近日，我國著名動力機(jī)械工程專家、清華大學(xué)原副校長、中國工程院院士、中國能源學(xué)會會長倪維斗先生投文本報，就我國煤炭清潔高效發(fā)電之路，提出全面建議。

習(xí)近平同志最近強(qiáng)調(diào)：能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要。面對能源供需格局的新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，保障國家能源安全，必須推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費革命。

改革開放以來，我國電力行業(yè)隨著國民經(jīng)濟(jì)長期保持高速發(fā)展，總裝機(jī)容量從1978年的5700萬千瓦，增加到2013年底的12.4億千瓦，年平均增長速度接近10%，總量增加20多倍。能源和環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。實際上，中國在這個問題上已被逼到“墻角”，是“矛頭”的指向。煤炭占據(jù)我國能源消費總量的66.6%，現(xiàn)在是、將來(直到2050年或更晚)依然是我國能源的主力，這是我國能源稟賦國情決定的。推進(jìn)能源生產(chǎn)革命，就必須走煤炭清潔高效利用之路。

而中國的煤炭有47%用于發(fā)電，將來可能增長到70%，因此，煤炭的清潔高效利用，最終還要落實到煤炭清潔高效發(fā)電上來。

第一，

中國電力行業(yè)這幾十年來在技術(shù)層面上也已經(jīng)取得了舉世矚目的成績，主力機(jī)型從高壓、超高壓，發(fā)展到亞臨界、超臨界，直至當(dāng)期的超超臨界;平均供電煤耗從1978年的470克/千瓦時逐漸下降到2013年的321克/千瓦時。未來煤炭清潔高效發(fā)電之路應(yīng)怎么走?需要做好四件事：大膽創(chuàng)新，努力開拓各種先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，推動煤炭清潔高效發(fā)電技術(shù)的全面發(fā)展;改造落后產(chǎn)能，深度挖掘在役機(jī)組的節(jié)能潛力，提高燃煤機(jī)組的整體效益;大力研發(fā)性能監(jiān)測技術(shù)，為生產(chǎn)管理和運(yùn)行優(yōu)化提供豐富、全面的性能數(shù)據(jù)和實時運(yùn)行情況，以保障電力設(shè)備安全、高效運(yùn)行;開展生產(chǎn)管理優(yōu)化、運(yùn)行方式優(yōu)化，提高電力生產(chǎn)信息化、智能化水平，向科學(xué)管理和高效運(yùn)行要效益。

開拓先進(jìn)發(fā)電技術(shù)

截止到2013年底，我國火電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的69.13%，預(yù)計到2020年底，我國總裝機(jī)容量將達(dá)17億千瓦，火電裝機(jī)容量仍將占64%左右，這就意味著火電裝機(jī)容量需要從目前的8.6億千瓦增加到約11億千瓦。未來新建機(jī)組將采用什么樣的形式，什么樣的參數(shù)，是一個非常值得關(guān)注的問題。從19世紀(jì)末，現(xiàn)代火力發(fā)電技術(shù)成型以來，提高發(fā)電廠效率始終是電力技術(shù)界不懈的追求。隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步和熱能動力理論的日臻完善，蒸汽的參數(shù)經(jīng)歷了低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界、超臨界直至超超臨界的發(fā)展過程。而熱力系統(tǒng)也從單純的朗肯循環(huán)發(fā)展為回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)。

隨著效率的提高，發(fā)電機(jī)組的單位造價也在不斷攀升，特別是二次再熱機(jī)組，雖然已屬成熟技術(shù)，但系統(tǒng)復(fù)雜，投資高。在目前的技術(shù)條件下，與一次再熱相比，其獲得的效率收益難以補(bǔ)償投入的增加。上世紀(jì)90年代末，美、日、歐等制定了下一代高效超臨界機(jī)組的發(fā)展計劃，期望發(fā)展以鎳基超級合金為基礎(chǔ)的700℃等級一次再熱或兩次再熱高效超臨界技術(shù)，中國目前也已制定了自己的700℃計劃。與現(xiàn)有600℃超超臨界機(jī)組相比，效率可以再增加3%。

