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火力发电产业发展与前沿技术路线

2018-12-12 05:12admin中国电力时空网

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。

燃煤发电的经济性方面,2016年我国燃煤发电的建设成本约为4500~5000元/kW水平,单位电量成本结合2016年燃煤价格水平,按照平准化发电成本(levelized cost of electricity,LCOE)计算约为0.28元/(kW•h)水平。

火力发电产业发展与前沿技术路线

2.2 燃气发电前沿技术

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(natural gas combined cycle,NGCC)[29]、太阳能-天然气互补联合循环(integrated solar combined cycle,ISCC)[30-31]、微燃机与分布式冷热电联供(combined cooling heating and power,CCHP)[32]、煤层气发电[33]等技术。

预计到2020年,随着先进燃气轮机发电机组的建设与投运,燃气轮机单循环效率可以达到40%水平,联合循环效率可以提升至60%水平[34]。

燃气发电的经济性方面,2016年我国燃气发电的建设成本约为7000~9000元/kW水平,单位电量成本约为0.57元/(kW•h)水平,仍然属于单位电量成本较高的发电形式。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。

2.3 余热发电前沿技术

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(organic Rankine cycle,ORC)[35]、利用余热的超临界CO2布雷顿循环、斯特林循环[36]等。

其中有机朗肯循环主要利用80~350℃中低温余热,效率处于10%~20%范围[37-38]。超临界CO2布雷顿循环可以利用500~800℃热源,适合于对接600℃超超临界煤基发电、光热发电[39]、高温气冷堆核电[40]和中高温余热发电等发电形式。斯特林循环可以回收100~300℃的中低温余热,热源形式灵活,供电效率可以达到20%以上。

2.4 效率与规模对比分析

各类火力发电前沿技术,分别具备不同的优势技术指标。在各项技术指标中,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。

效率方面,通常发电技术的机组规模越大、热源温度越高、梯级利用越完善时,能量转换效率就越高。从效率角度来看,700℃超超临界、IGCC、NGCC、超临界CO2布雷顿循环、热电联产、冷热电联产等前沿技术的效率普遍接近或超过50%,未来有望成为代表性的高效火力发电技术。效率较低的技术形式,则将更多地应用于特定领域,例如CFB技术应用于煤矸石发电、生物质发电和垃圾发电等领域,成为火力发电产业中的有力补充。

规模方面,微燃机、内燃机、ORC、斯特林循环等技术形式的单机规模通常小于10MW,更适用于分布式发电;常规燃煤发电、CFB、IGCC、燃气轮机、NGCC、热电联产、冷热电联产、超临界CO2布雷顿循环等技术形式的单机规模通常大于10MW,更适用于集中式发电。

火力发电产业发展与前沿技术路线

2.5 单位电量成本长期预测

火力发电的单位电量成本,可以按照常用的平准化发电成本(LCOE)计算。火力发电的成本主要来自于建设、燃料、运输、运行、维护等部分,并且兼顾折现率、残值率等经济性因素,发电量则受规模、效率、利用小时数等因素影响。

以供电煤耗300g/(kW•h)的常规燃煤发电为例,燃煤价格为600元/t时单位电量成本中燃料成本部分为0.18元/(kW•h)。按照建设成本为5000元/kW、年利用小时数为4000h、寿命为40年计算,建设成本对单位电量成本的贡献,不考虑经济性因素时约为0.03元/(kW•h),考虑经济性因素时约为0.06元/ (kW•h)。计算其他部分成本并综合经济性因素,就可以得到单位电量成本。

参考火力发电前沿技术的技术指标和应用情况,估算当前或初始应用时的单位电量成本,并结合对建设成本、供电效率、燃料价格等关键因素的走势判断,分析主要前沿技术形式的单位电量成本在“十三五”期间和未来长期的趋势,如图2所示。为便于对比,图2以600℃超超临界发电技术为例,分析预测了当前主流技术形式的单位电量成本的未来长期趋势。

600℃超超临界燃煤发电等主流技术的技术经济性未来提升空间有限,单位电量成本中建设成本

占25%左右,燃料成本占65%左右,这两部分成本稳定的情况下,单位电量成本预计将随着环保费用提高而缓慢上升。

如果在2025年前后700℃超超临界技术中的镍基高温合金等关键问题得到解决,700℃超超临界技术将在效率、环保等方面具备较强竞争力。700℃超超临界机组的过热器/再热器、主蒸汽/再热蒸汽管道和集箱、汽轮机高温段等需要采用镍基合金材料,占机组高温段合金材料的29%左右[25]。

