新一代煤電轉型升級技術路線研究及思考

摘" 要：為了在推動火電機組大力發展的同時，實現大范圍新能源開發與利用，亟需對綜合能源系統進行全面改造。煤電作為重要的支撐電源，其基礎保障性和靈活調節性的要求進一步提高，有必要因地制宜開展以低碳、靈活為首要特征的新一代煤電機組關鍵技術攻關和工程示范建設。本文提出新一代煤電轉型升級技術路線及相關建議，為煤電轉型升級提供路徑建議。

關鍵詞：低碳煤電；技術路線；升級改造

煤電低碳化改造建設是推動煤電行業轉型升級、發展新質生產力的應有之義。長期以來，我國大力推進發電裝備技術自主創新發展，推動煤電行業實現了從低效到高效、從進口到國產、從高排放到超低排放的快速跨越，逐步成為我國的主力電源。近年來，我國大力發展可再生能源，加快構建新型電力系統，煤電將由主力電源逐步轉向基礎保障性和系統調節性電源。對標天然氣發電機組低碳排放水平，推動煤電低碳化改造建設，既可以更好發揮存量煤電效能，又可以有力支持新能源開發和消納，還可以助推新興低碳技術和產業發展，是主動適應新型電力系統建設需要、加快能源綠色低碳轉型的關鍵舉措[1]。

1.新一代低碳燃煤發電技術路線

生物質摻燒、綠氨摻燒、碳捕集利用與封存是煤電碳減排的“三大法寶”，現階段要求改造后的煤電機組要具備摻燒10%以上生物質與綠氨的能力。

1.1" 低負荷穩燃技術

對燃燒器系統進行優化，選用深度濃淡分離的措施提高低負荷穩燃能力，實現燃用優質煙煤鍋爐最低穩燃負荷15%THA的目的；在B、D層煤粉管道上設置濃淡分離裝置，將B、D磨煤機出口的一次風/煤粉氣流進行大比例的濃淡分離，濃粉氣流和淡粉氣流分別通過不同的燃燒器噴口送入爐膛，實現相鄰雙磨運行靈活組合方案[2]。

1.2" 受熱面安全提升技術

針對新一代煤電機組的深度調峰以及變負荷要求，推薦帶有啟動循環泵的啟動系統；鍋爐設計時降低厚壁部件的壁厚，提高鍋爐允許的溫度變化速率；水冷壁螺旋管圈采用內螺紋管推遲傳熱惡化臨界干度區，繞圈數超過1圈，螺旋段到垂直段轉換采用中間交叉混合流程減少垂直段初始偏差；對高溫受熱面通過壁溫核算、增加測點、優化報警值和受熱面材料升級等方式提升受熱面安全性。

另外，通過鍋爐多煤種狀態識別及智能運行優化控制技術、鍋爐全負荷動態響應運行優化控制技術、鍋爐關鍵設備壽命（狀態）在線監測及預警技術、鍋爐關鍵設備壽命診斷算法技術等和鍋爐受熱面、連接管道、集箱等關鍵設備壽命診斷技術、鍋爐狀態檢修等控制手段提升受熱面安全性。

1.3" 汽輪機安全提升技術

根據與國內三大主機廠技術交流和在運電廠的調研情況，在低負荷工況時，低壓缸易出現鼓風超溫、水蝕，葉片顫振、動靜碰磨等現象；機組偏離設計工況點，處在非經濟運行范圍。采取的措施包括：通過結構設計優化、通流及葉片優化設計、滑銷系統+閥門控制系統優化等手段降低水蝕影響、提升經濟性；低壓缸分級噴水減溫系統降低鼓風、水蝕影響；低壓缸運行安全監測與保護系統；末級葉片健康監測系統實時進行監測、防顫振、預警及故障診斷；設備健康評估管理技術優化運行，實時監測，提前預警。

為適應機組的快速變負荷能力，考慮增設汽輪機高溫部件壽命監測系統，實時監測啟停、運行及變負荷期間的壽命損耗；優化變負荷熱應力等結構，提升機組運行靈活性；采用數字化、智能化手段實現熱力系統的實時評估，指導優化運行和故障診斷，提高機組運行的安全性和經濟性。

1.4" 全負荷脫硝技術

機組在低負荷和變負荷運行工況時，煙氣污染物重點需要關注NOx的排放，可采用下列技術措施實現全負荷脫硝的目標。

在燃燒器設計時，控制風煤比，適當降低一次風率，以控制主燃燒器區域含氧量，減少燃燒器區域NOx生成；低負荷適當降低周界風及直吹二次風的風量，提高偏置風的風量，以實現燃燒水平方向上的空氣分級；同時，開大燃盡風門開度（低負荷時為兼顧汽溫，優先開啟下層燃盡風），以降低NOx排放。

