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各國超(超)臨界燃煤發電技術發展與展望
時間:2020-12-28 08:43:42

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高效燃煤發電技術一直是能源高效利用的先鋒。當前主流的超(超)臨界燃煤發電技術發展經歷了3個階段,技術在全球范圍內逐漸成熟;在材料工業發展的支持下,朝著700 ℃等級先進超超臨界技術的方向發展;并已逐步解決商業化應用的關鍵技術難題,邁向第4個重要發展階段。受制于如鋼材和加工等基礎工業領域的薄弱條件,中國在高效燃煤發電技術研發方面長期落后于發達國家;但經過長期追趕,當前已逐漸接近世界先進水平,且在700 ℃等級先進超超臨界技術研發方面,也取得了可喜成績。在高效燃煤發電技術應用等方面,中國近四十年來發展迅猛,當前中國的煤電機組煤耗水平已達到歐洲諸國的先進水平。進一步發展材料等基礎工業,從主機設備、系統布置等方面進行設計創新,仍然是高效燃煤發電技術發展的關鍵。

能源安全是關系國家經濟社會發展的全局性、戰略性問題。面對能源供需格局新變化、國際能源發展新趨勢,保障國家能源安全,必須推動能源生產和消費革命。作為中國最主要的一次能源消費和二次能源供應者,燃煤發電的生產革命,對我國全局的能源生產革命具有決定性作用。燃煤發電的生產革命本質上就是要提高燃煤發電效率,而更高參數的超超臨界發電技術無疑是高效燃煤發電技術的主要發展方向。

為了探索中國燃煤發電技術的發展道路,本文首先對當前主流的超(超)臨界燃煤發電技術在世界范圍內的發展脈絡進行梳理;其次對當前世界上燃煤發電主要經濟體的技術發展過程進行系統分析,并將中國與世界主要經濟體燃煤發電產業的能耗水平進行系統比較;最后提出燃煤發電行業超超臨界燃煤發電技術的主要發展方向。

1、超(超)臨界發電技術發展階段

世界上超(超)臨界發電技術的發展過程大致可以分成3個階段:

第1個階段,從20世紀50年代開始,以美國、德國和前蘇聯等為代表。1949年前蘇聯就安裝了第1臺超超臨界直流鍋爐試驗機組,機組參數為29.4 MPa/600 ℃ (12 t/h)。當時的起步參數就是超超臨界參數,但隨后由于電廠可靠性的問題,在經歷了初期超超臨界參數后,從60年代后期開始,美國超臨界機組大規模發展時期所采用的參數均降低到常規超臨界參數。直至80年代,美國超臨界機組的參數基本穩定在這個水平。此時,美國投運超臨界機組達166臺,前蘇聯投運機組達187臺。

第2個階段,大約是從20世紀80年代初期開始。由于材料技術的發展,尤其是鍋爐和汽輪機材料性能的大幅度改進,及對電廠水化學方面的認識的深入,克服了早期超臨界機組所遇到的可靠性問題。同時,美國對已投運的機組進行了大規模的優化及改造,可靠性和可用率指標已經達到甚至超過了相應的亞臨界機組。通過改造實踐,形成了新的結構和新的設計方法,大大提高了機組的經濟性、可靠性、運行靈活性。其間,美國又將超臨界技術轉讓給日本(通用電氣(GE)向東芝(Toshiba)、日立,西屋向三菱),聯合進行了一系列新超臨界電廠的開發設計。這樣,超臨界機組的市場逐步轉移到了歐洲及日本,涌現出了一批新的超臨界機組。

第3個階段,大約是從20世紀90年代開始進入了新一輪的發展階段。這也是世界上超超臨界機組快速發展的階段,即在保證機組高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽溫度和壓力。其主要原因在于國際上環保要求日益嚴格,同時新材料的開發成功和常規超臨界技術的成熟也為超超臨界機組的發展提供了條件。主要以日本(三菱、東芝、日立)、歐洲(西門子、阿爾斯通)的技術為主。

