火力發電產業發展與前沿技術路線

北極星火力發電網訊:摘要：「十三五」期間火力發電行業經歷著轉型升級,研究提出火力發電的技術路線,目標是為火電行業的研究發展戰略提供參考。研究介紹了火力發電的產業概況和主要指標,總結了燃煤發電、燃氣發電和餘熱發電等發電形式的前沿技術。研究討論了各項前沿技術的效率與規模等關鍵技術指標,並預測了單位電量成本等關鍵經濟指標的趨勢。研究明確了700℃超超臨界燃煤發電、超臨界二氧化碳布雷頓循環、煤氣化聯合循環等前沿技術應當作為未來長期重點突破和完善的關鍵技術。研究提出了集中式和分布式火力發電的四條前沿技術路線,並對各條技術路線的未來長期發展前景進行了對比分析。

0 引言

進入「十三五」時期後,伴隨著我國產業結構的優化調整和轉型升級的進程深入,經濟發展逐步進入新常態。能源發電領域中,2016年我國6MW及以上電廠的發電設備利用小時下降至3785h[1],為近四十年來最低水平。

火力發電是我國的主要發電形式,長期佔據總裝機容量和總發電量的七成左右比例。火力發電包括燃煤發電、燃氣發電、燃油發電、餘熱發電、垃圾發電和生物質發電等具體形式。其中燃煤發電又可以分為常規燃煤發電和煤矸石發電,燃氣發電又可以分為常規燃氣發電和煤層氣發電等。

「十三五」後期和未來長期中,我國火力發電行業需要從集中式和分布式兩方面提出技術路線,明確前沿技術和產業發展的戰略方向,更好地服務於我國經濟社會需求。本文通過歸納火力發電領域的產業概況、主要指標和前沿技術,分析了前沿技術的技術經濟性和應當重點突破和完善的關鍵技術,提出了集中式和分布式火力發電的前沿技術路線,從而為火力發電的研發戰略提供參考。

1 火力發電產業概況與指標水平

1.1 火力發電產業概況

2016年,我國6MW及以上電廠的發電設備利用小時下降至3785h,6MW及以上火力發電設備利用小時下降至4165h[1]。這一現象的主要原因是「十二五」期間火電投資和建設持續增長,而經濟和社會發展對於電力需求放緩,同時高速發展的可再生能源發電與火力發電形成競爭,共同造成了火電產能過剩的現狀。

基於我國資源國情和各類發電形式的技術經濟性,燃煤發電長期佔據我國發電領域和火電領域的主導地位。2016年我國火力發電裝機容量為105388萬kW,其中燃煤(含煤矸石)發電裝機容量佔89.4%;火力發電量為42886億kW?h,其中燃煤(含煤矸石)發電量佔91.1%[1]。

在當前宏觀經濟和社會背景下,相關研究認為我國煤炭消費和燃煤發電的比例已經達到峰值[2],未來將逐步下降。2016年我國煤炭消費量下降4.7%,煤炭消費量占能源消費總量的62.0%,比上年下降2.0個百分點[3];燃煤(含煤矸石)發電裝機容量佔總裝機容量的57.3%,比上年下降1.7個百分點;燃煤(含煤矸石)發電量佔總發電量的65.2%,比上年下降2.7個百分點,均延續了下降趨勢。

2016年3月,國家發改委和國家能源局聯合下發特急文件,督促各地方政府和企業放緩燃煤發電建設,化解產能過剩局面。隨著政策變化,煤電投資和建設逐步降溫,2017年1—2月火力發電設備利用小時同比小幅回升[4],產能過剩局面初步得到遏制。

預計「十三五」後期火電產業形勢依然嚴峻,對於燃煤發電建設的風險預警機制將繼續發揮作用。國家能源局將通過經濟性、裝機充裕度和資源約束三項預警指標,設置綠色、橙色和紅色評級,指導地方政府和企業有序規劃和建設煤電項目。

