黃 暢，張 攀，王衛(wèi)良，黃 中，呂俊復(fù)，劉吉臻，岳光溪，倪維斗

（1.暨南大學(xué)能源電力研究中心，廣東 珠海 519070；2.清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084；3.中國華能集團有限公司，北京 100031）

為應(yīng)對氣候變化，實現(xiàn)我國既定的碳排放達峰目標和碳中和目標，亟需加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的步伐。截至2020年11月底，全國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機已達4.7億kW，約占全國發(fā)電裝機容量的22%[1]。國家主席習(xí)近平在氣候雄心峰會上強調(diào)，到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上[2]。由于風(fēng)資源的波動、風(fēng)力機調(diào)峰能力弱，風(fēng)電出力存在隨機波動性和反調(diào)峰特性[3]；太陽能光伏發(fā)電嚴重依賴光照情況，存在天然的不確定性和間歇性[4]，屆時大量“陰晴不定”的新能源并網(wǎng)將給電網(wǎng)帶來前所未有的調(diào)峰壓力。

從調(diào)峰性能來看，雖然水力發(fā)電相對于燃煤發(fā)電更容易調(diào)控，在水庫容量滿足的情況下可快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰的需求，但水力發(fā)電的負荷受季節(jié)性影響較大。核電雖然可以調(diào)峰，但考慮到安全問題，國內(nèi)核電機組一般只承擔(dān)基本負荷。與水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源“靠天吃飯”的情況不同，燃煤發(fā)電幾乎不受季節(jié)、環(huán)境等影響，調(diào)峰性能較好。只要燃料充足，常規(guī)燃煤發(fā)電機組一般可根據(jù)電網(wǎng)需求在50%~100%負荷之間靈活調(diào)整。隨著我國能源結(jié)構(gòu)快速轉(zhuǎn)型，以燃煤發(fā)電為主體的基礎(chǔ)能源電力的調(diào)峰能力，將直接決定風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源的發(fā)展空間，進而影響我國節(jié)能減排事業(yè)，以及碳達峰和碳中和國家戰(zhàn)略的順利實施。因此，大量間歇性新能源電力并網(wǎng)必將迫使燃煤發(fā)電機組全面參與深度調(diào)峰。

為此，已有多個省份/地區(qū)相繼發(fā)布電力調(diào)峰輔助服務(wù)辦法，燃煤發(fā)電機組全面參與深度調(diào)峰勢在必行。但是燃煤發(fā)電深度調(diào)峰依然困難重重。一方面，燃煤發(fā)電機組低負荷工況高能耗問題凸顯。大容量高參數(shù)燃煤發(fā)電機組，設(shè)計最佳經(jīng)濟運行工況一般在85%～95%負荷區(qū)間，燃煤發(fā)電機組全面參與深度調(diào)峰，長時間在低負荷工況下運行，不僅安全穩(wěn)定難以保證，機組效率還大幅下降，影響供電煤耗往往達10%量級。另一方面，占燃煤發(fā)電裝機近50%的供熱/供汽機組為保障供熱/供汽，往往采取“以熱定電”方式運行。熱電聯(lián)產(chǎn)機組若不能開展熱電解耦，實現(xiàn)“按需定電”，必將大幅影響燃煤發(fā)電機組的總體調(diào)峰能力。當(dāng)前市場上雖然已出現(xiàn)一些“熱電解耦”技術(shù)，但往往會導(dǎo)致系統(tǒng)熱效率大幅下降等問題。如諸多供熱機組為了深度調(diào)峰將機組發(fā)出來的高品位電能在上網(wǎng)之前直接燒熱水供熱，其能效水平比普通熱水鍋爐還要低60%左右，堪稱為“煤電棄電”，造成了極大能源浪費。燃煤發(fā)電機組，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)機組，其深度調(diào)峰與節(jié)能降耗矛盾非常突出。

基于我國電力工業(yè)和能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r，中國工程院和國家自然科學(xué)基金委員會曾聯(lián)合資助“中國燃煤發(fā)電機組節(jié)能減排戰(zhàn)略研究”項目，對我國燃煤發(fā)電開展了深入研究和系統(tǒng)論證。基于該項目研究成果，能源領(lǐng)域16位院士共同起草了“關(guān)于推動燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)升級，強化機組深度調(diào)峰能力，提高可再生能源消納水平，以推進節(jié)能減排的建議”，以支撐我國節(jié)能減排與碳中和國家戰(zhàn)略。

