新一代煤电建设如何适应新形势

       今年1月，中国电力企业联合会发布数据显示，截至2024年底，我国新能源发电装机容量首次超过火电，新能源与火电的历史角色更替和演变的趋势在新型电力系统建设大背景下已然明显加快。而在这之前的2024年7月，国家相关部委联合下发了《加快构建新型电力系统行动方案》，其中首次提出实施“新一代煤电升级行动”，明确了“清洁低碳、高效调节、快速变负荷、启停调峰”和“灵活智能”等要求，正可谓是煤电未来发展在顶层设计上的前瞻布局和未雨绸缪。
       （来源：电联新媒  作者：张振华）
       新一代煤电建设的研究正当其时
       纵观历次工业革命，均是在技术进步不断突破和市场需求不断演变条件下，双重作用互为推动形成的新质生产力本质性飞跃。当前，新能源革命已步入加速快车道，不仅新能源装机增速远超过煤电，而且随着新能源技术的倍数迭代，其在二次能源生产中的增速潜力地位将不可撼动。同时，快速规模化发展下新能源成本持续走低，导致新能源全面入市后的煤电标杆电价将逐步失去“尾灯”对标地位，反而，煤电机组将被新的竞争市场倒逼进入看齐机制电价的墙角。在当下快速发展的电力市场中，首先新能源自身将全面面临成本控制和竞价管理的全新挑战，而“适者生存”则将成为传统煤电机组及企业在今后最为贴切的座右铭。
       相对而言，传统煤电已经相当成熟，自从起步成为公共民生事业以来，已经发展了一个半世纪之久。基于经典水蒸汽郎肯动力循环的传统煤电技术，当前已逐步接近技术经济性的效率极限，即单纯依靠增加容量、提高参数和大面积采用高等级材料的边际收益渐小。加之在新能源替代冲击之下，当前最先进的煤电机组以及一些过去投资收益较好的优势技术，也同样面临深度灵活调峰竞争、性价比失优的严峻新形势。显然，传统煤电的典型设备配置和技术科学基础一直未有本质性改变，但新型电力系统和新型电力市场之下，其边界、对象、约束等已悄然发生全新变化，进而深刻影响了其传统的运营基础。因此，要确保新形势下煤电机组的生存竞争力，其技术性能必须考虑主动应对这些转变。
       新一代煤电承前启后的三个方面
       新边界方面，传统煤电早已失去连续基荷、高负荷率的计划运行常态地位，取而代之的是深度调峰低负荷、频繁爬坡变负荷和快速启停等新工况，温度多变化、载荷交变化、小流量常态化等新常态，以及热电联产解耦、机炉调峰解耦、多能源互补发电等跨设备、跨时间、跨能量、跨电源、跨空间尺度等新运行方式，导致传统煤电机组的安全、效率、效益等生产运营以及检修维护的传统边界发生巨大变化。新一代煤电建设无论是存量改造还是新建项目，必须重视新边界条件下的统筹选型以及技术路线的系统整体来考虑，不能再简单重复和复制过去的典型设计以及优化思路。
       新对象方面，传统煤电主辅机本体基于安全考虑原则，使得其技术进步一向相对稳健和谨慎，虽然已滞后于新边界的更高要求，但通过附加的水侧、蒸汽侧、烟气侧、电气侧等旁路运行方式对现有热力、电气系统再构，出现了耦合储热罐、电锅炉、切缸、熔盐蓄热、高低旁供热、热泵、化学电池等非典型设备系统、新工质及其新运行方式，实现了新的技术特性及机组功能，远超过现有经典热力系统、典型热力计算书的设计范畴。由此可见，即便一些传统设备对象、装置系统未做硬件上的改变，但其设备特性、对象模型在新边界条件下已发生重大变化，同时也要看到存在失配、失协甚至失效、加速劣化等新问题。因此，当前阶段新一代煤电优化的对象重点，在主要技术突破之前，不能简单考虑把重任和风险都放在主设备上，而应更加重视对现有主设备影响较小且能最大程度确保主资产安全的系统改进等技术上。
       新约束方面，电力系统大规模高比例消纳新能源的重新功能定位，迫使传统煤电叠加了灵活深调、快速调节等多重技术维度的新约束，既“灵活”又“高效”的清洁低碳要求，相比过去单维度煤耗标准，要求变得更高而且显然是更难了。降碳技术不仅从单一的发电流程中间环节的事中控制，转向探索全面兼顾燃烧前后的头尾控制要求，而且传统节能降耗基础也发生变化，即从过去单纯追求某一工况煤耗最低，转变为常态、经常工况下综合收益最优。此外，新形势下各变工况运行下设备的安全性能约束，也已成为被最为看重的降碳效益基数。显而易见，传统煤电新面临的不仅是灵活问题、更包含安全问题，不仅是低碳问题、更包含效益问题，不仅是清洁问题、更包含生存问题。因此，新一代煤电绝不简单是搞“豪华升级、豪华装修”，必须实事求是、务实推进。
       新一代煤电建设不仅是技术提升
       从全球范围看，新一代煤电技术标准的竞争对标对象，既是传统煤电本身，也更是灵活性、清洁性相对更佳的燃气机组，从这个角度而言，必然是“燃机指标含量”较多的标准。从更广的经验看，传统煤电面临的新边界、新对象、新约束等新情况，是在电力竞争市场发展较早的国家和国内外重点地区早已出现，其对灵活调峰、热电解耦、快速启停、低碳掺烧以及碳捕集等新一代煤电的特征技术，早已开展并完成阶段性试验、示范探索或商业运行。因此，至少国内当前阶段新一代煤电的适用标准，已经有部分较成熟的技术参考点，但重点并非要在技术指标设置上不切实际地追求或全面“一刀切”，而是需要因地制宜和因场景制宜，而且从过往经验看，新标准推广普及的速度和难度也并非技术本身，其推行的阶段和节点也都应综合考虑。