發(fā)展高參數(shù)的機(jī)組，耐熱合金是基礎(chǔ)，但價格也隨之扶搖直上。700℃等級鎳基超級合金極其昂貴。以主、再熱蒸汽管道為例，用于700℃的Alloy263合金價格為用于600℃的P92的約9~10倍。按估算，與現(xiàn)有600℃等級機(jī)組相比，700℃電廠的造價約為前者的1倍。與獲得的收益相比(效率升高3%，相當(dāng)于煤耗下降20克/千瓦時)，商業(yè)價值很差。

那么參數(shù)提高是不是唯一的途徑?“外三”電廠提出的高低位分軸布置汽輪發(fā)電機(jī)組很好地回答了上述問題。針對二次再熱機(jī)組增加了壓力較低的大直徑二次再熱管道帶來的布置困難、價格昂貴、增加了系統(tǒng)阻力、增加了散熱損失、大大增加了系統(tǒng)儲存的蒸汽量、顯著增加了汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)慣性等諸多問題，“外三”提出把汽輪機(jī)的高、中壓汽缸放到鍋爐上去。高壓缸、第一中壓缸的高位布置消除了主蒸汽管、第一冷再熱蒸汽管、第一熱再熱蒸汽管和第二冷再熱蒸汽管，不僅可以充分發(fā)揮二次再熱機(jī)組的優(yōu)勢，還省去了昂貴的高溫管道成本，減少了管道的阻力損失，同時還可以提高機(jī)組的設(shè)計容量。通過“外三”電廠的開創(chuàng)性設(shè)計，首次將汽輪機(jī)的設(shè)計熱耗降低到7000千焦/千瓦時以下?？梢姵Ｒ?guī)的思路不一定是符合發(fā)展的最優(yōu)思路，打破常規(guī)思維，開拓新辦法往往能出奇效。

超超臨界蒸汽電站(USC)是不是煤炭高效利用的唯一重點方向呢?歐盟AD700計劃(37.5MPa/700℃/720℃，η=52~55%)，自1998年已開展了10余年，因其須使用大量昂貴合金材料而至今未商業(yè)化。我國28MPa、600℃超超臨界參數(shù)鍋爐所用的材料P91、P92主要靠進(jìn)口。若要進(jìn)一步提高蒸汽溫度(如720℃或以上)和相應(yīng)壓力，在材料方面會有更高的要求，材料的價格是一大關(guān)鍵。

另外，煤直接燃燒的煙氣中CO2濃度低、壓力低、處理的煙氣體積流量大，從煙氣里收集CO2代價很大。按目前的技術(shù)，CO2捕捉和埋存使整個燃煤發(fā)電效率降低11個百分點，投資將增加1倍。燃煤超超臨界蒸汽發(fā)電從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、常規(guī)污染物的脫除、CO2減排上都具有一定先天性的缺陷。而整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)技術(shù)則正好解決了這個問題。

IGCC源自于20世紀(jì)70年代西方國家在石油危機(jī)時期開始研究和發(fā)展的一種技術(shù)，通過將煤轉(zhuǎn)化為粗煤氣，然后經(jīng)過除塵、脫硫等凈化工藝成為潔凈煤氣，再供給燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)排氣給余熱鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽去汽輪機(jī)做功發(fā)電，從而實現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。由于其特殊的處理過程，導(dǎo)致IGCC具有如下優(yōu)點：1)排放低，脫硫效率達(dá)到98%，脫氮效率達(dá)到90%，粉塵排放接近于零，碳排放可減少1/4;2)效率高，其示范電站效率42%~46%，凈效率具有超過50%的潛力;3)耗水量比常規(guī)蒸汽循環(huán)電站節(jié)水30%~50%;4)燃煤后廢物處理量少，脫硫后還可副產(chǎn)元素硫或硫酸;5)可進(jìn)行煤炭資源綜合利用，根據(jù)需要進(jìn)行多聯(lián)產(chǎn)，將煤氣轉(zhuǎn)化為熱能，燃料氣和化工產(chǎn)品，并進(jìn)行碳捕獲，實現(xiàn)接近零排放等。

經(jīng)過上世紀(jì)70年代的第一代增壓鍋爐型聯(lián)合循環(huán)/余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)，20世紀(jì)90年代的第二代水煤漿/干粉供煤方式、純氧氣化、常規(guī)濕法+部分高溫凈化煤氣和再熱蒸汽循環(huán)等方式，經(jīng)過不斷的試驗調(diào)試，技術(shù)攻關(guān)，IGCC開始從商業(yè)示范走向商業(yè)應(yīng)用階段。目前世界范圍內(nèi)可實現(xiàn)IGCC凈效率約43%~45%，投資成本900~1300美元/千瓦左右。第三代IGCC技術(shù)將采用先進(jìn)干粉煤氣化技術(shù)(輸運(yùn)床，流化床)，空氣氣化，高溫凈化煤氣，并采用更高級別燃?xì)廨啓C(jī)等技術(shù)，使得其性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都大大提高。

