“30·60”目标导向下煤电技术何去何从？

这里特别需要强调的是，目前中国以煤电为主的电力系统灵活性严重不足，中国电力企业联合会于2019年12月发布的《煤电机组灵活性运行政策研究》，指出了中国电力系统调节能力不足的现状是，“我国抽水蓄能、燃气发电等灵活调节电源装机占比不到6%，‘三北’地区新能源富集，风电、太阳能发电装机容量分别占全国的72%、61%，但灵活调节电源不足3%”，由此导致2016-2018年间，中国弃风和弃光电量共计1389亿千瓦时，相当于约3000万千瓦煤电厂的发电量。由此可见，一方面可再生能源的发展正在稳步加速，向着“2030年非化石能源发电量占比50%”的国家中长期能源战略目标迈进；另一方面，2019年在全国非化石能源发电量占比32.6%情况下，就已经普遍面临并网难、消纳难、调度难等问题，煤电的灵活性问题已经成为我国可再生能源电力快速发展的瓶颈。面对高比例可再生能源电力发展的新形势，煤电在中长期的能源低碳转型中应如解决其灵活性问题已成为关键。《电力发展“十三五”规划》明确提出，要全面推动煤电机组灵活性改造，“十三五”期间计划要求完成2.2亿千瓦的煤电机组灵活性改造目标。但国家电网发布的《国家电网有限公司服务新能源发展报告2020》显示，截至2019年底，我国累计推动完成煤电灵活性改造约5775万千瓦，改造完成度仅为“十三五”改造目标的1/4左右。我国煤电灵活性改造进度缓慢，一个主要原因是由于煤电机组的技术保证稳定的最低负荷水平存在着瓶颈。现在的有些灵活性改造技术虽然可以将煤电机组的最小稳定出力降至20%~30%的额定负荷，但其增减出力的响应时间较长、爬坡速率较慢，难以充分满足系统灵活性的需求。同时，低负荷运转造成机组能效降低，煤耗率上升和增加氮氧化物的排放，造成环境影响。这些负面影响都将使煤电机组灵活性改造的长远作用受限，甚至会抬高电力系统的总体供电成本，不利于电力系统的低碳转型。由此可见，电力系统调节能力不足已成为中国电源转型的主要瓶颈之一，特别是在可再生能源持续高速发展的新形势之下，大幅提升电力系统调节能力已迫在眉睫。根据这一情况，徐州电厂3号亚临界机组600℃升温改造的结果，不仅其在50%额定负荷下的供电煤耗可仍然保持在304克/千瓦时的高水平，具有极好的低负荷性能，而且具有稳定100%-20%负荷范围内调峰调频的高度灵活性，以及在只有额定负19.39%的低负荷下，仍然能够实现全部污染物超低排放，其中氮氧化物的排放达到28.61 毫克/立方米米 的超低水平。因此，这一改造技术不仅可大大改善机组的效率和煤耗，而且其高性能的灵活性可使大量的亚临界机组成为我国推动可再生能源电力加速发展，解决并网难、消纳难、调度难瓶颈的有力保障。

由表6 可见，从月平均供电煤耗的角度比较，徐州电厂#1号机组于2017年曾完成了高中低压缸全部通流改造，改造后其月平均供电煤耗321克/千瓦时仍远高于《行动计划》提出的310克/千瓦时的要求。这说明在亚临界机组改造技术中已经采用较多的“汽轮机通流部分改造”并不是最佳选择。特别是#3号机组是在已经采用高中低压缸全部通流改造，其在600℃升温改造前所测定的供电煤耗只有318克/千瓦时，之后采用600℃升温技术进行了第二次改造，改造后达到的月平均供电煤耗297克/千瓦时, 远低于《行动计划》的要求。

因此， 无论从煤电本身高质量发展需要大幅度提升效率，降低煤耗，走低碳发展的道路，还是从煤电以其优异的低负荷灵活性性能，以支持可再生能源电力的加速发展的角度，申能科技公司采用一系列创新技术，在改造徐州电厂#3号机组所示范的“亚临界机组600℃升温改造”的成功案例都值得我国能源和电力部门的高度重视，应该从国家规划和顶层设计的角度，制定政策和具体要求，以推进我国亚临界机组高质量改造的全面实现。

