1 項(xiàng)目背景

進(jìn)入“十三五”時(shí)期后，伴隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的進(jìn)程深入，經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐步進(jìn)入新常態(tài)。2016年，我國(guó)6MW及以上電廠的發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)下降至3785h，6MW及以上火力發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)下降至4165h。這一現(xiàn)象的主要原因是“十二五”期間火電投資和建設(shè)持續(xù)增長(zhǎng)，而經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展對(duì)于電力需求放緩，同時(shí)高速發(fā)展的可再生能源發(fā)電與火力發(fā)電形成競(jìng)爭(zhēng)，共同造成了火電產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)狀。火力發(fā)電作為我國(guó)主要的發(fā)電形式，長(zhǎng)期占據(jù)總裝機(jī)容量和總發(fā)電量的七成左右比例。“十三五”期間火力發(fā)電行業(yè)正經(jīng)歷著轉(zhuǎn)型升級(jí)。2論文所解決的問(wèn)題及意義“十三五”后期和未來(lái)長(zhǎng)期中，我國(guó)火力發(fā)電行業(yè)需要從集中式和分布式兩方面提出技術(shù)路線，明確前沿技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，更好地服務(wù)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求。本文通過(guò)歸納火力發(fā)電領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)概況、主要指標(biāo)和前沿技術(shù)，分析了前沿技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)突破和完善的關(guān)鍵技術(shù)，提出了集中式和分布式火力發(fā)電的前沿技術(shù)路線，從而為火力發(fā)電的研發(fā)戰(zhàn)略提供參考。3論文重點(diǎn)內(nèi)容

1)產(chǎn)業(yè)概況。

基于我國(guó)資源國(guó)情和各類發(fā)電形式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，燃煤發(fā)電長(zhǎng)期占據(jù)我國(guó)發(fā)電領(lǐng)域和火電領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。在當(dāng)前宏觀經(jīng)濟(jì)和社會(huì)背景下，相關(guān)研究認(rèn)為我國(guó)煤炭消費(fèi)和燃煤發(fā)電的比例已經(jīng)達(dá)到峰值，未來(lái)將逐步下降。

2016年3月，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)特急文件，督促各地方政府和企業(yè)放緩燃煤發(fā)電建設(shè)，化解產(chǎn)能過(guò)剩局面。隨著政策變化，煤電投資和建設(shè)逐步降溫，2017年1—2月火力發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)同比小幅回升，產(chǎn)能過(guò)剩局面初步得到遏制。預(yù)計(jì)“十三五”后期火電產(chǎn)業(yè)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，對(duì)于燃煤發(fā)電建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制將繼續(xù)發(fā)揮作用。

2)指標(biāo)水平。

2016年我國(guó)6MW及以上電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降至312g/(kW•h)，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降至294g/(kW•h)。燃煤發(fā)電的供電煤耗和發(fā)電煤耗近年來(lái)呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。燃煤發(fā)電環(huán)保指標(biāo)采用排放績(jī)效評(píng)價(jià)時(shí)，2015年我國(guó)燃煤發(fā)電的煙塵、SO2和NOx的排放績(jī)效依次為0.09、0.47和0.43g/(kW•h)，CO2排放績(jī)效按照供電煤耗折算約為780g/(kW•h)水平，整體排放績(jī)效達(dá)到世界先進(jìn)水平。

燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)指標(biāo)方面，我國(guó)主流采用的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的單循環(huán)效率約為38%，聯(lián)合循環(huán)效率約為58%。先進(jìn)的G/H/J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)效率和聯(lián)合循環(huán)效率分別可以達(dá)到41%和61%。燃?xì)獍l(fā)電幾乎不排放煙塵和SO2，采用F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的NOx排放績(jī)效典型值約為0.30g/(kW•h)，CO2排放績(jī)效約為450g/(kW•h)水平，在環(huán)保指標(biāo)方面相比燃煤發(fā)電具備一定優(yōu)勢(shì)。