1 燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)升級，助力節(jié)能減排與碳中和

長期以來，在國家節(jié)能減排政策驅(qū)動下，燃煤發(fā)電為我國的節(jié)能減排事業(yè)做出了重大貢獻?！笆晃濉敝?，我國全面向以德國為代表的發(fā)達國家學(xué)習(xí)先進燃煤發(fā)電技術(shù)，并逐步實現(xiàn)趕超?！笆濉币院?，國際燃煤發(fā)電領(lǐng)域已無先進案例可供參考，再加上深度調(diào)峰、集中供熱（汽）等獨特復(fù)雜運行條件，更是世界無二，亟待自主研發(fā)先進節(jié)能降耗技術(shù)體系。隨著燃煤發(fā)電熱力系統(tǒng)越來越復(fù)雜[5]，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)已難以支撐相關(guān)技術(shù)進一步發(fā)展（圖1），亟待研究基于能量品級綜合高效利用的現(xiàn)代熱力系統(tǒng)節(jié)能理論，研發(fā)燃煤發(fā)電機組低負荷工況保效技術(shù)，以及熱電聯(lián)產(chǎn)機組“按需定電”與調(diào)峰過程“能級匹配”的高效供熱技術(shù)，以支撐泛熱力系統(tǒng)能源綜合高效利用。

圖1 行業(yè)發(fā)展需求與難點分析Fig.1 Analysis of needs and difficulties for the industry

2 現(xiàn)代熱力系統(tǒng)節(jié)能理論

燃煤發(fā)電一直是世界主要電源組成，長期貢獻40%以上的發(fā)電量[6]。燃煤發(fā)電是將燃料的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，再將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，最后將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽w了燃料、燃燒、傳熱、動力循環(huán)、冷端等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)常規(guī)熱平衡計算，凝汽式燃煤發(fā)電系統(tǒng)的冷端熱損失通常占50%以上，是燃煤電站的主要熱損失[7]。冷端熱損失雖然數(shù)量龐大，但是因為品質(zhì)低下、難以利用，節(jié)能潛力非常有限?？梢?，節(jié)能潛力與能量損失關(guān)系并不直接，卻與能量損失的品質(zhì)存在莫大的內(nèi)在聯(lián)系。

為了表征燃煤發(fā)電系統(tǒng)中能量的品質(zhì)，挖掘系統(tǒng)節(jié)能潛力，早在18世紀70年代，Gibbs就基于熱力學(xué)第二定律提出了?的基本思想，并于19世紀50年代被Rant進一步完善形成?的概念，即系統(tǒng)達到與環(huán)境平衡過程中可以釋放出的最大有用功[8]?；诖?，Sengupta[9]、劉強[10]、楊勇平[11]、SI Ningning[12]等分別對210、600、660、1 000 MW燃煤發(fā)電機組熱力系統(tǒng)的?損失進行了系統(tǒng)研究和深入分析。此外，付忠廣和齊敏芳[13]還研究提出了基于最大熵投影尋蹤耦合的燃煤機組節(jié)能評價方法；楊勇平等[14]開展了燃煤發(fā)電機組能耗統(tǒng)計評價研究；張學(xué)鐳和陳海平[15]對循環(huán)水預(yù)熱回收開展了熱力性能分析。

然而，通過對相關(guān)研究的系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)?損失也不等價于系統(tǒng)的節(jié)能潛力。如燃燒?損失幾乎不可避免；煙氣與汽水之間巨大傳熱?損失，也因鋼材的溫度限制而難以降低。雖然相關(guān)學(xué)者提出了如提高蒸汽參數(shù)[10]、給水溫度、負荷率[12]，降低背壓、改變一次風(fēng)加熱方式[16]等一系列有效的方案，但由于供電煤耗影響因素復(fù)雜，缺乏成熟、系統(tǒng)、全面的節(jié)能分析與評價方法，節(jié)能技術(shù)魚龍混雜，節(jié)能發(fā)展方向并不明確，難以從根本上大幅提升系統(tǒng)效率。隨著能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展，燃煤運行環(huán)境和熱力系統(tǒng)日趨復(fù)雜，如熱電聯(lián)產(chǎn)多用戶多供給、新能源耦合、源網(wǎng)荷儲一體化等能源利用新環(huán)境，傳統(tǒng)燃煤發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)已難以支撐節(jié)能技術(shù)進一步發(fā)展。

