“雙碳”目標(biāo)下火力發(fā)電行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑分析

智佳佳，曠賢啟

（1.國家能源集團(tuán)福建公司，福建 福州 350001；2.國家能源集團(tuán)海南公司，海南 ?？?571127）

0 引言

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)及構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的背景下，火力發(fā)電行業(yè)特別是燃煤機(jī)組的轉(zhuǎn)型與發(fā)展，在“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)過程中是重點也是難點。本文分析了我國火力發(fā)電行業(yè)當(dāng)前所面臨的問題，采用比較法對各省碳達(dá)峰、碳中和實施路徑進(jìn)行了分析，提出應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案和創(chuàng)新措施促進(jìn)節(jié)能減排，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)路徑和管理方式促進(jìn)火力發(fā)電行業(yè)的轉(zhuǎn)型與健康發(fā)展。

1 我國火力發(fā)電行業(yè)當(dāng)前面臨的問題

1.1 現(xiàn)階段煤電仍是主力電源

數(shù)據(jù)顯示，2020年我國化石能源占一次能源生產(chǎn)總量的80.4%，煤炭消費占全國能源消費總量的57%，煤炭在現(xiàn)階段仍然是我國的主要支柱能源。電源結(jié)構(gòu)中，火電機(jī)組占全國總裝機(jī)容量的59%，2020年全國火電裝機(jī)容量為12.5億kW，其中煤電裝機(jī)容量為10.8億kW，占比86.7%。盡管現(xiàn)在清潔能源的需求量在逐步增加，但隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全社會用電量快速增長，預(yù)計2021年全社會用電量增長7%左右。火電特別是煤電在未來一段時間里依然是發(fā)電量的主要來源。因此，發(fā)揮煤電在供電系統(tǒng)中基礎(chǔ)性兜底作用，保障國家電力供應(yīng)安全，同時循序漸進(jìn)推進(jìn)煤電機(jī)組轉(zhuǎn)型和新能源合理有序健康發(fā)展?；痣姍C(jī)組轉(zhuǎn)型任務(wù)十分艱巨。

1.2 火電經(jīng)營面臨困境

從2010—2020年整體趨勢看，火電機(jī)組利用效率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，火電機(jī)組利用小時數(shù)不高，例如2016年僅為4 165 h，是1964年以來的最低值，設(shè)備利用效率低導(dǎo)致固定成本攤銷占比提高。電力產(chǎn)能過剩，火電機(jī)組效率受限，導(dǎo)致部分機(jī)組持續(xù)中低負(fù)荷運行。煤炭成本近年來持續(xù)增長，特別是疫情影響產(chǎn)生一系列連鎖反應(yīng)，進(jìn)口煤炭資源不足，國內(nèi)煤炭資源持續(xù)緊張，煤價呈現(xiàn)近十年來最高水平，超出大部分煤電企業(yè)發(fā)電成本。火電行業(yè)經(jīng)營壓力劇增，火電企業(yè)生存受到前所未有的挑戰(zhàn)，在保民生保經(jīng)濟(jì)保電壓力下，火電企業(yè)可能出現(xiàn)大范圍虧損，導(dǎo)致火電轉(zhuǎn)型困難進(jìn)一步加劇。

1.3 火電機(jī)組靈活性不夠

我國大多數(shù)主力火電機(jī)組長期在65%～75%的負(fù)荷下運行，與丹麥、德國、美國等國家相比，調(diào)峰深度普遍不夠，如圖1所示。大容量火電機(jī)組調(diào)峰運行時效率會下降，供電煤耗率上升。例如1 000 MW機(jī)組50%負(fù)荷下的供電煤耗率比滿負(fù)荷時增加約20 g/（kW·h）；低負(fù)荷運行時鍋爐燃燒的不穩(wěn)定會引起煙氣溫度和粉塵濃度等參數(shù)大幅變化，影響除塵器等設(shè)備的工作效率，污染物排放量也會顯著增加。雖然火電電源結(jié)構(gòu)向大容量優(yōu)化轉(zhuǎn)型，但機(jī)組靈活性不足給能耗和環(huán)保帶來潛在壓力。另外，我國供熱熱源結(jié)構(gòu)不科學(xué)，熱電供需矛盾嚴(yán)重，常出現(xiàn)供熱熱源能效低、污染重的問題，且抽凝供熱機(jī)組比例大，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組未實現(xiàn)熱電解耦，熱電聯(lián)產(chǎn)業(yè)面臨較大挑戰(zhàn)，無法充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)業(yè)能源利用率高的優(yōu)勢。