采用GE公司9H型燃?xì)廨啓C(jī)和經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的IGCC方案，其凈效率預(yù)期可以達(dá)到51%。但由于IGCC電站造價高昂，如華能公司在天津建成一套26.6萬千瓦的IGCC電站，首套單位造價為12000元/千瓦，而常規(guī)超臨界機(jī)組的造價僅為4000元/千瓦左右，所以以氣化為基礎(chǔ)的IGCC只用于發(fā)電在經(jīng)濟(jì)上有較大問題，暫不適合推廣。

如果以煤氣化技術(shù)為核心，通過化工合成與動力生產(chǎn)過程的集成耦合，開展煤炭物質(zhì)和能量梯級轉(zhuǎn)化與利用多聯(lián)產(chǎn)，一方面其技術(shù)上有良好繼承性和可行性，有良好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保性能，另一方面，其具有捕碳的天性，是實現(xiàn)未來碳捕捉和埋存的途徑，對于中國乃至世界都具有非常重要的戰(zhàn)略意義。采用煤氣化多聯(lián)產(chǎn)方案，無需特殊的技術(shù)突破，易與天然氣化工過程銜接，富集的二氧化碳容易捕捉和分離，這是中國碳減排的戰(zhàn)略方向。煤氣化多聯(lián)產(chǎn)過程相互耦合，實現(xiàn)能量流、物質(zhì)流等總體優(yōu)化，電力與化工在運(yùn)行中可起相互調(diào)峰的作用。如采用化工生產(chǎn)與動力過程的串聯(lián)耦合無水煤氣變換的方式，盡可能利用合成氣的高溫顯熱，采用離子膜分離制氧技術(shù)降低制氧的能耗，再配以1700攝氏度燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，水煤漿預(yù)熱技術(shù)等，可以將系統(tǒng)效率提高到57.3%。

煤氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)具有如下諸多優(yōu)點：1)聯(lián)合生產(chǎn)多種產(chǎn)品，效率提高有助于緩解能源總量要求，采用高硫煤拓展了煤炭資源的利用;2)有助于緩解液體燃料短缺，可以大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇、二甲醚、F-T合成油和氫等替代燃料，緩解石油進(jìn)口壓力;3)可徹底解決燃煤污染問題，消除常規(guī)燃煤污染物排放，重金屬等痕量污染物脫除更經(jīng)濟(jì);4)有助于解決快速城市化引起的小城鎮(zhèn)和農(nóng)村潔凈能源問題：為具有天然氣管道的城鎮(zhèn)提供城市煤氣，煤制DME可以作為LPG的補(bǔ)充或替代物，很可能是小城鎮(zhèn)尤其是住宅高度分散的農(nóng)村地區(qū)的最終能源解決方案;5)滿足未來碳減排的需要，煤氣化系統(tǒng)可以以較小的成本捕碳。

煤氣化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在煤炭清潔高效利用方面與電化共軌有很大潛力，是重要方向。

改造落后產(chǎn)能

目前我國30萬千瓦以下燃煤機(jī)組高達(dá)1.7億千瓦左右，供電煤耗較高，嚴(yán)重影響平均發(fā)電煤耗水平，是節(jié)能減排的重大阻礙。

30萬千瓦等級亞臨界機(jī)組大約有2.5億千瓦，其中相當(dāng)部分(特別是2000年前投產(chǎn)機(jī)組)供電煤耗比全國平均供電煤耗高十幾、幾十克/千瓦時。這些機(jī)組有的承擔(dān)供熱功能，有的是燃燒劣質(zhì)煤的循環(huán)流化床機(jī)組，而且大部分機(jī)組的服役期限還不夠長。如果全部淘汰，會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，但繼續(xù)運(yùn)行又對我國整體節(jié)能減排工作造成較大影響，對其進(jìn)行高效化改造是較好選擇。

