低碳背景下煤電機(jī)組轉(zhuǎn)型技術(shù)方案研究

引言

在全球能源改革的大趨勢(shì)下,國(guó)家將持續(xù)發(fā)展新能源作為推動(dòng)電力供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要舉措。中電聯(lián)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示,截至2020年底,全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量為22億kw,其中火電占比56.6%(煤電占比49.1%）,水電占比16.8%,風(fēng)電占比12.8%,太陽(yáng)能發(fā)電占比11.5%,核電占比2.3%。根據(jù)我國(guó)電力發(fā)展規(guī)劃,2030年可再生的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kw以上,成為我國(guó)最主要的電源?？梢?電力結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型乃至最終實(shí)現(xiàn)凈零所面臨的任務(wù)十分艱巨。

2021年10月26日,國(guó)務(wù)院印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》,聚焦2030年前碳達(dá)峰目標(biāo),對(duì)推進(jìn)碳達(dá)峰工作作出總體部署。方案中指出:"推進(jìn)煤炭消費(fèi)替代和轉(zhuǎn)型升級(jí)。嚴(yán)格控制新增煤電項(xiàng)目,新建機(jī)組煤耗標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,有序淘汰煤電落后產(chǎn)能,加快現(xiàn)役機(jī)組節(jié)能升級(jí)和靈活性改造,積極推進(jìn)供熱改造,推動(dòng)煤電向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型。"

為響應(yīng)國(guó)家"雙碳"目標(biāo)的戰(zhàn)略部署,實(shí)現(xiàn)煤電機(jī)組綠色低碳發(fā)展、促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí),本文對(duì)煤電機(jī)組靈活性改造、供熱改造和綜合能源服務(wù)等方面進(jìn)行了思考與探索。

1煤電機(jī)組綠色低碳轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀與探索

基于國(guó)家"雙碳"目標(biāo)的戰(zhàn)略部署,煤電機(jī)組綠色低碳轉(zhuǎn)型技術(shù)導(dǎo)圖如圖1所示。

1.1煤電機(jī)組靈活性改造

降低最小出力、快速啟停、快速升降負(fù)荷是火電機(jī)組靈活性改造的主要目標(biāo)。其中,最核心的改造目標(biāo)是降低最小出力,即增加調(diào)峰能力。

火電靈活性改造預(yù)期:對(duì)于熱電機(jī)組,為保證供熱需求,最小出力要達(dá)到40%～50%額定負(fù)荷:而對(duì)于純凝機(jī)組,最小出力要達(dá)到30%～35%額定負(fù)荷,部分煤質(zhì)、設(shè)備好的純凝機(jī)組最小出力要達(dá)到20%～25%額定負(fù)荷。

靈活性改造的關(guān)鍵是對(duì)于不同類型的機(jī)組,選擇合適的技術(shù)路線。對(duì)于純凝機(jī)組,主要需要解決它的低負(fù)荷穩(wěn)燃問(wèn)題和排放問(wèn)題,其主要技術(shù)包括精細(xì)化燃燒調(diào)整、燃燒器和制粉系統(tǒng)優(yōu)化改造、改善入爐煤質(zhì)、摻燒生物質(zhì)及加裝等離子和微油等裝置:對(duì)于供熱機(jī)組,關(guān)鍵是在滿足供熱要求的同時(shí)提升調(diào)峰能力,也就是熱電解耦的問(wèn)題,主要技術(shù)包括高背壓供熱、低壓缸微出力、熱泵供熱和增加儲(chǔ)熱罐等。

目前,通過(guò)低負(fù)荷穩(wěn)燃、熱電解耦等技術(shù)改造,可以將煤電機(jī)組的最小穩(wěn)定出力降至20%～30%的額定容量,但存在增減出力響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、爬坡速率較慢等問(wèn)題,同時(shí)還伴隨著煤耗增加、機(jī)組損耗增加和運(yùn)營(yíng)成本增加等問(wèn)題。因此,在靈活性改造過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)機(jī)組自身的運(yùn)行特性,在保證低負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,選擇切實(shí)可行、高性價(jià)比的改造方案。

2021年4月國(guó)家電網(wǎng)有限公司服務(wù)新能源發(fā)展報(bào)告2021》顯示,"十三五"期間,我國(guó)累計(jì)推動(dòng)完成煤電靈活性改造約1.62億kw,機(jī)組數(shù)量314臺(tái),提升調(diào)節(jié)能力4506萬(wàn)kw。華能丹東電廠(2×350Mw）配置了25730m3的儲(chǔ)熱水罐,投資4004萬(wàn)元,率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了13%負(fù)荷調(diào)峰。

1.2煤電機(jī)組供熱改造

燃煤發(fā)電機(jī)組全面參與深度調(diào)峰,占裝機(jī)容量近一半的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組無(wú)法繼續(xù)按照"以熱定電"的運(yùn)行方式獨(dú)善其身。我國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),一是大型抽凝供熱機(jī)組比例過(guò)大,其熱電比通常較小,難以全面參與深度調(diào)峰:二是當(dāng)前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組普遍未能實(shí)現(xiàn)熱電解耦,或采用的熱電解耦技術(shù)能耗較高,亟待采用更高效的深度調(diào)峰技術(shù)。

