當(dāng)前，我國(guó)300 MW及以上等級(jí)煤電機(jī)組平均供電煤耗約為305 g/(kW?h)。按照2020年燃煤機(jī)組發(fā)電量為4.8萬(wàn)億kW?h，則全年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約14.6億t，CO2排放約為42億t。根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，到2030年，煤電CO2排放約為40億t，與目前水平接近，基本可實(shí)現(xiàn)行業(yè)碳達(dá)峰。但是，發(fā)電本質(zhì)上是一個(gè)碳排放行業(yè)，而且排放量占比很大。發(fā)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，尤其是低碳化技術(shù)的突破是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“30?60碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。

火力發(fā)電，尤其是燃煤發(fā)電，是目前綜合經(jīng)濟(jì)性最好、技術(shù)成熟度最高的發(fā)電形式。理論上講，相對(duì)于核電、水電、風(fēng)電等，火力發(fā)電受資源制約較小，布局更加靈活，裝機(jī)容量可以根據(jù)實(shí)際需求決定。

煤電的發(fā)展，一方面取決于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、資源稟賦、環(huán)境保護(hù)、碳減排等對(duì)電力行業(yè)的整體需求，另一方面取決于煤電的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性等。因此，要深入研究煤電的發(fā)展趨勢(shì)，獲得“碳達(dá)峰、碳中和”背景下的煤電合理占比和結(jié)構(gòu)，就必須從電力需求和發(fā)電技術(shù)發(fā)展兩方面綜合考量，需要考慮存量機(jī)組的節(jié)能降耗和新建機(jī)組的高效率。同時(shí)，煤電機(jī)組需要智能靈活，滿(mǎn)足新能源電力的大規(guī)模接入。因此，應(yīng)重點(diǎn)研究高效煤電技術(shù)、煤電機(jī)組靈活調(diào)峰技術(shù)和碳捕集及利用技術(shù)。

1煤電的發(fā)展研究

1.1煤電的特點(diǎn)和定位

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，燃煤發(fā)電污染物排放得到有效控制。截至2020年底，我國(guó)煤電機(jī)組幾乎全部達(dá)到超低排放水平。但是，火力發(fā)電機(jī)組在碳排放方面劣勢(shì)明顯。目前，我國(guó)燃煤機(jī)組單位發(fā)電量碳排放（CO2）高達(dá)879 g/(kW?h)，即使最先進(jìn)的煤電機(jī)組單位發(fā)電量碳排放也達(dá)到756 g/(kW?h)，遠(yuǎn)高于實(shí)現(xiàn)碳中和所需的近零排放標(biāo)準(zhǔn)（單位發(fā)電量碳排放量低于100 g/(kW?h)），所以燃煤發(fā)電是我國(guó)電力行業(yè)減碳的主要領(lǐng)域。

新中國(guó)成立70年以來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從小到大、從弱到強(qiáng)、從追趕到引領(lǐng)的巨大飛躍，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。在此背景下，煤電快速發(fā)展，在國(guó)家持續(xù)投入和支持下，煤電技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，單機(jī)容量、機(jī)組參數(shù)、機(jī)組數(shù)量、能效指標(biāo)均躍居世界前列。長(zhǎng)期以來(lái)，燃煤發(fā)電呈現(xiàn)出占比高、體量大的特點(diǎn)，實(shí)際承擔(dān)我國(guó)主力電源和基礎(chǔ)電源的角色。

近年來(lái)我國(guó)對(duì)能源利用多元化、清潔化、低碳化的需求日益迫切，尤其是習(xí)近平總書(shū)記提出“30?60碳達(dá)峰碳中和”的目標(biāo)后，能源行業(yè)尤其是電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。未來(lái)燃煤發(fā)電必將擔(dān)負(fù)新的歷史使命。

首先，新能源電力波動(dòng)大、間歇性強(qiáng)，在大規(guī)模、低成本儲(chǔ)能技術(shù)成熟應(yīng)用之前，適當(dāng)比例的燃煤發(fā)電可為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，平抑大比例新能源發(fā)電并網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。電力系統(tǒng)需要火力發(fā)電尤其是燃煤發(fā)電充分發(fā)揮“兜底保障”的重要作用。

其次，煤電要積極轉(zhuǎn)變角色，由傳統(tǒng)提供電力、電量的主體性電源，向提供可靠電力、調(diào)峰調(diào)頻能力的基礎(chǔ)性電源轉(zhuǎn)變，積極參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用等輔助服務(wù)，提升電力系統(tǒng)對(duì)新能源發(fā)電的消納能力，將更多的電量市場(chǎng)讓給低碳電力。

