龍輝,黃晶晶
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“十三五”燃煤發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展方向分析
龍輝,黃晶晶
(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)有限公司,北京市 西城區(qū) 100120)
通過對(duì)中國(guó)政策法規(guī)和《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的研究,對(duì)中國(guó)燃煤發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)的未來發(fā)展走向進(jìn)行分析,提出了潔凈煤發(fā)電技術(shù)仍將是“十三五”燃煤發(fā)電機(jī)組技術(shù)發(fā)展的核心,同時(shí)應(yīng)努力開展低碳燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)。結(jié)論是“十三五”期間更高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)、燃劣質(zhì)煤“超低排放”改造技術(shù)、火電靈活性改造技術(shù)、節(jié)能改造技術(shù)、深度節(jié)水技術(shù)以及大型燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒技術(shù)將有一定的發(fā)展空間,進(jìn)而對(duì)相關(guān)技術(shù)研究重點(diǎn)提出了建議。
“十三五”;燃煤發(fā)電;節(jié)能;節(jié)水;碳排放
根據(jù)中國(guó)工程院公開發(fā)布的即將完成的重大咨詢項(xiàng)目“推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略研究(一期)”的研究成果,即使到2050年,煤炭仍將占我國(guó)一次能源的40%,煤炭仍然是我國(guó)一次能源的基礎(chǔ)。筆者有幸參加該課題的編寫工作,深刻感受到中國(guó)不可能像歐洲一些國(guó)家那樣完全去煤化,燃煤發(fā)電在未來30年仍將占較高的比重,人們對(duì)未來燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展仍充滿期望。要全面分析研究我國(guó)未來燃煤火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)高效、清潔、低碳發(fā)展的技術(shù),持續(xù)降低供電煤耗,降低CO2排放,是今后燃煤發(fā)電技術(shù)的重點(diǎn)研發(fā)方向。
國(guó)家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家能源局于2016年1月15日在北京召開“加快推進(jìn)煤電超低排放和節(jié)能改造動(dòng)員大會(huì)”,要求到2020年全國(guó)新建機(jī)組平均供電煤耗低于300g/(kW×h),現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310g/(kW×h)。各火電集團(tuán)分別提出了燃煤火電機(jī)組供電煤耗要求。特別是部分燃煤火電機(jī)組比例過高的火電集團(tuán),充分認(rèn)識(shí)到燃煤火電機(jī)組降低能耗的重要性,中國(guó)神華集團(tuán)公司提出綠色發(fā)電節(jié)能環(huán)保升級(jí)改造行動(dòng)計(jì)劃,其中供電煤耗要求見表1。
表1 中國(guó)神華集團(tuán)燃煤火電機(jī)組供電煤耗要求
在國(guó)際上,為應(yīng)對(duì)全球氣候變化,我國(guó)提出了以發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì),實(shí)現(xiàn)國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。在2015年巴黎氣候大會(huì)后,為實(shí)現(xiàn)我國(guó)承諾的使中國(guó)的二氧化碳排放在2030年達(dá)到峰值,國(guó)務(wù)院2016年10月27日關(guān)于印發(fā)“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知(國(guó)發(fā)〔2016〕61號(hào))指出:到2020年,單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2015年下降18%。到2020年,能源消費(fèi)總量控制在50億t標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi),“十三五”期間累計(jì)減排CO2當(dāng)量11億t以上,推動(dòng)部分區(qū)域率先達(dá)峰[1]。支持優(yōu)化開發(fā)區(qū)域在2020年前實(shí)現(xiàn)碳排放率先達(dá)峰。鼓勵(lì)其他區(qū)域提出峰值目標(biāo),明確達(dá)峰路線圖,在部分發(fā)達(dá)省市研究探索開展碳排放總量控制。
