“十三五”燃煤发电设计技术发展方向分析

龙辉，黄晶晶



“十三五”燃煤发电设计技术发展方向分析

龙辉，黄晶晶

（中国电力工程顾问集团有限公司，北京市 西城区 100120）

通过对中国政策法规和《电力发展“十三五”规划》的研究，对中国燃煤发电设计技术的未来发展走向进行分析，提出了洁净煤发电技术仍将是“十三五”燃煤发电机组技术发展的核心，同时应努力开展低碳燃煤发电技术的研发。结论是“十三五”期间更高参数超超临界燃煤发电技术、燃劣质煤“超低排放”改造技术、火电灵活性改造技术、节能改造技术、深度节水技术以及大型燃煤锅炉生物质混烧技术将有一定的发展空间，进而对相关技术研究重点提出了建议。

“十三五”；燃煤发电；节能；节水；碳排放

0 引言

根据中国工程院公开发布的即将完成的重大咨询项目“推动能源生产和消费革命战略研究(一期)”的研究成果，即使到2050年，煤炭仍将占我国一次能源的40%，煤炭仍然是我国一次能源的基础。笔者有幸参加该课题的编写工作，深刻感受到中国不可能像欧洲一些国家那样完全去煤化，燃煤发电在未来30年仍将占较高的比重，人们对未来燃煤发电技术发展仍充满期望。要全面分析研究我国未来燃煤火电机组实现高效、清洁、低碳发展的技术，持续降低供电煤耗，降低CO2排放，是今后燃煤发电技术的重点研发方向。

1 “十三五”燃煤发电技术发展特点分析

1.1 燃煤火电机组能耗和碳排放控制的政策 法规

国家发展改革委、环境保护部和国家能源局于2016年1月15日在北京召开“加快推进煤电超低排放和节能改造动员大会”，要求到2020年全国新建机组平均供电煤耗低于300g/(kW×h)，现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310g/(kW×h)。各火电集团分别提出了燃煤火电机组供电煤耗要求。特别是部分燃煤火电机组比例过高的火电集团，充分认识到燃煤火电机组降低能耗的重要性，中国神华集团公司提出绿色发电节能环保升级改造行动计划，其中供电煤耗要求见表1。

表1 中国神华集团燃煤火电机组供电煤耗要求

在国际上，为应对全球气候变化，我国提出了以发展低碳经济，实现国家的可持续发展目标。在2015年巴黎气候大会后，为实现我国承诺的使中国的二氧化碳排放在2030年达到峰值，国务院2016年10月27日关于印发“十三五”控制温室气体排放工作方案的通知(国发〔2016〕61号)指出：到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2015年下降18%。到2020年，能源消费总量控制在50亿t标准煤以内，“十三五”期间累计减排CO2当量11亿t以上，推动部分区域率先达峰[1]。支持优化开发区域在2020年前实现碳排放率先达峰。鼓励其他区域提出峰值目标，明确达峰路线图，在部分发达省市研究探索开展碳排放总量控制。

我国将出台一系列有关二氧化碳减排的政策。2017年全国7个碳排放权交易市场全面启动运行，并正式开展碳税交易，燃煤发电成本会大大增加。燃煤火电机组面临着降低CO2排放的空前压力。如何解决燃煤火电机组的CO2排放，是燃煤发电企业面临的巨大挑战。

1.2 《电力发展“十三五”规划》中燃煤火电机组规划

2016年12月，国家发展改革委、国家能源局正式发布《电力发展“十三五”规划》(以下简称《规划》)，描绘出了我国“十三五”电力工业发展蓝图。《规划》预期到2020年与燃煤火电机组有关的新增装机及燃煤火电机组技术改造容量要求见表2[2]。

《规划》提示：随着大规模的燃煤火电机组建设高潮的回落，燃煤火电机组的工程设计重点将由单一的新建燃煤发电工程设计向新建燃煤发电机组设计、“超低排放”改造工程设计、火电灵活性改造和节能技术改造这四个方面开展设计研究工作，同时我国新建燃煤火电机组主要集中在中西部，应注意在中西部缺水地区注意燃煤火电机组的深度节水研究。

