1 項目背景

進入“十三五”時期后，伴隨著我國產業(yè)結構的優(yōu)化調整和轉型升級的進程深入，經濟發(fā)展逐步進入新常態(tài)。2016年，我國6MW及以上電廠的發(fā)電設備利用小時下降至3785h，6MW及以上火力發(fā)電設備利用小時下降至4165h。這一現(xiàn)象的主要原因是“十二五”期間火電投資和建設持續(xù)增長，而經濟和社會發(fā)展對于電力需求放緩，同時高速發(fā)展的可再生能源發(fā)電與火力發(fā)電形成競爭，共同造成了火電產能過剩的現(xiàn)狀。火力發(fā)電作為我國主要的發(fā)電形式，長期占據總裝機容量和總發(fā)電量的七成左右比例。“十三五”期間火力發(fā)電行業(yè)正經歷著轉型升級。2論文所解決的問題及意義“十三五”后期和未來長期中，我國火力發(fā)電行業(yè)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(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，更好地服務于我國經濟社會需求。本文通過歸納火力發(fā)電領域的產業(yè)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(fā)電的前沿技術路線，從而為火力發(fā)電的研發(fā)戰(zhàn)略提供參考。3論文重點內容

1)產業(yè)概況。

基于我國資源國情和各類發(fā)電形式的技術經濟性，燃煤發(fā)電長期占據我國發(fā)電領域和火電領域的主導地位。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(fā)電的比例已經達到峰值，未來將逐步下降。

2016年3月，國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合下發(fā)特急文件，督促各地方政府和企業(yè)放緩燃煤發(fā)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(fā)電設備利用小時同比小幅回升，產能過剩局面初步得到遏制。預計“十三五”后期火電產業(yè)形勢依然嚴峻，對于燃煤發(fā)電建設的風險預警機制將繼續(xù)發(fā)揮作用。

2)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(fā)電標準煤耗下降至294g/(kW•h)。燃煤發(fā)電的供電煤耗和發(fā)電煤耗近年來呈現(xiàn)逐年下降趨勢。燃煤發(fā)電環(huán)保指標采用排放績效評價時，2015年我國燃煤發(fā)電的煙塵、SO2和NOx的排放績效依次為0.09、0.47和0.43g/(kW•h)，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。

燃氣發(fā)電技術指標方面，我國主流采用的F級燃氣輪機的單循環(huán)效率約為38%，聯(lián)合循環(huán)效率約為58%。先進的G/H/J級燃氣輪機單循環(huán)效率和聯(lián)合循環(huán)效率分別可以達到41%和61%。燃氣發(fā)電幾乎不排放煙塵和SO2，采用F級燃氣輪機發(fā)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(huán)保指標方面相比燃煤發(fā)電具備一定優(yōu)勢。

3)前沿技術。

燃煤發(fā)電領域，近年來相關基礎科學的前沿課題包括富氧燃燒、化學鏈燃燒、鎳基高溫合金等，工程相關的前沿技術包括700 ℃超超臨界、二次再熱、間接空冷、超低排放、碳捕集利用與封存(CCUS)、煤基超臨界CO2布雷頓循環(huán) (S-CO2 Brayton cycle)、煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)、循環(huán)流化床(CFB)等。

燃氣發(fā)電領域，近年來前沿技術主要包括：燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)(NGCC)、太陽能-天然氣互補聯(lián)合循環(huán)(ISCC)、微燃機與分布式冷熱電聯(lián)供(CCHP)、煤層氣發(fā)電等技術。燃氣發(fā)電近年來裝機容量和發(fā)電量增長較快，其中煤層氣發(fā)電、頁巖氣發(fā)電等非常規(guī)燃氣發(fā)電，有望通過利用成本相對低廉的燃氣，在“十三五”后期和未來長期中不斷降低單位電量成本并實現(xiàn)高速增長。

余熱發(fā)電近年來裝機容量和發(fā)電量增長迅速，在火力發(fā)電中已經占據一定比例。余熱發(fā)電領域的前沿技術近年來不斷涌現(xiàn)，主要包括有機朗肯循環(huán)(ORC)、利用余熱的超臨界CO2布雷頓循環(huán)、斯特林循環(huán)等。

各類火力發(fā)電前沿技術，分別具備不同的優(yōu)勢技術指標，其中效率和規(guī)模是決定前沿技術產業(yè)化發(fā)展的兩項關鍵指標。效率對于發(fā)電形式的經濟指標和環(huán)保指標影響顯著，而規(guī)模決定了產業(yè)應用形式更適合于集中式發(fā)電或分布式發(fā)電。圖1總結了各類火力發(fā)電技術形式的效率和規(guī)模范圍。

