世界能源領域正呈現(xiàn)多元化、清潔化、低碳化轉型發(fā)展趨勢。我國以煤為主的能源資源稟賦決定了未來一定時期內(nèi)煤電仍是我國電力安全可靠供應的基石，也是構建黨的十九大報告提出的“清潔低碳、安全高效”現(xiàn)代能源體系的重要基礎。
近年來，我國新能源發(fā)展取得了舉世矚目的成就，未來仍將持續(xù)高速增長。在大規(guī)模低成本儲能技術成熟應用之前，為應對新能源電力可信容量不足的問題，一方面，電力系統(tǒng)需要煤電充分發(fā)揮“兜底保障”的重要作用，以提高電力安全保障的能力;另一方面，煤電要積極“轉變角色”，由傳統(tǒng)提供電力、電量的主體性電源，向提供可靠電力、調(diào)峰調(diào)頻能力的基礎性電源轉變，積極參與調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、備用等輔助服務，提升電力系統(tǒng)新能源消納能力，將更多的電力市場讓渡給新能源，為新能源健康持續(xù)發(fā)展，提供強有力的支撐保障;同時，低成本的煤電是全社會降低用電、用熱成本的基礎，對促進經(jīng)濟社會發(fā)展、提升人民幸福感具有重要意義。
面對新時代對煤電功能定位轉變的新要求，煤電應以科技創(chuàng)新和技術進步為動力，進一步提升“內(nèi)功”，持續(xù)推動自身高質(zhì)量發(fā)展。
煤電技術面臨的挑戰(zhàn)
(一)清潔低碳的更高要求
構建清潔低碳的能源體系使煤電技術面臨著以下四個方面的挑戰(zhàn)：
一是對煤電全面超低排放、廢水處理、重金屬脫除等相關技術提出更高要求，煤電行業(yè)必須順應清潔發(fā)展趨勢，在污染物全面深度控制方面主動作為;
二是全國現(xiàn)有數(shù)十億噸低熱值煤，并且伴隨著煤炭開采，每年將新增幾億噸，大量堆積會釋放有害氣體、污染土壤，占用大量土地，我國現(xiàn)有數(shù)百億噸的高硫無煙煤和上萬億噸儲量的高堿煤，這些特殊煤種的清潔高效利用仍存在技術難點;
三是農(nóng)林廢棄殘余物和市政污泥的資源化、清潔化處置需求對煤電賦予更多新的功能，煤電需要不斷主動作為，提升城鄉(xiāng)固體廢棄物協(xié)同處置的能力;
四是應對全球氣候變化，低碳化發(fā)展趨勢，建設全球生態(tài)文明，構建我國低碳的能源體系，對煤電勢必帶來重大挑戰(zhàn)。
(二)新能源的快速發(fā)展
新能源風電、光伏的大規(guī)模并網(wǎng)，其出力的間歇性和隨機性，以及過高的滲透率，會影響系統(tǒng)電能質(zhì)量，甚至威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運行。我國電力系統(tǒng)整體缺乏優(yōu)質(zhì)的靈活性電源，相比抽水蓄能、氣電和儲能，經(jīng)靈活性改造之后的煤電是目前技術條件下最為經(jīng)濟的調(diào)峰電源。但是，煤電深度調(diào)峰對運行效率、污染控制甚至設備安全會產(chǎn)生不利影響，可謂“牽一發(fā)而動全身”。
因此，隨著煤電功能定位的轉變，低利用小時數(shù)、寬負荷運行、負荷跟蹤、快速響應等新需求使得煤電在電力系統(tǒng)中的傳統(tǒng)功能定位、設計理念、設備性能、高效運行和壽命等方面面臨著新的問題和挑戰(zhàn)。
(三)清潔供熱需求的持續(xù)增長
隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)園區(qū)發(fā)展，我國熱力需求不斷增加，清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱穩(wěn)步發(fā)展，2018年熱電聯(lián)產(chǎn)機組占火電機組比重達到41%。從2015年到2018年，全國集中供熱面積增加34%、熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱量增加31%，而發(fā)電量僅增加了15%，即便如此，北方部分地區(qū)電量消納仍存在困難。
預計“十四五”期間，北方地區(qū)清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱需求仍將持續(xù)增長，而電量的消納仍面臨著一定挑戰(zhàn)，局部地區(qū)甚至可能產(chǎn)生“窩電”問題。