我國(guó)將出臺(tái)一系列有關(guān)二氧化碳減排的政策。2017年全國(guó)7個(gè)碳排放權(quán)交易市場(chǎng)全面啟動(dòng)運(yùn)行,并正式開展碳稅交易,燃煤發(fā)電成本會(huì)大大增加。燃煤火電機(jī)組面臨著降低CO2排放的空前壓力。如何解決燃煤火電機(jī)組的CO2排放,是燃煤發(fā)電企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。
2016年12月,國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局正式發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》),描繪出了我國(guó)“十三五”電力工業(yè)發(fā)展藍(lán)圖?!兑?guī)劃》預(yù)期到2020年與燃煤火電機(jī)組有關(guān)的新增裝機(jī)及燃煤火電機(jī)組技術(shù)改造容量要求見表2[2]。
《規(guī)劃》提示:隨著大規(guī)模的燃煤火電機(jī)組建設(shè)高潮的回落,燃煤火電機(jī)組的工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)將由單一的新建燃煤發(fā)電工程設(shè)計(jì)向新建燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、“超低排放”改造工程設(shè)計(jì)、火電靈活性改造和節(jié)能技術(shù)改造這四個(gè)方面開展設(shè)計(jì)研究工作,同時(shí)我國(guó)新建燃煤火電機(jī)組主要集中在中西部,應(yīng)注意在中西部缺水地區(qū)注意燃煤火電機(jī)組的深度節(jié)水研究。
表2 《規(guī)劃》與燃煤火電機(jī)組有關(guān)的新增裝機(jī)及技術(shù)改造容量要求
歸納總結(jié)“十三五”燃煤火電機(jī)組發(fā)展特點(diǎn),無論是國(guó)家政策、法規(guī)要求,還是《規(guī)劃》要求,均圍繞燃煤火電機(jī)組綠色發(fā)展和低碳發(fā)展主題開展相關(guān)工作。本文的判斷是“十三五”前期將以進(jìn)一步節(jié)能降耗為主線(如有火電集團(tuán)已經(jīng)在內(nèi)部提出到2020年將供電標(biāo)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(jī)組降低CO2排放的技術(shù)發(fā)展。“十三五”燃煤火電機(jī)組技術(shù)發(fā)展將具體體現(xiàn)在建設(shè)更高效燃煤火電機(jī)組、“超低排放”改造、火電靈活性改造、老機(jī)組節(jié)能改造、中西部地區(qū)建設(shè)深度節(jié)水燃煤火電機(jī)組和低碳燃煤發(fā)電等6個(gè)方面。
2.1.1 600℃超超臨界燃煤機(jī)組達(dá)到更高效率研究
根據(jù)國(guó)外600℃超超臨界燃煤機(jī)組最新技術(shù)進(jìn)展資料,我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在600℃超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)的凈效率方面仍有一定的差距[3]。我國(guó)目前最新設(shè)計(jì)投運(yùn)的某1000MW機(jī)組與德國(guó)RDK8機(jī)組效率指標(biāo)對(duì)比見表3。
表3 我國(guó)1000MW機(jī)組與德國(guó)RDK8機(jī)組效率指標(biāo)對(duì)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(guó)設(shè)計(jì)并建成的1000MW級(jí)超超臨界機(jī)組供電效率與歐洲公司最新設(shè)計(jì)建成的同樣等級(jí)的超超臨界機(jī)組相比,供電效率低1.6%(本文主要分析系統(tǒng)整體優(yōu)化和汽輪機(jī)本體熱耗降低方面的差異);同時(shí),國(guó)外公司設(shè)計(jì)的 1000MW機(jī)組普遍帶區(qū)域供熱,國(guó)外設(shè)計(jì)項(xiàng)目供熱效率>58%,大型燃煤火電機(jī)組帶區(qū)域供熱也將是未來新建燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。
2.1.2 650℃等級(jí)高效超超臨界燃煤機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)研究