汽輪機(jī)通流改造在國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，是比較成熟的技術(shù)。如北京全三維公司和全四維公司開展的30萬千瓦亞臨界汽輪機(jī)組經(jīng)過高效化通流改造后，供電煤耗可降低10克/千瓦時以上。對于30萬千瓦以下供熱機(jī)組，如果能將其改造為背壓機(jī)組，雖然其發(fā)電效率不高，但乏汽的熱能可全部利用進(jìn)行供熱，經(jīng)濟(jì)上是個不錯的選擇。其它如汽封改造、空預(yù)器改造、電除塵改造、煙氣余熱利用、變頻改造等，技術(shù)相對成熟，條件具備的應(yīng)廣泛采用。但也需綜合考慮機(jī)組的整體性能，以及生命周期的總體經(jīng)濟(jì)性，對癥下藥。

在線監(jiān)測與性能診斷

我國燃煤發(fā)電量占比近80%，是世界上煤電比例最大的國家，美國僅為45%，

日本為27%。這種特有的電源結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致我國燃煤機(jī)組因承擔(dān)電網(wǎng)主要調(diào)峰功能，而長期、頻繁處于負(fù)荷調(diào)整變化狀態(tài)。

同時，由于我國煤質(zhì)、煤種地域差別較大，煤質(zhì)情況復(fù)雜，入爐煤種受煤炭市場影響和成本壓力而長期處于波動狀態(tài)。另外，冷端系統(tǒng)受環(huán)境變化影響較大，尤其是北方干旱地區(qū)采用空冷冷卻的機(jī)組，受大風(fēng)等影響難以穩(wěn)定運(yùn)行。

負(fù)荷變化、煤質(zhì)波動、環(huán)境變化等因素，使得我國機(jī)組難以維持穩(wěn)定運(yùn)行，對機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化也帶來很大困難，引起機(jī)組整體運(yùn)行煤耗偏高。因此，發(fā)展精細(xì)化的全工況在線性能監(jiān)測技術(shù)，包括煤質(zhì)監(jiān)測、風(fēng)量監(jiān)測、燃燒監(jiān)測、氧量監(jiān)測、排放監(jiān)測、熱力系統(tǒng)部件級性能監(jiān)測、全廠性能實時監(jiān)測，為機(jī)組在全工況范圍內(nèi)安全、高效率運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是我國燃煤機(jī)組高效化運(yùn)行的必然出路。

目前國內(nèi)外存在一些風(fēng)量監(jiān)測、煤粉監(jiān)測等技術(shù)，有些已經(jīng)得到較多的應(yīng)用，如煤量在線監(jiān)測、風(fēng)量在線監(jiān)測等，但總體還不是特別成熟。清華大學(xué)研發(fā)的在線監(jiān)測與診斷技術(shù)、“爐溫3D測控技術(shù)”和煤質(zhì)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜測量技術(shù)(LIBS技術(shù))可分別實現(xiàn)電廠系統(tǒng)部件級的性能在線監(jiān)測、爐膛火焰的三維溫度分布情況實時監(jiān)測與煤質(zhì)快速離線分析。在線監(jiān)測與診斷技術(shù)主要基于機(jī)理性精確模型，通過建立各部件級動/靜態(tài)高精度數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)技術(shù)和主導(dǎo)因素法，實現(xiàn)對各部件的性能漸變和異常進(jìn)行監(jiān)測，并為各部件提供健康應(yīng)達(dá)值。LIBS技術(shù)對煤質(zhì)進(jìn)行快速離線分析的效果(含碳量、熱值等關(guān)鍵參數(shù))接近國家煤質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)，與美國TSI公司達(dá)成協(xié)議，正在合作生產(chǎn)煤質(zhì)分析儀器。“爐溫3D測控技術(shù)”可監(jiān)測爐內(nèi)　　燃燒火焰輻射能信號，并正在開發(fā)燃燒顆粒物濃度空間三維分布的監(jiān)測分析，這將進(jìn)一步提高三維溫度場監(jiān)測的精度，為今后實現(xiàn)煤粉在爐內(nèi)燃盡過程的三維可視化監(jiān)測奠定了良好基礎(chǔ)。

這些技術(shù)的推廣應(yīng)用，可實現(xiàn)基于精確模型的單個熱力部件性能優(yōu)化，單個燃燒器燃料量和風(fēng)量優(yōu)化分配，以及爐內(nèi)三維溫度場優(yōu)化分布等，對燃煤鍋爐、熱力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和清潔運(yùn)行將起到更大的作用。