圖1 火力發(fā)電技術形式的效率與規(guī)模

4)技術路線。

“十三五”后期和未來長期，我國需要從集中式發(fā)電和分布式發(fā)電的產業(yè)發(fā)展角度，歸納火力發(fā)電前沿技術并提出前沿技術路線。

集中式高效清潔發(fā)電路線(路線1)，是將常規(guī)化石燃料利用高參數、高效率的前沿發(fā)電技術，配合先進燃燒技術、污染物控制技術和CCUS技術，實現(xiàn)高效清潔發(fā)電。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(huán)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(xiàn)供電效率提高和排放績效降低。

集中式聯(lián)合循環(huán)與多聯(lián)產路線(路線2)，是將常規(guī)化石燃料利用IGCC、NGCC、ISCC等聯(lián)合循環(huán)技術，配合熱電聯(lián)產、冷熱電聯(lián)供、制氫技術等多聯(lián)產技術，實現(xiàn)在較高綜合效率下同時提供電能、供暖、制冷、氫氣等多種產品的技術路線。

集中式非常規(guī)燃料與用途路線(路線3)，是將非常規(guī)燃料(煤矸石、劣質煤、煤層氣、頁巖氣、生物質、垃圾等)采用CFB、超臨界CO2布雷頓循環(huán)、燃機燃料適應等技術，配合先進燃燒技術和減排技術，實現(xiàn)較高效率、較少污染和廢棄物資源化發(fā)電。

分布式火力發(fā)電技術路線(路線4)，是利用常規(guī)化石燃料或非常規(guī)燃料，通過小型化、多樣化的分布式發(fā)電形式，配合儲能技術、冷熱電聯(lián)供、先進熱交換系統(tǒng)和智能微網等前沿技術，實現(xiàn)針對用戶側需求的靈活發(fā)電和供能。代表性技術組合，是采用微燃機、內燃機等作為分布式系統(tǒng)核心，配合余熱回收、余熱發(fā)電、儲能技術、智能微網等技術，根據用戶需求提供電能、供暖、制冷、動力、淡水等多樣化產品。

對于以上四條前沿技術路線的產業(yè)發(fā)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2所示。

圖2 火力發(fā)電技術路線累計裝機容量預測

集中式高效清潔發(fā)電路線(路線1)核心技術短期有待突破，長期產業(yè)發(fā)展前景看好，預計將在2040年前后成為我國火力發(fā)電領域的主力形式。集中式聯(lián)合循環(huán)與多聯(lián)產路線(路線2)主要技術已有相對成熟的產業(yè)應用或示范工程，未來將保持穩(wěn)定增長趨勢。

集中式非常規(guī)燃料與用途路線(路線3)相關技術較為成熟，但針對非常規(guī)燃料和特有用途的技術改進空間仍然較大。路線3與路線2將共同成為集中式火力發(fā)電的重要組成部分。分布式前沿技術路線(路線4)的前沿技術目前還有待于成熟。預計未來路線4的累計裝機容量增速將高于路線2和路線3，使得分布式火力發(fā)電成為集中式火力發(fā)電的有效補充。

4結論

1)“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(huán)、IGCC等前沿技術。

2)產業(yè)發(fā)展方面，“十三五”期間和未來長期我國火力發(fā)電產業(yè)，將在政策引導下逐步向著高效、清潔、低碳的方向轉型升級。

3)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(fā)電的研究發(fā)展戰(zhàn)略提供參考，促進前沿技術在集中式發(fā)電和分布式發(fā)電等產業(yè)領域中的應用，推進“十三五”期間和未來長期我國火力發(fā)電產業(yè)的轉型升級。

引文信息

楊倩鵬，林偉杰，王月明，等.火力發(fā)電產業(yè)發(fā)展與前沿技術路線[J].中國電機工程學報，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).

作者簡介

楊倩鵬(1989)，男，工學博士，西安熱工研究院有限公司與西安交通大學聯(lián)合招收在站博士后，主要從事傳統(tǒng)能源發(fā)電技術發(fā)展戰(zhàn)略的研究工作。

林偉杰(1964)，男，高級工程師，中國華能集團香港有限公司總經理，主要研究方向為電氣工程。

王月明(1963)，男，研究員，西安熱工研究院有限公司副總經理(副院長)，主要研究方向為熱力發(fā)電。

何雅玲(1963)，女，教授，中國科學院院士，主要研究方向為工程熱物理。

原標題:中國華能集團楊倩鵬，林偉杰等：火力發(fā)電產業(yè)發(fā)展與前沿技術路線