最后，熱電聯(lián)產(chǎn)的燃煤發(fā)電機(jī)組是滿(mǎn)足我國(guó)居民采暖需求的重要保障。盡管目前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組已占火電機(jī)組比重的41%，仍不能滿(mǎn)足我國(guó)日益增長(zhǎng)的熱力需求。低成本的燃煤發(fā)電是全社會(huì)低成本用電、用熱的基礎(chǔ)，是我國(guó)保障民生和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)用能的重要支撐，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提升人民幸福感具有重要意義。

1.2煤電在總裝機(jī)中的合理占比

我國(guó)煤電投資規(guī)模逐年下降，“十一五”時(shí)期的平均煤電年新增裝機(jī)規(guī)模是6 862萬(wàn)kW，到“十三五”期間已降至3 538萬(wàn)kW。煤電新增裝機(jī)容量規(guī)模在2016年被新能源超越，2020年新能源發(fā)電年新增裝機(jī)是煤電的近3倍，煤電裝機(jī)容量比重歷史性降至50%以下。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，煤電裝機(jī)比例進(jìn)一步降低的趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。

但是合理的電源結(jié)構(gòu)和發(fā)電量組成，要取決于各類(lèi)發(fā)電機(jī)組的技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也要與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、資源稟賦、環(huán)保要求等整體需求相適應(yīng)。

根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全社會(huì)用電需求的預(yù)測(cè)，2030年全國(guó)電源總裝機(jī)約28.74億kW，全年發(fā)電總量約8.94萬(wàn)億kW?h。根據(jù)碳達(dá)峰的需求，發(fā)電行業(yè)需在2025年前后率先達(dá)峰。發(fā)電行業(yè)2030年全年碳排放總量控制在38億t左右，單位發(fā)電量碳排放降至425 g/(kW?h)。

在此條件下進(jìn)行測(cè)算，2030年，燃煤發(fā)電裝機(jī)12.13億kW，占總裝機(jī)的42.20%。燃煤發(fā)電的發(fā)電量4.85萬(wàn)億kW?h，占總發(fā)電量的54.27%。燃煤發(fā)電的單位發(fā)電量碳排放降至750 g/(kW?h)左右。全年燃煤發(fā)電碳排放量約為36.3億t，發(fā)電行業(yè)碳排放總量約為38億t。

2060年，根據(jù)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全社會(huì)用電需求的預(yù)測(cè)，全國(guó)電源總裝機(jī)約70.92億kW，全年發(fā)電總量約16.5萬(wàn)億kW?h。單純考慮碳中和的需求，發(fā)電行業(yè)需在2060年將單位發(fā)電量碳排放降至低于50 g/(kW?h)的水平，發(fā)電行業(yè)2060年全年碳排放總量控制在8億~9億t。但是，到2060年我國(guó)仍需維持7億kW左右的燃煤發(fā)電機(jī)組，以保障我國(guó)能源電力供應(yīng)安全和調(diào)峰、供暖需求，發(fā)電行業(yè)2060年實(shí)際碳排放總量存在很大的不確定性。

可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)煤電的裝機(jī)占比及發(fā)電量將主要受到碳減排目標(biāo)、電力供應(yīng)安全的雙重約束。從碳減排目標(biāo)出發(fā)，煤電應(yīng)不斷縮減規(guī)模；但從電力供應(yīng)安全角度出發(fā)，則需要煤電在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)繼續(xù)承擔(dān)兜底保障、應(yīng)急備用、調(diào)峰調(diào)頻、消納新能源、乃至工業(yè)供熱與采暖供熱等作用。因此，煤電將在滿(mǎn)足電力供應(yīng)安全的前提下不斷降低發(fā)電量，以實(shí)現(xiàn)更少的碳排放。而其裝機(jī)和發(fā)電量下調(diào)的進(jìn)度安排除應(yīng)滿(mǎn)足“30?60”目標(biāo)要求外，還受到供電經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保要求等影響，并與靈活性提升水平、高效技術(shù)發(fā)展成熟度、碳捕集成本、碳運(yùn)輸及封存的經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素密切相關(guān)。

2煤電的低碳化技術(shù)

2.1存量機(jī)組節(jié)能提效

2.1.1煤電低碳化節(jié)能提效綜合技術(shù)

影響我國(guó)大型煤電機(jī)組能耗特性的因素，既有運(yùn)行負(fù)荷、燃料特性及環(huán)境溫度等外部條件，也有機(jī)組本身的性能缺陷及運(yùn)行管理水平等內(nèi)部因素。為實(shí)現(xiàn)煤電機(jī)組全工況運(yùn)行優(yōu)化，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能診斷，查清全工況下各熱力設(shè)備的性能，獲得熱力系統(tǒng)的能耗特性。

