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干货丨火力发电产业发展与前沿技术路线

2017-08-02 10:21:37 中国电机工程学报   作者: 杨倩鹏等   

1 项目背景

进入“十三五”时期后,伴随着我国产业结构的优化调整和转型升级的进程深入,经济发展逐步进入新常态。2016年,我国6MW及以上电厂的发电设备利用小时下降至3785h,6MW及以上火力发电设备利用小时下降至4165h。这一现象的主要原因是“十二五”期间火电投资和建设持续增长,而经济和社会发展对于电力需求放缓,同时高速发展的可再生能源发电与火力发电形成竞争,共同造成了火电产能过剩的现状。火力发电作为我国主要的发电形式,长期占据总装机容量和总发电量的七成左右比例。“十三五”期间火力发电行业正经历着转型升级。2论文所解决的问题及意义“十三五”后期和未来长期中,我国火力发电行业需要从集中式和分布式两方面提出技术路线,明确前沿技术和产业发展的战略方向,更好地服务于我国经济社会需求。本文通过归纳火力发电领域的产业概况、主要指标和前沿技术,分析了前沿技术的技术经济性和应当重点突破和完善的关键技术,提出了集中式和分布式火力发电的前沿技术路线,从而为火力发电的研发战略提供参考。3论文重点内容

1)产业概况。

基于我国资源国情和各类发电形式的技术经济性,燃煤发电长期占据我国发电领域和火电领域的主导地位。在当前宏观经济和社会背景下,相关研究认为我国煤炭消费和燃煤发电的比例已经达到峰值,未来将逐步下降。

2016年3月,国家发改委国家能源局联合下发特急文件,督促各地方政府和企业放缓燃煤发电建设,化解产能过剩局面。随着政策变化,煤电投资和建设逐步降温,2017年1—2月火力发电设备利用小时同比小幅回升,产能过剩局面初步得到遏制。预计“十三五”后期火电产业形势依然严峻,对于燃煤发电建设的风险预警机制将继续发挥作用。

2)指标水平。

2016年我国6MW及以上电厂供电标准煤耗下降至312g/(kW?h),发电标准煤耗下降至294g/(kW?h)。燃煤发电的供电煤耗和发电煤耗近年来呈现逐年下降趋势。燃煤发电环保指标采用排放绩效评价时,2015年我国燃煤发电的烟尘、SO2和NOx的排放绩效依次为0.09、0.47和0.43g/(kW?h),CO2排放绩效按照供电煤耗折算约为780g/(kW?h)水平,整体排放绩效达到世界先进水平。

燃气发电技术指标方面,我国主流采用的F级燃气轮机的单循环效率约为38%,联合循环效率约为58%。先进的G/H/J级燃气轮机单循环效率和联合循环效率分别可以达到41%和61%。燃气发电几乎不排放烟尘和SO2,采用F级燃气轮机发电的NOx排放绩效典型值约为0.30g/(kW?h),CO2排放绩效约为450g/(kW?h)水平,在环保指标方面相比燃煤发电具备一定优势。

3)前沿技术。

燃煤发电领域,近年来相关基础科学的前沿课题包括富氧燃烧、化学链燃烧、镍基高温合金等,工程相关的前沿技术包括700 ℃超超临界、二次再热、间接空冷、超低排放、碳捕集利用与封存(CCUS)、煤基超临界CO2布雷顿循环 (S-CO2 Brayton cycle)、煤气化联合循环(IGCC)、循环流化床(CFB)等。

燃气发电领域,近年来前沿技术主要包括:燃气蒸汽联合循环(NGCC)、太阳能-天然气互补联合循环(ISCC)、微燃机与分布式冷热电联供(CCHP)、煤层气发电等技术。燃气发电近年来装机容量和发电量增长较快,其中煤层气发电、页岩气发电等非常规燃气发电,有望通过利用成本相对低廉的燃气,在“十三五”后期和未来长期中不断降低单位电量成本并实现高速增长。

余热发电近年来装机容量和发电量增长迅速,在火力发电中已经占据一定比例。余热发电领域的前沿技术近年来不断涌现,主要包括有机朗肯循环(ORC)、利用余热的超临界CO2布雷顿循环、斯特林循环等。