低負荷工況時，通過提高給水溫度+分級省煤器+氣體燃料補燃技術，提升脫硝裝置入口煙溫，實現機組在15%至100%負荷工況下脫硝運行。示范工程的建設，可以充分利用綠氫燃料的補燃技術，一方面不增加二氧化碳排放，另一方面可以提升脫硝裝置入口煙溫。

優先選擇煤電一體化項目，燃煤來源穩定，品質較高，粉塵、SO2和NOx排放限值可以分別實現5mg/Nm3、20mg/Nm3和30mg/Nm3的水平。

1.5 控制系統優化

系統控制優化包括機組自啟停控制技術、鍋爐干濕態轉換自動控制技術以及快速變負荷自動控制技術等。基于控制技術，提升機組深度調峰、快速變負荷和啟停調峰的能力，提升機組運行的安全性和經濟性。

協調控制系統的優化是提高機組變負荷能力的基礎。機組的協調控制，不僅包括機爐的協調，也包括鍋爐風、煤、水協調的燃燒控制，以及其他在機組變工況過程中影響機組安全穩定運行的控制回路。智能協調控制立足于現有DCS控制邏輯，根據鍋爐實時熱量和機組能量需求的變化趨勢合理設置鍋爐前饋量，協同燃料、給水、配風、蒸汽溫度的動態調節，提升低負荷工況下機組變負荷控制能力[3]。

2.推動新一代煤電轉型升級的建議

2.1" 著力推動煤電向基礎性、支撐性、調節性電源轉型

煤電是技術相對成熟、成本相對較低、功能較為全面的常規電源，面對構建新型電力系統的現實要求，煤電在夯實電力保供基礎的同時，還需進一步向支撐性、調節性電源定位轉型，對快速變負荷、深度調峰、啟停調峰等功能特性提出了更高要求，平常時段為新能源發電讓出發電空間、風光低出力與負荷高峰時段頂峰出力，支撐新能源高質量發展[4]。

2.2" 加快煤電清潔低碳運行技術攻關

要實現煤電清潔高效利用，采取零碳或低碳燃料摻燒、碳捕集利用與封存（CCUS）等低碳技術是可行的路徑選擇。通過技術攻關，在常規煤電機組中探索摻燒氨、生物質等，替代部分電煤消耗，可以有效降低煤電機組碳排放水平。CCUS技術的實施難點在于技術成熟度不高、成本較高以及碳封存的安全性等問題。為解決這些問題，需要加強技術研發和創新，提高捕集效率和降低成本；完善政策法規體系，為CCUS技術的推廣應用提供有力保障；加強碳封存技術的研究和實踐，確保封存過程的安全性和長期穩定性。

2.3" 積極有序提升煤電靈活高效運行水平

大容量先進煤電機組在低負荷率下供電煤耗比額定工況大幅增加，機組安全性和壽命也受到影響，相應地增加了碳排放。因此，為支撐新型電力系統建設，需統籌考慮煤電經濟運行水平和靈活高效運行技術攻關，在深調、啟停、變負荷速率等方面進行技術攻關和示范應用，使機組具備15%深調和3％/min升負荷能力的同時，充分采用優化手段，實現“滿負荷可靠性、中負荷經濟性、低負荷適應性、變負荷靈活性”。為達到以上目標，新一代低碳燃煤發電技術需要對主輔機在深調以及快速變負荷條件下安全性、系統適應性、低負荷高效等方面開展技術攻關，并分別在鍋爐側、汽機側、控制側進行重點關注和技術分析。

3.結束語

目前，燃煤發電行業需要進行轉型改革，實現綠色低碳化發展，提升未來在新型電力系統中的競爭力。新一代煤電技術應用在靈活性和碳排放強度媲美燃氣機組的燃煤發電廠，符合電力安全穩定運行的要求，可以進一步引領未來燃煤發電機組的清潔有序發展。

參考文獻：

[1]國家發展改革委、國家能源局。《煤電低碳化改造建設行動方案（2024—2027年）》[EB/OL].（2024-07-15）[2024-12-3].https：//www.ndrc.gov.cn/xwdt/tzgg/202407/t20240715_1391665.html

[2]魯鵬飛、薛寧。超臨界鍋爐超低負荷調峰運行穩燃改造方案研究[J].熱力發電，2022，51（1）：87-92.

[3]譚厚章、楊富鑫、王新寧、李鳳軍、吳德利、趙旭。全鏈條大型燃煤機組直接耦合生物質發電降碳技術[J].（2024.07.16）[2024-12-3].

[4]楊勇。平統籌推進新一代煤電轉型升級，加快構建新型電力系統[N].[2024-8-10].