圖1 深度調(diào)峰能力對比

2 各省“雙碳”目標(biāo)實施路徑分析

火力發(fā)電行業(yè)無疑是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的“排頭兵”，各省碳達(dá)峰、碳中和實施路徑和規(guī)劃直接影響火力發(fā)電行業(yè)的前途和命運[1]。2021年各省先后出臺了“十四五”發(fā)展目標(biāo)及任務(wù)，明確提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，大范圍啟用綠色能源，協(xié)同推進(jìn)節(jié)能減排。

2.1 長三角走在前列

長三角作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍、創(chuàng)新能力最強的區(qū)域，在碳達(dá)峰、碳中和行動中也走在前列。其中，江蘇省推動構(gòu)建“1+1+6+9+13+3”碳達(dá)峰行動體系，建立碳減排監(jiān)測統(tǒng)計考核體系；浙江省強化低碳、零碳、負(fù)碳技術(shù)攻關(guān)，立足構(gòu)建市場導(dǎo)向的綠色低碳技術(shù)創(chuàng)新體系，在可再生能源、儲能、氫能、碳捕集、利用與封存、生態(tài)碳匯等領(lǐng)域搶占碳達(dá)峰、碳中和技術(shù)制高點，發(fā)展可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新示范區(qū)和綠色低碳高新區(qū)；上海是全國碳排放交易中心、結(jié)算中心，提出要在2021年實現(xiàn)GDP綜合能耗、單位GDP二氧化碳排放量同比下降1.5%左右，在2025年較全國目標(biāo)提前實現(xiàn)碳達(dá)峰。長三角有望實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境權(quán)益市場互聯(lián)互通，建立統(tǒng)一市場體系，率先實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。

2.2 因地制宜凸顯地方特色

各地區(qū)由于資源稟賦、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)水平等存在差異，碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)對各地區(qū)會產(chǎn)生不同影響。在能源消耗方面，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換使工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)成本上升，碳達(dá)峰對東部和中部地區(qū)影響較大；在碳排放量和碳排放權(quán)分配額度方面，碳達(dá)峰對河北、山西、遼寧、山東、新疆的影響最大；在能源供給方面，河南、河北、安徽等東、中部地區(qū)資源枯竭型的虧損企業(yè)受影響最大。因此，還未形成重工業(yè)路徑依賴的城市，重點建立低碳產(chǎn)業(yè)體系；經(jīng)濟(jì)下行壓力大的城市，重點協(xié)調(diào)低碳發(fā)展與經(jīng)濟(jì)增長的關(guān)系；資源依賴型城市，重點提高資源的使用效率[2]。

2.3 避免運動式“減碳”

實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)是一項重大國家戰(zhàn)略，各地應(yīng)避免在推進(jìn)過程中急于求成，需遵循實事求是、尊重規(guī)律、循序漸進(jìn)、先立后破的要求，不能盲目提出超越發(fā)展階段的目標(biāo)、違規(guī)上馬“兩高”項目，要及時整改不符合要求的“兩高”項目，嚴(yán)控不符合能耗雙控要求的增量項目。煤電在未來一段時間仍然發(fā)揮著電力供應(yīng)“壓艙石”的作用，以新能源為主體的電力供應(yīng)系統(tǒng)并不是與煤電的零和博弈，煤電主體地位的更新?lián)Q代是一項系統(tǒng)性工程，不是簡單的此消彼長。

3 火力發(fā)電行業(yè)轉(zhuǎn)型方向及技術(shù)路線

火力發(fā)電行業(yè)為實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，需要增加科技投入，提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，推動綜合能源服務(wù)等，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

3.1 延長機(jī)組壽命

2020—2030 年，煤電裝機(jī)規(guī)模仍有小幅增長，煤電的電量支撐、靈活服務(wù)和電力保障的基礎(chǔ)地位不會發(fā)生根本性變化。2035年以后，在碳排放深度減排的約束下，新能源開始逐步替代存量煤電，煤電的電量支撐角色會逐步弱化直至最終退出。現(xiàn)役煤電機(jī)組需要保持安全運行，延長其壽命，優(yōu)化存量煤電，進(jìn)一步持續(xù)挖掘經(jīng)濟(jì)潛力，促進(jìn)國有資產(chǎn)保值。

3.2 火力發(fā)電機(jī)組改造

未來可再生能源將逐漸占據(jù)電力主導(dǎo)。在未來市場中，火力發(fā)電機(jī)組很難提高其收益，所以需要進(jìn)行必要的改造，向更高效、更靈活發(fā)展，促進(jìn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行，避免新能源與火電之間出現(xiàn)矛盾，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.1 提質(zhì)增效改造

