低碳背景下煤电机组转型技术方案研究

王晓娜 邹鹏 郑艳丽 朱峰 蒙涛

摘要：基于国家“双碳”目标的战略部署，煤电机组实现转型升级和绿色低碳发展的任务艰巨。鉴于此，根据国内煤电机组的现状，对煤电机组灵活性改造、供热改造及综合能源服务等方面进行技术方案的研究分析，为未来煤电机组的转型发展提供思路和建议。

关键词：煤电机组;灵活性改造;供热改造;综合能源服务

中图分类号：TM621  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0086-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.025

0    引言

在全球能源改革的大趋势下，国家将持续发展新能源作为推动电力供给侧结构性改革、实现能源转型的重要举措。中电联发布的数据显示，截至2020年底，全国全口径发电装机容量为22亿kW，其中火电占比56.6%（煤电占比49.1%），水电占比16.8%，风电占比12.8%，太阳能发电占比11.5%，核电占比2.3%[1]。根据我国电力发展规划，2030年可再生的风电和太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上[2]，成为我国最主要的电源。可见，电力结构低碳转型乃至最终实现净零所面临的任务十分艰巨。

2021年10月26日，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，聚焦2030年前碳达峰目标，对推进碳达峰工作作出总体部署。方案中指出：“推进煤炭消费替代和转型升级。严格控制新增煤电项目，新建机组煤耗标准达到国际先进水平，有序淘汰煤电落后产能，加快现役机组节能升级和灵活性改造，积极推进供热改造，推动煤电向基础保障性和系统调节性电源并重转型。”[2]

为响应国家“双碳”目标的战略部署，实现煤电机组绿色低碳发展、促进转型升级，本文对煤电机组灵活性改造、供热改造和综合能源服务等方面进行了思考与探索。

1    煤电机组绿色低碳转型现状与探索

基于国家“双碳”目标的战略部署，煤电机组绿色低碳转型技术导图如图1所示。

1.1    煤电机组灵活性改造

降低最小出力、快速启停、快速升降负荷是火电机组灵活性改造的主要目标。其中，最核心的改造目标是降低最小出力，即增加调峰能力。

火电灵活性改造预期：对于热电机组，为保证供热需求，最小出力要达到40%～50%额定负荷;而对于纯凝机组，最小出力要达到30%～35%额定负荷，部分煤质、设备好的纯凝机组最小出力要达到20%～25%额定负荷[3]。

灵活性改造的关键是对于不同类型的机组，选择合适的技术路线。对于纯凝机组，主要需要解决它的低负荷稳燃问题和排放问题，其主要技术包括精细化燃烧调整、燃烧器和制粉系统优化改造、改善入炉煤质、掺烧生物质及加装等离子和微油等装置[4-6];对于供热机组，关键是在满足供热要求的同时提升调峰能力，也就是热电解耦的问题，主要技术包括高背压供热、低压缸微出力、热泵供热和增加储热罐等[7]。

目前，通过低负荷稳燃、热电解耦等技术改造，可以将煤电机组的最小稳定出力降至20%～30%的额定容量，但存在增减出力响应时间较长、爬坡速率较慢等问题，同时还伴随着煤耗增加、机组损耗增加和运营成本增加等问题。因此，在灵活性改造过程中，应根据机组自身的运行特性，在保证低负荷安全稳定运行的前提下，选择切实可行、高性价比的改造方案。

2021年4月《国家电网有限公司服务新能源发展报告2021》显示，“十三五”期间，我国累计推动完成煤电灵活性改造约1.62亿kW，机组数量314台，提升调节能力4 506万kW。华能丹东电厂（2×350 MW）配置了25 730 m3的储热水罐，投资4 004万元，率先在国内实现了13%负荷调峰。

1.2    煤电机组供热改造

燃煤发电机组全面参与深度调峰，占装机容量近一半的热电联产机组无法继续按照“以热定电”的运行方式独善其身。我国热电联产发展面临的挑战，一是大型抽凝供热机组比例过大，其热电比通常较小，难以全面参与深度调峰;二是当前热电联产机组普遍未能实现热电解耦，或采用的热电解耦技术能耗较高，亟待采用更高效的深度调峰技术[8]。

目前典型的采暖类供热技术主要有低位能供热技术、低压缸微出力供热技术、热泵供热技术、热压机供热技术。几种供热技术在供热能力上相当，低位能供热技术的供热煤耗显著优于其他供热技术。随着越来越多的火电机组完成低位能供热改造，“以热定电”的运行方式也将面临严峻的挑战，对此目前行业内尚未提出一种有效的改进措施，这就使低位能供热技术的实际应用和进一步推广受到了一定限制。