現(xiàn)代熱力系統(tǒng)節(jié)能理論的建立，應(yīng)基于能量品級綜合高效利用開展熱量與?的耦合分析，建立涵蓋燃料、燃燒、傳熱、動力循環(huán)、冷端等燃煤發(fā)電全系統(tǒng)?平衡與熱平衡體系，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)與能量需求情況，揭示火力電站?損失與能量損失的對應(yīng)關(guān)系，進而表征燃煤發(fā)電熱力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化各個過程的理論節(jié)能潛力分布，從而為燃煤發(fā)電節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向提供科學(xué)依據(jù)。

3 基于燃煤發(fā)電機組熱力系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)的低負荷工況保效技術(shù)

隨著我國加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，越來越多的間歇性新能源電量并網(wǎng)，燃煤發(fā)電機組必將逐漸全面參與深度調(diào)峰。然而，燃煤發(fā)電機組在設(shè)計過程中主要考慮額定負荷工況下的運行效率，在中、低負荷工況下運行經(jīng)濟性差，運行方式?jīng)]有經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化?；趥鹘y(tǒng)理論和技術(shù)，燃煤發(fā)電機組無論采取定壓運行方式還是滑壓運行方式，在深度調(diào)峰過程的中低負荷工況下效率都會大幅下降。燃煤發(fā)電機組定壓運行與滑壓運行的優(yōu)缺點如圖2所示。燃煤發(fā)電機組采用定壓運行時，負荷響應(yīng)速度快，汽包溫度穩(wěn)定，然而汽輪機節(jié)流損失大、末級濕度變化大、主蒸汽和再熱蒸汽溫度難以維持；而當(dāng)燃煤發(fā)電機組采用滑壓運行時，又會產(chǎn)生汽包溫度變化大、負荷響應(yīng)速度慢、機組循環(huán)效率降低等問題。另外，機組檢修、設(shè)備更換等局部改造和機組長期運行產(chǎn)生性能老化等原因都將導(dǎo)致系統(tǒng)特性變化，單一不變的運行方式難以保障深度調(diào)峰工況下發(fā)電機組的能效。

圖2 燃煤發(fā)電機組定壓運行與滑壓運行的優(yōu)缺點Fig.2 Pros and cons of constant pressure operation and sliding pressure operation of thermal power units

大型燃煤發(fā)電機組中，循環(huán)效率和高壓缸效率之間存在一定的矛盾。主蒸汽參數(shù)優(yōu)化是燃煤發(fā)電機組運行優(yōu)化的關(guān)鍵。目前大型汽輪發(fā)電機組的配汽方式主要有節(jié)流配汽和噴嘴配汽2種方式。節(jié)流配汽會導(dǎo)致低負荷節(jié)流損失大、效率低，僅適用于帶基本負荷的大功率機組。當(dāng)前普遍采用噴嘴配汽方式，雖然在一定程度減輕節(jié)流配汽的節(jié)流損失，但因在中低負荷采用滑壓運行方式，低負荷循環(huán)效率低下問題沒有得到根本解決；同時，在低負荷工況單個或2個調(diào)節(jié)閥仍然存在較大的節(jié)流損失，導(dǎo)致高壓缸調(diào)節(jié)級效率大幅下降。

傳統(tǒng)燃煤發(fā)電機組的額定負荷工況往往是機組的高效運行工況。隨著負荷下降，無論采用何種運行方式，都必然導(dǎo)致機組綜合效率下降，這是行業(yè)共識。為協(xié)同提高深度調(diào)峰工況主蒸汽壓力和高壓缸效率，必須對熱力系統(tǒng)進行狀態(tài)重構(gòu)。針對新能源發(fā)展引起燃煤發(fā)電機組必須頻繁參與深度調(diào)峰的新需求，基于熱力系統(tǒng)動靜態(tài)特性模型和對運行數(shù)據(jù)的挖掘，以系統(tǒng)整體能效為目標，綜合考慮循環(huán)效率、高壓缸效率、給水泵泵功等多種因素的影響規(guī)律，協(xié)同優(yōu)化汽輪機通流結(jié)構(gòu)、鍋爐受熱面、給水泵運行方式等，開展燃煤發(fā)電機組變負荷多工況的熱力系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)。

