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“‘雙碳’目標下，我國的電力結構實現從高碳化石能源向綠色、低碳可再生能源轉型，最主要的措施是發展新能源，但由于風光類新能源具有隨機性、間隙性、波動性且不可調的特點，這需要煤電機組成為新能源電力消納的保障。”在由中國能源學會和北京能源與環境學會組織的院士專家燃煤發電技術座談會上，上海申能電力科技有限公司總經理馮偉忠表示。

圖為申能安徽平山電廠二期

加速推動煤電由常規主力電源向基礎保障性和系統調節性電源并重轉型，是新能源產業發展需要和國家能源政策重要導向。在構建新型電力系統的過程中，煤電裝機容量事關電力供應的安全底線，提高存量煤電機組的靈活性和可靠性是其重要出路。在馮偉忠看來，隨著風光等新能源比例不斷提升，煤電靈活性改造的需求將進一步釋放，在此過程中，技術創新將持續引領電力行業減煤降碳。

技術減碳正當時

2021年，國家能源局聯合科技部印發《“十四五”能源領域科技創新規劃》，圍繞煤炭清潔高效轉化技術以及先進燃煤發電技術等，進一步推動煤電行業清潔低碳、安全高效發展。立足以煤為主的基本國情，新建項目優先采用大容量、高參數、低能耗、調節能力好的發電機組。

中國工程院院士、中國礦業大學(北京)教授武強提出，業內需重點關注2021中央經濟工作會議中強調的內容，即傳統能源逐步退出要建立在新能源安全可靠的替代基礎上，要立足以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用，新增可再生能源和原料用能不納入能源消費總量控制。“換言之，可再生能源在沒有成為我國主體能源之前，化石能源在未來一段時期內仍是我國的主體能源。”

武強認為，煤電的清潔低碳化利用包含三個思路：一是通過高效的方式，削減煤炭用量實現減排；二是以系統化的思路，通過采取CCS或者CCUS技術在末端進行減碳；三是通過靈活性方式，推進儲能技術、調節調峰技術等來增大可再生能源使用量，減少煤炭的火力發電供應時間，以實現減碳。

“在相當長的時期內，我國還不具備退出煤電的可行性，而煤電的逐步脫碳才是業內應重點關注和努力的方向。”馮偉忠認為，現階段，通過技術減碳，即“高效化實現自身減碳”和“靈活性實現結構減碳”是煤電的兩大目標。

擺脫高溫高壓管道制約

目標已經確立，持續推動技術創新是下一步的關鍵。近年來，為提高發電效率，煤電行業主要采用的技術路徑為更高等級蒸汽參數（700攝氏度）以及二次再熱技術。

馮偉忠認為，發展以鎳基超級合金為基礎的700攝氏度等級技術，目前尚存在材料技術和造價瓶頸。

據記者了解，提高蒸汽溫度，是煤電機組效率提升的重要途徑，但蒸汽溫度上升對蒸汽管道材料提出了更高要求，管道價格也隨之上漲。目前600攝氏度等級機組蒸汽管道綜合造價不到20萬元/噸，而700攝氏度高效超超臨界機組采用昂貴的鎳基超級合金，管道價格達300萬元/噸左右。在上述背景下，與現有600攝氏度等級機組相比，采用700攝氏度機組的電廠造價約為前者的一倍。

為突破采用更高等級蒸汽參數以及二次再熱技術的造價瓶頸，馮偉忠在國外較成熟的雙軸汽輪機組技術基礎上，創新發明了一種新型的汽輪發電機組方案，將高壓軸系放置在鍋爐本體外側臨近聯箱處，低位軸系保持不動，即高低位分軸布置方案。

值得注意的是，目前這一技術創新已應用于申能安徽平山電廠二期1350MW高低位分軸布置二次再熱超超臨界機組。記者在項目現場看到，塔式鍋爐高位發電機組布置在塔式鍋爐82米平臺處，相當于從原來鍋爐的“腳邊”位置挪到了接近鍋爐“肩膀”的高度。

“這不僅可以大大縮短高溫高壓蒸汽管道長度，節省大量高溫高壓管道，而且可以大大降低主蒸汽和再熱蒸汽的壓降和溫降，阻力更小、散熱損失更少、管道建設成本更低，機組效率與經濟性得以顯著提升。”據馮偉忠介紹，這一方案可消除絕大部分高參數、高價值管道，大幅節約投資，為700攝氏度等級機組的發展消除了最主要的制約因素。

目前，申能安徽平山電廠二期1350MW高低位分軸布置二次再熱超超臨界機組已在2022年正式投入商業運行。機組設計供電煤耗251克/千瓦時，比目前最先進的兩次再熱機組煤耗進一步下降超15克，大幅提高能源利用水平，平均每年可節省燃煤近10萬噸。

深度調峰經濟性可行

在技術創新的基礎上，調峰經濟性是進一步追求。“雙碳”目標下，煤電機組成為新能源電力消納的保障，在確保安全、環保以及能耗升幅不高的前提下，大幅拓展煤電機組的深度調峰能力尤為關鍵，如何做好深度調峰助力“雙碳”，已成為眾多煤電機組面臨的現實難題。

值得注意的是，深度調峰具有一定技術風險和成本。“深調幅度越大，風險和成本越高。安全風險成本、壽命損耗威本以及煤耗上升成本等構成了煤電機組在深度調峰運行狀態下的主要成本。”馮偉忠表示。

“要使深調補貼真正成為電廠盈利的新途徑，并確保機組安全，就需要控制上述三類成本。”馮偉忠表示，正常情況下，二次再熱機組應盡可能高負荷運行，以充分發揮機組的經濟性優勢。但結合我國煤電發展現狀，我國的二次再熱機組的發展在保證基本發電負荷的同時，還要承擔較重的調峰任務，因此，除安全高效外，應提高機組低負荷下經濟性及靈活性，以實現結構性減碳。

“對于煤電機組的提效升級和清潔化利用，總能耗指標哪怕下降幾克煤也非常重要。”中國工程院院士余貽鑫認為，目前，風光等新能源發電需要調峰煤電來平抑波動，如果煤電機組能保持20%的超低負荷下的調峰能力，將極大提高綠色能源的使用占比。因此，煤電機組能夠安全、可靠地維持低負荷運行具有重要意義。

在這方面，申能安徽平山電廠二期亦走在前列。據馮偉忠介紹，該工程進行了一系列重大創新技術的應用，如彈性回熱技術、全負荷低氧低氮燃燒、廣義變頻技術等。不僅提高了機組低負荷下的運行經濟性，且實現了20%負荷深度調峰干態穩定運行。“在此工況下，機組供電煤耗上升幅度僅為70克/千瓦時水平，成本增量與深調補貼相比很小，從而保證了深度調峰的經濟性。”