“十四五”我國煤電技術發(fā)展方向
隨著我國能源電力轉型發(fā)展，煤電需要通過自我變革和技術進步，充分發(fā)揮在能源和電力轉型發(fā)展過程中“四個平臺”的功能作用，即電熱基礎平臺、靈活調(diào)峰平臺、節(jié)能減排平臺、耦合消納平臺， 為能源電力轉型高質(zhì)量發(fā)展“保駕護航”。“十四五”期間，我國煤電技術將朝著高效、清潔、靈活、低碳和智能的方向發(fā)展。
(一)提“內(nèi)功”——持續(xù)發(fā)展高效發(fā)電技術
不斷提高發(fā)電效率是減少煤炭消耗并相應降低污染物排放和碳排放的重要途徑，也是煤電行業(yè)始終追求的目標。“十四五”期間，我國煤電應持續(xù)推進高效發(fā)電技術的發(fā)展，主要包括以下三個方面。
一是持續(xù)提升機組效率。對于60萬千瓦及以上大容量機組，總結推廣610℃~620℃二次再熱先進高效超超臨界煤電技術，同時對600℃一次再熱機組因地制宜地進行系統(tǒng)集成優(yōu)化，如采用雙機回熱、低溫省煤器、空預器綜合優(yōu)化、煙氣余熱深度利用等技術，發(fā)電效率可進一步提高約2~3個百分點，發(fā)電煤耗降低約10-18 克/千瓦時。目前，我國630℃示范機組首次實現(xiàn)發(fā)電效率(設計值)高于50%，在此基礎上，進一步攻關適合更高溫度等級的材料、關鍵部件和總體設計等，為發(fā)展更高效機組奠定基礎。
二是推廣應用清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)技術。“十四五”期間，清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)仍將是解決我國北方城鎮(zhèn)地區(qū)清潔取暖的主要途徑，針對電、熱不匹配問題，應以最小新增裝機容量滿足供熱需求。對于存量機組，應重點推廣提升供熱能力技術如大機組高背壓循環(huán)水直接供熱、大溫差吸收式熱泵;對于新增機組，重點應用(抽)背及凝抽背(NCB)供熱等技術。
三是積極研發(fā)前瞻性融合創(chuàng)新技術。研究開發(fā)整體煤氣化燃料電池發(fā)電(IGFC)技術，其系統(tǒng)效率可提高至56%~58%甚至更高，同時便于實現(xiàn)污染物和CO?的近零排放，“十四五”期間應開展百千瓦級IGFC系統(tǒng)集成示范;超臨界CO?發(fā)電技術，可采用可再生能源、余熱、煤炭等多種熱源，便于實現(xiàn)碳減排，設備體積更小，比超臨界及以上參數(shù)的蒸汽循環(huán)機組效率可提升2~3個百分點， “十四五”期間應開展研究驗證超臨界CO?發(fā)電技術及兆瓦級超臨界CO?發(fā)電系統(tǒng)試驗示范。
(二)練“身手”——主動提高靈活發(fā)電技術
隨著大比例新能源的接入，對電力系統(tǒng)安全運行及調(diào)峰提出了更高要求，煤電機組需要結合自身特點，提高運行靈活性，適應電力系統(tǒng)調(diào)峰需求，為新能源消納提供安全基礎保障，未來需要著重解決以下兩方面的技術難點。
一是提高機組運行靈活性。要提高現(xiàn)有煤電機組的調(diào)峰幅度、爬坡能力以及啟停速度，提高鍋爐低負荷穩(wěn)燃能力，實現(xiàn)更低負荷調(diào)峰的安全、穩(wěn)定運行，需要掌握相關制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、熱電解耦等關鍵技術。通過靈活性改造，煤電機組可以增加20%以上額定容量的調(diào)峰能力。
二是提升寬負荷運行經(jīng)濟性。煤電靈活性改造之后，寬負荷范圍內(nèi)運行會出現(xiàn)污染物控制難度增大、設備疲勞損傷以及發(fā)電效率損失等問題，需要進一步研究提高機組寬負荷運行效率的技術，以實現(xiàn)機組低負荷調(diào)峰高效經(jīng)濟運行，同時確保低負荷調(diào)峰運行工況下煙氣污染物排放穩(wěn)定。
對于新建機組，應滿足系統(tǒng)對寬負荷運行需求，要從標準、設計、設備、運行管理等方面改變傳統(tǒng)理念，提高寬負荷運行效率和經(jīng)濟性;對于存量機組，2025年前大約有4700萬千瓦的煤電機組面臨退役和延壽問題，對于延壽機組應考慮系統(tǒng)調(diào)峰等性能要求，從系統(tǒng)功能需求和能效、環(huán)保、安全角度考慮，約有2000萬千瓦左右機組需要延壽。需要加強統(tǒng)籌規(guī)劃，無論增量還是存量改造，針對不同機組類型、不同地區(qū)，應進一步開展靈活調(diào)峰機組示范，推動標準、設計、設備和相關技術的完善。