節(jié)能診斷基于全面系統(tǒng)的能耗分析和診斷，針對(duì)機(jī)組所有的主、輔機(jī)系統(tǒng)，從設(shè)備選型、運(yùn)行方式、存在問(wèn)題等各個(gè)方面入手；結(jié)合煤質(zhì)、環(huán)境邊界條件、運(yùn)行方式、運(yùn)行參數(shù)等，對(duì)機(jī)組各項(xiàng)能耗指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析、核算，得出機(jī)組的能耗水平及節(jié)能潛力；并在此基礎(chǔ)上，為發(fā)電企業(yè)指明節(jié)能改造方向，采用針對(duì)性強(qiáng)的綜合節(jié)能提效技術(shù)降低機(jī)組煤耗。

煤電低碳化節(jié)能提效綜合改造技術(shù)是將煤電機(jī)組看做一個(gè)整體，在燃煤發(fā)電系統(tǒng)中采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理以及環(huán)境和社會(huì)可以承受的技術(shù)措施，以強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)、熱量梯級(jí)利用、能量合理利用、輔機(jī)提效及調(diào)速改造以及其他優(yōu)化運(yùn)行手段為技術(shù)導(dǎo)向?qū)γ弘姍C(jī)組進(jìn)行整體節(jié)能提效改造。

目前，成熟的節(jié)能技術(shù)如圖1所示?？梢葬槍?duì)具體的電廠，因地制宜，一廠一策，采用不同的技術(shù)組合，達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最好的效果。

圖1火電機(jī)組一體化節(jié)能技術(shù)體系

2.1.2機(jī)組延壽綜合提效技術(shù)

煤電機(jī)組提升參數(shù)延壽技術(shù)是提高煤電機(jī)組整體能耗水平、節(jié)能減碳的重要手段。

我國(guó)“十四五”期間達(dá)設(shè)計(jì)期限的20萬(wàn)kW及以上煤電機(jī)組有87臺(tái)，合計(jì)容量約0.26億kW。未來(lái)10年（2021—2030）我國(guó)有252臺(tái)容量20萬(wàn)kW及以上煤電機(jī)組陸續(xù)達(dá)到設(shè)計(jì)期限，總?cè)萘考s為0.82億kW，約占目前煤電總?cè)萘浚ò?020年底10.8億kW計(jì)）的7.6%。其中亞臨界300 MW及以上機(jī)組205臺(tái)，占10年內(nèi)設(shè)計(jì)期滿(mǎn)機(jī)組容量的88%。

根據(jù)國(guó)外煤電機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，全球范圍內(nèi)煤電機(jī)組平均服役30年以上的超過(guò)24%。日本近50%的煤電機(jī)組服役年限為30~39年，25%的煤電機(jī)組服役年限超過(guò)40年。美國(guó)煤電機(jī)組的平均使用年限為42年，有11%的機(jī)組運(yùn)行年限超過(guò)60年。我國(guó)煤電機(jī)組構(gòu)成中，300 MW等級(jí)亞臨界機(jī)組服役年限在20年以?xún)?nèi)的占比達(dá)到82.8%。

對(duì)于達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命的機(jī)組，通過(guò)機(jī)組延壽改造并同步實(shí)施提升參數(shù)改造可大幅提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)亞臨界機(jī)組，僅提升蒸汽溫度，而主蒸汽壓力基本保持不變，既可以降低機(jī)組煤耗水平、又可以有效減少改造工程量。蒸汽參數(shù)提升的幅度與方案的難易程度和投資規(guī)模成比例。

2.2高效燃煤發(fā)電技術(shù)

2.2.1超高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)

超高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電是指將燃煤發(fā)電機(jī)組參數(shù)從現(xiàn)在的600℃等級(jí)進(jìn)一步提升至650℃等級(jí)乃至700℃等級(jí)，從而達(dá)到提升發(fā)電效率的目的。

過(guò)去的幾十年里，煤電機(jī)組一直都在向大容量、高參數(shù)發(fā)展。目前，全世界煤電機(jī)組的蒸汽參數(shù)穩(wěn)定在600℃等級(jí)，部分機(jī)組提高到620℃。機(jī)組容量基本上以600 MW和1 000 MW為主。目前，中國(guó)已投產(chǎn)600 MW等級(jí)超臨界和超超臨界機(jī)組已超過(guò)600臺(tái)，已投產(chǎn)超超臨界1 000 MW機(jī)組達(dá)到137臺(tái)。2016年，成功投運(yùn)了最先進(jìn)的1 000 MW等級(jí)600℃/620℃/620℃超超臨界二次再熱機(jī)組，凈效率已達(dá)47%。在國(guó)家持續(xù)投入和支持下，煤炭的先進(jìn)清潔高效發(fā)電技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，機(jī)組參數(shù)、數(shù)量、能效指標(biāo)均躍居世界首位。