基于系統(tǒng)研究，燃煤發(fā)電機組低負荷狀態(tài)重構(gòu)技術(shù)可同步大幅提高低負荷區(qū)域主蒸汽參數(shù)與高壓缸效率，綜合提高低負荷工況機組效率達3%以上，降低供電煤耗10 g/(kW·h)左右。燃煤發(fā)電機組低負荷狀態(tài)重構(gòu)技術(shù)的推廣應(yīng)用，可打破燃煤發(fā)電機組低負荷效率大幅下降的必然規(guī)律，基本實現(xiàn)燃煤發(fā)電機組低負荷的系統(tǒng)保效。

4 供熱機組“按需定電”與調(diào)峰過程“能級匹配”的高效供熱技術(shù)

熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱具有能源綜合利用效率高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，是城市和工業(yè)園區(qū)集中供熱的主要供熱方式之一，也是解決我國城市和工業(yè)園區(qū)存在供熱熱源結(jié)構(gòu)不合理、熱電供需矛盾突出、供熱熱源能效低污染重等問題的主要途徑之一。然而，當(dāng)前我國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展正面臨嚴峻挑戰(zhàn)：一是大型抽凝供熱機組比例過大，其熱電比通常較小，難以全面參與深度調(diào)峰；二是當(dāng)前熱電聯(lián)產(chǎn)機組普遍采用的熱電解耦技術(shù)，能耗非常高，亟待開展基于“能級匹配”的高效熱電聯(lián)產(chǎn)機組深度調(diào)峰技術(shù)。

4.1 供熱機組“按需定電”助力電網(wǎng)調(diào)峰

燃煤發(fā)電機組全面參與深度調(diào)峰，占裝機容量近一半的熱電聯(lián)產(chǎn)機組必然無法繼續(xù)按照“以熱定電”的運行方式獨善其身。供熱機組全面參與電力調(diào)峰，是當(dāng)前解決電網(wǎng)調(diào)峰能力不足的重要手段。

我國的熱電聯(lián)產(chǎn)機組以為200~600 MW等級的機組為主，且大多采用抽凝式，其熱電比通常較小，難以深度調(diào)峰。特別在我國三北地區(qū)，熱電聯(lián)產(chǎn)機組比重大，水電、純凝機組等可調(diào)峰電源稀缺，調(diào)峰困難已經(jīng)成為電網(wǎng)運行中最為突出的問題。以東北電網(wǎng)為例，其目前的電源結(jié)構(gòu)中，燃煤發(fā)電占總裝機的70%，風(fēng)電占總裝機的20%。在冬季采暖期，供熱機組運行容量占燃煤發(fā)電機組運行總?cè)萘康?0%，熱電機組按“以熱定電”方式運行，調(diào)峰能力僅為燃煤發(fā)電裝機容量的10%左右，新能源發(fā)電的消納問題難以解決。

為了充分消納高品位的新能源電力，供熱機組通過“熱電解耦”的方式全面參與深度調(diào)峰，實現(xiàn)機組“按需定電”，首先要解決機組供熱能力的保障問題。當(dāng)前，熱電解耦的主要技術(shù)路線有2種：第1種是儲熱式，如熱水儲熱裝置，通過增設(shè)蓄熱裝置實現(xiàn)熱電解耦，當(dāng)電網(wǎng)存在調(diào)峰困難時段利用儲熱裝置對外供熱，補充熱電聯(lián)產(chǎn)機組由于發(fā)電負荷降低帶來的供熱能力不足；第2種是非儲熱式，即取消蓄熱裝置，通過電鍋爐或機組通過抽取更高品位蒸汽減溫減壓以直接用于加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，進而滿足供熱需求，同時滿足電網(wǎng)對電廠的調(diào)峰要求。

基于系統(tǒng)分析，當(dāng)前主要熱電解耦技術(shù)的能效水平都有較大的提升空間。如當(dāng)前蓄熱式熱電解耦方式的蓄熱熱源一般都是主蒸汽或高品位抽汽，能耗極高。采用電鍋爐供熱的方式，更是直接將高品位的電直接燒熱水供熱，其從煤到熱的轉(zhuǎn)化效率僅有30%左右。而高低壓兩級減溫減壓器供熱技術(shù)方案會降低原電廠運行效率。其他熱電解耦技術(shù)，如高背壓供熱改造（雙轉(zhuǎn)子）、光軸改造方案采暖期需更換2次低壓缸轉(zhuǎn)子；低壓缸切缸運行、高低旁路協(xié)調(diào)減溫減壓等系列熱電解耦技術(shù)等在保障供熱、供汽穩(wěn)定前提下，可實現(xiàn)熱電機組的全負荷調(diào)峰，調(diào)峰水平和熱效率總體較好，但靈活性欠佳。