目前典型的采暖類供熱技術(shù)主要有低位能供熱技術(shù)、低壓缸微出力供熱技術(shù)、熱泵供熱技術(shù)、熱壓機(jī)供熱技術(shù)。幾種供熱技術(shù)在供熱能力上相當(dāng),低位能供熱技術(shù)的供熱煤耗顯著優(yōu)于其他供熱技術(shù)。隨著越來(lái)越多的火電機(jī)組完成低位能供熱改造,"以熱定電"的運(yùn)行方式也將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),對(duì)此目前行業(yè)內(nèi)尚未提出一種有效的改進(jìn)措施,這就使低位能供熱技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步推廣受到了一定限制。

提高低位能供熱技術(shù)的熱電解耦性能,可從改善機(jī)組自身供熱特性、借助靈活調(diào)峰輔助技術(shù)兩種思路展開研究。目前靈活調(diào)峰輔助技術(shù)有高低旁聯(lián)合供熱技術(shù)、蓄熱罐供熱技術(shù)、電極鍋爐供熱技術(shù)等。與低位能系統(tǒng)匹配的靈活供熱改造技術(shù)分為內(nèi)部靈活技術(shù)和外部靈活技術(shù),綜合對(duì)比如表1所示。低壓缸微出力和高低旁聯(lián)合均具備連續(xù)調(diào)峰性能,且投資省,建議優(yōu)先選用。在充分挖掘內(nèi)部潛力的情況下仍不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求的,可考慮采用蓄熱罐、電極鍋爐等外部輔助供熱技術(shù)。

1.3綜合能源服務(wù)

目前,世界上對(duì)綜合能源服務(wù)還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。一般來(lái)講,綜合能源服務(wù)包括兩個(gè)方面:一是綜合能源,涵蓋電力、燃?xì)夂屠錈岬榷喾N能源:二是綜合服務(wù),包括工程服務(wù)、投資服務(wù)和運(yùn)營(yíng)服務(wù)。我國(guó)綜合能源服務(wù)行業(yè)還處于起步階段,國(guó)家電網(wǎng)公司是最早開展綜合能源服務(wù)的企業(yè)之一,多家發(fā)電企業(yè)也陸續(xù)開展了一系列綜合能源服務(wù)項(xiàng)目建設(shè)。

國(guó)家能源集團(tuán)浙江公司2021年成立國(guó)能(浙江）綜合能源公司,開發(fā)、投資、建設(shè)供熱管網(wǎng)等綜合能源項(xiàng)目,培育多能聯(lián)供等綜合能源市場(chǎng)的業(yè)務(wù)。目前北侖電廠、寧海電廠、舟山電廠、南潯電廠已實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱,3個(gè)燃煤電廠灰、渣、石膏等固棄物已實(shí)現(xiàn)綜合利用,北侖電廠已實(shí)現(xiàn)城市污泥摻燒,寧海電廠已實(shí)現(xiàn)對(duì)外供應(yīng)原水,2021年底前實(shí)現(xiàn)電、蒸汽、熱水、原水、壓縮空氣、石膏、粉煤灰"七聯(lián)供"。

綜合能源服務(wù)目前存在的問(wèn)題是,煤電企業(yè)在多能耦合與梯級(jí)利用方面還沒(méi)有將其技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái),在綜合能源服務(wù)核心技術(shù)方面的研究不足。未來(lái)仍需突破核心技術(shù)的研發(fā),降低成本,迎合用戶需求。

2煤電機(jī)組轉(zhuǎn)型建議

在"3060"目標(biāo)下,煤電的功能定位要由長(zhǎng)期以來(lái)的電量和電力的保障向主要提供電力保障的方向發(fā)展,新增電量的保障主要由可再生能源提供。由于可再生能源的隨機(jī)性、不穩(wěn)定性和波動(dòng)性,要保證新能源電量大部分得到應(yīng)用,盡量減少棄風(fēng)棄光,必須進(jìn)一步提升煤電機(jī)組的靈活性。

2.1加快煤電機(jī)組靈活性改造

采用儲(chǔ)能等創(chuàng)新技術(shù),大力實(shí)施火電機(jī)組靈活性改造,通過(guò)發(fā)揮其靈活的調(diào)節(jié)作用及深度調(diào)峰能力,實(shí)現(xiàn)能量供給與需求平衡,解決時(shí)域性差異,促進(jìn)大規(guī)?？稍偕茉聪{。

2.2加強(qiáng)煤電機(jī)組供熱改造

借助靈活性手段,提高低位能供熱機(jī)組熱電解耦的能力。低壓缸微出力和高低旁聯(lián)合均具備連續(xù)調(diào)峰性能且投資省,建議優(yōu)先選用。在充分挖掘內(nèi)部潛力的情況下仍不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求的,可考慮采用蓄熱罐、電極鍋爐等外部輔助供熱技術(shù)。

2.3推動(dòng)煤電企業(yè)向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)變

充實(shí)煤電企業(yè)產(chǎn)品體系,實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組電、熱、冷、水、壓縮空氣、固棄物等產(chǎn)品多聯(lián)供:對(duì)鄰近區(qū)域重點(diǎn)企業(yè)等優(yōu)質(zhì)用戶提供行之有效的用能分析、節(jié)能方案:因地制宜地提供氫、石膏、結(jié)晶鹽、粉煤灰等副產(chǎn)品:向周邊企業(yè)提供運(yùn)維檢修、技術(shù)改造、節(jié)能診斷與能效提升改造等增值服務(wù)。

3結(jié)語(yǔ)

"雙碳"背景下,煤電機(jī)組實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色低碳發(fā)展任務(wù)艱巨。充分挖掘煤電機(jī)組靈活性改造、供熱改造和綜合能源服務(wù)潛力,可促進(jìn)大規(guī)?？稍偕茉聪{,為國(guó)家"雙碳"目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。