關(guān)于下一個十年我國發(fā)電工業(yè)幾個問題的探討

張珩生

(華北電力設計院，北京 100120)

本世紀的第一個10年(2000～2009)，我國發(fā)電工業(yè)發(fā)展迅速。其主要特征是：第一，發(fā)展速度快。發(fā)電裝機容量從2000年的3億kW增至2009年的8.7億kW，年平均增長12.6 %，其中增長最快的2006和2007每年增加超過一億kW，增速達20%上下，速度之快世界工業(yè)發(fā)展史少有。第二，技術(shù)提高快。以超臨界和超超臨界大型燃煤發(fā)電機組和300MW級大型燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組為代表，發(fā)電工程技術(shù)躍居世界高水平，國內(nèi)制造600MW超臨界機組和1000MW超超臨界機組超過160臺，美國麻省理工學院專家組來華考察，認為我國這批新電廠采用了最現(xiàn)代化技術(shù)。第三，重視結(jié)構(gòu)調(diào)整。水電裝機從2000年的8000萬kW增加到1.9億kW，核電裝機從400萬kW增到900萬kW，還有19臺百萬kW級核電機組在建，風電裝機也超過1600萬kW，結(jié)構(gòu)調(diào)整取得積極成效。

2010年起本世紀進入第二個十年，我國發(fā)電工業(yè)處在一個攸關(guān)未來的關(guān)鍵路口。我國發(fā)電工業(yè)正面臨多方面的挑戰(zhàn)。第一是資源的有限性，我國長期以燃煤發(fā)電為主，火電裝機占75%，發(fā)電量占80%以上，年燃用煤炭達14億t。但我國煤炭資源人均占有量只有世界人均水平60%，近年我國煤炭消耗增長過快，年增2億t，超出可持續(xù)發(fā)展承受能力，國家提出煤炭產(chǎn)量不能再無節(jié)制增長下去，要有一個“天花板”，多年作為發(fā)電工業(yè)主力的煤電將受到釜底抽薪的制約。第二是環(huán)境的脆弱性，我國火電廠排放的二氧化硫占全國排放量的45%左右，達到2300萬t，氮氧化物(NOx)排放約占全國排放量的1/3，近1000萬t，考慮到我國已是受酸雨影響最嚴重的國家之一，氮氧化物會加劇水體的富營養(yǎng)化趨勢，使水污染的控制困難，火電廠的發(fā)展應實行更嚴格的環(huán)保標準。第三是應對氣候變化，全球行動的緊迫性，從1997年各國達成《京都議定書》，到2007年巴厘島路線圖，到2009年哥本哈根會議，凸顯各國對采取行動的迫切要求。我國已對國際社會做出到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消費比重達到15%左右的鄭重承諾，考慮到我國二氧化碳排量占世界總量的21.8%，成為世界上排放二氧化碳最多的國家之一，發(fā)電工業(yè)應該積極行動，做出貢獻。

目前在全球范圍內(nèi)，各種新的能源技術(shù)，發(fā)電技術(shù)，努力創(chuàng)新，百舸爭流，讓人鼓舞地感受到新的能源時代正在向我們走近，能夠改變?nèi)祟惿畹膭潟r代的新一代能源形式，新發(fā)電技術(shù)已經(jīng)躁動于母腹之中，隨時有可能取得實質(zhì)性突破。另一方面，截至今天，盡管各項新技術(shù)紛紛取得進展，但能夠完全取代火力發(fā)電，向社會提供穩(wěn)定、有效、經(jīng)濟電力的發(fā)電形式尚未成熟，替代具有135年歷史的火力發(fā)電技術(shù)畢竟需要時間。

簡單盤點各種新發(fā)電技術(shù)，有的遇到尚待克服的問題；有的問題雖然可以解決，但解決方案尚不夠理想；有些問題的解決需要人類十幾年，幾十年或更長的時間。因此對眼下剛開始的下一個十年我國發(fā)電新增容量的主要依靠形式，以及各項新發(fā)電技術(shù)的成長趨勢進行分析是必要的。我國對“十二五”的水電，核電，可再生能源發(fā)電正作出積極全面規(guī)劃，但單憑新的發(fā)電形式規(guī)模尚不能全面支持國民經(jīng)濟的發(fā)展速度。

水電具有低碳，環(huán)保等火電不具備的優(yōu)點，但水電完全依靠水頭，水量發(fā)電，電網(wǎng)內(nèi)水電比例過大會對電網(wǎng)在缺水年供電可靠性帶來風險。而我國水電可開發(fā)容量只有3.78億kW，目前已投產(chǎn)1.97億kW，減去在建容量，所剩發(fā)展空間不足以支撐國家長期持續(xù)發(fā)展，下一個十年水電會有一定新建規(guī)模，但不會超過自然資源的限制。

