DQZHAN技術訊：干貨丨火力發電產業發展與前沿技術路線
1 項目背景
進入“十三五”時期后，伴隨著我國產業結構的優化調整和轉型升級的進程深入，經濟發展逐步進入新常態。2016年，我國6MW及以上電廠的發電設備利用小時下降至3785h，6MW及以上火力發電設備利用小時下降至4165h。這一現象的主要原因是“十二五”期間火電投資和建設持續增長，而經濟和社會發展對于電力需求放緩，同時高速發展的可再生能源發電與火力發電形成競爭，共同造成了火電產能過剩的現狀。火力發電作為我國主要的發電形式，長期占據總裝機容量和總發電量的七成左右比例。“十三五”期間火力發電行業正經歷著轉型升級。2論文所解決的問題及意義“十三五”后期和未來長期中，我國火力發電行業需要從集中式和分布式兩方面提出技術路線，明確前沿技術和產業發展的戰略方向，更好地服務于我國經濟社會需求。本文通過歸納火力發電領域的產業概況、主要指標和前沿技術，分析了前沿技術的技術經濟性和應當重點突破和完善的關鍵技術，提出了集中式和分布式火力發電的前沿技術路線，從而為火力發電的研發戰略提供參考。3論文重點內容
1)產業概況。
基于我國資源國情和各類發電形式的技術經濟性，燃煤發電長期占據我國發電領域和火電領域的主導地位。在當前宏觀經濟和社會背景下，相關研究認為我國煤炭消費和燃煤發電的比例已經達到峰值，未來將逐步下降。
2016年3月，國家發改委和國家能源局聯合下發特急文件，督促各地方政府和企業放緩燃煤發電建設，化解產能過剩局面。隨著政策變化，煤電投資和建設逐步降溫，2017年1—2月火力發電設備利用小時同比小幅回升，產能過剩局面初步得到遏制。預計“十三五”后期火電產業形勢依然嚴峻，對于燃煤發電建設的風險預警機制將繼續發揮作用。
2)指標水平。
2016年我國6MW及以上電廠供電標準煤耗下降至312g/(kW?h)，發電標準煤耗下降至294g/(kW?h)。燃煤發電的供電煤耗和發電煤耗近年來呈現逐年下降趨勢。燃煤發電環保指標采用排放績效評價時，2015年我國燃煤發電的煙塵、SO2和NOx的排放績效依次為0.09、0.47和0.43g/(kW?h)，CO2排放績效按照供電煤耗折算約為780g/(kW?h)水平，整體排放績效達到世界先進水平。
燃氣發電技術指標方面，我國主流采用的F級燃氣輪機的單循環效率約為38%，聯合循環效率約為58%。先進的G/H/J級燃氣輪機單循環效率和聯合循環效率分別可以達到41%和61%。燃氣發電幾乎不排放煙塵和SO2，采用F級燃氣輪機發電的NOx排放績效典型值約為0.30g/(kW?h)，CO2排放績效約為450g/(kW?h)水平，在環保指標方面相比燃煤發電具備一定優勢。
3)前沿技術。
燃煤發電領域，近年來相關基礎科學的前沿課題包括富氧燃燒、化學鏈燃燒、鎳基高溫合金等，工程相關的前沿技術包括700 ℃超超臨界、二次再熱、間接空冷、超低排放、碳捕集利用與封存(CCUS)、煤基超臨界CO2布雷頓循環 (S-CO2 Brayton cycle)、煤氣化聯合循環(IGCC)、循環流化床(CFB)等。
燃氣發電領域，近年來前沿技術主要包括：燃氣蒸汽聯合循環(NGCC)、太陽能-天然氣互補聯合循環(ISCC)、微燃機與分布式冷熱電聯供(CCHP)、煤層氣發電等技術。燃氣發電近年來裝機容量和發電量增長較快，其中煤層氣發電、頁巖氣發電等非常規燃氣發電，有望通過利用成本相對低廉的燃氣，在“十三五”后期和未來長期中不斷降低單位電量成本并實現高速增長。