4.2 熱電聯(lián)產(chǎn)“能級匹配”保障系統(tǒng)高效

針對蓄熱式熱電解耦技術(shù)，采用“能級匹配”理念，可以采用分級蓄熱，低溫段采用低品質(zhì)蒸汽或余熱來加熱蓄熱介質(zhì)。針對電鍋爐補充供熱的方式，可以在電力調(diào)節(jié)靈活性允許的情況下，盡量避免電能的直接供熱。

一般而言，建筑采暖的目標是維持20 ℃左右的室內(nèi)溫度。為了滿足大規(guī)模熱量集中輸送的要求，采用0.2~1.0 MPa的供熱抽汽作為熱源，熱源與供熱目標的能級嚴重不匹配。每經(jīng)歷1個換熱環(huán)節(jié)，熱量的能級就降低1次。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律的?分析方法，計算得到常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱系統(tǒng)（圖3）首站的汽-水換熱?效率為74.0%，熱力站的水-水換熱?效率為69.6%，用戶末端的水-空氣換熱?效率為52.4%。因此，系統(tǒng)總的?效率為27.0%，即由熱源處提供1 kW·h的抽汽熱量，則耗損0.73 kW·h的?。這意味著該系統(tǒng)存在較大的優(yōu)化改進空間。

面對多用戶多供給、新能源耦合、源網(wǎng)荷儲一體化等日益復(fù)雜的能源利用新環(huán)境，基于“能級匹配”理論，對包含源-網(wǎng)-荷的泛熱力系統(tǒng)進行綜合設(shè)計，開發(fā)基于能級匹配的先進高效熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，系統(tǒng)提高“泛熱力系統(tǒng)”的能源利用效率。在此基礎(chǔ)上，進一步與“按需定電”的熱電解耦技術(shù)耦合，對不同能級的熱源、蒸汽/熱用戶進行系統(tǒng)綜合優(yōu)化，主動高效匹配，實現(xiàn)“按需定電”、供熱/供汽保障與深度節(jié)能的智慧統(tǒng)一。

圖3 常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱系統(tǒng)Fig.3 Schematic diagram of heating system of conventional cogeneration unit

5 結(jié)論及建議

為系統(tǒng)實現(xiàn)“2060年實現(xiàn)碳中和”的國家戰(zhàn)略，我國不斷提高非化石能源比例，通過全面實施電氣化、智能化、低碳化，走向以非化石能源為主的新型能源結(jié)構(gòu)?；谖覈案幻?、缺油、少氣”的資源稟賦及新能源“陰晴不定”的能源品質(zhì)，燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)全面升級，是確保新能源順利發(fā)展的最可靠保障。為此，必須全面推進燃煤發(fā)電現(xiàn)代節(jié)能理論創(chuàng)新，在系統(tǒng)兼顧燃煤發(fā)電機組多工況能效的同時，不斷強化燃煤發(fā)電機組的深度調(diào)峰能力，提高可再生能源消納水平。

本文從節(jié)能理論及關(guān)鍵技術(shù)體系2個方面，為我國燃煤發(fā)電行業(yè)發(fā)展提出以下建議。

1）深入開展基于能量品級綜合高效利用的現(xiàn)代熱力系統(tǒng)節(jié)能理論研究，為燃煤發(fā)電節(jié)能技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2）研發(fā)基于熱力系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)的燃煤發(fā)電機組低負荷工況保效技術(shù)，同步實現(xiàn)燃煤發(fā)電機組深度調(diào)峰與高效節(jié)能。

3）研發(fā)熱電聯(lián)產(chǎn)機組“按需定電”與調(diào)峰過程“能級匹配”的現(xiàn)代高效熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，同步保障熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱、供汽與系統(tǒng)高效。

碳中和目標既是挑戰(zhàn)，更是機遇。深入開展基于現(xiàn)代節(jié)能創(chuàng)新理論和系列關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)研發(fā)，可全面促進燃煤發(fā)電節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，推動燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)升級，以大幅提高我國電力工業(yè)的發(fā)展水平和國際競爭力。