我國核電發(fā)展迅速，以第三代核電技術(shù)為主的核準規(guī)?，F(xiàn)已達3000萬kW以上，世界矚目。但核電發(fā)展也有忌憚。比如美國雖有十幾個三代核電項目進入前期工作，但出于多方面原因，目前尚無一例獲得最終核準。歐洲雖以 AREVA技術(shù)在芬蘭成功建成了第一臺三代核電機組，但有人對其超概算超工期，以及未來是否具有市場競爭力提出了質(zhì)疑。同時全球核電燃料資源的限制引人關(guān)注，據(jù)介紹全球探明開采成本低于130美元/kg的經(jīng)濟鈾儲量僅有540萬t，按2006年全球消耗6.6萬t計算，只夠使用82年。高輻射核廢料對環(huán)境的影響亦是難解之結(jié)，各國對核廢料雖均指定臨時存放地點，但這種方式其環(huán)境風險不夠完善，西方各國為尋求永久儲放方式做了持續(xù)努力，美國歷經(jīng)20年研究，2001年提出了世界第一個永久儲放方案，在人煙稀少的內(nèi)華達州YUCCA山下500m深處建設多層防護隧道，估算需960億美元，投資巨大，即使一切順利，也需在2013年方能核準。由于牽涉各種難解決的問題，屆時是否能夠核準尚不得而知。因此在下一個十年核電技術(shù)不會 止步于第三代技術(shù)，還將會開發(fā)更先進的核電技術(shù)，以解決核燃料資源和核廢料難題，使核電的建設規(guī)模擺脫限制。

燃煤發(fā)電+CCS(二氧化碳捕集和儲存技術(shù))，被各國普遍關(guān)注并寄予期望，把其視為未來碳減排的主要工程模式之一，目前各國開展的CCS工程已超過100項，但檢視之下看到建設規(guī)模普遍不大，最大規(guī)模只達到10萬t上下，與華能石洞口二廠試驗規(guī)模相仿。其原因在于，第一建設運行成本過高，CCS將引來電廠耗水增加一倍，造價提高30%，運行需抽大量蒸汽造成效率降低30%，最終導致上網(wǎng)電價上漲30%(也有研究機構(gòu)認為還要更高)，超出了社會承受力；第二量太大，捕集的二氧化碳將等于電廠燃煤量的二倍，我國即便按50%捕集也將達到十幾億t，相當全國運煤量，不論運往油氣田還是選定的地下儲庫，如此大量運輸都難以解決，同時也無法選到如此龐大的儲庫。二氧化碳的資源化是很好的設想，美國FLUO公司20年來已有20多個成功案例，將煙氣中捕集的二氧化碳提供給飲料食品工業(yè)使用，荷蘭也有實例，將二氧化碳輸送至城市郊區(qū)蔬菜大棚，成為蔬菜生長的肥料，但這些用量都不大，與電廠捕集的大量二氧化碳相比，遠不能配套。日本嘗試將二氧化碳封存海底轉(zhuǎn)化成甲烷(天然氣)，但轉(zhuǎn)化過程至少需要100年?？梢灶A計，CCS技術(shù)將來肯定會在發(fā)電工業(yè)中扮演重要角色，但目前試用的CCS技術(shù)尚不具備大規(guī)模推廣的能力，今后十年CCS的前進方向?qū)⑹桥θ〉媚壳癈CS技術(shù)的升級版，形成工藝更簡單，運行成本更低，產(chǎn)生廢棄生成物更易處置的CCS，以便大規(guī)模推廣使用。

以美國的FUTUREGEN計劃為代表的新發(fā)電形式自布什總統(tǒng)2003年宣布計劃后，歷經(jīng)5年規(guī)劃，在2008年初確定了建設原則：燃煤，IGCC，零排放，捕集二氧化碳90%注入一英里遠氣田地層，投資15億美元。近幾年多次周折，將二氧化碳捕集率又調(diào)為60%，投資升為24億美元，但至今沒有動工。原因在于造價高，可用率低，空分制氧和輔機電耗高達20%，造成煤化氣價格高于天然氣價，雖有政府補貼10億美元，20個投資方中仍有若干方不愿承擔市場風險。曾被受到廣泛關(guān)注的示范工程雖然作出了努力，但還需繼續(xù)尋求突破。可以預計，這一類以IGCC為核心的發(fā)電技術(shù)在下一個十年的方向?qū)⑹侨で蠼档蜌饣杀?，力爭進入成熟技術(shù)行列。