(三)固優(yōu)勢——不斷提升清潔發(fā)電技術
我國燃煤電廠超低排放限值已經(jīng)是世界上最嚴格的燃煤機組大氣污染物排放要求。截至2019年底，全國共有8.9億千瓦煤電機組實現(xiàn)了超低排放，占煤電機組的85%，我國已建立了世界上規(guī)模最大的清潔煤電體系。展望“十四五”，我國煤電仍可以主動作為，繼續(xù)提升清潔化技術水平，進一步研發(fā)應用以下四種清潔燃煤發(fā)電技術。
一是深度攻堅全面實現(xiàn)超低排放。目前全國15%未達到超低排放的煤電機組貢獻了近50%的煤電污染物總排放，主要涉及燃用低揮發(fā)分無煙煤機組、未改造的循環(huán)流化床機組及部分小容量機組，“十四五”期間除了部分淘汰關停之外，應對其余約1.3億千瓦煤電機組開展超低排放深度攻堅，推進煤電機組全面實現(xiàn)超低排放，預計每年可使煤電行業(yè)煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放進一步減少27%(約4.9萬噸)、37%(約30.7萬噸)、22%(約17.8萬噸)，促進煤電行業(yè)進一步提升清潔化水平。
二是主動提升污染物全面脫除技術。在常規(guī)大氣污染物控制的基礎上，進一步推動煤電廢氣、廢液、固廢、重金屬非常規(guī)污染物的全面深度控制，有利于實現(xiàn)煤電深刻轉型和更高質(zhì)量發(fā)展。“十四五”期間，煤電行業(yè)應進一步提升電廠廢水零排放技術、固體廢棄物(主要包括粉煤灰、脫硫副產(chǎn)物、廢舊脫硝催化劑等)的處理和綜合利用技術，研發(fā)汞等重金屬的脫除技術，加強與現(xiàn)有超低排放技術的協(xié)同控制，著重提高脫除效率、降低成本。
三是試驗示范特殊煤種利用技術。針對西南地區(qū)數(shù)百億噸儲量的高硫無煙煤，陜北、新疆等國家級能源基地上萬億噸儲量的高堿煤，應進一步研發(fā)低熱值煤、高堿煤、高硫無煙煤等特殊煤種的綜合利用技術，突破相關機理研究和結渣磨損防控技術，優(yōu)化鍋爐設計，開展特殊煤種超超臨界循環(huán)流化床(CFB)技術和大容量鍋爐燃燒特殊煤種集成技術工程示范，達到超超臨界機組的效率和排放水平。
四是積極研發(fā)低成本超低排放CFB機組。探索低成本超低排放CFB技術，開展CFB燃燒深度控制氮氧化物方面的研發(fā)，通過循環(huán)流化床的流態(tài)設計、溫度場控制以及爐內(nèi)脫硫劑優(yōu)化，取消爐后環(huán)保設施，在爐膛出口實現(xiàn)全負荷低成本的二氧化硫、氮氧化物超低排放。
(四)補短板——積極探索低碳發(fā)電技術
應對氣候變化低碳發(fā)展是我國能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。目前，包含電力行業(yè)在內(nèi)的全國碳排放權交易體系已啟動建設，預計煤電受碳交易市場建設的影響最大?？梢詮奶岣咝省⒃搭^和末端碳減排三個方面推動煤電碳減排。“十四五”期間，煤電除了進一步提高效率之外，還應積極推廣源頭碳減排技術和研發(fā)儲備末端碳減排技術。
一是推廣燃煤耦合發(fā)電技術。推廣應用燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電，一方面實現(xiàn)農(nóng)林廢棄殘余物、污泥、垃圾的減量化、穩(wěn)定化和無害化處置，另一方面，通過“碳中和”燃料替代燃煤，作為附加效益實現(xiàn)碳減排。
二是示范高效低成本碳捕集技術。為應對氣候變化，發(fā)展和儲備碳捕集、利用和封存(CCUS)技術是在我國能源結構以煤為主的現(xiàn)實情況下，中長期有效控制CO?排放的重要技術選擇。現(xiàn)有碳捕集技術會導致供電效率降低約5~10個百分點，經(jīng)濟代價過高，“十四五”乃至更長時期內(nèi)，應鼓勵研發(fā)高效低成本碳捕集技術，推進低成本、大規(guī)模、全流程碳捕集項目示范。
(五)強“大腦”——深度融合智能發(fā)電技術
