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“双碳”目标下,中国电力还能倚靠“烧开水”吗?

来源:观察者网

2021-06-07 13:52

【文/观察者网 李焕宇】力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,中国的这一宣言,让世界为之震撼。

不过,在我国“多煤少油缺气”的资源状况下,实现“双碳”目标,构建以新能源为主体的新型电力系统,势必将对碳排放的大头,同时也是我国电力的顶梁柱——火电造成严重冲击。

新时代下,火电需要的“开水”该怎么烧?近日,观察者网借国资委和中央网信办联合主办的建党百年主题活动,探访了全球火电装备巨头——东方汽轮机。

东方汽轮机厂区地标——由东汽自研的30万千瓦煤电汽轮机(实物,已退役) 观察者网/李焕宇 摄

东方汽轮机隶属东方电气集团,起家于“三线建设”时期。2008年,由于厂区被汶川大地震摧毁,东方汽轮机经历了一次浴火重生。重生后的东汽,无论在技术实力还是市场规模均已走在全球前列,其630℃1000MW级燃煤发电机组首次将煤电发电效率提到50%以上,且技术完全自主。而在市场上,东汽更是占据了全国三分之一的市场份额。截至2021年5月,东方汽轮机累计发电设备产量达到5亿千瓦,产值突破2000亿元。

东方汽轮机产品研发中心主任,全国“五一劳动奖章”获得者范小平向观察者网表示,占据我国发电大头的煤电未来肯定要承担起电力系统“调节器”的作用,但在灵活性改造这一块还有技术难题需要克服,东汽已经形成初步技术方案。

如果再放眼未来的话,火电里碳排量小,发电效率不断提高的垃圾焚烧、生物质等小型汽轮机组很可能会成为他们的业务支撑。东汽已进行布局,其技术实力处国内先进水平,部分技术也已达到国际先进水平。


东方汽轮机旗下不同机组的碳排量和发电效率(注:气电数据指东汽自主研发的50MW等级机组) 数据来源:东方汽轮机

燃煤电站:低排放已实现 灵活性有待提高

火电里的煤电,是我国碳排放以及电网的主力军,其利用效率,对“双碳”有重要意义。

范小平称,在这一领域,东方汽轮机研发的全球首台630℃1000MW等级燃煤发电机组首次将煤电发电效率提升到50%,且所有设计技术均具有完全自主知识产权,其示范项目——大唐郓城项目目前正在推进中,这在燃煤发电领域具有里程碑意义。

另外,东汽用“中国芯”替代“进口芯”的方案已经在多个进口机组升级改造中取得成功,其经济性达到国际先进水平。范小平表示,目前我国煤电机组超低排放改造进行得比较彻底

但是,在灵活性改造上,煤电还远远达不到市场需求。范小平认为,煤电必须承担起“调节器”的作用,灵活运行,深度参与调峰,保证在需要它的时候,能够马上把负荷提起来。因为在以新能源为主体的新型电力系统下,风、光等不稳定的新型电力未来势必将占据发电大头,给电网调控带来沉重压力。

东汽的燃机产品 图片来源:东方汽轮机

兼具超低排放和灵活性的新机组现在是东方汽轮机一个重要研究方向,而且还有着较大的市场前景。范小平指出,存量燃煤电站参与深度调峰主要有三个难点:

第一,调峰深度能力受限,大量机组如需要做到更低的负荷稳定运行还需要解决一些技术问题及进行运行验证;

第二,调峰响应速度受限,还需要解决快速调整负荷所需的一系列安全可靠性问题;

第三,现有电厂智能化水平还需要提升,深度调峰、灵活运行及源网荷储一体化都需要建立在所有机组都能智能调控的水平之上。

相比之下,国外较多采用燃气机组进行调峰。燃气电站的调峰能力一直都有严格的要求并被重点设计,再加上燃机本身在启停及负荷变化能力上比燃煤锅炉有天然优势,所以煤电很难做到气电的调峰水平。

不过东汽并没有知难而退。范小平表示,针对一系列难点,东方汽轮机组织多个攻关团队,广泛调研了解业主需求,针对不同的机型及电厂情况,进行专项研究,重点进行深度调峰技术研究、快速启停及负荷调整技术研究、智慧电厂技术研究、高效宽负荷技术研究等。目前,他们已经形成初步的技术方案,改造技术和方案是可行的

小型蒸汽轮机:未来的业务支撑

除了燃煤机组的灵活性改造,用于垃圾发电、生物质发电的小型蒸汽轮机也是东方汽轮机有着较大投入的一个领域,有可能成为东汽的业务支撑。范小平表示,这一领域的持续发展关乎中国的生态文明建设,其长期可持续发展不会有任何问题。

对于今年年初补贴退潮引发的垃圾发电小幅“降温”,范小平认为,垃圾发电长期需要补贴的原因是发电效率太低。但在近几年,东方汽轮机研发的新一代机组效率大幅提升,很多电厂已经可以在很低或者没有补贴的情况下生存,具备盈利能力,有较好的经济效益。而且,垃圾电厂建设初衷就是废物利用,其环保作用更大,社会效益明显。