可再生能源發(fā)電由于不受自然資源制約，真正代表可持續(xù)發(fā)展，近幾年發(fā)展迅猛。德國的可再生能源發(fā)電已占到全國容量的30%，丹麥僅風電一項就已占全國容量20%，西班牙的風電已占15%，美國擬立法，確定全國在2020年可再生能源發(fā)電占20%，其中加州已先行立法，將目標定為33%。但是風電，太陽能發(fā)電都是間斷式發(fā)電，甚至有反調(diào)節(jié)特征(高峰負荷時段發(fā)不出電，低谷時段能發(fā)電)，有國家研究后提出報告，風電裝機規(guī)模擴大迅速，但能頂峰荷的只占8.6%，靠建設其他發(fā)電容量備用，將加大社會用電成本，社會承受能力也有邊際，因此其裝機規(guī)模在電網(wǎng)的智能化程度沒有達到新水平之前，難以居于統(tǒng)治地位。儲能技術(shù)如能獲得突破，將會讓可再生能源發(fā)電擺脫束縛，成為下一個十年的主角，但不論壓縮空氣儲能，飛輪儲能，蓄電池儲能，電容器儲能，雖都有優(yōu)秀人才致力研究，但目前仍處在MW級甚至kW級規(guī)模，不能從根本上解決問題，難以現(xiàn)在就為可再生能源發(fā)電插上翅膀。受控核聚變等多項新能源技術(shù)一旦取得突破，能為人類能源掀開嶄新一頁，但目前還處在努力之中。但可以預計，下一個十年內(nèi)這幾方面的技術(shù)都會讓我們看到令人振奮的進展。

展望下一個十年，我國發(fā)電工程界既要緊跟科學家對新能源技術(shù)的孜孜追求，準備接過他們?nèi)〉猛黄频慕恿Π簦瑢崿F(xiàn)發(fā)電技術(shù)的更新?lián)Q代，又要積極參與各項新發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展完善，還要腳踏實地，保證發(fā)電裝機規(guī)模，為國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展提供穩(wěn)定可靠的電力。其挑戰(zhàn)性在于，多種新的發(fā)電技術(shù)雖在下一個十年都有良好前景和建設規(guī)?？臻g，但也因各種問題而建設規(guī)模受到制約。而國家政策從大局著眼又限制現(xiàn)有成熟技術(shù)的使用。比如在大城市和沿海地區(qū)原則上不再建設純?nèi)济弘娬?。發(fā)電工程界因此一方面要按國家規(guī)劃完成各類工程外，一方面要盡最大努力在成熟技術(shù)上嫁接新元素，妥善作好十年電力發(fā)展，似還可補充和開拓以下幾點思路，作為探討。

1 與林業(yè)工程結(jié)合 上馬一批綠色低碳環(huán)保的燃煤電站

CCS技術(shù)不能大規(guī)模使用，是受阻于其代價高，儲存難。而研究表明，林木每生長1m3，平均吸收1.83t二氧化碳，是經(jīng)濟，實用，簡單，而且能把捕集，儲存，資源化結(jié)為一體的綠色CCS。我國不同緯度區(qū)，不同樹種的多年平均生長量可以達到每60棵～80棵每年增長1m3，因此燃煤電站可在前期階段就根據(jù)二氧化碳的捕集率計算相對應的吸收二氧化碳的實際植樹株數(shù)或造林面積，由發(fā)電企業(yè)負責與主體工程同期實施，或由發(fā)電企業(yè)出資委托專業(yè)單位完成。原則上可在本省內(nèi)實施。因缺少土地等原因本省實現(xiàn)有困難的項目可將資金轉(zhuǎn)移至西北地區(qū)用于改變土地的荒漠化，或轉(zhuǎn)至東北地區(qū)用于森林恢復，既可實現(xiàn)電廠碳捕集，又可綠化改善生態(tài)，還可為西北，東北邊遠地區(qū)人民增加收入，一舉數(shù)得。電力企業(yè)的工程造價和運行支出都大幅低于廠內(nèi)建設CCS工程。這一方式實際上與西方國家對發(fā)電企業(yè)實行的碳稅類同，但其征收，支付，使用更直接，更明確。電廠增加1億元～2億元的成本，與有些電廠向當?shù)剞r(nóng)業(yè)支付水利建設資金以換取農(nóng)業(yè)節(jié)水指標思路相似，發(fā)電企業(yè)應也是愿 意的。至少十年內(nèi)，除了“上大壓小”之外，與林業(yè)工程相結(jié)合的，采用先進燃煤發(fā)電技術(shù)的電廠，建設空間應是廣闊的。

