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深度丨火力发电产业发展与前沿技术路线

北极星电力网新闻中心  来源:《中国电机工程学报》  作者:杨倩鹏等  2017/7/13 8:31:06  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 燃煤发电 超超临界 火电行业

北极星火力发电网讯:摘要:“十三五”期间火力发电行业经历着转型升级,研究提出火力发电的技术路线,目标是为火电行业的研究发展战略提供参考。研究介绍了火力发电的产业概况和主要指标,总结了燃煤发电、燃气发电和余热发电等发电形式的前沿技术。研究讨论了各项前沿技术的效率与规模等关键技术指标,并预测了单位电量成本等关键经济指标的趋势。研究明确了700℃超超临界燃煤发电、超临界二氧化碳布雷顿循环、煤气化联合循环等前沿技术应当作为未来长期重点突破和完善的关键技术。研究提出了集中式和分布式火力发电的四条前沿技术路线,并对各条技术路线的未来长期发展前景进行了对比分析。

0 引言

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。能源发电领域中,2016年我国6MW及以上电厂的发电设备利用小时下降至3785h[1],为近四十年来最低水平。

火力发电是我国的主要发电形式,长期占据总装机容量和总发电量的七成左右比例。火力发电包括燃煤发电、燃气发电、燃油发电、余热发电、垃圾发电和生物质发电等具体形式。其中燃煤发电又可以分为常规燃煤发电和煤矸石发电,燃气发电又可以分为常规燃气发电和煤层气发电等。

“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。

1 火力发电产业概况与指标水平

1.1 火力发电产业概况

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[1]。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。

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。2016年我国火力发电装机容量为105388万kW,其中燃煤(含煤矸石)发电装机容量占89.4%;火力发电量为42886亿kW•h,其中燃煤(含煤矸石)发电量占91.1%[1]。

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[2],未来将逐步下降。2016年我国煤炭消费量下降4.7%,煤炭消费量占能源消费总量的62.0%,比上年下降2.0个百分点[3];燃煤(含煤矸石)发电装机容量占总装机容量的57.3%,比上年下降1.7个百分点;燃煤(含煤矸石)发电量占总发电量的65.2%,比上年下降2.7个百分点,均延续了下降趋势。

2016年3月,国家发改委和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[4],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。国家能源局将通过经济性、装机充裕度和资源约束三项预警指标,设置绿色、橙色和红色评级,指导地方政府和企业有序规划和建设煤电项目。

1.2 火力发电指标水平

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,目前我国采用600℃超超临界燃煤发电技术的1000MW级湿冷机组、1000MW级空冷机组、600MW级湿冷机组和600MW级空冷机组的供电煤耗典型值依次为286、298、291和299g/(kW•h)左右[5]。

燃煤发电的环保指标方面,采用排放绩效指 标[6]进行综合评价,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)[7],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。采用超低排放技术的燃煤发电机组,烟尘、SO2和NOx的排放绩效可以进一步降低至0.003、0.04和0.09g/(kW•h)[8]。

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,也是近年来燃气发电装机容量和发电量增长更为迅速的原因之一。

2 火力发电前沿技术与技术经济性分析

火力发电领域的主流技术,是指目前已经产业化建设和运行,技术、经济和环保指标较为均衡,具备较强竞争力的技术形式。相比之下,前沿技术是指在技术、经济或环保等方面更为先进,但关键技术还有待成熟完善,仍然处于实验室研究或产业化初期阶段的技术形式。

2.1 燃煤发电前沿技术

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[9-10]、化学链燃烧[11-12]、镍基高温合金[13]等,工程相关的前沿技术包括700℃超超临界[14]、二次再热[15]、间接空冷[16]、超低排放[17]、碳捕集利用与封存[18-19](carbon capture,utilization and storage,CCUS)、煤基超临界CO2布雷顿循 环[20-21](supercritical CO2 Brayton cycle,S-CO2 Brayton cycle)、煤气化联合循环[22-23](integrated gasification combined cycle,IGCC)、循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)[24]等。

高效、清洁是未来燃煤发电的主要发展方向。燃煤发电技术的蒸汽参数不断提高,供电效率也不断提升,如表1所示。700℃超超临界燃煤发电的主蒸汽温度将提高至700℃以上,供电效率将提升至50%[25]。燃煤发电供电效率的提高,将相应地带动烟尘、SO2、NOx和CO2等污染物和温室气体排放的减少[26],以及单位电量成本等经济指标的提升。相比600℃超超临界燃煤发电,700℃超超临界燃煤发电的供电煤耗可以降低约36g/(kW•h),CO2排放减少13%左右。

煤气化联合循环方面,目前IGCC示范电站效率已经可以达到42%~46%,未来有望超过50%[27]。IGCC技术在环保指标方面优势明显[28],其烟尘排放接近于零,脱硫率可达98%,脱氮率可达90%。IGCC技术还可以与CCUS技术相结合,实现CO2的近零排放。

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