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“双碳”目标下我国燃煤发电转型升级发展路径
杨勇平，陈衡，郝俊红，杨志平，徐钢，段立强
（华北电力大学, 北京市 昌平区 102206）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.242041
工业和电力领域的碳排放是我国CO2排放的主要来源，占全社会CO2总排放量的84%以上，其中电力领域的CO2排放量约占45%。因此，电力行业在CO2减排中承担着重大责任，电力生产的低碳化转型是我国实现“双碳”目标的必由之路。截止到2023年底，我国煤电总装机达11.65亿kW，占电力总装机39.9%；2023年煤电全年发电量5.35万亿kW·h，占全年总发电量66.3%，仍处于主导地位(如图1所示)。综合中国科学院、中国工程院、国家电网、中石油等多家权威科研机构研判，到2060年碳中和期间，我国煤电装机仍要保留4亿kW以上，才能满足能源电力保供需求。由上可知，当前及中长期内煤电是我国电力生产的主要方式，考虑到我国以煤为主的资源禀赋和目前大量优质存量煤电机组，在中长期电力需求持续增长的总体趋势下，煤电在电力安全保供、规模化减碳、支撑新能源消纳等方面将发挥重大作用。煤电转型升级对我国经济社会绿色可持续发展具有重要意义，是实现经济高质量发展、保障能源安全、工业提质升级和践行新质生产力的关键举措。
图1 2019—2023年我国煤电装机容量及发电量
作为我国技术相对成熟、成本相对较低、功能较为全面的常规电源，面向构建新型电力系统的现实要求，煤电在夯实电力保供基础的同时，应不断增强快速变负荷、深度调峰、启停调峰等调节性电源功能，当前亟需明晰我国煤电转型升级的主要路径及可行措施。本文解析了我国煤电未来发展方向，重点探讨了四个方面的发展路径，提出了新一代煤电高质量发展的基本思路，旨在增强煤电战略价值认知，为我国煤电转型升级提供理论参考和路径建议，助力新一代煤电在推进“双碳”进程和构建新型电力系统中发挥更广泛、更积极作用。
本文基于我国煤电的发展现状，从热力系统重构、煤电与储能融合、煤电与其他能源及CCUS的互补集成、多目标协同四个层面展开论述，探讨我国煤电转型升级的可行途径，阐述煤电增效减碳的典型措施，为推动我国新一代煤电发展提供理论指导和技术参考。
3.1 煤电热力系统重构
为了满足新形势下煤电机组在全工况、全过程中的高效、灵活和低碳要求，必须开展煤电热力系统的深度重构。这一重构应基于“守正创新”的原则，结合现代技术进行全面优化。首先，热电联产技术的应用可以在满足电力需求的同时，实现对热能的有效利用，提高整体能量效率。其次，热电解耦技术能够灵活调配供热与发电，减轻机组负担，进一步提升系统灵活性。此外，机炉耦合技术通过优化热质传递，打破机炉间的界限，实现热能的高效利用。同时，一炉两机的设计能有效应对低负荷运行，提高发电效率。轮班制快速启停技术则通过保持机组的热备用状态，增强快速响应能力，满足调峰需求(如图2所示)。在此基础上，还应重视超临界二氧化碳循环和Allam循环等先进热力循环技术的研发和应用，以实现更高效的能量转换和显著的碳减排效果，从而推动煤电机组的可持续发展。
图2 一炉两机宽负荷高效煤电系统与新型轮班制高效快速启停技术示意图
考虑到煤电机组本体的运行特性和安全约束，通过挖掘煤电机组自身潜力能达到的灵活调节能力受到一定限制，将储能与煤电系统有机融合，可以进一步拓宽煤电机组的调节区间，提升煤电机组的响应速率和总体效率。
1）煤电＋储热。
通过熔盐、热水等介质储存热量，可以将煤电机组部分热量进行跨时间尺度利用，突破机组自身负荷调节限制。以图3所示耦合系统为例，基于煤电机组的热功转化流程，在需要降负荷时将热量储存到储热系统中，降低机组出力；在需要升负荷时将储存的热量释放到煤电机组中，重新转化为电力输出。
图3 煤电与储热融合示意图
2）煤电＋飞轮储能。
飞轮储能利用电能和机械能的转换实现电能调度，当煤电机组发电量过剩时，可将多余电能通过驱动电动机转换为飞轮的机械能；当煤电机组需要快速响应负荷变化时，转换器将飞轮机械能转换为电能(如图4所示)。飞轮储能具有毫秒级的响应速度，与煤电机组融合可以显著提升其负荷响应速度，增强机组调频能力，更好地支撑电网应对负荷波动。
3）煤电＋压缩空气储能。
