北極星火力發(fā)電網(wǎng)訊:2020年9月
先進超超臨界發(fā)電技術是未來煤炭從主體能源向基礎能源轉變情境下的關鍵技術之一,節(jié)能提效綜合升級技術成為當前研究重點
本文主要綜述了幾種代表性的先進發(fā)電技術的研究進展,展望了其未來發(fā)展的關鍵技術和方向
1 先進發(fā)電技術國內(nèi)外研究進展
1.1 先進超超臨界發(fā)電技術
1.1.1 二次再熱超超臨界機組
二次再熱機組是在一次再熱機組的基礎上重新加熱高溫蒸汽,即在超高壓缸和高壓缸設置二次再熱回路
一般而言,主蒸汽溫度提高10 ℃
,機組循環(huán)熱效率提升0.22百分點~0.25百分點;二次再熱蒸汽溫度提高10 ℃,機組循環(huán)熱效率提升0.14百分點~0.17百分點表1 超超臨界機組主要參數(shù)對比情況
5 (2).jpg
目前,金屬材料的高溫服役性能仍是限制先進能源轉化系統(tǒng)發(fā)展的首要問題
。受限于奧氏體鋼的高溫腐蝕問題,再次提升蒸汽溫度就必須采用鎳基合金材料,機組成本急劇增加。同時,相對于一次再熱機組,二次再熱機組的汽水流程明顯增加,機組耦合控制技術更為復雜,在保證機組運行效率的基礎上提高二次再熱機組的深度靈活調(diào)峰能力是未來的重點研究方向。1.1.2 超超臨界循環(huán)流化床機組
循環(huán)流化床燃燒發(fā)電技術具有煤種適應性廣、環(huán)保效益好
、資源綜合利用率高等優(yōu)勢,能夠充分利用低熱值煤資源、高硫無煙煤、煤矸石等劣質(zhì)燃料,是理想的先進低碳發(fā)電技術之一。目前近年來
,為提高機組熱效率,減少機組污染排放,國內(nèi)已開展超超臨界循環(huán)流化床鍋爐科技攻關,參數(shù)設置分別為26.25 MPa/605 ℃/603 ℃和29.4 MPa/605 ℃/623 ℃。相對于超臨界機組,超超臨界循環(huán)流化床機組的主蒸汽流量、溫度和壓力均升高,由此引發(fā)的熱力系統(tǒng)布置優(yōu)化問題、水動力安全性問題、高溫受熱面壁溫安全性問題以及低負荷再熱蒸汽溫度問題仍在探索之中。但隨著“雙碳”目標的提出,循環(huán)流化床燃燒技術將作為先進低碳發(fā)電技術之一,在中國逐步實現(xiàn)碳中和目標中發(fā)揮重要作用。貴州威赫和陜西彬長2臺超超臨界660 MW循環(huán)流化床機組正式開建,將成為先進低碳發(fā)電技術示范項目之一。未來,大型化、高參數(shù)、燃料適應性廣的高效超超臨界循環(huán)流化床機組是發(fā)展方向,但仍須解決燃料摻燒靈活性、機組深度靈活調(diào)峰及副產(chǎn)品綜合利用等關鍵問題1.2 先進IGCC與IGFC技術
IGCC和IGFC是潔凈煤發(fā)電技術中被認為最具有前途的發(fā)電方式之一。它們可實現(xiàn)煤的完全清潔利用
IGCC由煤氣化、凈化系統(tǒng)和燃氣蒸汽聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合組成
IGFC是將IGCC的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)替換成為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)
1.3 CCUS技術
CCUS是把生產(chǎn)過程中排放的CO2進行提純,繼而投入新的生產(chǎn)過程中進行循環(huán)再利用
近年來,美國
、歐盟、澳大利亞、加拿大、挪威等國家都制定了相應研究計劃,開展CCUS技術的理論目前,CCUS已進入技術更新迭代階段
。隨著CO2捕集機制(先進溶劑、金屬有機框架材料等)、CO2利用新技術(CCS制氫技術、結合CCS的生物能利用技術)和CO2封存新技術(咸水層、枯竭油田封存)的不斷進步,CCUS被廣泛認為 是助力中國2030年前實現(xiàn)CO2達峰的可規(guī)模化 解決方案。1.4 其他代表性技術
1.4.1 燃煤發(fā)電與太陽能
、生物質(zhì)等復合發(fā)電技術燃煤發(fā)電與太陽能復合發(fā)電技術路線是把太陽能作為燃煤機組回熱系統(tǒng)的熱源
,全部或部分替代汽輪機抽汽;或把太陽能發(fā)電和風力發(fā)電引入廠用電系統(tǒng),降低機組自身的廠用電率,實現(xiàn)燃煤機組和可再生能源發(fā)電共同發(fā)展,以燃煤電站龐大熱力系統(tǒng)的汽水特性來吸納不穩(wěn)定的可再生能源資源。2010年此外
,燃煤與生物質(zhì)、固廢耦合發(fā)電技術是未來經(jīng)濟高效、易于實施的燃煤電廠減碳的重要方向之一。一方面通過燃料部分替換可降低煤電機組的碳排放量,另一方面可綜合利用生物質(zhì)、固廢等資源,提高耦合機組發(fā)電靈活性。英國Drax電廠4臺660 MW燃煤機組經(jīng)過近15年的摻燒試驗改進,已改造成為100%燃燒生物質(zhì)顆粒燃料的機組。中國2018年批準84個燃煤電廠生物質(zhì)耦合發(fā)電試點項目,其中大唐長山熱電廠超臨界660 MW燃煤機組耦合20 MW生物質(zhì)發(fā)電示范工程開始運行,燃煤機組度電CO2排放約減少6%。未來在燃用生物質(zhì)的基礎上再采用CO2捕集和埋存,可實現(xiàn)負碳排放,是先進發(fā)電技術的可選擇方式之一。1.4.2 超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)
超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)采用高溫高壓超臨界CO2(304.13 K/7.377 MPa)作為循環(huán)工質(zhì)
