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毛健雄:把牢煤电高质量发展定力

——对话清华大学能源与动力工程系教授毛健雄

文章来源:中国电力新闻网 作者:冯义军 点击:次 时间:2019/12/17 15:17:53

毛健雄:把牢煤电高质量发展定力

曾经在我国工业发展史上留下浓墨重彩的煤电,如今已经行走在高质量发展的新征程上。在当前能源革命向纵深推进的新形势下,如何保持和发挥好传统煤电这一“电力压舱石”的兜底功能,如何统筹协调煤电新增容量、退役容量和延寿容量的关系,如何稳住清洁煤电在能源清洁发展的大格局中的发展定力,这是当前摆在煤电行业的重大课题、重大答卷。

近日,《中国电力报》记者就煤电高质量发展的相关问题采访了清华大学能源与动力工程系教授毛健雄,围绕当前煤电的定位、煤电的技术路线等进行了交流和讨论。

“煤电今天高质量发展的重点应该放在对所有现役机组进行提质升级改造。”在毛健雄看来,各种类型的机组应该统筹兼顾,突出重点。

“高效化、清洁化与减量化”并举应是煤炭战略方向

《中国电力报》:请问在应对气候变化和能源低碳发展的形势下,您对煤炭在现今中国能源中的地位有什么看法?

毛健雄:为了应对气候变化的挑战,中国能源结构将加快升级,能源的低碳和清洁化水平将会显著提高,作为高碳燃料的煤炭被替代程度将逐步加深,这是中国也是世界能源发展的必然趋势。预计,石油和天然气将会分别在2030-2035年和2040年后达到峰值。非化石能源在2050年前将会取代煤炭成为第一大能源品种。但是,中国能源资源的禀赋决定了煤炭为主的能源结构,在至少未来30年的一个相当长的时期内,煤炭作为我国最可靠、最安全和最经济的能源,虽然比重在不断下降,但是“煤为基础,煤电为主,油气进口”这一我国能源的基本格局在短时期内还无法改变。2018年,我国原煤产量36.8亿吨,消费量39亿吨,分别占一次能源生产和消费的69.6%和59%。2019年10月11日,国家能源委员会第四次全体会议指出,根据我国以煤为主的能源资源禀赋,预计到2030年,在多元发展的能源供给体系中,虽然我国煤炭的消费量比重会有所下降,但仍然会占一次能源总消费量的55%左右。因此,在我国能源发展战略中对煤炭的定位应该是“以煤为主,绿色用煤”。根据对煤炭的这一战略定位,即使为了应对“气候变化”,激进的“去煤化”道路是走不通的,煤炭产业的未来发展方向,应该是走高效和清洁化的利用道路。“高效化、清洁化与减量化”应该是煤炭及相关产业同时并举的战略方向。

《中国电力报》:请您结合中国燃煤火电的现状谈谈未来的发展还有多大的空间?

毛健雄:中国现在是世界上最大的煤炭生产和消费国,2018年煤炭总产量为36.8亿吨,占全球总产量的45.43%。基于中国“以煤为主”的能源结构和经济高速发展的国情,推动了中国煤电的快速发展。就全球的燃煤火电情况,2018年,全球燃煤火电的总装机容量为15.3亿千瓦,仍然是全球各种发电电源中最大的板块,其中,中国煤电的装机容量超过10亿千瓦,占全球燃煤发电机组总装机容量的66%。从总装机容量和总发电量看,2018年,中国电力的总装机容量达到19亿千瓦, 总发电量为69947亿千瓦时,均为世界第一。现在美国的总装机容量只有中国的65%,中国比印度的总装机容量大5倍。但是,如果考虑到人均装机容量和人均发电量,现在中国人均装机容量为1.36千瓦/人,人均发电量为4710千瓦时/人,虽然有了很大的发展,但是仍落后于几乎所有的发达国家,甚至不如韩国。人均装机容量和人均发电量可谓衡量一个国家的经济发达程度和人民生活水平的重要标志之一,也是是否达到了发达国家水平的主要标志之一。由于现在我国的人均水平还较低, 仍然是发展中国家,这说明中国为实现在“第二个100年”达到中等发达国家水平的战略目标,今后还需要发展更多的电力。因此,预计中国电力包括煤电的装机容量和发电量还会有较大的发展空间。根据国际能源署的预测,全球今后计划要建设的各种电源容量中,水电和气电将有大幅度增加,煤电发展虽然增速放缓,但仍然要再建27-28亿千瓦,中国新建煤电将仍会有3-4亿千瓦的容量空间。

发挥好煤电“压舱石”的兜底作用

《中国电力报》:为了应对气候变化,中国正在大力发展可再生能源电力,您认为中国煤电在中国电力发展中的定位和发展要求应该是怎样的?