從2011年起,中電工程參加由國(guó)家能源局組織的國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用課題。負(fù)責(zé)其中子課題一和子課題六,即總體方案設(shè)計(jì)研究和示范電站工程可行性研究2個(gè)課題研究。國(guó)內(nèi)、外初步的研究表明:受制于700℃超超臨界燃煤機(jī)組汽輪機(jī)部分高鎳基材料研發(fā)難度的困擾和性價(jià)比問題,預(yù)計(jì)700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的投運(yùn)時(shí)間將推遲到2026年后。然而中電工程從700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究受到相關(guān)啟發(fā),在2015年首先在國(guó)內(nèi)提出研發(fā)650℃等級(jí)高效超超臨界燃煤機(jī)組發(fā)電技術(shù)。650℃等級(jí)超超臨界機(jī)組可以嘗試應(yīng)用國(guó)內(nèi)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(jié)合創(chuàng)新的總體熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和更高效率的主機(jī)方案,根據(jù)測(cè)算當(dāng)參數(shù)為33MPa/650℃/670℃,機(jī)組發(fā)電凈效率有望達(dá)到48%以上。與“700℃”方案相比,大幅降低高溫高壓材料的研發(fā)難度,并大幅度降低機(jī)組造價(jià)。目前中電工程已配合國(guó)內(nèi)幾個(gè)發(fā)電集團(tuán)開展相關(guān)技術(shù)研究工作。
“十三五”期間,中電工程與火電集團(tuán)、科研院所、大學(xué)等共同形成產(chǎn)學(xué)研合作團(tuán)隊(duì)獲得國(guó)家重大科技專項(xiàng)研究中2個(gè)項(xiàng)目:1)2016年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃大氣污染成因與控制技術(shù)研究中的《煙氣污染物“超低排放”關(guān)鍵技術(shù)及評(píng)估》課題;2)2017年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)及評(píng)估課題,將緊密圍繞燃劣質(zhì)煤火電廠煙氣“超低排放”達(dá)標(biāo)的技術(shù)需求,結(jié)合煙氣污染物“超低排放”關(guān)鍵技術(shù)與評(píng)估研究,解決燃劣質(zhì)煤火電廠煙氣“超低排放”技術(shù)面臨的瓶頸和突出問題,收集燃煤火電廠煤質(zhì),建立煤質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù),提出適用于劣質(zhì)煤的經(jīng)濟(jì)合理的“超低排放”協(xié)同治理技術(shù)路線,在此基礎(chǔ)上建立燃煤電廠煙氣污染物“超低排放”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
由于我國(guó)燃機(jī)、抽水蓄能電站裝機(jī)量不足,對(duì)風(fēng)電波動(dòng)需要穩(wěn)定的電源進(jìn)行平衡,“十三五”將有2.15億kW燃煤機(jī)組進(jìn)行火電靈活性改造。
我國(guó)火電靈活性技術(shù)現(xiàn)階段主要集中在熱電機(jī)組配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)后的熱電解耦效果研究和燃煤機(jī)組深度調(diào)峰兩方面。我國(guó)“三北”地區(qū)電源結(jié)構(gòu)以燃煤火電為主,且熱電機(jī)組比重較高。在冬季供暖期,熱電機(jī)組按“以熱定電”方式運(yùn)行,調(diào)峰能力僅為10%左右?!笆濉逼陂g提高 電源調(diào)峰能力,對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造,特別是熱電機(jī)組的靈活性改造,將是解決“三北”地區(qū)風(fēng)電和太陽能發(fā)電消納最為直接有效的手段之一。
燃煤火電機(jī)組節(jié)能改造技術(shù)包羅萬象,與系統(tǒng)相關(guān)的綜合節(jié)能提效改造技術(shù)包括:亞臨界參數(shù)機(jī)組提效改造、供熱機(jī)組改造、系統(tǒng)和設(shè)備提效改造(煙氣余熱深度利用、鍋爐空氣預(yù)熱器提效改造、煙風(fēng)道節(jié)能改造等)等??擅芮嘘P(guān)注現(xiàn)有300~1000MW機(jī)組改造改造技術(shù)、系統(tǒng)和設(shè)備提效改造等其中的核心技術(shù)的研發(fā)。
