新一代煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)技術(shù)路線研究及思考

摘" 要：為了在推動(dòng)火電機(jī)組大力發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)大范圍新能源開(kāi)發(fā)與利用，亟需對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。煤電作為重要的支撐電源，其基礎(chǔ)保障性和靈活調(diào)節(jié)性的要求進(jìn)一步提高，有必要因地制宜開(kāi)展以低碳、靈活為首要特征的新一代煤電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和工程示范建設(shè)。本文提出新一代煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)技術(shù)路線及相關(guān)建議，為煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)提供路徑建議。

關(guān)鍵詞：低碳煤電；技術(shù)路線；升級(jí)改造

煤電低碳化改造建設(shè)是推動(dòng)煤電行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的應(yīng)有之義。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)大力推進(jìn)發(fā)電裝備技術(shù)自主創(chuàng)新發(fā)展，推動(dòng)煤電行業(yè)實(shí)現(xiàn)了從低效到高效、從進(jìn)口到國(guó)產(chǎn)、從高排放到超低排放的快速跨越，逐步成為我國(guó)的主力電源。近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展可再生能源，加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，煤電將由主力電源逐步轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源。對(duì)標(biāo)天然氣發(fā)電機(jī)組低碳排放水平，推動(dòng)煤電低碳化改造建設(shè)，既可以更好發(fā)揮存量煤電效能，又可以有力支持新能源開(kāi)發(fā)和消納，還可以助推新興低碳技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，是主動(dòng)適應(yīng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)需要、加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵舉措[1]。

1.新一代低碳燃煤發(fā)電技術(shù)路線

生物質(zhì)摻燒、綠氨摻燒、碳捕集利用與封存是煤電碳減排的“三大法寶”，現(xiàn)階段要求改造后的煤電機(jī)組要具備摻燒10%以上生物質(zhì)與綠氨的能力。

1.1" 低負(fù)荷穩(wěn)燃技術(shù)

對(duì)燃燒器系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，選用深度濃淡分離的措施提高低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，實(shí)現(xiàn)燃用優(yōu)質(zhì)煙煤鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷15%THA的目的；在B、D層煤粉管道上設(shè)置濃淡分離裝置，將B、D磨煤機(jī)出口的一次風(fēng)/煤粉氣流進(jìn)行大比例的濃淡分離，濃粉氣流和淡粉氣流分別通過(guò)不同的燃燒器噴口送入爐膛，實(shí)現(xiàn)相鄰雙磨運(yùn)行靈活組合方案[2]。

1.2" 受熱面安全提升技術(shù)

針對(duì)新一代煤電機(jī)組的深度調(diào)峰以及變負(fù)荷要求，推薦帶有啟動(dòng)循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)；鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)降低厚壁部件的壁厚，提高鍋爐允許的溫度變化速率；水冷壁螺旋管圈采用內(nèi)螺紋管推遲傳熱惡化臨界干度區(qū)，繞圈數(shù)超過(guò)1圈，螺旋段到垂直段轉(zhuǎn)換采用中間交叉混合流程減少垂直段初始偏差；對(duì)高溫受熱面通過(guò)壁溫核算、增加測(cè)點(diǎn)、優(yōu)化報(bào)警值和受熱面材料升級(jí)等方式提升受熱面安全性。

另外，通過(guò)鍋爐多煤種狀態(tài)識(shí)別及智能運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)、鍋爐全負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)運(yùn)行優(yōu)化控制技術(shù)、鍋爐關(guān)鍵設(shè)備壽命（狀態(tài)）在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警技術(shù)、鍋爐關(guān)鍵設(shè)備壽命診斷算法技術(shù)等和鍋爐受熱面、連接管道、集箱等關(guān)鍵設(shè)備壽命診斷技術(shù)、鍋爐狀態(tài)檢修等控制手段提升受熱面安全性。

1.3" 汽輪機(jī)安全提升技術(shù)