截至2018年底,全世界(除中國外)已投入運行的超臨界及以上參數發電機組大約有620多臺。其中美國有170多臺,日本和歐洲各約60臺,俄羅斯及原東歐國家280余臺。目前發展超超臨界技術領先的國家主要是日本、德國等。世界范圍內(除中國外)屬于超超臨界參數的機組大約有70余臺。在中國,超超臨界技術的應用起步較晚,但發展速度迅猛。據中國電力企業聯合會(中電聯)統計,2018年底中國已投產的超超臨界機組已達160余臺,占中國火電機組裝機容量的45%,其中1 000 MW及以上機組超過100余臺。中國已是世界上1 000 MW超超臨界機組發展最快、數量最多、容量最大和運行性能最先進的國家。

為進一步降低能耗和減少污染物排放,改善環境,在材料工業發展的支持下,各國的超(超)臨界機組都在朝著更高參數的技術方向發展。當前世界主要經濟體正在開展的700 ℃等級先進超超臨界技術研發過程,可以認為是超(超)臨界技術發展的第4個重要階段。

2、主要經濟體燃煤發電技術發展情況

歐洲高效燃煤發電技術的發展

基于二戰后比利時、法國、西德、意大利、瑞士和盧森堡等于1951年簽訂的《巴黎協定》,1952年歐洲煤鋼聯盟(ECSC)成立。受歐洲煤鋼聯盟的資助,歐洲于20世紀50年代開始研發適用于超超臨界機組的鋼材。1983年歐洲鋼鐵聯盟在西德、英國和意大利啟動91級鋼鐵協作研發計劃,并最早應用于法國科涅(Cogne)電廠。這些工作都為超超臨界機組的研制奠定基礎。作為歐洲煤鋼聯盟的繼任者,歐洲煤炭鋼鐵基金(RFCS)于2002年成立,進而每年資助歐洲煤炭和鋼鐵行業涉及安全、高效、有競爭優勢的研發項目。

針對超超臨界和先進超超臨界(A-USC)的研發,歐洲科學技術合作組織(European Cooperation in Science and Technology,COST)計劃和Joule-Thermie AD700計劃啟動。其中COST計劃始于1971年,歷經COST 50(1971年啟動)、COST 501(1980—1997年,I-III期)、COST 505(1982—1986年)、COST 522(1999—2003年)和COST 536(2004—2009年)等研發項目。通過這些工作的開展,使得合金材料耐高溫等特性逐步提高,從而實現燃煤/燃氣機組的熱效率提高10%左右。

2011年以前,歐洲投運的容量1 000 MW以上的超超臨界機組為NIEDERAUSSEM-#K機組。機組容量1 025 MW,主蒸汽壓力26.5 MPa,主/再熱蒸汽溫度576 ℃/599 ℃。此機組為德國實施火力發電深度節能優化計劃(簡稱“BoA”計劃)第1期的依托工程。在總結吸收NIEDERAUSSEM-#K機組的經驗基礎上,進行了進一步的改進和優化,第2期“BoA”計劃的依托工程為Neurath #F、G機組,容量增加到1 100 MW,主蒸汽和再熱蒸汽參數提高到600 ℃和605 ℃,電廠供電效率達到43%,污染物排放更低。同時,新建機組開始實施在現有材料基礎上,主蒸汽壓力進一步提高,再熱蒸汽溫度提升到620 ℃的方案。GE在德國卡爾斯魯厄投運的RDK8燃煤電廠機組容量為919 MW,運行效率達到47.5%(低位熱值,LHV)。另外丹麥的Nordjylland電廠3號機組雖然機組容量不大,但是采用了二次再熱、深海水冷卻等技術,是目前世界上機組效率最高的燃煤電廠之一。

在1997年歐洲許多國家都簽訂《京都議定書》的背景下,大幅減排CO2面臨巨大挑戰。為此,歐盟于1998年1月啟動AD700先進超超臨界發電計劃,其主要目標是研制適用于700 ℃鍋爐高溫段、主蒸汽管道和汽輪機的奧氏體鋼及鎳基合金材料,設計先進的700 ℃超超臨界鍋爐及汽輪機,降低700 ℃機組的建造成本,最終建成35 MPa/705 ℃/720 ℃等級的示范電站,結合煙氣余熱利用、降低背壓、降低管道阻力、提高綜合給水溫度等技術措施,使機組效率達到50%(LHV)以上。原計劃通過示范電站的運行和技術完善,在2011年左右實現機組商業化運行。