压缩空气储能通过压缩和释放空气实现电能储放，涉及热能与机械能/电能的转化，与煤电机组的回热系统等部分具有良好耦合空间。以图5所示耦合系统为例，在空气储能过程中，利用煤电机组回热系统的给水吸收空气压缩产生的热量；空气释能过程中，低温高压空气被回热系统的给水加热，进入膨胀机做功发电。
3.3 煤电与其他能源及CCUS的互补集成
煤电机组是一个复杂庞大的热力系统，拥有不同温度区间、不同能量品位的物质流和能量流，与其他能源或系统可在多个环节进行适配耦合，形成多能互补的高效能量转化利用整体，也可以实现多产品输出功能，满足多元化供能需求，达到总体能量高效梯级利用与减碳增效。
1）辅助热源。
辅助热源包括太阳能、地热能、工业废热等，可以根据其能量总量及品位的不同，通过能量能级匹配在合适环节输入煤电系统(如图6所示），减少煤电机组的燃煤消耗，并且能够提高辅助热源的利用效率，实现整体协同的节能减碳。
图6 煤电与辅助热源互补集成示意图
2）辅助燃料。
为了减少煤电机组的燃煤消耗，可以利用生物质、可燃固体废弃物(简称“可燃固废”)、绿氨、绿氢等零碳/低碳燃料替代部分燃煤。将辅助燃料与煤炭按照一定比例协同转化利用，在降低煤电机组煤耗量的同时，可以有效减少碳排放。此外，当可燃固废被用作辅助燃料时，可以实现低成本、环保、高效的废弃物处理及资源化利用。根据辅助燃料性质的不同，煤电机组与辅助燃料的耦合方式可以分为直接协同和间接协同，如图7所示。
图7 煤电与辅助燃料互补集成示意图
3）区域能源中心。
区域能源中心是指在较大范围区域内集中供应多种能源产品(电、热、蒸汽、冷等)的能源综合转化及利用系统。煤电系统可以生产多类型能源产品，建立以煤电为核心的区域能源中心，依托高效的能源转换、储存和分配技术，能够为区域内的居民、商业和工业用户提供稳定、可靠、环保的能源服务，实现区域内的高效、低碳、低成本能源供应。以图8所示的煤电区域能源中心为例，煤电机组驱动了集中式冷热电多联供系统，革新升级了城市能源供应体系，可以充分利用城市现有的电网、热网和蒸汽管网，从源头到终端高效、灵活、智能地进行能源转换与分配。
图8 基于煤电的区域能源中心示意图
应从设计和运行两个维度，充分考虑新一代煤电的“安全、高效、清洁、低碳、灵活”多目标要求，采用人工智能、精确控制等先进手段，注重“安全、高效、清洁、低碳、灵活”不同目标之间的关联及差异，通过多目标优化方法，实现多目标有效协同。此外，应不断开拓煤炭创新利用的新途径、新技术，也有望满足多目标要求，推动煤炭利用领域的新质生产力发展。
基于煤电未来的发展需求，我国煤电转型升级应在以下方面重点发力：1）开展煤电热力系统深度重构，基于“守正创新”的原则，采用热电联产、热电解耦、机炉耦合、一炉两机、轮班启停等技术，提升煤电机组全寿命周期内的效率和灵活性，并且应注重先进煤电热力循环的研发及应用；2）煤电与储热、飞轮、压缩空气等储能方式可以有机结合，充分发挥煤电和储能的各自优势，拓宽煤电机组的调节范围，提升煤电机组的响应能力和整体效率；3）应该充分利用煤电系统包含的多种品位能量流和物质流，将辅助热源、辅助燃料、CCUS等与煤电机组互补集成，能够显著减少煤电碳排放并实现能量高效利用，也可构建基于煤电的区域能源中心，达到大范围能量高效梯级利用；4）应从设计和运行两个维度，充分考虑新一代煤电的“安全、高效、清洁、低碳、灵活”多目标要求，通过多目标优化方法，实现多目标有效协同。通过加强以上路径相关的理论方法研究，注重相关高性能材料、关键技术及设备的自主化研发，积极开展示范推广应用，实现我国煤电全面提质升级。
引文信息
杨勇平，陈衡，郝俊红，等．“双碳”目标下我国燃煤发电转型升级发展路径[J]．中国电机工程学报. 2024, 44(17): 6900-6909．
YANG Yongping，CHEN Heng，HAO Junhong，et al．Development pathways for the transformation and upgrading of China's coal-fired power generation under the goals of carbon peak and carbon neutrality[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(17)：6900-6909(in Chinese)．
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责编：胡琳琳
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