煤電機(jī)組是火力發(fā)電行業(yè)的主力軍，部分機(jī)型開始逐漸面臨機(jī)組老化、性能落后等問題，依據(jù)當(dāng)前技術(shù)水平，提質(zhì)增效改造技術(shù)方案已趨于成熟。目前主要的提質(zhì)增效手段有冷熱端優(yōu)化、系統(tǒng)優(yōu)化、本體優(yōu)化設(shè)計等[3]。國內(nèi)也有不少成功的例子，例如某1 000 MW機(jī)組將噴嘴配汽改為帶補汽閥的旁通配汽，采用第四代反動式高效葉型，改造高壓缸筒型，低壓缸采用全新1 200 mm末級葉片模塊，通過這一系列的改造，機(jī)組供電煤耗率降低24.01 g/（kW·h）。

3.2.2 靈活性改造

隨著可再生能源發(fā)電的迅猛發(fā)展，火電正在由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。由于煤電比例重，調(diào)峰困難，棄光、棄風(fēng)、棄水現(xiàn)象嚴(yán)重。從我國能源發(fā)展戰(zhàn)略和電廠自身經(jīng)營來看，為滿足靈活運行和深度調(diào)峰的要求，消納更多波動性可再生能源，靈活參與電力市場創(chuàng)造條件，煤電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造勢在必行[4]。機(jī)組靈活性改造主要包括深度調(diào)峰技術(shù)、供熱機(jī)組的熱電解耦技術(shù)及復(fù)合運用等。例如某超超臨界660 MW機(jī)組深度調(diào)峰至123.8 MW（18.7%），另一超超臨界660 MW機(jī)組實現(xiàn)低壓缸零出力運行，這是比較成功的例子。

3.3 生物質(zhì)耦合發(fā)電

煤電的低碳發(fā)展，應(yīng)該是能夠在發(fā)出相同電量的情況下，大幅度減少煤炭的使用量。這靠蒸汽循環(huán)的煤電系統(tǒng)本身通過提高效率和降低煤耗率是達(dá)不到的，必須采用低碳燃料進(jìn)行部分或全部燃料替換，也就是生物質(zhì)燃料與煤耦合混燒，在可能條件下不斷增加生物質(zhì)燃料混燒比例，直至最后實現(xiàn)完全的生物質(zhì)燃料替換。為減少碳排放，歐洲發(fā)達(dá)國家普遍采用大型燃煤機(jī)組耦合生物質(zhì)發(fā)電的模式，一些國家生物質(zhì)發(fā)電量占比達(dá)到15%以上[5]。我國近年來生物質(zhì)發(fā)電量占比僅為1.5%，以小容量的秸稈電廠為主。我國煤電如果要發(fā)展生物質(zhì)耦合混燒以大幅度減煤，需要加強國際合作，吸取如英國等國家發(fā)展煤電與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電的經(jīng)驗，包括政策、技術(shù)、生物質(zhì)燃料供應(yīng)等方面。

3.4 推廣綜合能源服務(wù)

構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)是我國實現(xiàn)能源革命的重要內(nèi)容，也是當(dāng)前學(xué)術(shù)及工程研究的熱點。建設(shè)火力發(fā)電應(yīng)該在保證穩(wěn)定供應(yīng)的基礎(chǔ)上，保障重要負(fù)荷中心支撐性電源。在能源配置上發(fā)揮區(qū)域能源基地作用，通過負(fù)荷調(diào)整管理用電，同時利用分布式電源反向供電，做到協(xié)調(diào)配合，及時搜集發(fā)電信息，進(jìn)行削峰填谷。為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，傳統(tǒng)煤電需要更加注重3個目標(biāo)價值：實現(xiàn)不同品位能源的梯級利用，提高終端能源利用效率；提升燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活性，通過風(fēng)光火儲一體化等手段，盡可能生產(chǎn)和消納可再生能源，積極發(fā)展儲氣、儲熱等儲能形式，消除能源供應(yīng)的間歇性、波動性和不確定性；保證整體供能系統(tǒng)的可靠性[6]。

3.5 加快低碳技術(shù)發(fā)展

碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，為統(tǒng)籌大氣污染防治與溫室氣體減排指明了方向，“碳交易”和“碳稅”是碳減排的兩項重要政策工具。2021年，我國碳市場正式啟動，火電行業(yè)的低碳技術(shù)應(yīng)用是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)低碳化的關(guān)鍵之一，有必要從火電項目的前期設(shè)計到機(jī)組的投產(chǎn)運行全過程按低碳火電技術(shù)的戰(zhàn)略要求作出正確選擇。將二氧化碳捕集技術(shù)、超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)、零碳技術(shù)等低碳新技術(shù)應(yīng)用到火力發(fā)電行業(yè)中。另外，開展風(fēng)光電儲相關(guān)項目研究，加強資源配置碳資產(chǎn)，保證碳交易協(xié)同機(jī)制正常運行[7]。