在700℃發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是高溫鎳基合金材料方面，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾種適用于700℃機(jī)組的鎳基合金材料，完成了700℃電廠的概念設(shè)計(jì)，基本為700℃機(jī)組的建設(shè)做好了技術(shù)儲(chǔ)備。我國(guó)700℃發(fā)電技術(shù)的研究也緊跟世界步伐。相關(guān)科研單位篩選和開(kāi)發(fā)了一批高溫合金材料，在華能南京電廠建成了700℃部件驗(yàn)證平臺(tái)，完成了25 000 h關(guān)鍵高溫部件的驗(yàn)證，運(yùn)行情況良好。同時(shí)也正在瑞金電廠二期開(kāi)展試驗(yàn)性應(yīng)用。另外，已開(kāi)發(fā)了主蒸汽大管道、高中壓轉(zhuǎn)子合金，目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化試制和部件性能驗(yàn)證。

初步預(yù)計(jì)：2025年，實(shí)現(xiàn)650℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的工程示范，凈效率不低于47%；2035年實(shí)現(xiàn)650℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模商用；2035年實(shí)現(xiàn)700℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的工程示范，凈效率不低于50%；2045年實(shí)現(xiàn)700℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模商用。

在700℃超超臨界蒸汽發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升溫度參數(shù)，發(fā)電系統(tǒng)效率提升有限，即便溫度到達(dá)800℃，凈效率也很難突破55%，且隨著溫度的提升，高溫合金材料的開(kāi)發(fā)成本和制造成本均成倍增加，材料瓶頸問(wèn)題突顯。因此在實(shí)現(xiàn)700℃等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組商用后，不建議向更高參數(shù)發(fā)展。

2.2.2超臨界CO2循環(huán)高效燃煤發(fā)電

超臨界CO2循環(huán)高效燃煤發(fā)電技術(shù)是通過(guò)采用超臨界CO2代替水作為循環(huán)工質(zhì)，采用布雷頓循環(huán)代替朗肯循環(huán)作為動(dòng)力循環(huán)的一種新型燃煤發(fā)電技術(shù)。在600℃等級(jí)，超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組供電效率可比傳統(tǒng)水循環(huán)發(fā)電機(jī)組提高3百分點(diǎn)~5百分點(diǎn)；700℃等級(jí)，超臨界CO2循環(huán)燃煤發(fā)電機(jī)組供電效率可比傳統(tǒng)水循環(huán)發(fā)電機(jī)組提高5百分點(diǎn)~8百分點(diǎn)。

2004年，美國(guó)能源部（DOE）開(kāi)始超臨界CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，目標(biāo)是為核電站、太陽(yáng)能光熱發(fā)電、余熱利用等研發(fā)下一代動(dòng)力設(shè)備。2011年美國(guó)能源部開(kāi)始實(shí)施“Sunshot”計(jì)劃，旨在將超臨界CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)付諸商業(yè)化。該研發(fā)項(xiàng)目主要進(jìn)行10 MW超臨界CO2發(fā)電機(jī)組研發(fā)和測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試在美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下屬的核能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（NESL）進(jìn)行。2014年起美國(guó)能源部實(shí)施了化石燃料超臨界CO2循環(huán)發(fā)電研究計(jì)劃，其目標(biāo)是使超臨界CO2閉式循環(huán)比高參數(shù)水工質(zhì)朗肯循環(huán)效率高5百分點(diǎn)以上。

2005—2011年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)能源部的資助下，首先搭建了熱功率1.0 MW的超臨界CO2布雷頓循環(huán)實(shí)驗(yàn)回路裝置，設(shè)計(jì)壓力為15.2 MPa，溫度為538℃，電功率為125 kW。

歐洲和日本也在加緊研究超臨界CO2循環(huán)。法國(guó)電力公司（EDF）開(kāi)展了燃煤閉式超臨界CO2循環(huán)研究，東京工業(yè)大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院、比利時(shí)列日大學(xué)開(kāi)展了半閉式超臨界CO2循環(huán)研究等?？傮w上看，對(duì)于煤基超臨界CO2循環(huán)的研究，國(guó)外仍處于起步階段。

我國(guó)在該領(lǐng)域的研究與國(guó)外的研究基本同步。西安熱工研究院有限公司（西安熱工院）、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)核動(dòng)力研究院、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位相繼開(kāi)展了超臨界CO2循環(huán)的相關(guān)研究。國(guó)家科技部相繼支持了“超臨界CO2太陽(yáng)能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究”“超高參數(shù)高效CO2燃煤發(fā)電基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)研究”“兆瓦級(jí)高效緊湊新型海洋核動(dòng)力裝置基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”等重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)不懈的努力，國(guó)內(nèi)在超臨界CO2循環(huán)構(gòu)建、超臨界CO2流動(dòng)傳熱機(jī)理等方向上的部分成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