提高低位能供热技术的热电解耦性能，可从改善机组自身供热特性、借助灵活调峰辅助技术两种思路展开研究。目前灵活调峰辅助技术有高低旁联合供热技术、蓄热罐供热技术、电极锅炉供热技术等。与低位能系统匹配的灵活供热改造技术分为内部灵活技术和外部灵活技术，综合对比如表1所示。低压缸微出力和高低旁联合均具备连续调峰性能，且投资省，建议优先选用。在充分挖掘内部潜力的情况下仍不能满足电网调峰要求的，可考虑采用蓄热罐、电极锅炉等外部辅助供热技术。

1.3    综合能源服务

目前，世界上对综合能源服务还没有统一的定义。一般来讲，综合能源服务包括两个方面：一是综合能源，涵盖电力、燃气和冷热等多种能源;二是综合服务，包括工程服务、投资服务和运营服务。我国综合能源服务行业还处于起步阶段，国家电网公司是最早开展综合能源服务的企业之一，多家发电企业也陆续开展了一系列综合能源服务项目建设。

国家能源集团浙江公司2021年成立国能（浙江）综合能源公司，开发、投资、建设供热管网等综合能源项目，培育多能联供等综合能源市场的业务。目前北仑电厂、宁海电厂、舟山电厂、南浔电厂已实现对外供热，3个燃煤电厂灰、渣、石膏等固弃物已实现综合利用，北仑电厂已实现城市污泥掺烧，宁海电厂已实现对外供应原水，2021年底前實现电、蒸汽、热水、原水、压缩空气、石膏、粉煤灰“七联供”。

综合能源服务目前存在的问题是，煤电企业在多能耦合与梯级利用方面还没有将其技术优势发挥出来，在综合能源服务核心技术方面的研究不足。未来仍需突破核心技术的研发，降低成本，迎合用户需求。

2    煤电机组转型建议

在“3060”目标下，煤电的功能定位要由长期以来的电量和电力的保障向主要提供电力保障的方向发展，新增电量的保障主要由可再生能源提供。由于可再生能源的随机性、不稳定性和波动性，要保证新能源电量大部分得到应用，尽量减少弃风弃光，必须进一步提升煤电机组的灵活性。

2.1    加快煤电机组灵活性改造

采用储能等创新技术，大力实施火电机组灵活性改造，通过发挥其灵活的调节作用及深度调峰能力，实现能量供给与需求平衡，解决时域性差异，促进大规模可再生能源消纳。

2.2    加强煤电机组供热改造

借助灵活性手段，提高低位能供热机组热电解耦的能力。低压缸微出力和高低旁联合均具备连续调峰性能且投资省，建议优先选用。在充分挖掘内部潜力的情况下仍不能满足电网调峰要求的，可考虑采用蓄热罐、电极锅炉等外部辅助供热技术。

2.3    推动煤电企业向综合能源服务商转变

充实煤电企业产品体系，实现火电机组电、热、冷、水、压缩空气、固弃物等产品多联供;对邻近区域重点企业等优质用户提供行之有效的用能分析、节能方案;因地制宜地提供氢、石膏、结晶盐、粉煤灰等副产品;向周边企业提供运维检修、技术改造、节能诊断与能效提升改造等增值服务[9]。

3    结语

“双碳”背景下，煤电机组实现转型升级和绿色低碳发展任务艰巨。充分挖掘煤电机组灵活性改造、供热改造和综合能源服务潜力，可促进大规模可再生能源消纳，为国家“双碳”目标的实现做出贡献。

[参考文献]

[1] 中电联电力统计与数据中心.2020—2021年度全国电力供需形势分析预测报告[R/OL].（2021-02-02）[2021-10-30].https：//cec.org.cn/detail/index.html？3-293198.

[2] 国务院.关于印发2030年前碳達峰行动方案的通知：国发〔2021〕23号[A].

[3] 国家发展改革委，国家能源局.关于提升电力系统调节能力的指导意见：发改能源〔2018〕364号[A].

[4] 潘尔生，田雪沁，徐彤，等.火电灵活性改造的现状、关键问题与发展前景[J].电力建设，2020，41（9）：58-68.

[5] 魏海姣，鹿院卫，张灿灿，等.燃煤机组灵活性调节技术研究现状及展望[J].华电技术，2020，42（4）：57-63.

[6] 牟春华，居文平，黄嘉驷，等.火电机组灵活性运行技术综述与展望[J].热力发电，2018，47（5）：1-7.

[7] 苏鹏，王文君，杨光，等.提升火电机组灵活性改造技术方案研究[J].中国电力，2018，51（5）：87-94.

[8] 赵兵，景杰.“碳达峰、碳中和”目标下火力发电行业的转型与发展[J].节能与环保，2021（5）：32-33.

[9] 冯玉锋.发电企业综合能源服务的发展现状与对策研究[J].分布式能源，2020，5（6）：13-17.

收稿日期：2021-11-04

作者简介：王晓娜（1990—），女，山东宁津人，硕士研究生，工程师，从事清洁煤燃烧理论研究与技术开发工作。