余熱發電近年來裝機容量和發電量增長迅速，在火力發電中已經占據一定比例。余熱發電領域的前沿技術近年來不斷涌現，主要包括有機朗肯循環(ORC)、利用余熱的超臨界CO2布雷頓循環、斯特林循環等。
各類火力發電前沿技術，分別具備不同的優勢技術指標，其中效率和規模是決定前沿技術產業化發展的兩項關鍵指標。效率對于發電形式的經濟指標和環保指標影響顯著，而規模決定了產業應用形式更適合于集中式發電或分布式發電。圖1總結了各類火力發電技術形式的效率和規模范圍。
4)技術路線。
“十三五”后期和未來長期，我國需要從集中式發電和分布式發電的產業發展角度，歸納火力發電前沿技術并提出前沿技術路線。
集中式高效清潔發電路線(路線1)，是將常規化石燃料利用高參數、高效率的前沿發電技術，配合先進燃燒技術、污染物控制技術和CCUS技術，實現高效清潔發電。代表性技術組合是700 ℃超超臨界或煤基超臨界CO2布雷頓循環技術，配合化學鏈燃燒或富氧燃燒、一體化脫除技術、CCUS技術等，實現供電效率提高和排放績效降低。
集中式聯合循環與多聯產路線(路線2)，是將常規化石燃料利用IGCC、NGCC、ISCC等聯合循環技術，配合熱電聯產、冷熱電聯供、制氫技術等多聯產技術，實現在較高綜合效率下同時提供電能、供暖、制冷、氫氣等多種產品的技術路線。
集中式非常規燃料與用途路線(路線3)，是將非常規燃料(煤矸石、劣質煤、煤層氣、頁巖氣、生物質、垃圾等)采用CFB、超臨界CO2布雷頓循環、燃機燃料適應等技術，配合先進燃燒技術和減排技術，實現較高效率、較少污染和廢棄物資源化發電。
分布式火力發電技術路線(路線4)，是利用常規化石燃料或非常規燃料，通過小型化、多樣化的分布式發電形式，配合儲能技術、冷熱電聯供、先進熱交換系統和智能微網等前沿技術，實現針對用戶側需求的靈活發電和供能。代表性技術組合，是采用微燃機、內燃機等作為分布式系統核心，配合余熱回收、余熱發電、儲能技術、智能微網等技術，根據用戶需求提供電能、供暖、制冷、動力、淡水等多樣化產品。
對于以上四條前沿技術路線的產業發展前景，研究通過預測累計裝機容量長期趨勢的方法來進行評價分析，如圖2所示。
集中式高效清潔發電路線(路線1)核心技術短期有待突破，長期產業發展前景看好，預計將在2040年前后成為我國火力發電領域的主力形式。集中式聯合循環與多聯產路線(路線2)主要技術已有相對成熟的產業應用或示范工程，未來將保持穩定增長趨勢。
集中式非常規燃料與用途路線(路線3)相關技術較為成熟，但針對非常規燃料和特有用途的技術改進空間仍然較大。路線3與路線2將共同成為集中式火力發電的重要組成部分。分布式前沿技術路線(路線4)的前沿技術目前還有待于成熟。預計未來路線4的累計裝機容量增速將高于路線2和路線3，使得分布式火力發電成為集中式火力發電的有效補充。
4結論
1)“十三五”期間和未來長期應當重點突破和完善的關鍵技術，包括700 ℃超超臨界、超臨界CO2布雷頓循環、IGCC等前沿技術。
2)產業發展方面，“十三五”期間和未來長期我國火力發電產業，將在政策引導下逐步向著高效、清潔、低碳的方向轉型升級。
3)本文總結的四條集中式和分布式前沿技術路線，可以為火力發電的研究發展戰略提供參考，促進前沿技術在集中式發電和分布式發電等產業領域中的應用，推進“十三五”期間和未來長期我國火力發電產業的轉型升級。
