随着风光等新能源比例不断提升，煤电灵活性改造的需求将进一步释放，在此过程中，技术创新将持续引领电力行业减煤降碳。
“‘双碳’目标下，我国的电力结构实现从高碳化石能源向绿色、低碳可再生能源转型，最主要的措施是发展新能源，但由于风光类新能源具有随机性、间隙性、波动性且不可调的特点，这需要煤电机组成为新能源电力消纳的保障。”在由中国能源学会和北京能源与环境学会组织的院士专家燃煤发电技术座谈会上，上海申能电力科技有限公司总经理冯伟忠表示。
【资料图】
加速推动煤电由常规主力电源向基础保障性和系统调节性电源并重转型，是新能源产业发展需要和国家能源政策重要导向。在构建新型电力系统的过程中，煤电装机容量事关电力供应的安全底线，提高存量煤电机组的灵活性和可靠性是其重要出路。在冯伟忠看来，随着风光等新能源比例不断提升，煤电灵活性改造的需求将进一步释放，在此过程中，技术创新将持续引领电力行业减煤降碳。
技术减碳正当时
2021年，国家能源局联合科技部印发《“十四五”能源领域科技创新规划》，围绕煤炭清洁高效转化技术以及先进燃煤发电技术等，进一步推动煤电行业清洁低碳、安全高效发展。立足以煤为主的基本国情，新建项目优先采用大容量、高参数、低能耗、调节能力好的发电机组。
中国工程院院士、中国矿业大学(北京)教授武强提出，业内需重点关注2021中央经济工作会议中强调的内容，即传统能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基础上，要立足以煤为主的基本国情，抓好煤炭清洁高效利用，新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制。“换言之，可再生能源在没有成为我国主体能源之前，化石能源在未来一段时期内仍是我国的主体能源。”
武强认为，煤电的清洁低碳化利用包含三个思路：一是通过高效的方式，削减煤炭用量实现减排；二是以系统化的思路，通过采取CCS或者CCUS技术在末端进行减碳；三是通过灵活性方式，推进储能技术、调节调峰技术等来增大可再生能源使用量，减少煤炭的火力发电供应时间，以实现减碳。
“在相当长的时期内，我国还不具备退出煤电的可行性，而煤电的逐步脱碳才是业内应重点关注和努力的方向。”冯伟忠认为，现阶段，通过技术减碳，即“高效化实现自身减碳”和“灵活性实现结构减碳”是煤电的两大目标。
摆脱高温高压管道制约
目标已经确立，持续推动技术创新是下一步的关键。近年来，为提高发电效率，煤电行业主要采用的技术路径为更高等级蒸汽参数（700摄氏度）以及二次再热技术。
冯伟忠认为，发展以镍基超级合金为基础的700摄氏度等级技术，目前尚存在材料技术和造价瓶颈。
据记者了解，提高蒸汽温度，是煤电机组效率提升的重要途径，但蒸汽温度上升对蒸汽管道材料提出了更高要求，管道价格也随之上涨。目前600摄氏度等级机组蒸汽管道综合造价不到20万元/吨，而700摄氏度高效超超临界机组采用昂贵的镍基超级合金，管道价格达300万元/吨左右。在上述背景下，与现有600摄氏度等级机组相比，采用700摄氏度机组的电厂造价约为前者的一倍。
为突破采用更高等级蒸汽参数以及二次再热技术的造价瓶颈，冯伟忠在国外较成熟的双轴汽轮机组技术基础上，创新发明了一种新型的汽轮发电机组方案，将高压轴系放置在锅炉本体外侧临近联箱处，低位轴系保持不动，即高低位分轴布置方案。
值得注意的是，目前这一技术创新已应用于申能安徽平山电厂二期1350MW高低位分轴布置二次再热超超临界机组。记者在项目现场看到，塔式锅炉高位发电机组布置在塔式锅炉82米平台处，相当于从原来锅炉的“脚边”位置挪到了接近锅炉“肩膀”的高度。
“这不仅可以大大缩短高温高压蒸汽管道长度，节省大量高温高压管道，而且可以大大降低主蒸汽和再热蒸汽的压降和温降，阻力更小、散热损失更少、管道建设成本更低，机组效率与经济性得以显著提升。”据冯伟忠介绍，这一方案可消除绝大部分高参数、高价值管道，大幅节约投资，为700摄氏度等级机组的发展消除了最主要的制约因素。
目前，申能安徽平山电厂二期1350MW高低位分轴布置二次再热超超临界机组已在2022年正式投入商业运行。机组设计供电煤耗251克/千瓦时，比目前最先进的两次再热机组煤耗进一步下降超15克，大幅提高能源利用水平，平均每年可节省燃煤近10万吨。
深度调峰经济性可行
在技术创新的基础上，调峰经济性是进一步追求。“双碳”目标下，煤电机组成为新能源电力消纳的保障，在确保安全、环保以及能耗升幅不高的前提下，大幅拓展煤电机组的深度调峰能力尤为关键，如何做好深度调峰助力“双碳”，已成为众多煤电机组面临的现实难题。
值得注意的是，深度调峰具有一定技术风险和成本。“深调幅度越大，风险和成本越高。安全风险成本、寿命损耗威本以及煤耗上升成本等构成了煤电机组在深度调峰运行状态下的主要成本。”冯伟忠表示。
“要使深调补贴真正成为电厂盈利的新途径，并确保机组安全，就需要控制上述三类成本。”冯伟忠表示，正常情况下，二次再热机组应尽可能高负荷运行，以充分发挥机组的经济性优势。但结合我国煤电发展现状，我国的二次再热机组的发展在保证基本发电负荷的同时，还要承担较重的调峰任务，因此，除安全高效外，应提高机组低负荷下经济性及灵活性，以实现结构性减碳。
“对于煤电机组的提效升级和清洁化利用，总能耗指标哪怕下降几克煤也非常重要。”中国工程院院士余贻鑫认为，目前，风光等新能源发电需要调峰煤电来平抑波动，如果煤电机组能保持20%的超低负荷下的调峰能力，将极大提高绿色能源的使用占比。因此，煤电机组能够安全、可靠地维持低负荷运行具有重要意义。
在这方面，申能安徽平山电厂二期亦走在前列。据冯伟忠介绍，该工程进行了一系列重大创新技术的应用，如弹性回热技术、全负荷低氧低氮燃烧、广义变频技术等。不仅提高了机组低负荷下的运行经济性，且实现了20%负荷深度调峰干态稳定运行。“在此工况下，机组供电煤耗上升幅度仅为70克/千瓦时水平，成本增量与深调补贴相比很小，从而保证了深度调峰的经济性。”
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