大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+等現(xiàn)代信息技術與電力工業(yè)的深度融合是未來發(fā)展趨勢，將引發(fā)傳統(tǒng)電力行業(yè)形態(tài)、生產(chǎn)模式、經(jīng)營模式的重大變革。目前，我國發(fā)展智能電廠所需的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡基礎已經(jīng)基本具備，“十四五”期間應統(tǒng)籌做好頂層規(guī)劃，開展工程應用示范。
一是設計方面：完善智能電廠的標準，制定智能電廠分級體系標準規(guī)范、評價標準規(guī)范等，確定相關技術規(guī)范和性能指標，構建智能電廠技術體系，從整體規(guī)劃上著手，打造智能電廠產(chǎn)業(yè)鏈;
二是設備方面：提升發(fā)電裝備智能化水平，研發(fā)智能工業(yè)機器人和儀表，利用智能工業(yè)機器人，將勞動力從重復性、危險性的工作中解放出來，利用先進的測量技術，全面、準確地掌握運行參數(shù)，為精準控制提供支持;
三是工程方面：推動信息技術與電廠運行、維護、決策過程的深度融合，重點開展以下內(nèi)容的示范工程：能夠自動快速響應負荷變化的智能電廠;采用狀態(tài)檢修模式運維的智能電廠;日常無人巡檢、危險環(huán)境無人作業(yè)的智能電廠;利用智能輔助決策系統(tǒng)適應電力現(xiàn)貨市場改革的智能電廠。
促進我國煤電高質(zhì)量發(fā)展的相關政策建議
伴隨著電力市場化改革的加速推進，煤電所面臨的外部產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境也亟需作出相應調(diào)整，充分發(fā)揮煤電在能源電力轉型中的功能定位作用;同時要推動落實相關激勵機制的建立和完善，促進和保障煤電向高效、清潔、靈活、低碳和智能化轉型升級。
(一)利用市場機制充分發(fā)揮煤電功能定位作用
構建涵蓋電力現(xiàn)貨、容量、輔助服務等不同交易品種的完整市場體系，充分反映煤電在電力系統(tǒng)中的價值，并通過市場機制的完善推動煤電功能定位重要作用的充分發(fā)揮。
一是建立價格與品質(zhì)相統(tǒng)一的電力現(xiàn)貨市場化機制。建設電力現(xiàn)貨市場的核心價值在于發(fā)現(xiàn)價格，減少價格扭曲，通過實時價格反映不同供需形勢下的電能成本差異，引導電力資源優(yōu)化配置，即實現(xiàn)電能產(chǎn)品的“同時、同網(wǎng)、同質(zhì)、同價”。
目前大部分省區(qū)推行的以中長期電量交易為單一品類的電力市場模式，由于用沒有時序信號的電量為交易標的，隱去了電能交易中最為關鍵的“同時、同質(zhì)”信息，從而存在不同品質(zhì)電能價格趨同、電力資源的錯配問題，并客觀上導致從電力供應角度高品質(zhì)的煤電其價值未能有效體現(xiàn)。為了促進電力資源優(yōu)化配置、建立反映供能價值的電力價格體系，需要在總結前期電力現(xiàn)貨市場試點省份建設經(jīng)驗的基礎上，進一步完善電力現(xiàn)貨市場的建設，真實反映煤電在電力系統(tǒng)中的價值，促進電力市場健康發(fā)展。
二是加快建立發(fā)電容量成本回收機制。“十四五”期間我國新能源裝機和發(fā)電量占比都將持續(xù)提高。同時，以提高電力安全可靠供應保障和消納新能源為主要功能的煤電，其整體利用小時數(shù)將繼續(xù)維持在較低水平，部分地區(qū)將呈現(xiàn)下降趨勢。在目前煤電執(zhí)行單一制電量電價體系的情況下，如果利用小時數(shù)持續(xù)下降，煤電的投資回收難以達到預期。同時，隨著電力市場化改革的快速推進，電源側的激烈競爭將導致電價進一步下降，必然加劇煤電的經(jīng)營困境，未來存在加快退出市場的可能性。近幾年，在大規(guī)模高比例可再生能源集中省份，出現(xiàn)的煤電企業(yè)破產(chǎn)清算案例已不止一次為這一問題的嚴峻性作下鮮活的注解。