此外，“亚临界机组600℃升温改造”的技术和经验，还可为我国大约900多台总容量接近1亿千瓦的工业企业自备电厂的高煤耗小型热电联产燃煤机组升级改造提供借鉴和经验。根据申能科技公司的可行性研究，如果对这些小容量高煤耗的热电联产小机组实行600℃升温综合改造，其能够达到的煤耗降低和性能改进程度将会超过对亚临界机组的改造，从而可进一步推进我国煤电的全面高效、清洁和低碳发展。试想，全国约4.5亿千瓦的亚临界机组和热电联产小机组都能得以改造达到上述性能目标，对我国煤电的高质量发展以及我国电源结构的低碳转型将会是多么大的贡献。

04

新建最高性能煤电机组的方案选择

虽然中国今后的新建燃煤机组容量不会再像过去那样有大幅度的增长，但预计在煤电总装机容量达到碳中和的目标前，考虑到一些老机组的退役和电网的需求，可能还有约3亿千瓦左右新的大容量机组增长空间。但是这些新建的煤电机组，必须是符合高质量发展的要求，具有最高供电效率、最低供电煤耗、最低污染物排放和最佳灵活性调峰调频能力的最先进超超临界机组。根据已有的成功经验，不同容量等级的新建最先进的超超临界机组的选择方案应该是：

100 万千瓦等级，应采用创新型一次再热超超临界方案；

66万千瓦等级，应采用创新型汽轮发电机组全高位布置二次再热超超临界方案；

135万千瓦等级，应采用创新型高低位布置二次再热超超临界方案。

毋容置疑，对于新建超超临界机组，其蒸汽参数的选择，原则上应该是在可用高温金属材料的基础上选用最高的蒸汽温度。但是采用一次再热还是二次再热方案，则需要要考虑采用二次再热所增加的长距离高温蒸汽管道的成本和对效率的影响，与增加二次再热所得效益的性价比是否值得。例如，100万千瓦超超临界机组采用二次再热就不是最佳选择。而66万千瓦二次再热超超临界如果采用汽轮发电机“全高位布置”就是最佳选择，135万千瓦的二次再热超超临界，采用双轴和高中压缸高位和低压缸低位布置，即所谓“高低位布置”也是最佳选择。

图2 传统设计的典型二次再热机组的热力系统

传统设计的二次再热机组（图2 ），主蒸汽和两次再热蒸汽管道在锅炉与汽轮机房之间多次来回。对于大型机组，锅炉越来越高，单根蒸汽管道的平均长度就达200m。其存在问题是：

增加了压力较低的近200米长的大直径第二次再热管道，布置困难；

大直径高温蒸汽管道价格昂贵，增加了投资成本；

增加了系统阻力，降低了蒸汽的做功能力；

增加了散热损失， 降低了机组效率；

大大增加了系统储存的蒸汽量，汽轮机负荷调节惯性显著增加。

图3 二次再热的第二中压缸热耗与压力的关系

与一次再热机组相比，采用二次再热可提升供电效率约2%，容量为100万千瓦的二次再热机组的总投资估计比一次再热至少需增加约4.4亿元人民币，相当于提升1%效率的成本至少需增加2.2亿元人民币。再考虑到系统的复杂性上升，其投入产出比并没有明显的优势。因此，目前在进一步提升大型燃煤发电机组的效率发展方面，包括二次再热及700℃计划，均存在着性价比的瓶颈，因此，如何大大缩短大容量二次再热超超临界机组昂贵的大直径主蒸汽和再热蒸汽管道，从而打开高效二次再热超临界机组的发展瓶颈是人们一直在思考和希望能够解决的问题，其解决方向是根据机组容量不同，综合考虑一次和二次再热的性价比， 采取不同的对策。