西安熱工院的5 MW超臨界CO2循環(huán)發(fā)電驗(yàn)證平臺(tái)（圖2），已于2020年12月建設(shè)完成。該平臺(tái)最高壓力為21.5 MPa，最高溫度為600℃，最大流量為306 t/h，是目前世界上容量最大、參數(shù)最高的超臨界CO2循環(huán)驗(yàn)證平臺(tái)。該平臺(tái)的建成投運(yùn)將極大地推動(dòng)新型高效發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用。

圖2 5 MW超臨界CO2循環(huán)發(fā)電驗(yàn)證平臺(tái)

目前，隨著5 MW超臨界CO2發(fā)電平臺(tái)的投運(yùn)，關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備逐步得到驗(yàn)證和完善，該技術(shù)工程應(yīng)用研究已經(jīng)全面展開(kāi)。西安熱工院和相關(guān)單位正在進(jìn)行50 MW超臨界CO2光熱發(fā)電可行性研究和初步設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)在2030年左右實(shí)現(xiàn)300 MW超臨界CO2煤電機(jī)組工程示范，凈效率不低于50%；2040年實(shí)現(xiàn)700℃等級(jí)大型超臨界CO2燃煤發(fā)電機(jī)組的工程示范，凈效率不低于55%。

2.3煤電機(jī)組靈活性技術(shù)

為了解決新能源消納的問(wèn)題，煤電運(yùn)行需要更加靈活，調(diào)峰能力更加突出可靠。煤電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)需要重點(diǎn)研究或突破的地方主要包括2方面：一是調(diào)峰的深度，二是調(diào)峰的速度?；痣娬蓚鹘y(tǒng)的提供電力、電量的主體電源，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁╇娏?、電量的同時(shí)，向電力系統(tǒng)提供可靠容量、調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)的基礎(chǔ)性、調(diào)節(jié)性電源。

隨著新能源比例的增加，電網(wǎng)對(duì)于瞬間大幅甩負(fù)荷的響應(yīng)能力要大幅提升，迫切需要從技術(shù)上提高煤電負(fù)荷快速升降的能力。

2.3.1鍋爐深度調(diào)峰技術(shù)

根據(jù)爐型、煤質(zhì)、燃燒設(shè)備的不同，目前國(guó)內(nèi)大部分燃煤鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力在40%~50%額定負(fù)荷，通過(guò)改造下探至20%~30%額定負(fù)荷。

鍋爐深度調(diào)峰主要面臨低負(fù)荷穩(wěn)燃和環(huán)保達(dá)標(biāo)2個(gè)問(wèn)題。

提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力的主要技術(shù)措施有：鍋爐精細(xì)化運(yùn)行調(diào)整，基于強(qiáng)化燃燒的鍋爐燃燒器改造，鍋爐制粉系統(tǒng)改造，摻燒高揮發(fā)分煤質(zhì)改造，以及等離子體、微油、富氧等助燃改造等。

目前，絕大部分煤電機(jī)組脫硝裝置的工作溫度為300~420℃。當(dāng)機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，隨著鍋爐負(fù)荷的降低，脫硝裝置入口煙溫將降至300℃以下。為避免脫硝催化劑失去活性，脫硝裝置需要退出運(yùn)行，導(dǎo)致氮氧化物排放超標(biāo)，機(jī)組調(diào)峰中止。因此，針對(duì)深度調(diào)峰期間，脫硝裝置無(wú)法投入的機(jī)組，需要進(jìn)行提高脫硝裝置入口煙溫改造。主要的低負(fù)荷選擇性催化還原（SCR）脫硝入口煙溫提升技術(shù)有省煤器煙氣旁路、省煤器水側(cè)旁路、省煤器分級(jí)布置、回?zé)岢槠a(bǔ)充給水、熱水再循環(huán)等技術(shù)。

上述技術(shù)措施都是常規(guī)手段，需要針對(duì)不同的機(jī)組采用不同的組合。

2.3.2控制系統(tǒng)調(diào)峰適應(yīng)性技術(shù)

我國(guó)火電機(jī)組在50%額定負(fù)荷以下普遍以啟停機(jī)過(guò)程控制為主，分散控制系統(tǒng)（DCS）控制邏輯未能在50%額定負(fù)荷以下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行甚至響應(yīng)調(diào)峰調(diào)頻的調(diào)試。

火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行負(fù)荷范圍一般目標(biāo)為30%~100%額定負(fù)荷。這不僅是簡(jiǎn)單的運(yùn)行負(fù)荷范圍變寬，從自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制角度，汽動(dòng)給水泵、變頻泵、調(diào)節(jié)閥等大量對(duì)象的非線(xiàn)性特性隨工況范圍的變寬而變得不可忽視。很多控制回路匹配30%~100%額定負(fù)荷范圍工況變得異常困難，導(dǎo)致機(jī)組常常表現(xiàn)在某些工況下自動(dòng)控制運(yùn)行的異常，給進(jìn)一步提高變負(fù)荷速率指標(biāo)給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，大量設(shè)備接近極限工況運(yùn)行，輔機(jī)跳閘、主燃料跳閘等保護(hù)和切除自動(dòng)等功能回路如有誤動(dòng)或切手動(dòng)都極易威脅整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。若要實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步深度調(diào)峰，需要針對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行控制優(yōu)化，修改邏輯（圖3）。