AD700計劃主要包括概念設計與高溫材料研發(第1階段,1998—2004年)、鍋爐設計與高溫材料性能測試(第2階段,2002—2005年)、關鍵部件的中試實驗(第3階段,2004—2008年)、700 ℃超超臨界示范電站的建設(第4階段,2006—2011年)、示范電站的運行(第5階段,2012—2014年)和技術反饋(第6階段,2012—2014年)。材料部分主要通過比選市場上已有或者研發新的鋼/合金材料以滿足相應抗高溫蠕變斷裂特性。具體包括滿足在100 MPa/650 ℃條件下安全運行10萬h的鐵素體鋼、滿足在100 MPa/700 ℃條件下安全運行10萬h的奧氏體鋼和滿足在100 MPa/750 ℃條件下安全運行10萬h的高溫合金鋼。

通過材料實驗研究發現,鍋爐部分涉及的昂貴的鎳基合金鋼(617、263和740合金)和奧氏體鋼(Sanicro25)都通過了實驗測試,然而所選用的幾種鐵素體鋼材(含12%鉻)在經歷1萬~2萬h以后都存在微結構不穩定性而導致蠕變特性下降(也有報道稱鎳基管道在部件驗證實驗回路中出現了裂縫)。汽輪機部分關于閥門、高/中壓轉子、焊接等相關實驗研究都順利完成。其他關于鍋爐、汽輪機的整體設計和具體加工制造方案和關鍵部件的中試實驗等都已經順利完成。

在熱力系統研究過程中,丹麥DONG能源公司提出了通過在給水泵汽輪機上打孔抽汽以降低再熱段(中、低壓缸)回熱?損失的MC系統。如果小汽輪機效率能提高到一定水平,可實現在同等材料基礎上將機組熱效率提高1.4%左右。通過與AD700原計劃的方案結合,并采用海水冷卻等措施,可進一步將系統熱效率提高至55%。然而由于高溫合金鋼和奧氏體鋼價格昂貴,而相對便宜等級的鐵素體鋼性能還沒有達到預期目標,整個項目的投資會大大增加,導致本計劃一再推遲。目前還沒有興建A-USC示范電廠的具體計劃。

日本高效燃煤發電技術的發展

日本燃煤發電裝機容量在1960年之前非常少。受20世紀70年代石油危機的影響,日本開始大規模建造燃煤機組以保障能源安全。日本大部分燃煤機組在20世紀50年代末就已從538 ℃提高到566 ℃。而到1993年以后,新建的燃煤機組一般都采用超超臨界25 MPa/600 ℃/600 ℃等級的參數,機組熱效率達到42%(HHV)。到2004年,日本約四分之一的電力由燃煤機組供應,其中有近一半的機組為超超臨界機組。2011年福島地震以后,幾乎所有的核能發電站都被關閉,直到2015年仙臺核能發電站經過政府嚴格審查后才重新啟動。為此燃燃氣發電站、燃煤電站和燃油電站等幾乎全負荷工作以滿足電網需求。近幾年燃煤機組的發電量已占30%以上。

在超超臨界技術發展成熟以后,同時也受歐洲AD700計劃的影響,日本鍋爐制造廠、汽輪機制造廠、閥門制造廠、研究所、高校和相關事業單位在政府支持下于2008年聯合啟動700 ℃ A-USC研發計劃。A-USC計劃的目標是在600 ℃等級超超臨界技術的基礎上將燃煤電站的參數提高到35 MPa/700 ℃/720 ℃/720 ℃等級(二次再熱),將機組熱效率提高到46%~48%(高位熱值,HHV)。研發計劃成立A-USC委員會,下設汽輪機、鍋爐、閥門和鍋爐部件測試等分委員會。

鍋爐部分的工作主要包括系統設計、材料特性研究、管/板焊接、關鍵部件成型、抗氧化/腐蝕/疲勞/蠕變實驗等研究工作。鍋爐材料部分重點對鎳基合金(HR6W、HR35、617合金、263合金、740合金和141合金)和鐵素體鋼(High-B-9Cr、Low-C-9Cr和SAVE12AD)等進行了研究。再熱器、主管道、閥門和套管等都在2015—2016年通過了實爐試驗。汽輪機部分的工作主要包括系統設計、轉子鍛造、轉子焊接與加工、閥門/內缸/噴嘴室鑄造、材料的抗氧化/疲勞/蠕變等研究。