,利用其能量密度高、壓比小的特點,建立高參數(shù)、結構緊湊的發(fā)電系統(tǒng)。相較于先進超超臨界燃煤發(fā)電機組雖然超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)的高效靈活性引起了國內(nèi)外眾多學者的關注
,但高溫關鍵部件在超臨界CO2環(huán)境下高溫腐蝕問題、系統(tǒng)設計優(yōu)化問題、關鍵設備開發(fā)研制以及系統(tǒng)靈活性問題仍是限制超臨界CO2動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的關鍵技術。2 先進發(fā)電技術研究展望
2.1 先進超超臨界發(fā)電技術提質(zhì)增效
先進超超臨界發(fā)電技術發(fā)展趨勢是提高蒸汽初參數(shù)
,即提高朗肯循環(huán)的熱端平均溫度,進而提高機組熱效率。但目前鐵素體/馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼的使用溫度已達上限,開發(fā)630 ℃超超臨界燃煤機組技術需要加緊研發(fā)更高等級的耐熱鋼,如集箱和大口徑管道試驗可選材料有鎳基合金617B、C-HRA-3等材料,鍋爐受熱面可選奧氏體鋼Sanicro25采用綜合系統(tǒng)節(jié)能提效技術是提高超超臨界發(fā)電機組運行安全性和經(jīng)濟性的科學方法之一:
1)開展超超臨界鍋爐水動力
2)開展熱力循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化
3)開展超超臨界機組全工況能耗
超超臨界循環(huán)流化床機組綜合環(huán)保性指標較好,可實現(xiàn)低成本的超低排放和超低能耗
1)開展再熱器布局和結構優(yōu)化
2)開展配套輔機選型設計和技術研發(fā)工作
3)開展污染物協(xié)同控制、綜合利用技術研究
2.2 顛覆性技術聯(lián)合科技攻關
2.2.1 IGCC技術
IGCC是先進發(fā)電技術中比較成熟
1)開展大容量
2)適應于IGCC的先進F級
3)熱力系統(tǒng)余熱回收
針對IGFC
2.2.2 CCUS技術
CCUS技術在“雙碳”目標提出后迎來了新的發(fā)展
2.2.3 耦合發(fā)電技術
將波動性
生物質(zhì)
2.2.4 超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)
超臨界CO2動力循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動熱源可為化石能源
3 總結與展望
1)先進超超臨界發(fā)電技術是當前起基礎性托底作用的燃煤機組脫碳、零碳以及負碳進程中最為重要的技術之一
,應進一步探索大容量、高參數(shù)先進發(fā)電機組,如630、700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術、優(yōu)化二次再熱超超臨界燃煤發(fā)電系統(tǒng),確保高參數(shù)機組高效低碳運行。針對超超臨界循環(huán)流化床機組,應進一步提高機組可靠性和燃燒效率,協(xié)同控制污染物排放,發(fā)展更高蒸汽參數(shù)的循環(huán)流化床系統(tǒng),持續(xù)提升發(fā)電效率,逐步實現(xiàn)近零排放。2)先進IGCC和IGFC技術是目前最受關注的潔凈煤技術
,是煤炭從主體能源向基礎能源轉變情境下除超超臨界發(fā)電技術外實現(xiàn)燃煤發(fā)電近零排放技術的有力補充。在各個系統(tǒng)優(yōu)化完善的基礎上,應積極探索600~1 000 MW級IGCC電站以及兆瓦級IGFC電站示范工程建設,實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)化升級。3)CCUS技術一方面可應用于化石能源的低碳利用方面,另一方面可實現(xiàn)生物質(zhì)能源的負碳排放
,甚至在氫能等未來能源生產(chǎn)方面,它也將發(fā)揮重要的減排作用。目前仍需積極推進CCUS商業(yè)化應用,加大科技投入,重點研發(fā)第二代捕集技術及CO2規(guī)?div id="d48novz" class="flower left">4)燃煤發(fā)電與太陽能
、生物質(zhì)等復合發(fā)電技術、超臨界CO2動力循環(huán)以及其他先進清潔低碳發(fā)電技術仍需加大聯(lián)合攻關力度,重點研究系統(tǒng)設計優(yōu)化、高溫材料研發(fā)等具有自主知識產(chǎn)權的技術,實現(xiàn)先進發(fā)電技術的大規(guī)模應用。引用本文格式
王哮江, 劉鵬, 李榮春, 等. “雙碳”目標下先進發(fā)電技術研究進展及展望[J]. 熱力發(fā)電, 2022, 51(1): 52-59.
WANG Xiaojiang, LIU Peng, LI Rongchun, et al. Research progress and prospects of advanced power generation technology under the goal of carbon emission peak and carbon neutrality[J]. Thermal Power Generation, 2022, 51(1): 52-59.