根據(jù)與國(guó)內(nèi)三大主機(jī)廠技術(shù)交流和在運(yùn)電廠的調(diào)研情況，在低負(fù)荷工況時(shí)，低壓缸易出現(xiàn)鼓風(fēng)超溫、水蝕，葉片顫振、動(dòng)靜碰磨等現(xiàn)象；機(jī)組偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，處在非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍。采取的措施包括：通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、通流及葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)、滑銷(xiāo)系統(tǒng)+閥門(mén)控制系統(tǒng)優(yōu)化等手段降低水蝕影響、提升經(jīng)濟(jì)性；低壓缸分級(jí)噴水減溫系統(tǒng)降低鼓風(fēng)、水蝕影響；低壓缸運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)；末級(jí)葉片健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、防顫振、預(yù)警及故障診斷；設(shè)備健康評(píng)估管理技術(shù)優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提前預(yù)警。

為適應(yīng)機(jī)組的快速變負(fù)荷能力，考慮增設(shè)汽輪機(jī)高溫部件壽命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)啟停、運(yùn)行及變負(fù)荷期間的壽命損耗；優(yōu)化變負(fù)荷熱應(yīng)力等結(jié)構(gòu)，提升機(jī)組運(yùn)行靈活性；采用數(shù)字化、智能化手段實(shí)現(xiàn)熱力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)評(píng)估，指導(dǎo)優(yōu)化運(yùn)行和故障診斷，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1.4" 全負(fù)荷脫硝技術(shù)

機(jī)組在低負(fù)荷和變負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，煙氣污染物重點(diǎn)需要關(guān)注NOx的排放，可采用下列技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝的目標(biāo)。

在燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)，控制風(fēng)煤比，適當(dāng)降低一次風(fēng)率，以控制主燃燒器區(qū)域含氧量，減少燃燒器區(qū)域NOx生成；低負(fù)荷適當(dāng)降低周界風(fēng)及直吹二次風(fēng)的風(fēng)量，提高偏置風(fēng)的風(fēng)量，以實(shí)現(xiàn)燃燒水平方向上的空氣分級(jí)；同時(shí)，開(kāi)大燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度（低負(fù)荷時(shí)為兼顧汽溫，優(yōu)先開(kāi)啟下層燃盡風(fēng)），以降低NOx排放。

低負(fù)荷工況時(shí)，通過(guò)提高給水溫度+分級(jí)省煤器+氣體燃料補(bǔ)燃技術(shù)，提升脫硝裝置入口煙溫，實(shí)現(xiàn)機(jī)組在15%至100%負(fù)荷工況下脫硝運(yùn)行。示范工程的建設(shè)，可以充分利用綠氫燃料的補(bǔ)燃技術(shù)，一方面不增加二氧化碳排放，另一方面可以提升脫硝裝置入口煙溫。

優(yōu)先選擇煤電一體化項(xiàng)目，燃煤來(lái)源穩(wěn)定，品質(zhì)較高，粉塵、SO2和NOx排放限值可以分別實(shí)現(xiàn)5mg/Nm3、20mg/Nm3和30mg/Nm3的水平。

1.5 控制系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)控制優(yōu)化包括機(jī)組自啟停控制技術(shù)、鍋爐干濕態(tài)轉(zhuǎn)換自動(dòng)控制技術(shù)以及快速變負(fù)荷自動(dòng)控制技術(shù)等?；诳刂萍夹g(shù)，提升機(jī)組深度調(diào)峰、快速變負(fù)荷和啟停調(diào)峰的能力，提升機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化是提高機(jī)組變負(fù)荷能力的基礎(chǔ)。機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，不僅包括機(jī)爐的協(xié)調(diào)，也包括鍋爐風(fēng)、煤、水協(xié)調(diào)的燃燒控制，以及其他在機(jī)組變工況過(guò)程中影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的控制回路。智能協(xié)調(diào)控制立足于現(xiàn)有DCS控制邏輯，根據(jù)鍋爐實(shí)時(shí)熱量和機(jī)組能量需求的變化趨勢(shì)合理設(shè)置鍋爐前饋量，協(xié)同燃料、給水、配風(fēng)、蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，提升低負(fù)荷工況下機(jī)組變負(fù)荷控制能力[3]。

2.推動(dòng)新一代煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)的建議

2.1" 著力推動(dòng)煤電向基礎(chǔ)性、支撐性、調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型