汽輪機部分重點研究了適用于700 ℃高溫段的鎳基(FENIX-700、LTES和TOS1X)等材料。鎳基FENIX-700是在706合金的基礎上減少了鈮的成分,并增加了鈦和鋁的成分,在700 ℃下具有最好的長期穩定性。汽輪機的轉子實驗已于2016年在電加熱試驗臺上完成。另外相關高溫段的閥門采用如鎳基材料、鎢鉻鈷合金和表面涂層處理材料也通過了實驗測試。通過上述研究發現,鎳基合金、先進的9鉻合金鋼及其整個鑄造、加工等環境是本項目的關鍵。

美國高效燃煤發電技術的發展

美國在超(超)臨界技術的研發起步較早,目前世界上多個技術流派都源自于美國。但受國內資源稟賦等多種原因的影響,自20世紀90年代以來,美國高效燃煤發電機組的發展較為緩慢。目前美國擁有世界上單機容量最大的1 300 MW超臨界雙軸機組。但由于這些機組均為20世紀70年代至90年代初投入運行的,雖然單機容量為目前世界最大,其技術水平與目前世界先進的高效燃煤發電水平有較大差距。

2001年美國能源部(DOE)和俄亥俄煤炭發展辦公室(OCDO)聯合主要電站設備制造商、美國電力研究院(EPRI)等單位啟動先進超超臨界燃煤發電機組US DOE/OCDO A-USC研究項目,并成立US DOE/OCDO A-USC聯盟。該項目的最終目標是開發蒸汽參數達到35 MPa/760 ℃/760 ℃的火力發電機組,效率達到45%(HHV)以上。計劃到2015年,完成先進超超臨界機組所涉及的材料的所有方面性能研究工作,包括長期的機械性能變化情況測試,材料微觀結構發展過程的深入研究,氧化和脫落特性的研究,向火側腐蝕特性的實爐研究,各種焊接過程和焊接性能研究,涉及轉子加工過程的模具、鍛造和性能測試等研究,鑄造成型和表面處理等工作。

相關研究工作主要分為鍋爐和汽輪機2個部分。鍋爐部分從2001年啟動,并于2015年全部完成。主要包括概念設計和經濟性分析、高溫合金的機械特性、蒸汽側的氧化和抗氧化特性、向火側的抗腐蝕特性、焊接性能、可加工特性、表面處理特性、設計數據和標準。汽輪機部分分為2個階段。第1階段從2005—2009年。主要完成方案設計和經濟性分析,非焊接轉子的材料研究,焊接轉子的材料研究,鑄造、氧化和固體顆粒侵蝕等工作。由于第1階段完成后,阿爾斯通(Alstom)和西門子(Siemens)終止參與,所以第2階段從2010年開始又根據第1階段研究的優選材料針對GE開發的螺栓連接的轉子開展相關性能研究。第2階段的具體研究內容包括轉子/壓力盤測試(全尺寸鍛造成型和示范)、葉片和螺栓的長時間測試、汽輪機缸體和閥體的鑄造、套管焊接和鑄造修復等工作。上述工作已全部于2015年完成。

通過上述研究,US DOE/OCDO A-USC聯盟完成了先進超超臨界電廠基于鎳基合金的焊接和制造相關示范工作,完成了基于世界上第1臺760 ℃汽冷腐蝕測試實驗系統的高溫合金材料向火側腐蝕特性實爐研究,完成了高溫時效硬化合金、用于鍛造轉子的新型材料的鑄造技術研發,以及作為核心材料的耐760 ℃電廠用鉻鎳鐵合金740H的驗收標準。基于上述14年研發工作的順利開展,目前美國US DOE/OCDO A-USC聯盟正在開展相關關鍵部件實驗平臺的建造工作。