1.2 火力發電指標水平

2016年我國6MW及以上電廠供電標準煤耗下降至312g/(kW?h),發電標準煤耗下降至294g/(kW?h)。燃煤發電的供電煤耗和發電煤耗近年來呈現逐年下降趨勢,目前我國採用600℃超超臨界燃煤發電技術的1000MW級濕冷機組、1000MW級空冷機組、600MW級濕冷機組和600MW級空冷機組的供電煤耗典型值依次為286、298、291和299g/(kW?h)左右[5]。

燃煤發電的環保指標方面,採用排放績效指 標[6]進行綜合評價,2015年我國燃煤發電的煙塵、SO2和NOx的排放績效依次為0.09、0.47和0.43g/(kW?h)[7],CO2排放績效按照供電煤耗折算約為780g/(kW?h)水平,整體排放績效達到世界先進水平。採用超低排放技術的燃煤發電機組,煙塵、SO2和NOx的排放績效可以進一步降低至0.003、0.04和0.09g/(kW?h)[8]。

燃氣發電技術指標方面,我國主流採用的F級燃氣輪機的單循環效率約為38%,聯合循環效率約為58%。先進的G/H/J級燃氣輪機單循環效率和聯合循環效率分別可以達到41%和61%。燃氣發電幾乎不排放煙塵和SO2,採用F級燃氣輪機發電的NOx排放績效典型值約為0.30g/(kW?h),CO2排放績效約為450g/(kW?h)水平,在環保指標方面相比燃煤發電具備一定優勢,也是近年來燃氣發電裝機容量和發電量增長更為迅速的原因之一。

2 火力發電前沿技術與技術經濟性分析

火力發電領域的主流技術,是指目前已經產業化建設和運行,技術、經濟和環保指標較為均衡,具備較強競爭力的技術形式。相比之下,前沿技術是指在技術、經濟或環保等方面更為先進,但關鍵技術還有待成熟完善,仍然處於實驗室研究或產業化初期階段的技術形式。

2.1 燃煤發電前沿技術

燃煤發電領域,近年來相關基礎科學的前沿課題包括富氧燃燒[9-10]、化學鏈燃燒[11-12]、鎳基高溫合金[13]等,工程相關的前沿技術包括700℃超超臨界[14]、二次再熱[15]、間接空冷[16]、超低排放[17]、碳捕集利用與封存[18-19](carbon capture,utilization and storage,CCUS)、煤基超臨界CO2布雷頓循 環[20-21](supercritical CO2 Brayton cycle,S-CO2 Brayton cycle)、煤氣化聯合循環[22-23](integrated gasification combined cycle,IGCC)、循環流化床(circulating fluidized bed,CFB)[24]等。

高效、清潔是未來燃煤發電的主要發展方向。燃煤發電技術的蒸汽參數不斷提高,供電效率也不斷提升,如表1所示。700℃超超臨界燃煤發電的主蒸汽溫度將提高至700℃以上,供電效率將提升至50%[25]。燃煤發電供電效率的提高,將相應地帶動煙塵、SO2、NOx和CO2等污染物和溫室氣體排放的減少[26],以及單位電量成本等經濟指標的提升。相比600℃超超臨界燃煤發電,700℃超超臨界燃煤發電的供電煤耗可以降低約36g/(kW?h),CO2排放減少13%左右。

煤氣化聯合循環方面,目前IGCC示範電站效率已經可以達到42%~46%,未來有望超過50%[27]。IGCC技術在環保指標方面優勢明顯[28],其煙塵排放接近於零,脫硫率可達98%,脫氮率可達90%。IGCC技術還可以與CCUS技術相結合,實現CO2的近零排放。

燃煤發電的經濟性方面,2016年我國燃煤發電的建設成本約為4500~5000元/kW水平,單位電量成本結合2016年燃煤價格水平,按照平準化發電成本(levelized cost of electricity,LCOE)計算約為0.28元/(kW?h)水平。

