輸電工程。李強等[62]提出了太陽能熱發電參與的風光火2階段調度策略，利用火電和光熱電站在2階段的靈活調控，實現了1階段風電、光伏的最大化消納。

3 系統分析評價

生物質與燃煤發電耦合研究多關注其對鍋爐燃燒性能及安全性的影響[32,57]。吳智泉等[73]針對生物質與燃煤發電氣化耦合進行第一定律和第二定律性能分析。結果表明，與生物質直燃發電相比，氣化耦合方式的熱效率在各工況下性能優勢明顯。此外，研究者研究了生物質耦合燃煤發電對系統經濟性的影響。云慧敏等[74]對生物質與燃煤發電耦合進行了綜合經濟環境效益評估。結果表明，生物質與燃煤發電直燃混合的發電成本低于燃煤發電，且隨碳交易、碳稅等機制引入，潛在利潤率可能更高。BASU等[75]采用全生命周期分析，對生物質與燃煤發電直接耦合及氣化耦合2種方式進行了環境和經濟性分析，結果表明氣化耦合方式發電成本較高，但碳減排潛力更大。于博[76]對生物質與燃煤發電氣化耦合項目的潛在效益進行分析，詳細梳理了潛在的政策風險、燃料風險、運營風險。生物質和燃煤適用的產業政策、燃料價格及潛在投資方可能存在區別。因此生物質與燃煤發電耦合系統中，生物質和燃煤發電量計算是后續劃分的重要依據。劉啟軍等[77]提出了根據輸入熱量占比計算各自發電量的方法。孟慶慧等[78]提出了適用于生物質直接混燃的14C同位素在線檢測法，用于計算直接混燃模式下的生物質發電量。井新經等[79]梳理了適用于直接耦合、間接耦合及并聯耦合3種模式下的生物質發電量計算方法，為后續生物質燃煤發電耦合項目提供了工程借鑒。

針對風電、光伏與燃煤發電的協調運行，除配置方案和運行協調策略研究外，還對協調運行過程中的分析評價方法進行研究，具體包括穩定性、靈活性調度及社會綜合經濟效益的評價等。吳萍等[80]提出了一套適用于風光火發電打捆外送的穩定性評價方法，為相關方案選擇及具體運行評估提供參考。王嘉梁[81]針對靈活性難以量化的問題，依據不同類型電源運行特性，基于盲數理論構建了火電、風電及光伏的靈活性量化模型，為風電光伏與燃煤發電協同運行提供參考數據。徐全義[82]基于國電康平風火聯合運行的運行數據，對風電、火電打捆聯合運行進行經濟性評價。結果表明由于聯合發電減少了風電棄風現象，聯合運行經濟收益和環境效益明顯。邱鋒凱[83]基于風電光伏和燃煤發電聯合運行的規劃、并網和運行全過程，構建了可再生能源有限調度的多層評價指標體系。房芳[84]構建了基于綠色經濟的風火電聯合運行綜合效益評價方法，并基于某省運行數據對評價方法進行了研究，提出了提升綜合效益的方法建議。

4 結語與展望

1)對于太陽能光熱與燃煤發電的耦合系統，當前集成耦合形式研究比較充分。但動態調控運行研究多集中在氣象條件變動對燃煤發電運行參數的影響規律和相應調節方法層面，后續應致力于充分挖掘太陽能光熱側和燃煤側各自調峰能力，研究可以實現系統深度調峰和更具靈活性的運行調控策略。

2)生物質與燃煤耦合發電已獲得一定范圍的工程應用，從實際運行角度，應進一步研究減緩生物質混燃帶來的結渣、腐蝕及高比例摻燒時鍋爐效率降低的問題；在生物質與燃煤耦合發電推廣方面，應進一步解決耦合系統中生物質發電準確計量等評價問題及生物質儲運成本較高問題，從而更好地獲得政策支持并提升經濟性。

3)光伏、風電與燃煤發電的協調運行得到廣泛關注，并在中西部省份有所應用。當前研究集中于容量優化配置、系統暫態穩定性分析、靈活調度及控制策略等方面。后續應進一步開展風光火項目內部責任分擔和利益分配機制研究，從而實現不同類型電源間的互利共濟和持續發展。