中國高效燃煤發電技術的發展

中國從1992年開始興建超臨界機組,直到21世紀初才開始引進超臨界/超超臨界技術。2004年首臺國產超臨界機組投產后,國家科技部又將“超超臨界燃煤發電技術”列入“十五”863項目,極大促進了我國600 ℃/600 ℃一次再熱超超臨界機組的引進和消化吸收。國內主機廠通過不同的合作方式引進、消化并吸收國外技術,逐步實現了超超臨界機組的國產化。

最初東方電氣集團、哈電集團現有超超臨界機組汽輪機進口參數為25 MPa、600 ℃/600 ℃,相應鍋爐的設計參數為26.25 MPa、605 ℃/603 ℃。上海電氣集團超超臨界機組汽輪機進口參數選用26.25~27 MPa、600 ℃/600 ℃的方案,相配套的鍋爐其主蒸汽壓力約27.5~28.35 MPa。在引進消化、吸收以后,三大制造廠在新項目中逐步開展了優化設計研究,比如將主蒸汽壓力從25 MPa逐步提高到28、31 MPa,將再熱蒸汽溫度從600 ℃逐步提高到615、620 ℃等。如浙江長興電廠2014年投產的660 MW超超臨界機組將主蒸汽參數提高到28 MPa/600 ℃/620 ℃,泰州電廠2015年投產的1 000 MW超超臨界二次再熱機組將主蒸汽參數提高到31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃,發電效率已達到47.8%。

目前中國已是世界上1 000 MW超超臨界機組發展最快、數量最多、容量最大和運行性能最先進的國家。我國25~31 MPa/600 ℃等級超超臨界發電技術已經逐步成熟,同時具備了630 ℃超超臨界機組的研發能力。大唐鄆城35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃超超臨界二次再熱國家電力示范項目已于2019年獲批。目前正在開展630~650 ℃材料的研制和開發,建設630~650 ℃機組已成為下一步電站建設的重要目標。

我國超臨界和超超臨界發電技術比發達國家起步晚,但利用國內市場提供的巨大舞臺,通過前期的技術轉讓以及后期的自主研發,目前具有先進水平的設計制造平臺、全球600 ℃超超臨界機組最多的設計運行經驗,為我國700 ℃超超臨界燃煤發電技術的發展奠定了良好的基礎。為此,我國從2010年7月23日在北京成立“國家700 ℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟”,其組成單位包括五大發電集團、三大動力集團,以及重點電力設計和研究單位、材料研究和冶煉單位等。2011年6月24日國家能源局在北京組織召開了國家700 ℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟第1次理事會議和技術委員會會議,正式啟動700 ℃超超臨界燃煤發電技術研發計劃的工作。根據700 ℃高效超超臨界發電技術的難點及與國外差距,我國初步確定700 ℃計劃示范機組容量采用600 MW等級,壓力和溫度參數為35 MPa/700 ℃/720 ℃,機組采用緊湊型布置,再熱方式按照一次再熱和二次再熱2種方案開展研究,并制定了初步研發進度。原計劃在“十二五”末建立660 MW,35 MPa/700 ℃/720 ℃的示范電站,但由于耐高溫材料等研制的影響,項目進度一再推遲,目前尚未獲悉該示范機組建設的具體進展。

根據700 ℃超超臨界燃煤發電技術的目標要求,國家能源局設立了“700 ℃超超臨界燃煤發電關鍵設備研發及應用示范”重點研發項目。該項目內容主要包括機組總體方案設計研究、關鍵材料技術研究、鍋爐關鍵技術研究、汽輪機關鍵技術研究、關鍵部件驗證試驗平臺的建立及運行、示范電站建設的工程可行性研究等6個方面。從2012年開始,中國鋼鐵研究院、撫順特殊鋼廠、內蒙古重工、寶鋼、中國一重、中國二重、中科院金屬所等聯合開發700 ℃超超臨界燃煤發電技術所需的耐高溫材料。同時還引進了740H、617B、Sanicro25、Haynes282、Nimonic80A等鎳基或鐵鎳基高溫合金材料,并組織西安熱工研究院、上海成套院、哈爾濱鍋爐廠等單位對其成分、力學及持久性能等開展詳細分析。目前,我國寶鋼集團、太鋼集團等冶金/制造企業已試制出了鎳基高溫材料的管材。中科院金屬研究所通過對984合金改進得到984G合金。寶鋼集團也試制出了984G管材,并正在進行相關性能試驗。華能清能院聯合東鍋和西北電力設計院,完成了700 ℃緊湊型超超臨界煤粉鍋爐的初步設計。依托南京電廠的700 ℃實爐超超臨界燃煤發電機組關鍵部件驗證實驗平臺于2015年底建成投運,并2017年10月通過專家鑒定。2018年2月科技部對“863”計劃項目“700 ℃超超臨界發電關鍵技術研究”進行了驗收,提出了一套自主設計的700 ℃超超臨界鍋爐、汽輪機、高溫蒸汽管道系統的關鍵部件選材方案,為進一步開展700 ℃等級高效超超臨界發電關鍵技術的研究奠定了良好的基礎。