2.2 燃氣發電前沿技術

燃氣發電領域,近年來前沿技術主要包括：燃氣蒸汽聯合循環(natural gas combined cycle,NGCC)[29]、太陽能-天然氣互補聯合循環(integrated solar combined cycle,ISCC)[30-31]、微燃機與分布式冷熱電聯供(combined cooling heating and power,CCHP)[32]、煤層氣發電[33]等技術。

預計到2020年,隨著先進燃氣輪機發電機組的建設與投運,燃氣輪機單循環效率可以達到40%水平,聯合循環效率可以提升至60%水平[34]。

燃氣發電的經濟性方面,2016年我國燃氣發電的建設成本約為7000~9000元/kW水平,單位電量成本約為0.57元/(kW?h)水平,仍然屬於單位電量成本較高的發電形式。燃氣發電近年來裝機容量和發電量增長較快,其中煤層氣發電、頁岩氣發電等非常規燃氣發電,有望通過利用成本相對低廉的燃氣,在「十三五」後期和未來長期中不斷降低單位電量成本並實現高速增長。

2.3 餘熱發電前沿技術

餘熱發電近年來裝機容量和發電量增長迅速,在火力發電中已經佔據一定比例。餘熱發電領域的前沿技術近年來不斷湧現,主要包括有機朗肯循環(organic Rankine cycle,ORC)[35]、利用餘熱的超臨界CO2布雷頓循環、斯特林循環[36]等。

其中有機朗肯循環主要利用80~350℃中低溫餘熱,效率處於10%~20%範圍[37-38]。超臨界CO2布雷頓循環可以利用500~800℃熱源,適合於對接600℃超超臨界煤基發電、光熱發電[39]、高溫氣冷堆核電[40]和中高溫餘熱發電等發電形式。斯特林循環可以回收100~300℃的中低溫餘熱,熱源形式靈活,供電效率可以達到20%以上。

2.4 效率與規模對比分析

各類火力發電前沿技術,分別具備不同的優勢技術指標。在各項技術指標中,效率和規模是決定前沿技術產業化發展的兩項關鍵指標。效率對於發電形式的經濟指標和環保指標影響顯著,而規模決定了產業應用形式更適合於集中式發電或分布式發電。圖1總結了各類火力發電技術形式的效率和規模範圍。

效率方面,通常發電技術的機組規模越大、熱源溫度越高、梯級利用越完善時,能量轉換效率就越高。從效率角度來看,700℃超超臨界、IGCC、NGCC、超臨界CO2布雷頓循環、熱電聯產、冷熱電聯產等前沿技術的效率普遍接近或超過50%,未來有望成為代表性的高效火力發電技術。效率較低的技術形式,則將更多地應用於特定領域,例如CFB技術應用於煤矸石發電、生物質發電和垃圾發電等領域,成為火力發電產業中的有力補充。

規模方面,微燃機、內燃機、ORC、斯特林循環等技術形式的單機規模通常小於10MW,更適用於分布式發電;常規燃煤發電、CFB、IGCC、燃氣輪機、NGCC、熱電聯產、冷熱電聯產、超臨界CO2布雷頓循環等技術形式的單機規模通常大於10MW,更適用於集中式發電。

2.5 單位電量成本長期預測

火力發電的單位電量成本,可以按照常用的平準化發電成本(LCOE)計算。火力發電的成本主要來自於建設、燃料、運輸、運行、維護等部分,並且兼顧折現率、殘值率等經濟性因素,發電量則受規模、效率、利用小時數等因素影響。

以供電煤耗300g/(kW?h)的常規燃煤發電為例,燃煤價格為600元/t時單位電量成本中燃料成本部分為0.18元/(kW?h)。按照建設成本為5000元/kW、年利用小時數為4000h、壽命為40年計算,建設成本對單位電量成本的貢獻,不考慮經濟性因素時約為0.03元/(kW?h),考慮經濟性因素時約為0.06元/ (kW?h)。計算其他部分成本並綜合經濟性因素,就可以得到單位電量成本。