从图3的二次再热机组第二中压缸热耗与压力的关系曲线可见，由于最佳热耗值的第二再热压力约为2.25兆帕，此时其蒸汽的容积流量达一次再热机组蒸汽流量的2.7倍。因此，受其第二中压缸的首级叶片的长度限制，在二次再热温度为620℃时，若选取最佳的二次再热压力2.25兆帕，单个双流汽缸的容量上限约为70万千瓦，此时，第二中压缸的首级叶片的根部应力将达到材料的许用应力极限。若机组容量选择为100万千瓦，单轴布置。根据现有的技术，单轴的汽缸总数不宜超过5个，最多只能按1个高压缸，1个第一中压缸，1个第二中压缸和2个低压缸设计。这样，由于第二中压缸的进汽容积流量（对应首级叶片长度）的限制，其进汽压力必须远高于最佳值（见图2）以控制进汽容积流量。我国已投运的二次再热机组的第二再热压力选择为为3.41兆帕，显然，该选择远远偏离了最佳值2.25兆帕， 这样热耗必然上升。由于常规布置的100万千瓦机组由于其二次再热压力大幅上升， 其效率必然下降。但是如果采用机组容量为66万千瓦单轴布置和135万千瓦的双轴布置，其第二中压缸的压力这可选择为2.48兆帕,从而可大大降低其热耗从而优化了汽轮机的性能。因此，常规设计和布置的100万千瓦采用两次再热的机组，并非最佳选择。同时，为了大大缩短主蒸汽和再热蒸汽的高温大直径蒸汽管道，对135万千瓦机组，可采用汽轮发电机组高低位双轴布置，即高中压汽缸布置在锅炉出口联箱的高位处，而低压缸则布置在传统的汽轮机平台高度。对于66万千瓦二次再热超超临界机组，由于可采用单轴布置，因此可采用汽轮发电机组的高中低压缸和发动机全高位布置，这样，不但可优化汽轮机性能，而且可极大地缩短了长距离高温蒸汽管道的长度，改善了机组性能，同时大大降低了投资成本。图4为 135万千瓦高低位布置和66万千瓦全高位布置二次再热超超临界机组示意图。

（1）135万千瓦高低位双轴布置二次再热机组

（2）66万千瓦全高位单轴布置二次再热机组

作为国家示范项目的135万千瓦二次再热高低位布置超超临界机组的申能安徽平山电厂二期工程，最近已经完成了机组的安装建设并于2020年12月16日一次并网成功进行了试运行。该机组是目前世界上单机容量最大的煤电机组， 该机组由于采用双轴高低位布置大大缩短了高温蒸汽管道， 不但大大降低了管道投资，而且减少了管道的压力和散热损失，加上采用一系列创新技术，其预期的供电效率接近49%、供电煤耗优于251克/千瓦时, 相信该机组在投入正式运行和性能测试后将会成为世界燃煤发电的新标杆。对于66万千瓦全高位布置的二次再热机组，根据对一具体项目的可行性研究和初步设计，由于是单轴布置，而且大大缩短了全部高温蒸汽管道， 因而其性能将优于高低位布置方案，其设计的供电煤耗为249 克/千瓦时，而且其单位造价将会比135万千瓦机组更低。

05

华润曹妃甸电厂新建100万千瓦一次再热超超临界机组的示范和启示

上海外高桥第三发电厂2100万千瓦 一次再热超超临界机组，于2008年建成投产，其机组设计性能为：设计供电煤耗：291.5 克/千瓦时；设计供电效率：42.1%。投产以来，经过采用了一系列上海申能电力科公司的创新技术改造后，该2台机组的实际运行性能达到了：全年平均实际供电煤耗: 276克/千瓦时；全年平均实际供电效率:44.5%，创下了当时的世界领先水平，2014年被国家能源局授予全国唯一的“国家煤电节能减排示范基地”称号，并在国际上获得一系列大奖，包括ASME的“最佳创新者奖”、“POWER”杂志的“顶级电厂奖”、两次PEABODY“全球洁净煤领导奖”等，其中2017年的为煤电最高效率和最佳性能奖， 2018年为最低氮氧化物排放和最佳性能奖。