3)前沿技術(shù)。

燃煤發(fā)電領(lǐng)域，近年來(lái)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)的前沿課題包括富氧燃燒、化學(xué)鏈燃燒、鎳基高溫合金等，工程相關(guān)的前沿技術(shù)包括700 ℃超超臨界、二次再熱、間接空冷、超低排放、碳捕集利用與封存(CCUS)、煤基超臨界CO2布雷頓循環(huán) (S-CO2 Brayton cycle)、煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)、循環(huán)流化床(CFB)等。

燃?xì)獍l(fā)電領(lǐng)域，近年來(lái)前沿技術(shù)主要包括：燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)(NGCC)、太陽(yáng)能-天然氣互補(bǔ)聯(lián)合循環(huán)(ISCC)、微燃機(jī)與分布式冷熱電聯(lián)供(CCHP)、煤層氣發(fā)電等技術(shù)。燃?xì)獍l(fā)電近年來(lái)裝機(jī)容量和發(fā)電量增長(zhǎng)較快，其中煤層氣發(fā)電、頁(yè)巖氣發(fā)電等非常規(guī)燃?xì)獍l(fā)電，有望通過(guò)利用成本相對(duì)低廉的燃?xì)猓?ldquo;十三五”后期和未來(lái)長(zhǎng)期中不斷降低單位電量成本并實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)。

余熱發(fā)電近年來(lái)裝機(jī)容量和發(fā)電量增長(zhǎng)迅速，在火力發(fā)電中已經(jīng)占據(jù)一定比例。余熱發(fā)電領(lǐng)域的前沿技術(shù)近年來(lái)不斷涌現(xiàn)，主要包括有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)、利用余熱的超臨界CO2布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)等。

各類火力發(fā)電前沿技術(shù)，分別具備不同的優(yōu)勢(shì)技術(shù)指標(biāo)，其中效率和規(guī)模是決定前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。效率對(duì)于發(fā)電形式的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)保指標(biāo)影響顯著，而規(guī)模決定了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用形式更適合于集中式發(fā)電或分布式發(fā)電。圖1總結(jié)了各類火力發(fā)電技術(shù)形式的效率和規(guī)模范圍。

圖1 火力發(fā)電技術(shù)形式的效率與規(guī)模

4)技術(shù)路線。

“十三五”后期和未來(lái)長(zhǎng)期，我國(guó)需要從集中式發(fā)電和分布式發(fā)電的產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度，歸納火力發(fā)電前沿技術(shù)并提出前沿技術(shù)路線。

集中式高效清潔發(fā)電路線(路線1)，是將常規(guī)化石燃料利用高參數(shù)、高效率的前沿發(fā)電技術(shù)，配合先進(jìn)燃燒技術(shù)、污染物控制技術(shù)和CCUS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效清潔發(fā)電。代表性技術(shù)組合是700 ℃超超臨界或煤基超臨界CO2布雷頓循環(huán)技術(shù)，配合化學(xué)鏈燃燒或富氧燃燒、一體化脫除技術(shù)、CCUS技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)供電效率提高和排放績(jī)效降低。

集中式聯(lián)合循環(huán)與多聯(lián)產(chǎn)路線(路線2)，是將常規(guī)化石燃料利用IGCC、NGCC、ISCC等聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，配合熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱電聯(lián)供、制氫技術(shù)等多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在較高綜合效率下同時(shí)提供電能、供暖、制冷、氫氣等多種產(chǎn)品的技術(shù)路線。

集中式非常規(guī)燃料與用途路線(路線3)，是將非常規(guī)燃料(煤矸石、劣質(zhì)煤、煤層氣、頁(yè)巖氣、生物質(zhì)、垃圾等)采用CFB、超臨界CO2布雷頓循環(huán)、燃機(jī)燃料適應(yīng)等技術(shù)，配合先進(jìn)燃燒技術(shù)和減排技術(shù)，實(shí)現(xiàn)較高效率、較少污染和廢棄物資源化發(fā)電。