以冷凝法煙氣水回收技術(shù)為代表的煙氣水回收技術(shù)是目前比較成熟并可以應(yīng)用于工程的深度節(jié)水技術(shù),并且將來還會(huì)有較大的發(fā)展空間。冷凝法煙氣水回收技術(shù)一是實(shí)現(xiàn)深度節(jié)水,例如,以內(nèi)蒙古某煤電基地為代表的7個(gè)電源點(diǎn)14個(gè)機(jī)組,在采用空冷技術(shù)等一系列節(jié)水技術(shù)的基礎(chǔ)上,要求進(jìn)一步將設(shè)計(jì)耗水指標(biāo)控制在0.03m3/ (s×GW)以下;其中12臺(tái)660MW機(jī)組,8臺(tái)可能將采用煙氣水回收技術(shù)。二是冷凝法煙氣水回收技術(shù)同樣可應(yīng)用于南方,例如,長(zhǎng)三間、珠三角等沿海地區(qū)燃煤火電機(jī)組,用于濕法煙氣脫硫工藝后降溫凝結(jié)水,減少白煙產(chǎn)生,再通過煙氣再熱系統(tǒng)消除白煙,國(guó)內(nèi)已有1000MW機(jī)組采用該技術(shù),可實(shí)現(xiàn)與再熱器直接加熱消除白煙同樣的目的,同時(shí)達(dá)到低能耗消除白煙的目標(biāo),值得進(jìn)一步研究。
2.6.1 燃煤鍋爐耦合生物質(zhì)混燒改造技術(shù)研究
生物質(zhì)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(zhì)改造技術(shù)可降 低CO2排放,提供可靈活調(diào)節(jié)的、高質(zhì)量的、新 能源電力供應(yīng)。根據(jù)收購(gòu)生物質(zhì)燃料的多少可靈活配比燃料資源利用,使用可再生生物質(zhì)資源,降低不可再生煤的消耗。燃煤火電機(jī)組耦合生 物質(zhì)發(fā)電能夠有效利用生物質(zhì),減少機(jī)組燃煤量,有利于燃煤火電機(jī)組的節(jié)能;燃煤火電機(jī)組 耦合生物質(zhì)發(fā)電既可以解決農(nóng)民散燒廢棄秸稈的污染問題,又可以降低燃煤機(jī)組本身污染物排放水平。
“十二五”期間,中電工程已經(jīng)開展了《大型燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒技術(shù)應(yīng)用研究》,完成了相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備,提出了大型燃煤鍋爐生物質(zhì)與煤在煤粉爐中混燒的主要技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 大型燃煤鍋爐生物質(zhì)與煤在煤粉爐中混燒的主要技術(shù)路線
大型燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒技術(shù)發(fā)展路線可歸納為生物質(zhì)顆粒和生物質(zhì)氣化后燃燒2條主要路線。盡管生物質(zhì)顆?;鞜夹g(shù)有難以計(jì)量方面的缺點(diǎn),但若此缺點(diǎn)可以克服,將是大型燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒技術(shù)發(fā)展的主要方向,可以實(shí)現(xiàn)大型鍋爐各種比例混燒技術(shù)應(yīng)用,同時(shí)具有成熟、可靠、安全的特點(diǎn),該技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
2.6.2 大型燃煤鍋爐CO2深度減排技術(shù)研究
歐洲最新設(shè)計(jì)投運(yùn)的荷蘭鹿特丹的MPP3電廠是世界上最新建成的節(jié)能和CO2深度減排示范電廠[4]。1100MW超超臨界機(jī)組采取超超臨界參數(shù)+生物質(zhì)混燒+區(qū)域供熱的CO2深度減排技術(shù)路線。機(jī)組容量為2′1100MW,機(jī)組參數(shù)為28.5MPa/600℃/620℃,機(jī)組凈效率>46%。MPP3 電廠混燒30%左右的生物質(zhì),采取區(qū)域供熱。
超超臨界機(jī)組+生物質(zhì)混燒+區(qū)域供熱無疑是未來解決新建燃煤火電機(jī)組CO2深度減排的主要技術(shù)路線,在新建高效超超臨界機(jī)組的同時(shí),可進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究,甚至可預(yù)留相關(guān)建設(shè)場(chǎng)地,實(shí)現(xiàn)未來綠色燃煤火電機(jī)組的可持續(xù)發(fā)展。