应华润电力的要求，上海申能电力科技公司采用其全部用于改造外三厂的创新技术，用于曹妃甸电厂的二台新建的100万千瓦一次再热超超临界机组的设计和建造，其目标要求是作为“外三升级版”曹妃甸电厂工程在性能上全面超过外三厂的水平。现在曹妃甸电厂项目已经建成投产，并完成了正式的性能测试。通过表8华润曹妃甸电厂3号100万千瓦一次再热超超临界机组性能测试报告的数据以及表9 的比较数据，证实了前述的100万千瓦超超临界机组，从机组性能和投资成本的性价比角度，采用二次再热技术并不是最佳的选择。因此， 曹妃甸电厂可为我国今后新建百万等级超超临界机组的方案选择，提供了可供参考的案例。

由表8可见，通过采用在外三电厂实施过的一系列创新技术，结合曹妃甸电厂的实际再创新所建成的百万千瓦一次再热超超临界机组，其在额定负荷下的供电效率和煤耗分别达到46.45%和263克/千瓦时,而且即使在50%的低负荷下，仍然能够达到272克/千瓦时的供电煤耗水平。表9为曹妃甸电厂一次再热100万千瓦超超临界机组和国内某电厂已经投产并经过性能测试的百万级二次再热超超临界机组的性能比较。

由表9曹妃甸100万千瓦一次再热机组的性能与国内某100万千瓦二次再热机组的比较可见，对于100万千瓦等级的超超临界机组，如果采用二次再热，由于长距离二次再热蒸汽管道的散热和阻力损失和增加的投资，以及二次再热中压缸缸效不高等因素，导致二次再热的百万千瓦机组的供电煤耗比曹妃甸的一次再热机组高出3.87克/千瓦时；而且，曹妃甸电厂即使在75%的低负荷时，其供电煤耗仍然比该二次再热机组额定负荷下的供电煤耗低2.5克/千瓦时， 这也说明了曹妃甸电厂具有更好的机组低负荷性能。此外，从投资的角度，一次再热的投资显然会低于二次再热机组，例如曹妃甸一次再热机组的总投资约为典型的二次再热机组的78%，具有更好的性价比。因此，对新建燃煤机组，现行常规设计的二次再热100万千瓦超超临界机组不是最佳选择。

06

结束语

为了我国电力“低碳发展”的战略目标， “煤电为主”的电源结构将最终会被非化石能源电力取代，今后中国煤电高质量发展的方向应该是“更高效、更清洁、更灵活”，也就是具有最高供电效率、最低供电煤耗、最低污染物排放和最佳灵活性调峰调频能力。冯伟忠总经理领导的上海申能电力科技公司采用一系列创新技术，在徐州电厂亚临界升温改造、曹妃甸电厂新建一次再热百万超超临界机组和平山电厂二期新建135万千瓦二次再热高低位布置超超临界机组的三个项目，为实现上述目标提供了有说服力的实例。

基于以上，对当前我国煤电的高质量发展，建议如下：

首先重点应该是改造现有在役水冷纯凝亚临界机组，使其供电煤耗达到现有超超临界机组的水平，实现额定工况下供电煤耗低于290克/千瓦时，灵活性调峰调频负荷范围100%-20%, 改造后机组至少可延寿20年。

对于新建的超超临界机组的要求是：

100万千瓦等级，应采用创新型一次再热超超临界方案，其供电煤耗不高于 263克/千瓦时, 具有100%-20%的调峰调频能力 ；

66万千瓦等级，应采用创新型汽轮发电机组全高位布置二次再热超超临界方案，其供电煤耗低于249克/千瓦时, 具有100%-20%的调峰调频能力；

135万千瓦等级， 应采用创新型高低位布置二次再热超超临界方案，其供电煤耗低于 251克/千瓦时, 具有100%-20%的调峰调频能力 。

实现以上目标的关键是通过“补短板，强弱项”，大力推动创新发展，研发和推广经过示范的各种先进煤电节能减排创新技术，通过国家规划、顶层设计、政策推动和市场导向，抓紧“十四五”和“十五五”这个十年的窗口期，通过技术创新和技术改造，大大提升我国煤电的各项性能，大幅降低煤耗，大大提高灵活性，大力推动我国煤电的高质量发展，以促进可再生能源电力的高速发展，为我国实现碳达峰与碳中和的目标做出贡献。