2 利用煤礦瓦斯和煤層氣發(fā)電 減排溫室氣體和節(jié)約能源資源一舉雙得

瓦斯和煤層氣作為燃料氣體家族三大成員之一，與天然氣，天然氣水合物的勘探開發(fā)一樣，日益受到世界各國的重視。全球埋深淺于2000m的煤層氣資源約240萬億m3，美、英、德、俄各國均非常重視，美國是世界上開發(fā)最成功的國家，隨技術(shù)發(fā)展十幾年來煤層氣開發(fā)產(chǎn)量逐年增加，從十年前的1億多立方米/年上升到現(xiàn)在超過500億m3/a。我國煤層氣資源豐富，約36萬億m3，居世界第三，現(xiàn)每年采煤排放煤層氣約150億m3，除約20億m3得到利用外，大部分排入大氣。由于煤層氣的主要成分是甲烷，其溫室效應是二氧化碳的21倍，因此既浪費了資源，又加劇了溫室效應。如能在下一個十年在各個煤礦附近抽取越來越多的煤層氣用于發(fā)電，不僅可以增加有效發(fā)電容量，而且因為燃氣發(fā)電的二氧化碳排放量只有燃煤發(fā)電的二分之一，且由于可將比二氧化碳溫室效應高21倍的煤層氣直接燃用，非常有助于兌現(xiàn)我國單位GDP二氧化碳排放下降40%～45%的目標，還可降低井下采煤風險，降低井下通風費用。如能再進一步，如同美國，俄國，澳大利亞等國做法，在部分煤礦鉆井，向下注入氧和蒸汽，實現(xiàn)煤炭地下氣化，則效果更加明顯。

3 引進深地層鉆探勘探技術(shù) 開發(fā)深層天然氣 頁巖氣 改變我國發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)

專家預測，2020年～2030年前后，燃氣在世界能源結(jié)構(gòu)中的比重將超過煤炭和石油，而我國目前一次能源消費結(jié)構(gòu)中，天然氣不到4%，遠低于23%的世界平均水平。問題不在于我國天然氣儲量少于其他國家，而實際是勘探和開發(fā)技術(shù)不夠先進，大量燃氣未能獲得開發(fā)。美國與我國發(fā)電結(jié)構(gòu)相似，都是煤炭儲量豐富以燃煤發(fā)電為主的國家，美國為滿足發(fā)展需要，曾大量進口天然氣，沿海岸線布局了相當數(shù)量的LNG接收站。但近幾年情況發(fā)生了很大變化，東部沿海的LNG接收站除四個正在施工的以外，其余14個項目建設計劃幾乎全部取消。過去數(shù)年里燃氣發(fā)電新增容量反到連續(xù)居首位，年遞增20%以上，預計2020以前燃氣電站容量將全面超過燃煤 ，美國將成為燃氣發(fā)電為主的國家。象我國“上大壓小”的做法一樣，美國若干個州出現(xiàn)了“上氣壓煤”，永久性拆除部分燃煤機組，改上燃氣機組。發(fā)生這一變化的原因是深層勘探技術(shù)取得了突破，在過去不可能達到的7000m～8000m深的TEXAS州和中東部都發(fā)現(xiàn)了大型頁巖氣田，使美國天然氣儲量總量增加了40%，促使天然氣價格從9美元/百萬BTU降到了3美元/百萬BTU以下，等于提前解決了美國2020年以前發(fā)電工業(yè)的碳減排和發(fā)展問題。尤其是專家認為深層頁巖氣的存在美國不是特例，世界各國都是一樣的，因此對最大勘探鉆井深度只能達到3000多米的我國，引進深層勘探開發(fā)技術(shù)對下一個十年的發(fā)電工業(yè)是十分重要的。退一步說，即使深層勘探在我國陸地找不到足夠氣田構(gòu)造，我國南海大量深層油氣儲藏已知達到石油數(shù)百億噸天然氣10萬億m3，但由于缺少深層開發(fā)技術(shù)長期得不到開發(fā)，只要我國以深層技術(shù)在南海實施開發(fā)，我國發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)也會大幅度改善，使未來十年發(fā)電工業(yè)的碳減排和發(fā)展都變得容易解決。