表2 《规划》与燃煤火电机组有关的新增装机及技术改造容量要求

1.3 “十三五”燃煤火电机组发展特点分析

归纳总结“十三五”燃煤火电机组发展特点，无论是国家政策、法规要求，还是《规划》要求，均围绕燃煤火电机组绿色发展和低碳发展主题开展相关工作。本文的判断是“十三五”前期将以进一步节能降耗为主线(如有火电集团已经在内部提出到2020年将供电标煤耗降低到295g/ (kW×h)以下)，从“十三五”末期到“十四五”将贯穿始终的是燃煤火电机组降低CO2排放的技术发展。“十三五”燃煤火电机组技术发展将具体体现在建设更高效燃煤火电机组、“超低排放”改造、火电灵活性改造、老机组节能改造、中西部地区建设深度节水燃煤火电机组和低碳燃煤发电等6个方面。

2 “十三五”燃煤发电相关技术发展方向分析

2.1 更高效率燃煤火电机组技术研发

2.1.1 600℃超超临界燃煤机组达到更高效率研究

根据国外600℃超超临界燃煤机组最新技术进展资料，我国与发达国家在600℃超超临界机组设计的净效率方面仍有一定的差距[3]。我国目前最新设计投运的某1000MW机组与德国RDK8机组效率指标对比见表3。

表3 我国1000MW机组与德国RDK8机组效率指标对比

Tab.3 The efficiency comparison of coal-fired power units between a 1000MW power unit in China and the RDK8 power unit in Germany

由表3可见，我国设计并建成的1000MW级超超临界机组供电效率与欧洲公司最新设计建成的同样等级的超超临界机组相比，供电效率低1.6%(本文主要分析系统整体优化和汽轮机本体热耗降低方面的差异)；同时，国外公司设计的 1000MW机组普遍带区域供热，国外设计项目供热效率>58%，大型燃煤火电机组带区域供热也将是未来新建燃煤发电技术发展的一种趋势。

2.1.2 650℃等级高效超超临界燃煤机组设计技术研究

从2011年起，中电工程参加由国家能源局组织的国家700℃超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用课题。负责其中子课题一和子课题六，即总体方案设计研究和示范电站工程可行性研究2个课题研究。国内、外初步的研究表明：受制于700℃超超临界燃煤机组汽轮机部分高镍基材料研发难度的困扰和性价比问题，预计700℃超超临界燃煤发电机组的投运时间将推迟到2026年后。然而中电工程从700℃超超临界燃煤发电技术研究受到相关启发，在2015年首先在国内提出研发650℃等级高效超超临界燃煤机组发电技术。650℃等级超超临界机组可以尝试应用国内外最新研究的耐高温材料(如G115、HR6W、GH984G、Sanicro25等)，并尽可能减少昂贵的镍基合金的使用，结合创新的总体热力系统设计和更高效率的主机方案，根据测算当参数为33MPa/650℃/670℃，机组发电净效率有望达到48%以上。与“700℃”方案相比，大幅降低高温高压材料的研发难度，并大幅度降低机组造价。目前中电工程已配合国内几个发电集团开展相关技术研究工作。

2.2 燃劣质煤火电机组“超低排放”技术研究

“十三五”期间，中电工程与火电集团、科研院所、大学等共同形成产学研合作团队获得国家重大科技专项研究中2个项目：1）2016年国家重点研发计划大气污染成因与控制技术研究中的《烟气污染物“超低排放”关键技术及评估》课题；2）2017年国家重点研发计划煤炭清洁高效利用和新型节能技术中的《新型高效静电除尘装备》课题。

其中烟气污染物“超低排放”关键技术及评估课题，将紧密围绕燃劣质煤火电厂烟气“超低排放”达标的技术需求，结合烟气污染物“超低排放”关键技术与评估研究，解决燃劣质煤火电厂烟气“超低排放”技术面临的瓶颈和突出问题，收集燃煤火电厂煤质，建立煤质数据库，提出适用于劣质煤的经济合理的“超低排放”协同治理技术路线，在此基础上建立燃煤电厂烟气污染物“超低排放”技术标准与规范。