毛健雄:自从中国对煤电实行“上大压小”政策以来,淘汰了近1亿千瓦的落后低效小机组,大力发展了先进超临界和超超临界大机组,现在仅超超临界机组的总容量已超过1亿千瓦,成为世界第一。按照国家能源局的数据,2018年,中国的全国平均供电煤耗已下降至321克标煤/千瓦时。2014年开始实行煤电全面超低排放改造,到现在为止,中国已是世界上燃煤火电总容量最大、平均效率最高、污染物排放最低的国家。

显然,在应对气候变化和能源低碳转型的大形势下,低碳电源,特别是可再生能源电力将会加速发展,煤电的发展速度和规模将会放缓和减小。但是,现在有些人主张,由于煤炭是高污染和高碳能源,因而煤电应该尽快退出历史舞台,认为今后中国不但完全不需要新增加煤电装机容量,而且建议要将中国煤电的发电量在2050年前降为零,要求煤电应该“换下来、减下来、停下来”。这种“去煤电化”的主张符合中国的国情和能源的实际吗?在中国能源结构现在仍然是“以煤为主”的情况下,煤电作为保障中国电力最安全可靠供应的“压舱石”,只能而且必须在较长的时期内保持发展定力。而且,做好未来煤电、可再生能源电力和核电等各种电源电力发展的平衡十分关键,决不能因为要发展“低碳电源”而过早、过快搞所谓的“去煤电化”而大规模减少和淘汰煤电。中国各种电源的平衡和其他电源的调节补偿需求,决定了煤电今后仍将长期发挥重要作用。为了能够保证和消纳可再生能源电力,中国需要进一步发挥煤电特殊的高保证出力能力和灵活性调节作用能力。因此,中国煤电的发展,应该统筹协调煤电新增容量、退役容量和延寿容量的关系,针对各种不同情况的煤电容量,采取不同的技术措施,以实现中国煤电高质量发展的目标。预计在一个相当长的时期内,中国仍需在电力系统中维持13-14亿千瓦的煤电装机容量, 也就是在2050年前,中国还需新增加约4亿千瓦的新煤电机组的装机容量,而决不是也决不可能从此中国不再发展任何新增煤电容量。此外,在当前形势下,煤电的高质量发展,首先应该是抓住现役机组,要在技术上的先进性和经济上的可持续性基础上,对现役机组包括超临界和超超临界机组,特别是亚临界机组,进一步加快提效降耗延寿和灵活性改造的高质量发展步伐。

关于中国煤电今后高质量发展对煤电的技术性能要求,2014年,三部委发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)》,要求“到2020年,现役燃煤机组改造后的年平均供电煤耗低于310克/千瓦时(相当于额定负荷时290-295克/千瓦时), 其中现役60万千瓦及以上的机组(除空冷机组外),改造后年平均供电煤耗低于300克/千瓦时;国家能源局今年9月发布的《关于政协十三届全国委员会第二次会议第1919号(公交点类192号)提案答复的函》称:科技部会同有关部门正研究部署面向2030年的煤炭清洁利用重大项目,力争到2030年在煤炭清洁燃烧与发电方面,“实现燃煤发电净效率突破50%”、“燃煤发电机组实现20%-100%调峰”。如果这些要求目标得以实现,将会大大促进中国煤电的高质量发展。

创新是推动煤电高质量发展的关键

《中国电力报》:您认为中国应当怎样实现煤电的高质量发展?

毛健雄:我认为,创新是推动中国煤电高质量发展的关键,中国煤电能够走到今天这一步,成为世界容量最大、效率最高和最清洁的煤电容量,靠的是党和国家政策的推动和中国广大煤电人几十年的努力奋斗和不断创新发展的结果。其中,我可以举上海申能公司的上海外高桥第三发电公司(简称外三)为例,因为我和清华大学我的老学长倪维斗院士及我的老同学原能源部总工程师秦中一等一起,多年来曾经与外三合作来推动其创新发展经验的推广,多次去过外三调研考察,因此对外三比较熟悉,了解的情况也比较多。我们推动外三推广其创新技术的一个典型例子,是外三与华润电力的合作。2012年,华润电力在经过我们的介绍和推荐后,在当时的董事局主席周俊卿带领下,在对外三电厂及其创新技术进行了仔细的调研评估后,确认了外三的先进创新技术,于2013年10月在上海与外三(通过申能科技公司)签订了《技术合作框架协议》,签字那天我和倪维斗及秦中一三人均有幸被邀请参加签字仪式以见证他们的合作。从那时以来的近6年时间,外三(申能科技)和华润电力一共开展了四个大项目的技术改造合作, 其中三项(华润铜山电厂2台100万千瓦超超机组改造、华润曹妃甸2台全新100万千瓦一次再热工程全套外三创新技术的应用、华润徐州电厂32万千瓦亚临界机组的升级提效和灵活性改造)已经完成, 第四项华润阜阳2台66万千瓦全高位布置二次再热机组工程已在设计阶段。因此,根据我们对外三厂本身的调查了解,特别是外三技术在华润电力的推广成功,使我们相信并一致认为,外三是中国煤电创新发展的突出代表,他们以拥有大量的创新技术,包括66项专利技术及诸多专有技术,实现了下面四个方面的突出成果:

改造现役超超临界机组, 进一步提升其性能和降低煤耗。

自2008年外三的机组投产以来,他们将原设计供电煤耗为291克/千瓦时的2台100万千瓦超超临界机组通过技术创新和改造,使年平均供电煤耗降低到276克/千瓦时,为当时的世界纪录,并大大提升了机组的各项性能。被国家能源局授牌为全国唯一的“国家煤电节能减排示范基地”;被国际“POWER”杂志授予“顶级电厂”证书;在国际电力大会上被授予《Peabody 全球清洁煤领导者奖(最高效率及最低 NOx 排放)》;

2014-2015年,采用部分外三技术改造的华润铜山电厂的2台100万千万超超临界机组,降低供电煤耗10克以上,达到年节约标准煤10余万吨,改造后投产至今已近5年,其节约的标准煤已达50万吨左右,折合原煤约70万吨。

创新技术用于全新超超临界机组的设计,实现外三技术的升级。

华润曹妃甸电厂二期2台100万千万一次再热超超临界工程,由上海外三(申能科技)为该项目提供全套的 “外三升级版” 创新技术,设计供电煤耗为263 克标煤/千瓦时,不但优于外三现在的煤耗指标, 而且优于100 万千瓦常规设计的二次再热机组在额定负荷下的设计供电煤耗267克标煤/千瓦时的指标。目前国内已投产的最先进的100万千瓦二次再热煤电机组净效率为46%,采用外三升级版技术的曹妃甸二期100万千瓦一次再热的设计供电效率为46 .7%,而其投资仅为二次再热的78%。说明采用外三节能减排创新技术,一次再热不但能够达到甚至超过常规设计的二次再热的供电效率,而且能使电厂的投资达到极高的性价比。

突破传统二次再热超超临界机组设计的制约瓶颈,创新更高效低成本二次再热设计。

针对常规设计的二次再热超超临界机组存在的问题,特别是昂贵的长距离大直径高温蒸汽管道的瓶颈制约,外三(申能科技)创新设计了大大缩短高温蒸汽管道的汽轮发电机组“高低位”和“全高位“布置,大大提高了效率,降低了煤耗和成本。对于大容量的二次再热机组,采用“双轴高低位布置”技术,现在用于正在建设中的申能安徽平山电厂二期“135万千瓦二次再热超超临界”工程,该工程为国家示范项目, 预计在2020年投产发电。由于该技术可缩短大部分高温蒸汽管道,使平山二期机组的设计供电煤耗低达 251 克/千瓦时,因而被时任上海市委书记的韩正副总理在考察外三时命名为“251 工程” 。

对于中等容量的二次再热机组,如正在设计中的华润安徽阜阳二期66万千瓦二次再热超超临界工程,则采用“全高位布置”技术,该技术是在平山项目的“高低位布置”技术基础上的“升级版”——“单轴全高位布置“系列技术,该技术极大地缩短了全部高温蒸汽管道,其能够达到的设计供电煤耗进一步降低为249 克/千瓦时,这将是当今世界最先进的水平。

“高温亚临界”系列技术。

据统计, 至2018年底, 我国现在仍有约3.5亿千瓦的现役装机容量为亚临界机组,其在额定工况下的供电煤耗普遍高于318gce/kWh。经过协议,由外三(申能科技)采用其“高温亚临界”系列创新技术,负责为华润徐州电厂320MW亚临界机组项目进行改造,该项目于2019年8月10日改造完成后一次性通过168小时满负荷试运行。华润徐州电厂这次采用“外三(申能科技)“研发的“高温亚临界”系列创新技术改造其现役的亚临界机组的实际效果,表现出了以下4个突出的特点:

“大幅度降低供电煤耗”:采用“高温亚临界”系列创新技术,对原320MW亚临界机组,其主蒸汽和再热蒸汽的压力维持亚临界不变,而主蒸汽和再热蒸汽温度均提高到超超临界水平的600oC等级,再附加上其它外三的系列创新技术,改造后,该#3号机在额定工况下的设计供电煤耗从改造前的常规亚临界水平的318gce/kWh,降低至改造后287gce/kWh的超超临界水平,降幅达31gce/kWh。大大超过了国家六部委2014年发布的“6年行动计划”要求的300万千瓦等级煤电机组改造后的供电煤耗310克/千瓦时的目标要求。需要特别指出的是,该机组的汽轮机已在2012年进行过通流部分改造,因此,未经过通流改造过的机组,若采用“高温亚临界”系列创新技术进行改造,其供电煤耗的下降幅度还会大很多;