圖3燃煤鍋爐智能協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

2.3.3熱電解耦技術(shù)

1）汽輪機(jī)高低旁路熱電解耦技術(shù)汽輪機(jī)旁路的設(shè)計(jì)目的在于協(xié)調(diào)鍋爐產(chǎn)汽量與汽輪機(jī)耗汽量之間的不平衡，實(shí)現(xiàn)一定程度的熱電解耦，提高機(jī)組對(duì)負(fù)荷、供熱的適應(yīng)性以及運(yùn)行靈活性。利用機(jī)組已有的旁路或者新建的旁路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱。汽輪機(jī)旁路供熱系統(tǒng)如圖4所示。

圖4汽輪機(jī)旁路供熱系統(tǒng)

汽輪機(jī)高低旁路供熱按其供熱形式可以分為：

1）低壓旁路單獨(dú)對(duì)外供熱；

2）高壓旁路部分主蒸汽對(duì)外供熱；

3）汽輪機(jī)高低旁路聯(lián)合供熱。

目前應(yīng)用較多的是低壓旁路單獨(dú)對(duì)外供熱和汽輪機(jī)高低旁路聯(lián)合供熱2種方式。

2）低壓缸零出力熱電解耦技術(shù)供熱機(jī)組一般受低壓缸冷卻蒸汽流量限值和以熱定電運(yùn)行方式的影響，電調(diào)峰能力有限，很難適應(yīng)電網(wǎng)深度調(diào)峰需求，供熱能力也受限制。低壓缸零出力技術(shù)是突破這一難題有效手段。圖5為低壓缸零出力供熱技術(shù)系統(tǒng)示意。該技術(shù)是在低壓缸高真空運(yùn)行條件下，關(guān)閉低壓缸入口閥門(mén)，將原進(jìn)入低壓缸的蒸汽用于供熱，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)低壓缸零出力運(yùn)行。以某機(jī)組為例，經(jīng)低壓缸零出力改造后其低壓缸進(jìn)汽量減少，大量蒸汽用于供熱，相應(yīng)冷源損失減少，供熱季平均發(fā)電煤耗下降約40 g/(kW?h)。低壓缸零出力改造技術(shù)突破傳統(tǒng)供熱機(jī)組運(yùn)行理論，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行，從而大幅降低低壓缸的冷卻蒸汽消耗量，提高汽輪機(jī)電調(diào)峰能力和供熱抽汽能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)抽汽凝汽式運(yùn)行方式與零出力運(yùn)行方式的在線(xiàn)靈活切換，使機(jī)組同時(shí)具備高背壓機(jī)組供熱能力大、抽汽凝汽式供熱機(jī)組運(yùn)行方式靈活的特點(diǎn)，顯著提升運(yùn)行靈活性。

圖5低壓缸零出力供熱技術(shù)系統(tǒng)

2.3.4儲(chǔ)熱耦合調(diào)峰技術(shù)

目前的火電機(jī)組靈活性較差，主要是因?yàn)闄C(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)間具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，當(dāng)需要寬負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)具有較好的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，但鍋爐受最低穩(wěn)燃負(fù)荷的限制，不能進(jìn)一步降低負(fù)荷率，限制了機(jī)組的調(diào)峰能力。為提高火電機(jī)組的靈活性，適用于深度調(diào)峰，需要采取措施將機(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)進(jìn)行解耦。

采用儲(chǔ)能可以在用電負(fù)荷低谷時(shí)充電，在用電尖峰時(shí)放電，以降低負(fù)荷尖峰。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的替代效應(yīng)可以將煤電的容量釋放出來(lái)，從而提高火電機(jī)組的利用率，增加其經(jīng)濟(jì)性。

目前，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的是高溫熔鹽儲(chǔ)熱耦合火電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰需要降低出力時(shí)，保持鍋爐負(fù)荷不變，通過(guò)抽取部分主蒸汽和再熱蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)熱模塊，換熱后根據(jù)參數(shù)匹配返回機(jī)組的相應(yīng)熱力系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)機(jī)組出力降低的同時(shí)將部分熱量存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱模塊；在機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰需要增加出力時(shí)，仍然保持鍋爐負(fù)荷不變，根據(jù)參數(shù)匹配從機(jī)組的相應(yīng)熱力系統(tǒng)接口抽出部分蒸汽或給水進(jìn)入儲(chǔ)熱模塊，換熱后根據(jù)參數(shù)與相應(yīng)的熱力系統(tǒng)接口蒸汽或給水混合，返回機(jī)組，實(shí)現(xiàn)機(jī)組出力的升高。