       而且，当前新一代煤电建设讨论的预期技术指标，更可以是“过去时含量”较多的标准。如前所述，成型或发展较早的电力充分竞争市场，基本实现了更先进的调峰深度、爬坡速率、快速启停、热电解耦等技术的试验示范或部分商用涵盖。只不过在不同应用场景下，尤其是电力市场发展相对滞后的区域，市场中缺少有效必要的各方博弈主体协调机制，或严重受制于单方面话语权的超大市场主体的各种约束，导致某种程度上阻碍了煤电相关新技术的进一步升级开发和有效推广应用。因此，新一代煤电建设不应再是简单的技术提升或技术标准推行问题，而是需要有其他配套管理条件和灵活市场机制作为坚实基础。或者说，新机首先应有新制，新一代的有效市场机制和管理的加强提升更为迫切，不应滞后于新一代煤电的技术标准。
       新一代煤电建设应重视五新特点
       煤电已经发展了一百多年，每一代的煤电，必然有其每一代的时代特征、历史使命和功能定位。面向新型能源体系和新型电力系统建设要求，当前新一代煤电也开始了其新的历史征程。
       新一代煤电的新灵活性。与传统煤电相比，新一代煤电自然要在灵活性和调节能力方面上新的台阶，同等条件下需能够提供适应新型电力系统需求的新灵活性。但对于要兼顾具备顶峰、深调、快爬速降、快速启停等更加综合调节能力的新一代煤电技术要求而言，高灵活性的设置已大不同于传统煤电，必须重视以更少的改造改动或新建工程量，来实现更为综合的高调节性能，即新一代煤电机组的新灵活性应充分体现“综合”和“集成”特点，尽量论证考虑“单项投入、多项产出”的技术路线，以优化减少系统的复杂性和降低投资成本。而且新灵活性需具备“区域”特点，应充分兼顾区域条件要求和发展趋势，避免“一刀切”而导致较大的投资沉没成本。
       新一代煤电的新经济性。传统煤电更多关注在多发前提下如何优化降低煤耗成本，新一代煤电的经济性内涵远不止如此。基于宽负荷高效的新一代煤电最佳高效设计点基准，首先应考虑允许突破基于额定工况效率最高的相关能耗准入标准等立项约束，而且节能降耗设计需要考虑包括启停在内的全工况各阶段运行经济性。同时，新一代煤电的新功能任务更多更重，其整体项目和关键设备选型，不能再仅基于煤电本身，必须兼顾外部全部相关重要边界资源和边界条件进行综合测算考虑。此外，应重点研究电锅炉解耦、绿电供热等需要市场机制配套调整的支持措施，突破无法低成本从电网下低谷电的关键制约，以优化减少煤电机组本身的建设投入、调节负担和调节成本，这方面新一代煤电不能再走过去由传统煤电承担一切之后反而更加举步维艰的老路子。
       新一代煤电的新扩展性。传统煤电的发展史，同时也是饱含阶段性反复改造的改建史。新一代煤电的技术指标也不可能全部一蹴而就，理应避免重回历史局面，其选型应着重体现于“一厂一策”的新可扩展性，兼顾未来发展和实事求是的建设资源条件评估，保持合理适度的裕量、预留接口或场地等。同时，新一代煤电建设不应做基于单项指标的极端性过度优化，不应搞一刀切式或盲目跟随式的、必要性不强的建设投资。需结合新一代煤电建设项目的具体定位和区域竞争需要，重点建设和打造可扩展能力，把钱花在刀刃上。
       新一代煤电的新可靠性。传统煤电技术，在我国用了近三十年时间完成了华丽转变，即初始引进阶段的十年基本解决机组安全稳定问题，消化吸收阶段的十年基本解决机组连续满发问题，然后在创新阶段的十年基本解决自主性能提升问题，发展至今，我国已拥有世界上最先进的超超临界机组，各项指标全面领先。新一代煤电建设不可能如此再蹚一遍才能确保必要的安全可靠，新型电力系统也不允许如此长时间的折腾。显然，在新边界、新对象、新约束等条件下，建设新一代煤电机组，其新可靠性必须满足于全寿命周期的长期可持续性和较低非停率要求，不能以设备安全稳定性为代价，相关关键技术仍需加大攻关。
       新一代煤电的新智慧性。机组先进性如果以人数为标准，其发展规律是单位千瓦装机的现场人员越来越少，国外已实现少人无人值守、“全自动驾驶”的先进机组早已有之。回望传统煤电机组的运行控制史，智能控制理论中典型的神经网络、模糊控制等理论研究实际起步很早，现代控制理论中的自适应、状态观测、预测等典型方法也较为久远，而基于比例-积分-微分的经典控制理论技术当前依然在工程现场是最为广泛的应用。对于数据点动辄上万的现代化大型煤电机组而言，经典控制技术同样远未过时，实践证明，设备本身及其治理的可靠性基础非常关键，如果保证好了，大部分场景的经典控制依然适用。换言之，不能指望完全用不依赖于传统固定模型的智能算法，去解决或掩盖最基本要求的设备治理不佳、维护欠账等所有问题。对于新一代煤电而言，随着近年信息化、智能化技术的飞速迭代升级，通过智慧技术和“科技兴安”，聚焦解决新边界、新对象、新约束等带来的操作响应不及时不精确、操作决策不科学不系统以及运维作业不高效不安全等重点问题，加快提升新质生产效率和效益，已处于新的攻坚发展阶段。