參考火力發電前沿技術的技術指標和應用情況,估算當前或初始應用時的單位電量成本,並結合對建設成本、供電效率、燃料價格等關鍵因素的走勢判斷,分析主要前沿技術形式的單位電量成本在「十三五」期間和未來長期的趨勢,如圖2所示。為便於對比,圖2以600℃超超臨界發電技術為例,分析預測了當前主流技術形式的單位電量成本的未來長期趨勢。

600℃超超臨界燃煤發電等主流技術的技術經濟性未來提升空間有限,單位電量成本中建設成本

佔25%左右,燃料成本佔65%左右,這兩部分成本穩定的情況下,單位電量成本預計將隨著環保費用提高而緩慢上升。

如果在2025年前後700℃超超臨界技術中的鎳基高溫合金等關鍵問題得到解決,700℃超超臨界技術將在效率、環保等方面具備較強競爭力。700℃超超臨界機組的過熱器/再熱器、主蒸汽/再熱蒸汽管道和集箱、汽輪機高溫段等需要採用鎳基合金材料,占機組高溫段合金材料的29%左右[25]。

600℃超超臨界機組的建設成本中,設備成本佔40%左右,約為2000元/kW,安裝、建築和其他成本佔60%左右。設備成本中,採用鐵素體合金鋼(80%)和奧氏體合金鋼(20%)材料的高溫段設備製造成本約佔50%,摺合1000元/kW。

700℃超超臨界機組的高溫段合金材料替換為鐵素體合金鋼(56%)、鎳基高溫合金(29%)和奧氏體合金鋼(15%)後,由於鎳基合金材料部分的相關成本將上升10倍以上,高溫段設備成本將上升至 3700元/kW以上,建設成本也將相應上升至7700元/kW以上。

結合經濟性因素,建設成本對單位電量成本的貢獻將上升至0.10元/(kW?h)以上,示範工程階段的700℃超超臨界機組的單位電量成本將達到0.30~ 0.40元/(kW?h)水平。未來隨著鎳基合金材料成本的降低,以及700℃超超臨界技術在燃料成本和環保費用等方面的優勢的發揮,700℃超超臨界技術預計將成為火力發電前沿技術中單位電量成本最低的技術形式之一。

600℃煤基超臨界CO2布雷頓循環技術,預計將在2025年前後走向成熟並開始示範應用。圖2中S-CO2布雷頓循環技術的單位電量成本趨勢,預計也將隨著效率優勢發揮和部件規模化生產而逐步降低。考慮到我國以煤炭為主的資源國情,IGCC技術應用前景良好,建設成本將隨著技術進步和規模化應用而逐步下降,單位電量成本也將逐步接近或低於燃氣發電。

以微燃機為代表的分布式發電技術,單位電量成本將隨著技術成熟和產業化應用而穩步下降,但仍將屬於成本較高的發電形式。NGCC技術由於效率較高,將保持為燃氣發電中單位電量成本最低的技術形式。

採用有機朗肯循環或斯特林循環的中低溫餘熱發電前沿技術,在2025年前還有待於進一步成熟,未來將以輔助和分布式用途為主,經濟性有望逐步接近燃氣發電水平。

3 火力發電前沿技術路線

「十三五」後期和未來長期,我國需要從集中式發電和分布式發電的產業發展角度,歸納火力發電前沿技術並提出前沿技術路線,從而明確火力發電的技術研究和產業發展的戰略方向。

3.1 集中式技術路線

本研究提出的集中式火力發電技術路線,可以分為集中式高效清潔發電路線、集中式聯合循環與多聯產路線和集中式非常規燃料與用途路線。

集中式高效清潔發電路線,是將常規化石燃料利用高參數、高效率的前沿發電技術,配合先進燃燒技術、污染物控制技術和CCUS技術,實現高效清潔發電。這一技術路線的代表性技術組合是700℃超超臨界或煤基超臨界CO2布雷頓循環技術,配合化學鏈燃燒或富氧燃燒、一體化脫除技術、CCUS技術等,實現供電效率提高和排放績效降低。