在機(jī)組要求低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐燃燒量不變，汽輪機(jī)負(fù)荷降低，利用儲(chǔ)熱介質(zhì)將高品位能量?jī)?chǔ)存，負(fù)荷變化不受鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷影響，增加機(jī)組調(diào)峰負(fù)荷范圍和靈活性，可以實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的需求，調(diào)峰深度降低至18%額定負(fù)荷。

圖6高溫熔鹽儲(chǔ)熱耦合火電機(jī)組調(diào)峰技術(shù)

在機(jī)組要求高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐燃燒量不變，利用儲(chǔ)熱介質(zhì)放熱提升汽輪機(jī)負(fù)荷，提高能量利用效率。汽輪機(jī)組不做其他改造情況下可實(shí)現(xiàn)機(jī)組峰值時(shí)間段內(nèi)持續(xù)擴(kuò)容5%。

2.4煤電機(jī)組調(diào)峰政策建議

2020年煤電發(fā)電量約4.8萬(wàn)億kW?h，占全社會(huì)總發(fā)電量的65%，年利用小時(shí)為4 400 h，負(fù)荷率約為50%。若負(fù)荷率降至30%，年利用小時(shí)將為2 600 h，年發(fā)電量將減少至2.8萬(wàn)億kW?h，可為新能源上網(wǎng)騰出空間，且保持煤電的調(diào)峰備用功能。

煤電調(diào)峰備用后，整個(gè)行業(yè)的燃煤量減少約為53 400萬(wàn)t/a，合計(jì)減排CO215.3億t/a。建議用減排量彌補(bǔ)費(fèi)用缺口，對(duì)騰出上網(wǎng)空間的調(diào)峰備用煤電機(jī)組，進(jìn)行碳交易補(bǔ)償。對(duì)于在極端情況下，能及時(shí)滿(mǎn)足電力系統(tǒng)特殊要求的機(jī)組，給予特殊的資金獎(jiǎng)勵(lì)，以保證煤電機(jī)組調(diào)峰備用功能不被荒廢，確保整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3碳捕集及應(yīng)用技術(shù)

碳捕集、利用與封存（CCUS）是指將CO2從工業(yè)或其他排放源中分離出來(lái)，并運(yùn)輸?shù)教囟ǖ攸c(diǎn)加以利用或封存，以實(shí)現(xiàn)被捕集CO2與大氣的長(zhǎng)期隔離（圖7）。CCUS技術(shù)是我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030碳達(dá)峰和2060碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)組成部分。

圖7 CCUS系統(tǒng)

CO2地質(zhì)封存是指通過(guò)工程技術(shù)手段將捕集的CO2儲(chǔ)存于地質(zhì)構(gòu)造中，實(shí)現(xiàn)與大氣長(zhǎng)期隔絕的過(guò)程。按照不同的封存地質(zhì)體劃分，主要包括陸上咸水層封存、海底咸水層封存、枯竭油氣田封存等技術(shù)。陸上咸水層封存所需技術(shù)要素幾乎都存在于油氣開(kāi)采行業(yè)，油氣行業(yè)已有技術(shù)要素能夠部分滿(mǎn)足示范工程的需求。對(duì)中國(guó)而言，陸上咸水層封存各技術(shù)要素的發(fā)展程度很不一致，其中監(jiān)測(cè)與預(yù)警、補(bǔ)救技術(shù)等還僅處于研發(fā)水平。海底咸水層封存與陸上咸水層封存有一定相似性，但工程難度更大。國(guó)外已有多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但在中國(guó)尚無(wú)示范先例。

3.1碳捕集技術(shù)政策建議

火電加裝CCUS可以推動(dòng)電力系統(tǒng)近零碳排放，提供穩(wěn)定清潔電力，平衡可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，在避免季節(jié)性或長(zhǎng)期性的電力短缺方面發(fā)揮慣性支撐和頻率控制等重要作用。因此，在充分考慮電力系統(tǒng)靈活性、可靠性和碳排放的情況下，CCUS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力將持續(xù)增強(qiáng)。

火電加裝CCUS可以避免已經(jīng)投產(chǎn)的機(jī)組提前退役，降低實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)成本。碳捕集改造對(duì)于一些附近可封存CO2或利用CO2的火電廠最具吸引力，利用捕集的CO2進(jìn)行驅(qū)油可以大幅提高CCUS技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，考慮碳市場(chǎng)和碳稅等激勵(lì)政策，CCUS在未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣。

