長(zhǎng)期以來(lái)，燃煤發(fā)電為我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。基于我國(guó)電力工業(yè)和能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r，制定燃煤發(fā)電工業(yè)節(jié)能減排的中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃意義重大。為此，中國(guó)工程院和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合資助了“中國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組節(jié)能減排戰(zhàn)略研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)目由清華大學(xué)倪維斗院士牽頭，產(chǎn)、學(xué)、研、用等不同領(lǐng)域的50多位專(zhuān)家學(xué)者參加。項(xiàng)目通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)主要發(fā)電集團(tuán)20余家燃煤電站的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、40余次跨專(zhuān)業(yè)技術(shù)研討，結(jié)合文獻(xiàn)分析、理論研究、電話(huà)咨詢(xún)等多種方式，對(duì)中國(guó)燃煤發(fā)電所涉及的節(jié)能、減排和智能電站等三個(gè)方面開(kāi)展了深入研究和系統(tǒng)論證，取得一系列重要認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研討凝練，形成本建議。
(一)我國(guó)燃煤發(fā)電節(jié)能減排工作取得顯著成效
在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，中國(guó)燃煤發(fā)電的能耗水平一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)燃煤發(fā)電的供電能耗一直持續(xù)下降。2017年，全國(guó)火電機(jī)組的平均供電煤耗已達(dá)到309g/kWh，相比于1949、1978和2002年分別降低了73%、34%和19%;已經(jīng)明顯優(yōu)于美國(guó)和世界平均水平，與歐洲相當(dāng)。當(dāng)前，我國(guó)先進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組的供電煤耗已經(jīng)低于270g/kWh，引領(lǐng)了世界燃煤發(fā)電的發(fā)展方向。
自1996年燃煤發(fā)電行業(yè)開(kāi)始全面實(shí)施污染物排放控制以來(lái)，國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)數(shù)次修改，排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)，當(dāng)前超低排放要求SO2、NO2和煙塵的排放限制分別為35、50、10mg/Nm3，為歷史排放標(biāo)準(zhǔn)最高、世界最嚴(yán)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。燃煤發(fā)電污染物排放績(jī)效持續(xù)下降，污染物排放量近幾年在裝機(jī)容量持續(xù)增長(zhǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)大幅下降。2015年燃煤發(fā)電行業(yè)的SO2和NO2的排放量分別降低至200和180萬(wàn)噸;燃煤發(fā)電的污染物排放總量已低于美國(guó)，接近歐洲。
(二)我國(guó)燃煤發(fā)電節(jié)能減排仍有巨大的潛力
1)節(jié)能潛力分析
通過(guò)系統(tǒng)分析過(guò)去近七十年來(lái)燃煤發(fā)電工業(yè)的發(fā)展歷程，得到燃煤電站節(jié)能降耗的主要原因包括發(fā)展高參數(shù)大容量先進(jìn)機(jī)組、淘汰落后產(chǎn)能、優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、采用先進(jìn)節(jié)能技術(shù)、提升經(jīng)營(yíng)管理水平等重要結(jié)論。進(jìn)一步通過(guò)理論研究，建立了燃煤電站能源轉(zhuǎn)化的熱量/對(duì)比分析方法，并繪制了不同容量等級(jí)典型燃煤發(fā)電機(jī)組熱量損失和損失圖譜，進(jìn)而確定了燃煤電站的能量損失/節(jié)能潛力的物理分布情況。
通過(guò)對(duì)發(fā)展高參數(shù)大容量先進(jìn)燃煤機(jī)組的影響研究發(fā)現(xiàn)，2006-2015期間新增裝機(jī)對(duì)全國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗下降的貢獻(xiàn)累計(jì)達(dá)20g/kWh左右。而限于高溫鐵素體和鎳基合金等材料研發(fā)進(jìn)度的影響，更高參數(shù)機(jī)組的發(fā)展難以推進(jìn)。
通過(guò)對(duì)淘汰落后產(chǎn)能的影響研究，得到2006-2015期間，淘汰中小高能耗機(jī)組對(duì)全國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗下降的影響累計(jì)達(dá)到27g/kWh，比新增裝機(jī)的影響還大。若全面關(guān)停200MW及以下等級(jí)小機(jī)組，至少還可降低煤耗20g/kWh以上。然而，燃煤發(fā)電的落后產(chǎn)能容量小、數(shù)量多、分散廣、涉及行業(yè)寬，且大部分屬于自備電廠，關(guān)停需下大力氣才行。
通過(guò)對(duì)燃煤電站節(jié)能潛力的分析研究，發(fā)現(xiàn)分級(jí)預(yù)熱提高熱風(fēng)溫度、優(yōu)化汽輪機(jī)通流結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化空冷冷端傳熱、缸體高低位布置等節(jié)能措施，可相應(yīng)降低供電煤耗5-10、4-8、2-4和2-3g/kWh。
通過(guò)對(duì)燃煤電站能量損失的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)是蒸汽循環(huán)能量利用效率最高的形式。截止2017年全國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)已達(dá)到5.5億千瓦，約占火電裝機(jī)的一半，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約4000萬(wàn)噸，對(duì)全國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗下降的貢獻(xiàn)約9g/kWh。若采用節(jié)能型熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造，還可節(jié)約標(biāo)煤1800萬(wàn)噸，相應(yīng)降低全國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗4g/kWh左右。
基于以上分析，當(dāng)前燃煤發(fā)電領(lǐng)域節(jié)能降耗方面至少還有25-30g/kWh的發(fā)展空間。若未來(lái)成功研發(fā)高溫鐵素體和鎳基合金材料，興建700℃等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組的供電煤耗可比當(dāng)前最先進(jìn)的600℃等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組供電煤耗下降約15-20g/kWh。