集中式聯合循環與多聯產路線,是將常規化石燃料利用IGCC、NGCC、ISCC等聯合循環技術,配合熱電聯產、冷熱電聯供、制氫技術等多聯產技術,實現在較高綜合效率下同時提供電能、供暖、製冷、氫氣等多種產品的技術路線。

集中式非常規燃料與用途路線,是將非常規燃料(煤矸石、劣質煤、煤層氣、頁岩氣、生物質、垃圾等)採用CFB、超臨界CO2布雷頓循環、燃機燃料適應等技術,配合先進燃燒技術和減排技術,實現較高效率、較少污染和廢棄物資源化發電。

3.2 分布式技術路線

分布式火力發電技術路線,是利用常規化石燃料或非常規燃料,通過小型化、多樣化的分布式發電形式,配合儲能技術、冷熱電聯供、先進熱交換系統和智能微網等前沿技術,實現針對用戶側需求的靈活發電和供能。

分布式火力發電技術路線的代表性技術組合,是採用微燃機、內燃機等作為分布式系統核心,配合餘熱回收、餘熱發電、儲能技術、智能微網等技術,根據用戶需求提供電能、供暖、製冷、動力、淡水等多樣化產品。

3.3 技術路線對比與展望

對於以上四條前沿技術路線的產業發展前景,研究通過預測累計裝機容量長期趨勢的方法來進行評價分析,如圖3所示。綜合中國科學院[41]和中國工程院[42-43]的相關能源發展研究的預測,2050年我國火力發電累計裝機容量預計約為10億kW,占發電總裝機容量的35%左右。

結合目前我國燃煤發電產業中亞臨界、超臨界和超超臨界機組的裝機容量和機組壽命,到 2050年四條前沿技術路線的累計裝機容量之和預計將達到5億kW水平,與採用傳統技術機組的累計裝機容量相近,初步實現火力發電產業的轉型 升級。

集中式高效清潔發電路線(路線1)的核心技術包括700℃超超臨界、超臨界CO2布雷頓循環、CCUS技術、化學鏈燃燒、富氧燃燒等,短期有待於進一步突破,長期產業發展前景看好,預計將在2040年前後成為我國火力發電領域的主力形式。

集中式聯合循環與多聯產路線(路線2)的主要技術如NGCC、IGCC、熱電聯產等,已有相對成熟的產業應用或示範工程,現有裝機容量高於其他路線。未來隨著ISCC、冷熱電聯供、制氫技術等前沿技術的逐步成熟和產業化,路線2的累計裝機容量將保持穩定增長趨勢。

集中式非常規燃料與用途路線(路線3),目前相關技術較為成熟,但針對非常規燃料和特有用途的技術改進空間仍然較大。路線3的累計裝機容量增長趨勢預期將與路線2相近,兩者將共同成為集中式火力發電的重要組成部分。

分布式前沿技術路線(路線4)中的微燃機、ORC、斯特林循環、儲能技術、智能微網等前沿技術目前還有待於成熟。預計未來路線4的累計裝機容量增速將高於路線2和路線3,使得分布式火力發電成為集中式火力發電的有效補充。

4 結論

綜上所述,根據火力發電各項前沿技術的技術經濟性特點以及研究應用的不同階段,「十三五」期間和未來長期應當重點突破和完善的關鍵技術,包括700℃超超臨界、超臨界CO2布雷頓循環、IGCC等前沿技術。

產業發展方面,「十三五」期間和未來長期我國火力發電產業,將在政策引導下逐步向著高效、清潔、低碳的方向轉型升級。本文總結的四條集中式和分布式前沿技術路線,可以為火力發電的研究發展戰略提供參考,促進前沿技術在集中式發電和分布式發電等產業領域中的應用,推進「十三五」期間和未來長期我國火力發電產業的轉型升級。

楊倩鵬1, 林偉傑2, 王月明1, 何雅玲3

1.西安熱工研究院有限公司,陝西省 西安市 710054

2.中國華能集團香港有限公司,香港特別行政區 999077

3.西安交通大學能源與動力工程學院,陝西省 西安市 710049

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