分布式火力發(fā)電技術(shù)路線(路線4)，是利用常規(guī)化石燃料或非常規(guī)燃料，通過(guò)小型化、多樣化的分布式發(fā)電形式，配合儲(chǔ)能技術(shù)、冷熱電聯(lián)供、先進(jìn)熱交換系統(tǒng)和智能微網(wǎng)等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)用戶側(cè)需求的靈活發(fā)電和供能。代表性技術(shù)組合，是采用微燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等作為分布式系統(tǒng)核心，配合余熱回收、余熱發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)、智能微網(wǎng)等技術(shù)，根據(jù)用戶需求提供電能、供暖、制冷、動(dòng)力、淡水等多樣化產(chǎn)品。

對(duì)于以上四條前沿技術(shù)路線的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景，研究通過(guò)預(yù)測(cè)累計(jì)裝機(jī)容量長(zhǎng)期趨勢(shì)的方法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，如圖2所示。

圖2 火力發(fā)電技術(shù)路線累計(jì)裝機(jī)容量預(yù)測(cè)

集中式高效清潔發(fā)電路線(路線1)核心技術(shù)短期有待突破，長(zhǎng)期產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景看好，預(yù)計(jì)將在2040年前后成為我國(guó)火力發(fā)電領(lǐng)域的主力形式。集中式聯(lián)合循環(huán)與多聯(lián)產(chǎn)路線(路線2)主要技術(shù)已有相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用或示范工程，未來(lái)將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。

集中式非常規(guī)燃料與用途路線(路線3)相關(guān)技術(shù)較為成熟，但針對(duì)非常規(guī)燃料和特有用途的技術(shù)改進(jìn)空間仍然較大。路線3與路線2將共同成為集中式火力發(fā)電的重要組成部分。分布式前沿技術(shù)路線(路線4)的前沿技術(shù)目前還有待于成熟。預(yù)計(jì)未來(lái)路線4的累計(jì)裝機(jī)容量增速將高于路線2和路線3，使得分布式火力發(fā)電成為集中式火力發(fā)電的有效補(bǔ)充。

4結(jié)論

1)“十三五”期間和未來(lái)長(zhǎng)期應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)突破和完善的關(guān)鍵技術(shù)，包括700 ℃超超臨界、超臨界CO2布雷頓循環(huán)、IGCC等前沿技術(shù)。

2)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，“十三五”期間和未來(lái)長(zhǎng)期我國(guó)火力發(fā)電產(chǎn)業(yè)，將在政策引導(dǎo)下逐步向著高效、清潔、低碳的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3)本文總結(jié)的四條集中式和分布式前沿技術(shù)路線，可以為火力發(fā)電的研究發(fā)展戰(zhàn)略提供參考，促進(jìn)前沿技術(shù)在集中式發(fā)電和分布式發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，推進(jìn)“十三五”期間和未來(lái)長(zhǎng)期我國(guó)火力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

引文信息

楊倩鵬，林偉杰，王月明，等.火力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展與前沿技術(shù)路線[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37(13)：3787-3794.

Yang Qianpeng，Lin Weijie，Wang Yueming，et al.Industry development and frontier technology roadmap of thermal power generation[J].Proceedings of the CSEE, 2017，37(13)：3787-3794(in Chinese).

作者簡(jiǎn)介

楊倩鵬(1989)，男，工學(xué)博士，西安熱工研究院有限公司與西安交通大學(xué)聯(lián)合招收在站博士后，主要從事傳統(tǒng)能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略的研究工作。

林偉杰(1964)，男，高級(jí)工程師，中國(guó)華能集團(tuán)香港有限公司總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

王月明(1963)，男，研究員，西安熱工研究院有限公司副總經(jīng)理(副院長(zhǎng))，主要研究方向?yàn)闊崃Πl(fā)電。

何雅玲(1963)，女，教授，中國(guó)科學(xué)院院士，主要研究方向?yàn)楣こ虩嵛锢怼?/p>

原標(biāo)題:中國(guó)華能集團(tuán)楊倩鵬，林偉杰等：火力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展與前沿技術(shù)路線