4 緊密跟蹤SOFP(固體氧化燃料發(fā)電技術(shù))的進展 爭取盡早進入下一代發(fā)電技術(shù)新時代

近幾年，在IGCC，F(xiàn)UTUREGEN等新技術(shù)遇到障礙的同時，另一種新發(fā)電技術(shù)SOFP卻在沒有宣傳的情況下取得進展。SOFP是燃氣輪機和燃料電池的集成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。其突破在于，一是燃料電池的電解質(zhì)不再是液態(tài)，而是可耐高溫的固體，因此輸入進行氧化還原反應的燃料不再限于氫，而是天然氣，煤氣等均可在高溫下直接源源輸入發(fā)電；二是燃料電池的高溫直接取自燃氣輪機的高溫排氣，可經(jīng)濟持續(xù)運行。這一技術(shù)的突出優(yōu)點：第一，效率高，效率可達到60%～70%，如加上熱回收，效率可達80%以上；第二，規(guī)模可以做大，燃料電池的反應單元從筒式改進為片式，多片組合容易將發(fā)電容量擴大；第三，造價低，燃氣輪機完全是成熟技術(shù)，與燃料電池的集成技術(shù)門檻也不高，據(jù)介紹單位容量造價低于同容量燃煤電站造價；第四，排放低，聯(lián)合循環(huán)運行，碳排放幾乎為零。目前已有數(shù)個MW級試驗項目運行，SWP公司(SIEMENS WESTINGHOUSE POWER)預計其300MW電廠將于2012年投產(chǎn)。毫無疑問，這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將會改變發(fā)電工業(yè)的面貌，我們宜緊密跟蹤，提前研究。

5 適應碳減排時代機組運行新特點提前調(diào)整燃煤發(fā)電新機組的設計思想

下一個十年給發(fā)電工業(yè)帶來影響的不僅是發(fā)電技術(shù)的突破和發(fā)展，也包括 法規(guī)環(huán)境的變化，特別是碳減排法規(guī)一旦出臺，國外認為其對發(fā)電企業(yè)影響是已出臺大氣保護法的的10倍。以歐洲為例，歐盟于2005年出臺了以“規(guī)定限額，允許交易”(CAP-AND-TRADE)為核心內(nèi)容的碳減排法規(guī)，各類發(fā)電機組的運行立刻發(fā)生了明顯的變化，以歐美相互比較，2005年以前，歐美燃煤機組運行狀況很相象，基本都是帶基荷運行，2005年后則歐洲燃煤機組狀況發(fā)生變化，燃氣機組年運行小時超過燃煤機組，燃煤機組運行小時直降35%，年起停次數(shù)則翻了3倍，與美國相比則起停次數(shù)達到美國燃煤發(fā)電機組的6倍，歐洲燃煤機組年運行小時目前只有美國的三分之一。歐洲燃煤機組的非計劃停運次數(shù)上升，等效不可用率上升，燃煤機組與燃氣機組在電網(wǎng)中的地位發(fā)生了互換。可以想象，相似的情況今后會相繼發(fā)生在超出歐洲以外的地區(qū)，這對新建燃煤機組的主機性能，輔機配置，運行人員的培訓都帶來新課題，應盡早調(diào)整，避免今后的被動。

可再生能源這幾年作為熱點受到強烈關(guān)注，并代表著未來，但受技術(shù)成熟程度制約，到2020年我國盡最大努力，非化石能源也只能占到15%。風電，太陽能和生物質(zhì)發(fā)電規(guī)模分別達到1.5億kW，2000萬kW，3000萬kW，折算標煤也只有1.3億t。核電2020年達到7000萬kW，折算標煤也只有1.6億t。必須看到2020以前我國化石能源仍將占一次能源比重的85%。需要重視的是，不能認為化石能源占85%就意味著可以固守傳統(tǒng)發(fā)電方式，簡單重復過去十年的燃煤發(fā)電工程實踐。此化石能源發(fā)電非彼化石能源發(fā)電，下一個十年需要我們認真思考，以國家制定的低碳計劃為標準，以創(chuàng)新思維開展與下一個十年相適應的發(fā)電工作，在“上大壓小”和熱電聯(lián)產(chǎn)的基礎(chǔ)上尋求創(chuàng)新發(fā)電形式。如果在下一個十年的第一階段(前五年)上述1，2兩點成為現(xiàn)實(因無技術(shù)障礙，只要想做就能做)，第二階段(后五年)上述3，4兩點也能成為現(xiàn)實，我國發(fā)電工業(yè)的發(fā)展道路會更加豐富，過渡到十年以后更遠的未來也更有基礎(chǔ)。局限在發(fā)電工業(yè)看發(fā)電工業(yè)，有時難以找到答案，而連同林業(yè)，采煤業(yè)，勘探行業(yè)共同思考，尋求答案也許會變得思路相對廣闊。

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