材料和制造技術是發展先進機組的技術核心,而我國的高溫材料基礎研究薄弱。自主產權高溫材料數據庫的缺乏,成為制約700 ℃超超臨界發電技術的瓶頸。目前國內外700 ℃材料都不太成熟,而且價格及其昂貴。從主機設備、系統布置等方面進行設計創新,努力減少高溫材料的使用,降低工程投資,是目前全世界共同研究的方向之一。

3、世界主要國家燃煤機組發電煤耗對比分析

在電力行業,燃煤機組發電煤耗每下降10 g/(kW?h),意味著技術領先一個時代。根據國際能源署(IEA)提供的燃煤機組煤炭消耗及發電量,選取中國、美國、澳大利亞、日本、韓國、印度、法國、德國、北歐(丹麥、瑞典、芬蘭、挪威)、英國和愛爾蘭等世界主要國家和地區的相關數據,并參考日本MRI研究協會分析報告所提出的方法計算了各個國家燃煤機組的發電效率,整理得到上述國家燃煤機組的煤耗情況。考慮到有些地區的電網交叉性很強,難以分割,如北歐四國地區,以及英國和愛爾蘭地區,本文分別將這些地區合并討論。并對所選擇國家的煤耗情況進行直接代數平均和加權平均(即總量平均)作為2個參考指標。根據IEA的統計數據(官網更新至2017年),本文所選擇的14個國家化石燃料的發電量占全世界化石燃料發電量的66%左右,具有較強的代表性。另外,由于缺乏各個國家燃煤機組廠用電率的統計數據,本節主要對比的是發電煤耗的情況。

由于歐洲燃煤技術發展總體水平較高,為了方便討論,將中國燃煤發電的煤耗情況與歐洲主要國家和歐洲以外主要國家分別進行對比分析。圖1為中國與美國、澳大利亞、日本、韓國和印度等非歐洲主要國家平均發電煤耗的對比情況。

(圖1 中國與美國、澳大利亞、日本、韓國和印度等非歐洲主要國家平均發電煤耗比較)

從圖1可以看出:

1)中國在20世紀90年代燃煤機組發電煤耗水平總體落后,只比韓國的低。但由于韓國當時裝機容量基數很小(年耗煤量只有600萬t,僅相當于中國的4%,IEA數據),受當時韓國經濟發展需求的拉動,1995年比1990年新增裝機容量1.8倍左右(根據IEA提供燃煤發電消耗量和總效率估算)。大量高效新機組的投運推動了燃煤機組整體效率的大幅提高,發電煤耗從1990、1991年的500 g/(kW?h)左右飛速降低至1995年的335 g/(kW?h)。以至于中國從1993年開始成為圖1中煤耗最高的國家。

2)自1995年以來中國發電煤耗總體上持續穩定下降(圖中的幾個波動點疑似統計出入),分別在2006年后開始明顯低于印度,在2007年后開始明顯低于澳大利亞,在2011年后明顯低于美國,與韓國相近。雖然自2010年以后印度燃煤機組的發電煤耗也開始穩定持續下降,但與中國仍有較大差距。然而,由于日本自20世紀80年代以后,燃煤機組已全部更新為超臨界機組,因而燃煤機組總體煤耗水平較低。自1993年以后日本開始大力發展大容量超超臨界機組(同時也建造了少量增壓流化床聯合循環亞臨界機組),使得日本燃煤機組的發電煤耗開始進一步穩定下降。雖然總體下降幅度不大,但由于其早期煤耗水平較低(1993年為311 g/(kW?h)),一直保持著世界領先的地位。截至2017年,日本燃煤機組的平均發電煤耗已經下降至284 g/(kW?h)。