煤電是技術(shù)相對(duì)成熟、成本相對(duì)較低、功能較為全面的常規(guī)電源，面對(duì)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)要求，煤電在夯實(shí)電力保供基礎(chǔ)的同時(shí)，還需進(jìn)一步向支撐性、調(diào)節(jié)性電源定位轉(zhuǎn)型，對(duì)快速變負(fù)荷、深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰等功能特性提出了更高要求，平常時(shí)段為新能源發(fā)電讓出發(fā)電空間、風(fēng)光低出力與負(fù)荷高峰時(shí)段頂峰出力，支撐新能源高質(zhì)量發(fā)展[4]。

2.2" 加快煤電清潔低碳運(yùn)行技術(shù)攻關(guān)

要實(shí)現(xiàn)煤電清潔高效利用，采取零碳或低碳燃料摻燒、碳捕集利用與封存（CCUS）等低碳技術(shù)是可行的路徑選擇。通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，在常規(guī)煤電機(jī)組中探索摻燒氨、生物質(zhì)等，替代部分電煤消耗，可以有效降低煤電機(jī)組碳排放水平。CCUS技術(shù)的實(shí)施難點(diǎn)在于技術(shù)成熟度不高、成本較高以及碳封存的安全性等問(wèn)題。為解決這些問(wèn)題，需要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，提高捕集效率和降低成本；完善政策法規(guī)體系，為CCUS技術(shù)的推廣應(yīng)用提供有力保障；加強(qiáng)碳封存技術(shù)的研究和實(shí)踐，確保封存過(guò)程的安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.3" 積極有序提升煤電靈活高效運(yùn)行水平

大容量先進(jìn)煤電機(jī)組在低負(fù)荷率下供電煤耗比額定工況大幅增加，機(jī)組安全性和壽命也受到影響，相應(yīng)地增加了碳排放。因此，為支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)，需統(tǒng)籌考慮煤電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平和靈活高效運(yùn)行技術(shù)攻關(guān)，在深調(diào)、啟停、變負(fù)荷速率等方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和示范應(yīng)用，使機(jī)組具備15%深調(diào)和3％/min升負(fù)荷能力的同時(shí)，充分采用優(yōu)化手段，實(shí)現(xiàn)“滿(mǎn)負(fù)荷可靠性、中負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性、低負(fù)荷適應(yīng)性、變負(fù)荷靈活性”。為達(dá)到以上目標(biāo)，新一代低碳燃煤發(fā)電技術(shù)需要對(duì)主輔機(jī)在深調(diào)以及快速變負(fù)荷條件下安全性、系統(tǒng)適應(yīng)性、低負(fù)荷高效等方面開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，并分別在鍋爐側(cè)、汽機(jī)側(cè)、控制側(cè)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和技術(shù)分析。

3.結(jié)束語(yǔ)

目前，燃煤發(fā)電行業(yè)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)型改革，實(shí)現(xiàn)綠色低碳化發(fā)展，提升未來(lái)在新型電力系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。新一代煤電技術(shù)應(yīng)用在靈活性和碳排放強(qiáng)度媲美燃?xì)鈾C(jī)組的燃煤發(fā)電廠，符合電力安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，可以進(jìn)一步引領(lǐng)未來(lái)燃煤發(fā)電機(jī)組的清潔有序發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局?！睹弘姷吞蓟脑旖ㄔO(shè)行動(dòng)方案（2024—2027年）》[EB/OL].（2024-07-15）[2024-12-3].https：//www.ndrc.gov.cn/xwdt/tzgg/202407/t20240715_1391665.html

[2]魯鵬飛、薛寧。超臨界鍋爐超低負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行穩(wěn)燃改造方案研究[J].熱力發(fā)電，2022，51（1）：87-92.

[3]譚厚章、楊富鑫、王新寧、李鳳軍、吳德利、趙旭。全鏈條大型燃煤機(jī)組直接耦合生物質(zhì)發(fā)電降碳技術(shù)[J].（2024.07.16）[2024-12-3].

[4]楊勇。平統(tǒng)籌推進(jìn)新一代煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)[N].[2024-8-10].