据他介绍,国内首台25MW等级再热垃圾发电汽轮机及世界最高参数再热垃圾发电汽轮机均由东汽自主研制并先后成功投运,相比传统机型效率提升20%以上。在垃圾发电领域,东方汽轮机目前处于引领国内技术发展方向的地位,研发的世界最高参数机组发电效率可达40%,且全部设计技术均为自主研发。

四川自贡35MW等级垃圾焚烧发电汽轮机 图片来源:东方汽轮机

对于生物质发电,范小平表示,农林生物质发电目前最大困难是燃料来源分散及收集成本高,这一点需要各方持续关注和解决,相信总会找到一个平衡点。

从技术上看,东方汽轮机目前处于引领国内技术发展方向的地位,最高参数机组发电效率可达43%。全部设计技术均自主研发,其研制国内首台40MW高转速再热生物质发电汽轮机于2018年投运,比市场同类机型效率提升8%以上,形成了从15MW~80MW生物质发电汽轮机全覆盖。

对于国外出现的一些将燃煤电站改造为生物质电站的做法,范小平认为,虽然有技术上的可行性,但不具备大规模推广可行性,其综合经济性需要针对具体项目评估。

首先,生物质电站受资源所限,一定地域内所能布置电站容量较小,如果容量太大,则其燃料收集及运输成本将会大幅上升;其次,国内目前的生物质电站(主要为垃圾和农林生物质)等已经初步完成布局,正在大量建设之中,其设计技术较为先进,燃煤电站转型不具备任何优势。

宿州市泗县屏山镇涂山村的40MW级再热生物质发电汽轮机 图片来源:东方汽轮机

除了垃圾发电和生物质发电,东汽也在积极探索余热发电技术。据范小平介绍,东方汽轮机在2018年在国内率先完成新一代亚临界小型再热汽轮机研制,实现了从30MW~135MW余热利用再热汽轮机产品全覆盖,目前东汽在该领域市场占有率超过80%以上,为高效利用余热余气提供了良好的示范。

光热:同火电异曲同工的新能源

除了燃煤、燃气、垃圾焚烧、生物质这样的正统火电,作为新能源的光热电站由于跟火电一样要用汽轮机发电因此也在东方汽轮机的业务范围。

据范小平介绍,东方汽轮机研制的国内首台50MW等级大功率光热发电汽轮机于2018年7月成功投运,打破了国外公司垄断,大幅降低了该型机组售价,目前在光热发电汽轮机领域东汽市场占有率超过50%。

他表示,光热相对光伏其最大优势在于其配置较低成本的储能(储热),具备较强的调峰能力,综合发电和储能考虑会有较大发展前景。不过,由于初期建设成本较高等因素,其短期内发展规模是受限的。

塔式光热电站 图片来源:新华社

东方汽轮机:中国火电自力更生的技术后盾

除了煤电、垃圾发电、生物发电,东方汽轮机还是我国唯一一家掌握重型燃机设计、试验、制造自主技术的单位。不夸张地讲,在中国火电的每个领域背后,都有东方汽轮机自主创新的身影。

这确实是东汽的优良传统。范小平表示,早在上世纪80年代初期,东方汽轮机就在资金及技术都极度缺乏的情况下,齐心协力攻关30万千瓦机组的试制,并在1983年成功研制,解决了东汽大型机组的有无的问题。

范小平与身后的30万千瓦“争气机” 观察者网/李焕宇 摄

此后,东汽的自主研发之路从未停止,长期的制造研发过程中,东汽形成了完备的研发团队,建成国内唯一的多级空气透平试验台,先后成功研发具有自主知识产权的东方第三代和第四代汽轮机技术,形成了高效通流研发体系,走出了一条“理论设计——厂内试验验证——改造机组验证——新机应用推广”的具有东方特色的科技创新之路,获得了发电系统集成、通流技术优化、本体结构优化等全方位的创新研究成果。

2010年,东汽自主开发的国内首台1000MW空冷汽轮机在华电灵武成功投运,2014年,自主研发的采用第二代火电设计技术的东汽1000MW汽轮机在六横、万州投运,机组首次采用东汽自主研发的国内最长的1200mm叶片的低压模块。2019年,采用第三代通流设计技术的芜湖、横山1000MW机组投运,是当时国内经济性最好的湿冷和空冷百万机组。

近年来,采用东汽自主研发的第四代通流设计技术,用“中国芯”替代“进口芯”在多个进口机组升级改造中取得成功,标志着我国电力装备研制能力跻身世界第一梯队,实现了从“追赶者”到“有力竞争者”的华丽转身。

范小平表示,作为央企员工,让每一个卡脖子的核心技术自主可控,是他们应尽的光荣职责。创新过程充满艰辛,但创新成果更能激励他们继续前行。

本文系观察者网独家稿件,未经授权,不得转载。

责任编辑:李焕宇
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