生產(chǎn)管理/機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化

目前我國電力行業(yè)生產(chǎn)管理和機(jī)組運(yùn)行水平參差不齊，同樣參數(shù)的電廠之間，供電煤耗水平可相差十幾、甚至幾十克每千瓦時，原因比較多。其中兩方面比較突出：一方面很多電廠疏于管理，設(shè)備維護(hù)、故障檢修不力，造成很多不必要的浪費。對于生產(chǎn)經(jīng)營管理，每個電廠差別比較大，但總體來說應(yīng)該向“外三”等示范電廠看齊。

由于我國火電機(jī)組平均負(fù)荷低，機(jī)組年均負(fù)荷率只有60%左右，而機(jī)組在設(shè)計時主要考慮額定負(fù)荷工況下的運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)性，在中、低負(fù)荷下運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性很差，運(yùn)行方式往往沒有經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化。另外，由于機(jī)組的長期運(yùn)行產(chǎn)生性能老化，機(jī)組檢修、設(shè)備更換等局部改造而導(dǎo)致的系統(tǒng)特性變化，都會影響機(jī)組的特性，而運(yùn)行方式不能進(jìn)行相應(yīng)匹配。

在運(yùn)行優(yōu)化方面，目前國內(nèi)比較流行的辦法是通過優(yōu)化試驗，對鍋爐、汽輪機(jī)、冷端系統(tǒng)等進(jìn)行粗略的優(yōu)化，都取得了一定的效果，但總體技術(shù)水平相對落后，沒有從根本上解決問題。隨著計算機(jī)技術(shù)和控制理論不斷發(fā)展，國內(nèi)外火電機(jī)組優(yōu)化管理技術(shù)逐步投入實際應(yīng)用，經(jīng)多年試驗、使用、總結(jié)和完善，很多技術(shù)己經(jīng)比較成熟，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

典型的如上世紀(jì)90年代德國發(fā)起的BOA研究計劃，其優(yōu)化運(yùn)行方面的理念和實踐都處于世界領(lǐng)先的地位。國內(nèi)中電恒博公司提出的S型滑壓運(yùn)行理念，改進(jìn)了原有相對粗糙的定-滑-定主蒸汽壓力運(yùn)行方式，可深度挖掘汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，提高機(jī)組效率。另外如ABB公司開發(fā)的optimax軟件、還有美國GE公司開發(fā)的EfficiencyMap系統(tǒng)、德國Steag公司開發(fā)的Ebsilon系統(tǒng)等都從不同角度實現(xiàn)了系統(tǒng)效率的在線優(yōu)化。

總體上看，由于國外的運(yùn)行環(huán)境相對簡單，開展運(yùn)行優(yōu)化工作要相對容易些。

而國內(nèi)大部分燃煤機(jī)組參與調(diào)峰，負(fù)荷、煤質(zhì)等變化頻繁、程度劇烈，開展優(yōu)化運(yùn)行難度要更大。然而，恰恰由于我國總體負(fù)荷率低下(年平均利用小時數(shù)5000左右)，運(yùn)行調(diào)整方面的節(jié)能空間更多，運(yùn)行優(yōu)化的意義更大，希望引起行業(yè)更多的重視。

總結(jié)

總的來說，要利用協(xié)同思想把合適的能源放在合適的地方，在合適的系統(tǒng)中與其他能源有合適的協(xié)同，發(fā)揮合適的作用。

由于能源多元化，轉(zhuǎn)換多元化，終端需求供應(yīng)一體化，尤其是氣候變化的嚴(yán)重性，能源技術(shù)將有一個很大的變化，時間尺度在30～50年左右。且各國都不會一樣，中國更有其特殊性，因為無先例可循。除了能源技術(shù)進(jìn)步外，信息技術(shù)的深度介入必不可少，因為能源系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)工程。

中國工業(yè)化正處于重工業(yè)化“爬坡階段”，正值新一輪電力建設(shè)高潮，現(xiàn)在興建電廠的技術(shù)路線將決定2020年及以后的煤炭利用模式。能源生產(chǎn)革命最終還是要落實到煤炭的清潔高效發(fā)電上來。如果不在煤的清潔高效發(fā)電上做文章，其他一切只能是空談。