各类火力发电前沿技术,分别具备不同的优势技术指标,其中效率和规模是决定前沿技术产业化发展的两项关键指标。效率对于发电形式的经济指标和环保指标影响显著,而规模决定了产业应用形式更适合于集中式发电或分布式发电。图1总结了各类火力发电技术形式的效率和规模范围。

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4)技术路线。

“十三五”后期和未来长期,我国需要从集中式发电和分布式发电的产业发展角度,归纳火力发电前沿技术并提出前沿技术路线。

集中式高效清洁发电路线(路线1),是将常规化石燃料利用高参数、高效率的前沿发电技术,配合先进燃烧技术、污染物控制技术和CCUS技术,实现高效清洁发电。代表性技术组合是700 ℃超超临界或煤基超临界CO2布雷顿循环技术,配合化学链燃烧或富氧燃烧、一体化脱除技术、CCUS技术等,实现供电效率提高和排放绩效降低。

集中式联合循环与多联产路线(路线2),是将常规化石燃料利用IGCC、NGCC、ISCC等联合循环技术,配合热电联产、冷热电联供、制氢技术等多联产技术,实现在较高综合效率下同时提供电能、供暖、制冷、氢气等多种产品的技术路线。

集中式非常规燃料与用途路线(路线3),是将非常规燃料(煤矸石、劣质煤、煤层气、页岩气、生物质、垃圾等)采用CFB、超临界CO2布雷顿循环、燃机燃料适应等技术,配合先进燃烧技术和减排技术,实现较高效率、较少污染和废弃物资源化发电。

分布式火力发电技术路线(路线4),是利用常规化石燃料或非常规燃料,通过小型化、多样化的分布式发电形式,配合储能技术、冷热电联供、先进热交换系统和智能微网等前沿技术,实现针对用户侧需求的灵活发电和供能。代表性技术组合,是采用微燃机、内燃机等作为分布式系统核心,配合余热回收、余热发电、储能技术、智能微网等技术,根据用户需求提供电能、供暖、制冷、动力、淡水等多样化产品。

对于以上四条前沿技术路线的产业发展前景,研究通过预测累计装机容量长期趋势的方法来进行评价分析,如图2所示。

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集中式高效清洁发电路线(路线1)核心技术短期有待突破,长期产业发展前景看好,预计将在2040年前后成为我国火力发电领域的主力形式。集中式联合循环与多联产路线(路线2)主要技术已有相对成熟的产业应用或示范工程,未来将保持稳定增长趋势。

集中式非常规燃料与用途路线(路线3)相关技术较为成熟,但针对非常规燃料和特有用途的技术改进空间仍然较大。路线3与路线2将共同成为集中式火力发电的重要组成部分。分布式前沿技术路线(路线4)的前沿技术目前还有待于成熟。预计未来路线4的累计装机容量增速将高于路线2和路线3,使得分布式火力发电成为集中式火力发电的有效补充。

4结论

1)“十三五”期间和未来长期应当重点突破和完善的关键技术,包括700 ℃超超临界、超临界CO2布雷顿循环、IGCC等前沿技术。

2)产业发展方面,“十三五”期间和未来长期我国火力发电产业,将在政策引导下逐步向着高效、清洁、低碳的方向转型升级。

3)本文总结的四条集中式和分布式前沿技术路线,可以为火力发电的研究发展战略提供参考,促进前沿技术在集中式发电和分布式发电等产业领域中的应用,推进“十三五”期间和未来长期我国火力发电产业的转型升级。

引文信息

杨倩鹏,林伟杰,王月明,等.火力发电产业发展与前沿技术路线[J].中国电机工程学报,2017,37(13):3787-3794.

Yang Qianpeng,Lin Weijie,Wang Yueming,et al.Industry development and frontier technology roadmap of thermal power generation[J].Proceedings of the CSEE, 2017,37(13):3787-3794(in Chinese).

作者简介

杨倩鹏(1989),男,工学博士,西安热工研究院有限公司与西安交通大学联合招收在站博士后,主要从事传统能源发电技术发展战略的研究工作。

林伟杰(1964),男,高级工程师,中国华能集团香港有限公司总经理,主要研究方向为电气工程。

王月明(1963),男,研究员,西安热工研究院有限公司副总经理(副院长),主要研究方向为热力发电。

何雅玲(1963),女,教授,中国科学院院士,主要研究方向为工程热物理。




责任编辑: 江晓蓓

标签: 火力发电 产业发展 前沿 技术路线

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