3)美國和澳大利亞等國家自20世紀90年代以來幾乎沒有新建火力發電機組。其中澳大利亞總體電力工業除了在可再生能源領域有所增長之外,總體電力裝機增長很小;而美國自2000年以后的電力增長點主要集中在燃氣機組方面,從而導致這2個國家的發電煤耗水平基本維持不變,甚至澳大利亞燃煤機組因老化而導致煤耗一定程度升高。

圖2為中國與歐洲主要國家燃煤機組發電煤耗的對比情況。

(圖2 中國與歐洲主要國家燃煤機組發電煤耗的比較)

從圖2可以看出:

1)歐洲各國的發電煤耗總體較低。雖然德國在1990年發電煤耗相對較高,但經過20世紀90年代開展的一些列深度節能降耗措施,如燃煤鍋爐余熱利用提效的“BoA”計劃等,使得德國燃煤機組的煤耗水平在裝機容量沒有明顯增加的情況下發電煤耗從356 g/(kW?h)大幅降低至318 g/(kW?h)左右。但由于燃煤機組的節能潛力已經挖掘完,且又沒有大量新建先進機組拉動,導致其發電煤耗近十幾年來沒有明顯變化。歐洲其他幾個國家由于燃煤機組近二十多年都沒有明顯變化,因而其發電煤耗也一直維持平穩。其中法國燃煤機組容量太小(1 GW量級),容易受負荷率、機組更新等變化影響波動較大。而北歐的裝機容量也只有法國的2倍左右,其煤耗總體最低。

2)中國的發電煤耗水平與歐洲國家相比長期處于大幅落后狀態。在2007年以后由于大量小機組的關停,導致煤耗直線下降。又隨著近幾年煤耗的穩步下降,到2017年已經與歐洲總體相當。

圖3為中國發電煤耗與所選的10個國家和地區發電煤耗平均水平的比較情況。其中選取國家代數平均為基于IEA數據選取的美國、澳大利亞、中國、日本、韓國、印度、英國和愛爾蘭地區、法國、德國、北歐四國地區等14個國家和地區燃煤機組發電煤耗數據的代數平均情況,其主要反映了世界各國的技術水平分布情況,但不能反映世界燃煤發電的總體煤耗情況。而選取國家的加權平均考慮了各個國家燃煤發電量的權重,但易受如中國、美國等能源消耗大國的主導,從而難以體現日本等先進國家對總體的影響。其中中國-IEA數據與其他國家的數據都是基于IEA提供能源平衡數據整理而得,而中國-中電聯數據是根據中電聯發布的歷年電力工業快報統計而出。從圖3中可以發現,中電聯的統計數據與基于IEA數據整理的結果有較大誤差,但總體趨勢越來越接近,其中2017年的誤差約14 g/(kW?h)。結合項目組到國內各家電廠調研的情況,綜合認為中電聯統計的數據存在10 g/(kW?h)以上的水分。而IEA的數據則可能因口徑統計偏差會存在一定的誤差,但總體上更為可靠。

先統一采用IEA的數據來源,將中國與所選取國家和地區發電煤耗的加權平均情況相比較。可以看出,在20世紀90年代,中國燃煤工業的發電煤耗水平與世界平均水平差距較大,相差約70 g/(kW·h)。隨著中國電力工業近三十年的飛速發展,燃煤工業的發電煤耗逐漸下降,也與世界所選國家和地區加權平均水平逐漸減小。特別是通過“十一五”期間大規模關停小火力發電機組,并新建大量大容量、高參數的高效燃煤機組,2010年中國燃煤工業的發電煤耗已經開始低于世界加權平均水平。

(圖3 中國發電煤耗與世界主要國家平均水平的比較 )