2.3 燃煤火电机组火电灵活性改造技术研究

由于我国燃机、抽水蓄能电站装机量不足，对风电波动需要稳定的电源进行平衡，“十三五”将有2.15亿kW燃煤机组进行火电灵活性改造。

我国火电灵活性技术现阶段主要集中在热电机组配置储热系统后的热电解耦效果研究和燃煤机组深度调峰两方面。我国“三北”地区电源结构以燃煤火电为主，且热电机组比重较高。在冬季供暖期，热电机组按“以热定电”方式运行，调峰能力仅为10%左右。“十三五”期间提高 电源调峰能力，对火电机组进行灵活性改造，特别是热电机组的灵活性改造，将是解决“三北”地区风电和太阳能发电消纳最为直接有效的手段之一。

2.4 燃煤火电机组节能改造技术研究

燃煤火电机组节能改造技术包罗万象，与系统相关的综合节能提效改造技术包括：亚临界参数机组提效改造、供热机组改造、系统和设备提效改造(烟气余热深度利用、锅炉空气预热器提效改造、烟风道节能改造等)等。可密切关注现有300~1000MW机组改造改造技术、系统和设备提效改造等其中的核心技术的研发。

2.5 燃煤火电机组深度节水技术研究

以冷凝法烟气水回收技术为代表的烟气水回收技术是目前比较成熟并可以应用于工程的深度节水技术，并且将来还会有较大的发展空间。冷凝法烟气水回收技术一是实现深度节水，例如，以内蒙古某煤电基地为代表的7个电源点14个机组，在采用空冷技术等一系列节水技术的基础上，要求进一步将设计耗水指标控制在0.03m3/ (s×GW)以下；其中12台660MW机组，8台可能将采用烟气水回收技术。二是冷凝法烟气水回收技术同样可应用于南方，例如，长三间、珠三角等沿海地区燃煤火电机组，用于湿法烟气脱硫工艺后降温凝结水，减少白烟产生，再通过烟气再热系统消除白烟，国内已有1000MW机组采用该技术，可实现与再热器直接加热消除白烟同样的目的，同时达到低能耗消除白烟的目标，值得进一步研究。

2.6 燃煤火电机组CO2深度减排技术研究

2.6.1 燃煤锅炉耦合生物质混烧改造技术研究

生物质是一种清洁的低碳燃料，含硫和含 氮量均较低，燃烧后SO2、NO排放量比煤炭要小得多。燃煤锅炉耦合生物质改造技术可降 低CO2排放,提供可灵活调节的、高质量的、新 能源电力供应。根据收购生物质燃料的多少可灵活配比燃料资源利用，使用可再生生物质资源，降低不可再生煤的消耗。燃煤火电机组耦合生 物质发电能够有效利用生物质，减少机组燃煤量，有利于燃煤火电机组的节能；燃煤火电机组 耦合生物质发电既可以解决农民散烧废弃秸秆的污染问题，又可以降低燃煤机组本身污染物排放水平。

“十二五”期间，中电工程已经开展了《大型燃煤锅炉生物质混烧技术应用研究》，完成了相关的技术储备，提出了大型燃煤锅炉生物质与煤在煤粉炉中混烧的主要技术路线如图1所示。

图1 大型燃煤锅炉生物质与煤在煤粉炉中混烧的主要技术路线

大型燃煤锅炉生物质混烧技术发展路线可归纳为生物质颗粒和生物质气化后燃烧2条主要路线。尽管生物质颗粒混烧技术有难以计量方面的缺点，但若此缺点可以克服，将是大型燃煤锅炉生物质混烧技术发展的主要方向，可以实现大型锅炉各种比例混烧技术应用，同时具有成熟、可靠、安全的特点，该技术在国际上已经得到广泛应用。

2.6.2 大型燃煤锅炉CO2深度减排技术研究

欧洲最新设计投运的荷兰鹿特丹的MPP3电厂是世界上最新建成的节能和CO2深度减排示范电厂[4]。1100MW超超临界机组采取超超临界参数+生物质混烧+区域供热的CO2深度减排技术路线。机组容量为2´1100MW，机组参数为28.5MPa/600℃/620℃，机组净效率>46%。MPP3 电厂混烧30%左右的生物质，采取区域供热。