3.2碳捕集技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

電力行業(yè)CO2排放屬于低濃度排放源，捕集成本相對(duì)較高。安裝碳捕集裝置將產(chǎn)生額外的資本投入和運(yùn)行維護(hù)成本等。以火電廠安裝為例，第一代燃燒后捕集技術(shù)的成本（以CO2計(jì)，下同）約為300~450元/t，能耗（以CO2計(jì)，下同）約為3.0 GJ/t，發(fā)電效率損失10百分點(diǎn)~13百分點(diǎn)；第二代燃燒后捕集技術(shù)的能耗約為2.0~2.5 GJ/t，發(fā)電效率損失5百分點(diǎn)~8百分點(diǎn)。此外，在大部分項(xiàng)目仍以罐車(chē)為主要運(yùn)輸方式的現(xiàn)實(shí)條件下，引入CO2運(yùn)輸也將額外增加約1元/(t?km)的運(yùn)行成本，在運(yùn)輸距離達(dá)100 km時(shí)，每噸也將增加上百元的運(yùn)行成本。

碳市場(chǎng)交易可以一定程度上彌補(bǔ)CCUS技術(shù)的部署成本。中國(guó)正在推進(jìn)全國(guó)碳交易市場(chǎng)的建立，發(fā)電行業(yè)是首先被納入交易的主體?？傮w來(lái)看，目前碳配額成交量和成交額呈上升趨勢(shì)，截至2020年8月，試點(diǎn)省市碳市場(chǎng)累計(jì)成交量超過(guò)4億t，累計(jì)成交額超過(guò)90億元。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年，中國(guó)的平均碳價(jià)（以CO2計(jì)，下同）將上升到93元/t，到2050年將超過(guò)167元/t。未來(lái)碳交易市場(chǎng)的發(fā)展和逐步完善以及碳價(jià)的提升將抵消一部分CCUS成本。總體來(lái)說(shuō)，短期內(nèi)還需依靠補(bǔ)貼政策，才能局部獲得應(yīng)用。

3.3碳捕集技術(shù)應(yīng)用前景

由于技術(shù)成熟度和成本原因，我國(guó)CCUS技術(shù)在2030年前應(yīng)該還是以研發(fā)示范為主，尚不會(huì)得到大規(guī)模發(fā)展。因此，2030年前，我國(guó)碳減排主要依靠大力發(fā)展節(jié)能增效和可再生能源技術(shù)，CCUS技術(shù)是我國(guó)未來(lái)減少溫室氣體排放的重要戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備技術(shù)。2030年后隨著技術(shù)的進(jìn)步、碳價(jià)的提高以及CO2驅(qū)油與利用技術(shù)的發(fā)展，CCUS應(yīng)用價(jià)值的潛力將會(huì)大幅度釋放，成為我國(guó)化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)向低碳多元供能體系轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)保障。

4結(jié)論

1）煤電是我國(guó)電力安全的戰(zhàn)略力量，我國(guó)建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家和滿(mǎn)足人民對(duì)美好生活的向往都需要保留一定比例的煤電份額。而煤燃燒是CO2排放的主要來(lái)源。因此，煤電將在滿(mǎn)足電力供應(yīng)安全的前提下不斷降低發(fā)電量，以實(shí)現(xiàn)更少的碳排放。據(jù)預(yù)測(cè)：到2030年，我國(guó)需要保留燃煤發(fā)電裝機(jī)12.13億kW；到2060年仍需維持7億kW左右，以保障我國(guó)能源電力供應(yīng)安全和調(diào)峰、供暖需求。

2）煤電的低碳化發(fā)展對(duì)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。對(duì)于存量的煤電機(jī)組，需要大力進(jìn)行節(jié)能提效改造，把煤耗降到300 g/(kW?h)以下。對(duì)于達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命的機(jī)組，通過(guò)機(jī)組延壽改造并同步實(shí)施提升參數(shù)改造以大幅提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。另外，需要推進(jìn)科技創(chuàng)新，大力發(fā)展高參數(shù)超超臨界技術(shù)和超臨界CO2循環(huán)等新型高效動(dòng)力系統(tǒng)，把新建煤電機(jī)組的煤耗降到250 g/(kW?h)以下。

3）同時(shí)，全面提升煤電機(jī)組的自身靈活性，大力發(fā)展鍋爐深度調(diào)峰、熱電解耦以及儲(chǔ)能耦合調(diào)峰等技術(shù)和提高控制系統(tǒng)調(diào)峰適應(yīng)性，制定調(diào)峰鼓勵(lì)政策，為可再生電力大規(guī)模接入提供支撐。

4）另外，需要儲(chǔ)備碳捕集與封存技術(shù)，開(kāi)發(fā)低成本CCUS技術(shù)，加強(qiáng)政策引導(dǎo)，為2060年碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供保障。