600℃超超临界机组的建设成本中,设备成本占40%左右,约为2000元/kW,安装、建筑和其他成本占60%左右。设备成本中,采用铁素体合金钢(80%)和奥氏体合金钢(20%)材料的高温段设备制造成本约占50%,折合1000元/kW。

700℃超超临界机组的高温段合金材料替换为铁素体合金钢(56%)、镍基高温合金(29%)和奥氏体合金钢(15%)后,由于镍基合金材料部分的相关成本将上升10倍以上,高温段设备成本将上升至 3700元/kW以上,建设成本也将相应上升至7700元/kW以上。

火力发电产业发展与前沿技术路线

结合经济性因素,建设成本对单位电量成本的贡献将上升至0.10元/(kW•h)以上,示范工程阶段的700℃超超临界机组的单位电量成本将达到0.30~ 0.40元/(kW•h)水平。未来随着镍基合金材料成本的降低,以及700℃超超临界技术在燃料成本和环保费用等方面的优势的发挥,700℃超超临界技术预计将成为火力发电前沿技术中单位电量成本最低的技术形式之一。

600℃煤基超临界CO2布雷顿循环技术,预计将在2025年前后走向成熟并开始示范应用。图2中S-CO2布雷顿循环技术的单位电量成本趋势,预计也将随着效率优势发挥和部件规模化生产而逐步降低。考虑到我国以煤炭为主的资源国情,IGCC技术应用前景良好,建设成本将随着技术进步和规模化应用而逐步下降,单位电量成本也将逐步接近或低于燃气发电。

以微燃机为代表的分布式发电技术,单位电量成本将随着技术成熟和产业化应用而稳步下降,但仍将属于成本较高的发电形式。NGCC技术由于效率较高,将保持为燃气发电中单位电量成本最低的技术形式。

采用有机朗肯循环或斯特林循环的中低温余热发电前沿技术,在2025年前还有待于进一步成熟,未来将以辅助和分布式用途为主,经济性有望逐步接近燃气发电水平。

3 火力发电前沿技术路线

“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,从而明确火力发电的技术研究和产业发展的战略方向。

3.1 集中式技术路线

本研究提出的集中式火力发电技术路线,可以分为集中式高效清洁发电路线、集中式联合循环与多联产路线和集中式非常规燃料与用途路线。

集中式高效清洁发电路线,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。这一技术路线的代表性技术组合是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,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,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。

3.2 分布式技术路线

分布式火力发电技术路线,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。

分布式火力发电技术路线的代表性技术组合,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。

3.3 技术路线对比与展望

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3所示。综合中国科学院[41]和中国工程院[42-43]的相关能源发展研究的预测,2050年我国火力发电累计装机容量预计约为10亿kW,占发电总装机容量的35%左右。

结合目前我国燃煤发电产业中亚临界、超临界和超超临界机组的装机容量和机组寿命,到 2050年四条前沿技术路线的累计装机容量之和预计将达到5亿kW水平,与采用传统技术机组的累计装机容量相近,初步实现火力发电产业的转型 升级。

集中式高效清洁发电路线(路线1)的核心技术包括700℃超超临界、超临界CO2布雷顿循环、CCUS技术、化学链燃烧、富氧燃烧等,短期有待于进一步突破,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)的主要技术如NGCC、IGCC、热电联产等,已有相对成熟的产业应用或示范工程,现有装机容量高于其他路线。未来随着ISCC、冷热电联供、制氢技术等前沿技术的逐步成熟和产业化,路线2的累计装机容量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),目前相关技术较为成熟,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的累计装机容量增长趋势预期将与路线2相近,两者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)中的微燃机、ORC、斯特林循环、储能技术、智能微网等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。

火力发电产业发展与前沿技术路线

4 结论

综上所述,根据火力发电各项前沿技术的技术经济性特点以及研究应用的不同阶段,“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。

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。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。

杨倩鹏1, 林伟杰2, 王月明1, 何雅玲3

1.西安热工研究院有限公司,陕西省 西安市 710054

2.中国华能集团香港有限公司,香港特别行政区 999077

3.西安交通大学能源与动力工程学院,陕西省 西安市 710049

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来源:《中国电机工程学报》 作者:杨倩鹏等