在新形勢下隨著煤電功能定位的轉變，引入適當?shù)陌l(fā)電容量成本回收機制助力煤電企業(yè)回收發(fā)電容量成本，并適度保障發(fā)電企業(yè)的積極性是十分必要的。煤電價格機制改革的指導性文件《關于深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價形成機制改革的指導意見》(發(fā)改價格規(guī)〔2019〕1658號)提出了“對于燃煤機組利用小時嚴重偏低的省份，可建立容量補償機制”。遵循漸近、穩(wěn)步的改革推進原則，容量成本回收機制可在云南、四川、廣西等清潔能源占比較高、煤電利用小時數(shù)長期偏低的矛盾突出省份優(yōu)先開展試點工作。在試點方案設計中，須重點關注機組置信容量認定、容量價格形成機制(避免過補償或補償不足)等方面。后期，在總結試點省份經(jīng)驗的基礎上，逐步完善并向全國推廣。
三是深化完善電力輔助服務市場機制。為了適應高比例新能源電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行需求，需要通過設置合理的經(jīng)濟激勵機制引導煤電等傳統(tǒng)電源機組開展靈活性改造。過去幾年，傳統(tǒng)電源靈活運行的激勵機制主要集中于電力輔助服務市場，在促進新能源消納方面起到了積極作用。但隨著新能源在電力系統(tǒng)占比的不斷提高，也逐漸暴露出費用分攤責權不對等、零和博弈狀態(tài)下分攤規(guī)模過于龐大等問題。
為了破解這一難題，“十四五”期間輔助服務市場建設應著眼于以下兩個方面開展完善工作：一是建立與責權對等相協(xié)調(diào)的輔助服務費用分攤機制，避免由于責權不對等出現(xiàn)的“搭便車”效應，促進輔助服務費用在不同主體間的公平分攤;二是拓寬輔助服務費用來源，原有輔助服務費用在發(fā)電側分攤過渡性質(zhì)的制度安排不宜作為常態(tài)化機制。近年來快速攀升的輔助服務分攤費用，甚至在部分區(qū)域出現(xiàn)了輔助服務費用入不敷出的情況。
為此，需要在借鑒國外輔助服務費用分攤機制的基礎上，結合我國經(jīng)濟發(fā)展的實際需要，拓寬輔助服務費用來源的方式及渠道。
(二)依托產(chǎn)業(yè)政策促進煤電轉型發(fā)展
“十四五”期間，研究制定并具體落實必要的產(chǎn)業(yè)政策是充分發(fā)揮煤電“四個平臺”功能作用，促進煤電轉型發(fā)展的重要保障。
一是積極落實采暖背壓機組鼓勵政策。在電力負荷缺口較小的城鎮(zhèn)，建設容量適宜的背壓機組滿足居民清潔取暖需求是更為經(jīng)濟的選擇，但采暖背壓機組僅在冬季采暖期運行，經(jīng)濟效益較差。為充分發(fā)揮背壓機組的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，提高企業(yè)供熱積極性，應在用地、稅收等方面給予優(yōu)惠，采取電價、熱價等補貼方式對采暖背壓機組給予適當?shù)闹С帧?/p>
在電力現(xiàn)貨市場試點地區(qū)，應采取采暖背壓機組暫不參與市場競爭，所發(fā)電量全額優(yōu)先上網(wǎng)并按政府定價結算。有條件的地區(qū)可考慮試行兩部制上網(wǎng)電價，通過容量電價反映采暖背壓機組平均投資成本，補償非采暖期停發(fā)造成的損失。探索建立市場化煤熱聯(lián)動機制，理順供熱價格機制，疏導供熱成本。
二是給予燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電支持政策。燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電利用存量的大容量、高參數(shù)燃煤發(fā)電設備，相比新建直燃電廠，可節(jié)省約30%～50%的初投資，且發(fā)電效率更高，相同燃料消耗量下發(fā)電量可提升約10%～30%，可實現(xiàn)兜底消納農(nóng)林殘余廢棄物，破解秸稈焚燒污染等社會治理難題。
現(xiàn)階段，我國燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電的發(fā)展約束在于耦合的生物質(zhì)能電量沒有合理的上網(wǎng)補貼，應通過合理的電價補貼，充分發(fā)揮生物質(zhì)能在我國能源轉型中的積極作用，對于普遍關注的生物質(zhì)能電量計量真實性問題，可以通過成熟的計量技術手段加以解決。
(作者供職于電力規(guī)劃設計總院)
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