2)減排潛力分析
根據(jù)國(guó)內(nèi)不同工業(yè)排放的對(duì)比，燃煤發(fā)電曾在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是SO2和NO2的排放大戶(hù)。隨著電力行業(yè)近年來(lái)的不懈努力以及超低排放標(biāo)準(zhǔn)的逐步實(shí)施，燃煤發(fā)電的SO2和NO2排放占比在2015年就已經(jīng)低于10%，減排空間非常有限。而燃煤發(fā)電排放與能耗/成本的矛盾突出，應(yīng)重點(diǎn)降低燃煤發(fā)電污染控制的成本。相比而言，熱力、鋼鐵和水泥等工業(yè)領(lǐng)域因排放標(biāo)準(zhǔn)依然較低，已成為我國(guó)SO2、NO2和煙塵排放的主要源頭，應(yīng)協(xié)同制定嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)治理。根據(jù)估算，若熱力、鋼鐵和水泥等燃煤工業(yè)采用與燃煤發(fā)電行業(yè)相同的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，則每年可分別降低SO2、NO2和煙塵的排放約750、770、800萬(wàn)噸左右。
3)可再生能源電力消納潛力分析
隨著可再生能源發(fā)電的快速增長(zhǎng)，以燃煤發(fā)電為基礎(chǔ)的電網(wǎng)難以消納“陰晴不定”的可再生能源電量，棄風(fēng)、棄光的電量逐年增加，燃煤發(fā)電面臨前所未有的調(diào)峰和靈活性改造的壓力。而當(dāng)前約5.5億千瓦裝機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要采取以熱定電的方式運(yùn)行，調(diào)峰能力受限。本項(xiàng)目基于系統(tǒng)研究，提出了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組加裝大旁路，實(shí)現(xiàn)熱電解耦的技術(shù)路線(xiàn)，可使熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組全負(fù)荷調(diào)峰。若全面推廣，可釋放3-4億千瓦的調(diào)峰能力，大幅提高對(duì)可再生能源電量的消納能力。按年調(diào)峰500小時(shí)計(jì)，可年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4000萬(wàn)噸以上。相當(dāng)于降低供電煤耗9g/kWh，相應(yīng)降低燃煤發(fā)電行業(yè)污染物排放約總量的3%左右。
4)電站運(yùn)行管理潛力分析
由于燃煤電站的節(jié)能和減排受運(yùn)行管理影響較大，本項(xiàng)目進(jìn)一步研究了電站信息控制技術(shù)的發(fā)展情況。在集散控制技術(shù)(DCS)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)等基礎(chǔ)上，利用燃煤電站故障監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)字電站、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、在線(xiàn)優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)，提出了未來(lái)燃煤電站智能化的發(fā)展構(gòu)想與實(shí)施框架，可望實(shí)現(xiàn)燃煤電站的實(shí)時(shí)優(yōu)化、主動(dòng)決策、自主維護(hù)與檢修，以及基于智能電站的智能化設(shè)備管理服務(wù)和多源生產(chǎn)協(xié)作。
(三)建議
1)動(dòng)態(tài)對(duì)標(biāo)淘汰落后產(chǎn)能，推動(dòng)燃煤裝機(jī)產(chǎn)業(yè)升級(jí)
采用供電煤耗差額動(dòng)態(tài)對(duì)標(biāo)淘汰落后產(chǎn)能。即以當(dāng)前國(guó)內(nèi)先進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組的供電煤耗為基準(zhǔn)，對(duì)于服役年限還剩10年以下的機(jī)組，若供電煤耗高于對(duì)標(biāo)煤耗40g/kWh，則建議淘汰;對(duì)于服役6年限還剩10-20年的機(jī)組，若供電煤耗高于對(duì)標(biāo)煤耗50g/kWh，則建議淘汰。深度調(diào)峰機(jī)組在常規(guī)機(jī)組的對(duì)標(biāo)差額基礎(chǔ)上增加10g/kWh。
2)加強(qiáng)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，推進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展
建議重點(diǎn)研發(fā)空氣分級(jí)預(yù)熱技術(shù)，推進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)，開(kāi)展大旁路供熱機(jī)組示范，深入研發(fā)燃燒、熱力系統(tǒng)等過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，推動(dòng)控制、信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化以促進(jìn)智能電站發(fā)展，加快高溫鐵素體和鎳基合金材料研發(fā)以進(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)，實(shí)現(xiàn)燃煤電站的深度節(jié)能減排。
3)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，鼓勵(lì)電量交易，促進(jìn)新能源電量消納
建議大力發(fā)展調(diào)峰機(jī)組，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)。并建立電量自主交易平臺(tái)，建立、健全不同電源結(jié)構(gòu)之間的電量代發(fā)機(jī)制，鼓勵(lì)特定區(qū)域內(nèi)(如區(qū)域電網(wǎng))不同電源結(jié)構(gòu)之間的電量實(shí)時(shí)、自主交易。通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制高效、健康地挖掘燃煤發(fā)電機(jī)組，特別是供熱機(jī)組的深度調(diào)峰能力，以解決新能源的消納問(wèn)題。
4)鼓勵(lì)排放交易，實(shí)現(xiàn)污染物排放的全面控制
建議參照煤電排放標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)熱力、鋼鐵、水泥等行業(yè)的特點(diǎn)逐步制定嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。利用煤電與其它行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)的差異，建立污染物排放交易市場(chǎng)機(jī)制，以促進(jìn)減排技術(shù)的推廣和資源配置優(yōu)化，從而低成本大幅降低非發(fā)電工業(yè)的燃煤污染排放，實(shí)現(xiàn)全社會(huì)的節(jié)能減排。
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