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下,國家將持續(xù)發(fā)展新能源作為推動電力供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、實現(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%,太陽能發(fā)電占比11.5%,核電占比2.3%。根據(jù)我國電力發(fā)展規(guī)劃,2030年可再生的風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kw以上,成為我國最主要的電源?？梢?電力結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型乃至最終實現(xiàn)凈零所面臨的任務(wù)十分艱巨。

2021年10月26日,國務(wù)院印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動方案》,聚焦2030年前碳達(dá)峰目標(biāo),對推進(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。嚴(yán)格控制新增煤電項目,新建機(jī)組煤耗標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國際先進(jìn)水平,有序淘汰煤電落后產(chǎn)能,加快現(xiàn)役機(jī)組節(jié)能升級和靈活性改造,積極推進(jìn)供熱改造,推動煤電向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型。"

為響應(yīng)國家"雙碳"目標(biāo)的戰(zhàn)略部署,實現(xiàn)煤電機(jī)組綠色低碳發(fā)展、促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級,本文對煤電機(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)鍵是對于不同類型的機(jī)組,選擇合適的技術(shù)路線。對于純凝機(jī)組,主要需要解決它的低負(fù)荷穩(wěn)燃問題和排放問題,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:對于供熱機(jī)組,關(guān)鍵是在滿足供熱要求的同時提升調(diào)峰能力,也就是熱電解耦的問題,主要技術(shù)包括高背壓供熱、低壓缸微出力、熱泵供熱和增加儲熱罐等。

目前,通過低負(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)時間較長、爬坡速率較慢等問題,同時還伴隨著煤耗增加、機(jī)組損耗增加和運(yùn)營成本增加等問題。因此,在靈活性改造過程中,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,選擇切實可行、高性價比的改造方案。

2021年4月國家電網(wǎng)有限公司服務(wù)新能源發(fā)展報告2021》顯示,"十三五"期間,我國累計推動完成煤電靈活性改造約1.62億kw,機(jī)組數(shù)量314臺,提升調(diào)節(jié)能力4506萬kw。華能丹東電廠(2×350Mw）配置了25730m3的儲熱水罐,投資4004萬元,率先在國內(nèi)實現(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)組無法繼續(xù)按照"以熱定電"的運(yùn)行方式獨(dú)善其身。我國熱電聯(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,世界上對綜合能源服務(wù)還沒有統(tǒng)一的定義。一般來講,綜合能源服務(wù)包括兩個方面: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)營服務(wù)。我國綜合能源服務(wù)行業(yè)還處于起步階段,國家電網(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)項目建設(shè)。

國家能源集團(tuán)浙江公司2021年成立國能(浙江）綜合能源公司,開發(fā)、投資、建設(shè)供熱管網(wǎng)等綜合能源項目,培育多能聯(lián)供等綜合能源市場的業(yè)務(wù)。目前北侖電廠、寧海電廠、舟山電廠、南潯電廠已實現(xiàn)對外供熱,3個燃煤電廠灰、渣、石膏等固棄物已實現(xiàn)綜合利用,北侖電廠已實現(xiàn)城市污泥摻燒,寧海電廠已實現(xiàn)對外供應(yīng)原水,2021年底前實現(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)目前存在的問題是,煤電企業(yè)在多能耦合與梯級利用方面還沒有將其技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮出來,在綜合能源服務(wù)核心技術(shù)方面的研究不足。未來仍需突破核心技術(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期以來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

采用儲能等創(chuàng)新技術(shù),大力實施火電機(jī)組靈活性改造,通過發(fā)揮其靈活的調(diào)節(jié)作用及深度調(diào)峰能力,實現(xiàn)能量供給與需求平衡,解決時域性差異,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推動煤電企業(yè)向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)變

充實煤電企業(yè)產(chǎn)品體系,實現(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:對鄰近區(qū)域重點企業(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

"雙碳"背景下,煤電機(jī)組實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級和綠色低碳發(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{,為國家"雙碳"目標(biāo)的實現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。