超超临界机组+生物质混烧+区域供热无疑是未来解决新建燃煤火电机组CO2深度减排的主要技术路线，在新建高效超超临界机组的同时，可进行相关技术研究，甚至可预留相关建设场地，实现未来绿色燃煤火电机组的可持续发展。

3 结论及建议

“十三五”将出现规模空前的燃煤火电新建装机容量的快速下滑，这已是不争的现实。因此，需要及时调整发展思路，紧紧围绕国家电力发展政策和发展规划确定技术发展目标，紧密结合发电集团发展思路和电厂实际情况开展发电技术研究工作，紧盯国内、外燃煤火电最新技术进展调整工作重点，从传统的设计更高效超超临界燃煤发电机组，向设计更高效超超临界燃煤火电机组、燃劣质煤“超低排放”改造、火电灵活性改造、节能改造、深度节水以及大型燃煤锅炉生物质混烧技术研究与工程设计方面发展，完成工程设计理念的新突破，同时掌握其中的核心技术。

对于“十三五”燃煤发电设计技术发展，建议如下：

1）瞄准“十三五”燃煤发电技术发展方向，完成燃煤发电技术发展路线图，做好长期规划。

2）不断学习，加快设计转型的研究。以美国AECOM公司为例，发电设计部分的前身是上世纪80年代在我国国内电力行业非常熟悉的美国依巴斯公司。该公司现在全球拥有85000名员工，在150多个国家运营,营业收入约180亿美元。美国《工程新闻记录》(ENR)2014年度最新全球百大设计公司排名中，总体排名第一。业务范围除建筑设计、施工服务、规划+设计、能源、环境、水务等外，在发电技术领域拥有包括SBS(烟气脱SO3技术)一整套的设计、建设、安装、运营方面的核心技术。可学习该公司20年以上的转型经验，逐步掌握工程设计+拥有核心技术+少量投资+总承包+运营管理的发展模式。而新建超超临界机组建设、燃劣质煤“超低排放”改造、火电灵活性改造、节能改造、深度节水以及大型燃煤锅炉生物质混烧等领域已具备这方面的条件。

3）我国将会提出更多的可持续发展政策、法规和强制性国家标准，其核心将指向过度工业化后造成的碳排放问题，建议加大对大型燃煤锅炉CO2深度减排技术开展更深入的研究。

[1] 《国务院关于印发“十三五”控制温室气体排放工作方案的通知(国发[2016]61号)》[Z]．2016．

[2] 《电力发展“十三五”规划(2016-2020年)》[Z]．2016．

[3] 沈波．GE蒸汽发电业务和最新超超临界燃煤发电技术[C]//2017年GE中国蒸汽发电客户峰会，2017．

[4] Maasvlakte Power Plant 3 introduction by E•ON (Press info for Franziska Krasnici)[Z]．Rotterdam，2012．

(责任编辑 杨阳)

Development Direction Analysis of Coal-fired Power Units’ Design Technology During the 13th Five-Year Plan

LONG Hui, HUANG Jingjing

(China Power Engineering Consulting Group Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100120, China)

According to electric power development the 13th five-year plan and related national policies and legislations, we analyzed coal-fired power units’ design technology trend in China in the future and concluded that the core of coal-fired power units’ development would be clean coal power generation in the next five years and focusing on low carbon coal power generation research at the same time. During the 13th five-year plan, ultra supercritical coal-fired power generation with higher parameter, ultra-low emission reconstruction in fault coal-fired plants, flexibility and energy saving reconstruction, deep water conservation and biomass co-combustion in large coal-fired boilers have certain development space, and more suggestions are emphasized on technology research areas.

the13th five-year plan; coal-fired power units; energy saving; water conversation; carbon emission

2017-12-05。

龙辉(1960)，男，学士学位，教授级高级工程师，从事能源与环保相关技术研究工作，hlong@cpecc.net。

国家重点研发计划项目(2016YFC02037)。

Project Supported by National Key R&D Plan of China (2016YFC02037).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.002