“大范围可靠的高度灵活性调峰”:采用“高温亚临界”系列创新技术,除了能使效率大幅度提升外,机组还实现了在只有额定负荷19%的超低负荷下,长期、安全、稳定、高效和低排放的灵活运行,提前10年实现了科技部和国家能源局规划的在2030年燃煤机组达到的20%-100%负荷范围灵活性调节能力要求的目标,这对于电网可更多地消纳可再生能源电力具有极其重要的意义;

“改造机组可延寿继续30年的安全高效运行”:采用“高温亚临界”系列创新技术可以大幅度延长机组运行寿命,这是由于在汽轮机改造中,通流部分全部更换升级并加载保效技术,因此汽轮机寿命相当于新建机组的汽轮机,可以再安全高效运行超过30年。由于锅炉对流受热面进行了较大规模的改造,运行寿命可以大大延长,可匹配汽轮机寿命。此外, 三大管道材质升级更换,相当于新建机组的三大管道。对于辅机,只需进行常规维护保养,即可以匹配主机需求。因此,高温亚临界改造后,机组可用寿命得以大幅延长,具备继续安全高效运行30年以上的能力;

“高性价比”:用3.5亿元的改造投资,对一台32万千瓦的亚临界机组,采用“高温亚临界”系列创新技术进行改造,换来一台性能相当于先进超超临界的机组, 具有极高的性价比”,其投资费用约为1100元/千瓦,1100万元/克标煤,其性价比远优于其它亚临界机组改造技术。

《中国电力报》:根据上面您对外三(申能科技)的煤电创新技术在华润电力推广应用成果的介绍,对于今后进一步推广外三(申能科技)的创新技术有什么建议?

毛健雄:从上面介绍的外三(申能科技)的创新技术在华润电力推广应用所达到的成果看,我认外三的创新技术具有普遍的实用性,从其已经推广应用的实际结果可以看出,这些技术可代表中国各种不同类型的煤电机组的提貭、降耗、增效、延寿和灵活性改造或新建机组的技术方向,这些成功的例子可以给我们以下的启示:

外三(申能科技)系列创新技术可以用于现役的超临界和超超临界机组的升级改造。外三电厂本身和铜山电厂超超临界机组的节能减排改造的范例,说明了即使是先进的现役超超临界机组,通过技术创新,也仍然有很大的改造提貭增效空间;

外三(申能科技)系列创新技术可用于设计建设效率和性能超越常规二次再热的一次再热超超临界工程。

外三(申能科技)系列创新技术可以用于突破常规设计的二次再热机组存在的瓶颈制约,设计建设更高效率和性能的二次再热超超临界电厂工程,现在正在进行的华润阜阳电厂二期66万千瓦全高位二次再热超超临界工程,其设计供电效率已达49.33%,距离国家规划的2030年供电效率50%的目标只有半步之遥。阜阳项目计划采用的全套外三(申能科技)创新系列技术,是我国发展新建煤电机组的技术基础和方向,阜阳项目如果建成,将会是我国今后几十年煤电新机组发展的一个最好的示范;

外三(申能科技)系列创新技术可以用于改造大批现役亚临界机组,将其供电煤耗达到超超临界水平,并大幅度提高改造后的高温亚临界汽包锅炉机组在20%-100%负荷范围内的安全、稳定、高效和灵活性,从而可真正将亚临界老机组实现“提效、延寿、低排、灵活性” 的目标,为亚临界机组旧貌换新颜,实现“6年行动计划”提供了技术示范和依据,是我国亚临界机组达到甚至超过“6年行动计划” 目标要求的极佳途径,是我国现役亚临界机组提貭改造的主要方向。

因此,为了应对气候变化而必须加快发展低碳能源的同时,在中国能源资源以煤为主的天然禀赋条件下,由于在由各种电源组成的多元发展的电力系统中,煤电仍然是今天中国电力的支柱和压舱石,起着举足轻重的独特作用,我认为,在能源低碳发展的形势下,煤电大力提高效率,降低煤耗,这就是在现今条件下煤电的低碳发展。由于我国的现役机组的煤电装机容量已超过10亿千瓦,因此,煤电今天高质量发展的重点应该放在对所有现役机组进行提貭升级改造,通过制定政策,对各种不同类型的煤电机组提出改造目标和期限要求,因地制宜,推动采用不同的创新技术,进行提貭增效和灵活性改造,这样,中国煤电实现高质量发展,是大有可为的。

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