“十三五”將出現(xiàn)規(guī)??涨暗娜济夯痣娦陆ㄑb機(jī)容量的快速下滑,這已是不爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)。因此,需要及時(shí)調(diào)整發(fā)展思路,緊緊圍繞國(guó)家電力發(fā)展政策和發(fā)展規(guī)劃確定技術(shù)發(fā)展目標(biāo),緊密結(jié)合發(fā)電集團(tuán)發(fā)展思路和電廠實(shí)際情況開展發(fā)電技術(shù)研究工作,緊盯國(guó)內(nèi)、外燃煤火電最新技術(shù)進(jìn)展調(diào)整工作重點(diǎn),從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)更高效超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組,向設(shè)計(jì)更高效超超臨界燃煤火電機(jī)組、燃劣質(zhì)煤“超低排放”改造、火電靈活性改造、節(jié)能改造、深度節(jié)水以及大型燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒技術(shù)研究與工程設(shè)計(jì)方面發(fā)展,完成工程設(shè)計(jì)理念的新突破,同時(shí)掌握其中的核心技術(shù)。
對(duì)于“十三五”燃煤發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展,建議如下:
1)瞄準(zhǔn)“十三五”燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向,完成燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展路線圖,做好長(zhǎng)期規(guī)劃。
2)不斷學(xué)習(xí),加快設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型的研究。以美國(guó)AECOM公司為例,發(fā)電設(shè)計(jì)部分的前身是上世紀(jì)80年代在我國(guó)國(guó)內(nèi)電力行業(yè)非常熟悉的美國(guó)依巴斯公司。該公司現(xiàn)在全球擁有85000名員工,在150多個(gè)國(guó)家運(yùn)營(yíng),營(yíng)業(yè)收入約180億美元。美國(guó)《工程新聞?dòng)涗洝?ENR)2014年度最新全球百大設(shè)計(jì)公司排名中,總體排名第一。業(yè)務(wù)范圍除建筑設(shè)計(jì)、施工服務(wù)、規(guī)劃+設(shè)計(jì)、能源、環(huán)境、水務(wù)等外,在發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域擁有包括SBS(煙氣脫SO3技術(shù))一整套的設(shè)計(jì)、建設(shè)、安裝、運(yùn)營(yíng)方面的核心技術(shù)。可學(xué)習(xí)該公司20年以上的轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn),逐步掌握工程設(shè)計(jì)+擁有核心技術(shù)+少量投資+總承包+運(yùn)營(yíng)管理的發(fā)展模式。而新建超超臨界機(jī)組建設(shè)、燃劣質(zhì)煤“超低排放”改造、火電靈活性改造、節(jié)能改造、深度節(jié)水以及大型燃煤鍋爐生物質(zhì)混燒等領(lǐng)域已具備這方面的條件。
3)我國(guó)將會(huì)提出更多的可持續(xù)發(fā)展政策、法規(guī)和強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),其核心將指向過度工業(yè)化后造成的碳排放問題,建議加大對(duì)大型燃煤鍋爐CO2深度減排技術(shù)開展更深入的研究。
[1] 《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”控制溫室氣體排放工作方案的通知(國(guó)發(fā)[2016]61號(hào))》[Z].2016.
[2] 《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016-2020年)》[Z].2016.
[3] 沈波.GE蒸汽發(fā)電業(yè)務(wù)和最新超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)[C]//2017年GE中國(guó)蒸汽發(fā)電客戶峰會(huì),2017.
[4] Maasvlakte Power Plant 3 introduction by E?ON (Press info for Franziska Krasnici)[Z].Rotterdam,2012.
(責(zé)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(xué)士學(xué)位,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事能源與環(huán)保相關(guān)技術(shù)研究工作,hlong@cpecc.net。
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC02037)。
Project Supported by National Key R&D Plan of China (2016YFC02037).
10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.002