3.6 煤電貢獻(xiàn)負(fù)碳

2060年前要實現(xiàn)碳中和，如果仍保留大量的高碳排放的常規(guī)煤電機(jī)組顯然與碳中和目標(biāo)相悖。長期來看，常規(guī)煤電將難以保持其“壓艙石”的地位，在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)電源、補充電源、備用電源，直至完全退出。煤電加CCS（Carbon Capture and Storage，簡稱CCS）改造只能變成低排放電源，而BECCS（Bio-energy with Carbon Capture and Storage，簡稱BECCS）改造則成為遠(yuǎn)期適度留存煤電和實現(xiàn)電力負(fù)碳的可行性選擇。根據(jù)生物質(zhì)資源量和要求實現(xiàn)的負(fù)碳規(guī)模，遠(yuǎn)期BECCS改造機(jī)組可考慮為（2～3）億kW規(guī)模，按照50%的摻燒率（實物量單位）和90%的捕獲率，貢獻(xiàn)（2.2～3）億t二氧化碳當(dāng)量的負(fù)碳規(guī)模。考慮到2060年航空與遠(yuǎn)洋貨運、化工和工業(yè)工程及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“不得不排放”的二氧化碳體量約在（15～20）億t，而森林碳匯的合理貢獻(xiàn)估值在10億t左右。因此，煤電BECCS貢獻(xiàn)的負(fù)碳很可能成為保障整個能源系統(tǒng)脫碳的“壓艙石”。

4 對策建議

4.1 加強政策支持引導(dǎo)

我國能源產(chǎn)業(yè)向多元化、清潔化、低碳化、數(shù)字化方向發(fā)展，清潔低碳轉(zhuǎn)型任務(wù)艱巨，需要在充分認(rèn)識發(fā)展綜合能源產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)上，建立健全綜合能源服務(wù)支持保障體制機(jī)制，提倡全社會節(jié)能減排；完善市場成本疏導(dǎo)機(jī)制，引導(dǎo)能源就地平衡、就地消納；支持污泥處置項目、增量配電網(wǎng)項目、“火電+”項目、用能優(yōu)化項目等先行先試；建立科技引領(lǐng)機(jī)制，推動源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動，大力推動煤電企業(yè)向綜合能源服務(wù)方向改革發(fā)展。

4.2 持續(xù)深化煤電供給側(cè)改革

“十三五”煤電供給側(cè)改革初見成效，關(guān)停小火電3 500萬kW，少投燃煤機(jī)組9 300萬kW，截至2020年底實現(xiàn)了煤電規(guī)模11億kW的控制目標(biāo)。這既阻滯了煤電機(jī)組利用小時數(shù)的急劇下滑，也促進(jìn)了“三棄”現(xiàn)象的逐年好轉(zhuǎn)?！笆奈濉彪娏π袠I(yè)要繼續(xù)遵循市場規(guī)律和電力運行規(guī)律，進(jìn)一步深化煤電供給側(cè)改革，從“存量、增量”兩方面入手，主動減少無效供給，以減少設(shè)備閑置，大力提高能效，努力實現(xiàn)電力市場供需的再平衡，促進(jìn)煤電清潔高效利用與高質(zhì)量發(fā)展[8]。

4.3 技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展清潔煤電

碳達(dá)峰、碳中和背景下大力發(fā)展清潔煤電勢在必行，推動燃煤發(fā)電技術(shù)向能效高、污染少、資源綜合利用的方向發(fā)展。加大技術(shù)投入，推動煤電由常規(guī)機(jī)組、超臨界、超超臨界機(jī)組向更高效率的IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC）、700℃機(jī)組、多聯(lián)供機(jī)組、新型燃煤發(fā)電方式擴(kuò)展。發(fā)展燃煤電廠大氣污染物控制技術(shù)，逐步由先除塵、再脫硫、再脫硝的單元式、漸進(jìn)式控制向常規(guī)污染物加脫除重金屬及氣溶膠等深度一體化協(xié)同控制技術(shù)發(fā)展，逐步使大氣污染物排放接近于零。

5 結(jié)語

“雙碳”目標(biāo)是我國一項重要的國家戰(zhàn)略決策?！笆奈濉逼陂g，電力供給側(cè)向清潔型轉(zhuǎn)變，增量用電將主要依靠新能源和可再生能源，煤電機(jī)組逐步由電量型電源向調(diào)節(jié)型電源轉(zhuǎn)變已成為必然。全面提高存量煤電機(jī)組電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力、推進(jìn)火電行業(yè)低碳技術(shù)應(yīng)用、對部分煤電機(jī)組進(jìn)行汽輪機(jī)通流改造降碳、電站生產(chǎn)運營數(shù)字智慧化升級等成為當(dāng)前重要的研究課題。