對比世界所選國家和地區燃煤機組發電煤耗的加權平均與代數平均的情況可以看出,在20世紀90年代時二者并無明顯差別,但隨著中國、印度等國家裝機容量的大幅增長,而其他發電煤耗較低的國家裝機容量總體增長不明顯,導致發電煤耗的加權平均值受中國、印度煤耗較高的影響越來越明顯,高于代數平均值,在1995—2005年期間長期高20 g/(kW·h)左右。然而,隨著中國發電煤耗水平的大幅下降,所選國家燃煤機組發電煤耗的加權平均與代數平均差距在2005年以后越來越小。直至2013年,中國燃煤機組的發電煤耗開展降低至所選國家燃煤機組發電煤耗的加權平均水平,中國燃煤機組的發電煤耗水平開始對世界燃煤機組發電煤耗的加權平均值進行反向拉動。預期再過幾年,選取國家燃煤機組發電煤耗加權平均水平有可能受中國發電煤耗持續下降的影響低于代數平均值。

根據IEA數據,2017年全世界發電量共約25 721 TW·h,其中燃煤機組的發電量約占38%,約9 863 TW·h。而2017年中國燃煤機組的發電量就達4 509 TW·h,約占全世界燃煤機組發電量的46%。中國燃煤機組的節能降耗情況直接影響全世界燃煤機組的總體能耗水平。根據中國燃煤機組發電煤耗水平與所選時間各國的對比情況來看,中國燃煤機組的發電煤耗已經達到世界平均水平,明顯低于澳大利亞、印度等相對落后的國家,與歐洲主要國家接近,與日本等領先水平還存在25 g/(kW·h)左右的差距(2017年水平)。總體上看,中國燃煤機組的煤耗水平還有一定的下降空間。

4、結論與展望

1)總體上看,美國是超(超)臨界技術發展最早的國家,但是受資源結構的影響,美國燃煤發電裝機發展較為緩慢,且能耗水平早已被諸多國家趕超,但其超超臨界燃煤發電技術卻一直保持著世界領先水平。歐洲在超(超)臨界技術發展上同樣起步較早,基礎雄厚,且是700 ℃等級超超臨界技術的最早提出與踐行者;許多燃煤發電機組先進的節能理念都源自于歐洲,其煤耗水平一直處于世界先進行列。日本在19世紀80年代繼承了美國先進的技術后,開展了燃煤發電機組的全面升級,其發電煤耗水平很快領跑國際;其先進700 ℃等級超超臨界技術雖然起步較晚,但發展迅速,已順利完成關鍵技術開發,制造能力上已達到與美、歐三分天下的水平。中國的電力工業發展雖然不晚,但受近百年來的世界格局影響,整體工業水平長期落后于發達國家。超(超)臨界技術的早期發展也主要依賴于引進國外技術及關鍵材料。然而,近四十年來,受我國整體經濟高速發展的刺激,電力工業一直是我國工業發展的先鋒,裝機容量發展迅速,發電煤耗長期持續大幅下降,電力工業整體運行狀況已達到世界先進水平。

2)國家能源局“十四五”電力規劃啟動會指出,加速電力綠色轉型升級,重點在推動煤電清潔高效發展。提高機組參數是促進超超臨界燃煤發電技術高效化的主要舉措。目前,中國是全球最大的已安裝發電基地,正在開展700 ℃等級先進超(超)臨界技術研發。盡管示范機組建設項目已被推遲,但是提高蒸汽參數的技術研究仍在進行中。受材料、加工制造等基礎工業的影響,高溫材料仍然是制約超超臨界燃煤發電技術發展的瓶頸。因此,從主機設備、系統布置等方面進行設計創新,努力減少高溫材料的使用,降低工程投資,是目前中國乃至全世界的研究方向之一。

3)超超臨界燃煤發電技術和其他技術耦合也是未來發展方向之一。四川白馬電廠600 MW超臨界循環流化床(USC-CFB)示范工程已投入商業運行,是世界上容量最大的USC-CFB鍋爐,處于世界領先行列。耦合生物質、垃圾發電技術與超超臨界燃煤發電技術,有望成為規模化清潔高效利用低熱值、劣質燃料發電的主要技術手段。

4)整體而言,我國的燃煤發電技術與美、日、歐等世界先進水平還有較大差距。推動我國基礎工業的發展已成為我國電力工業進一步發展的瓶頸,也是整個工業發展的瓶頸,應作為我國經濟發展戰略的重中之重。


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