|
改造后的山东华勤集团银河电厂光伏利用率大大提升。 产品要出口欧洲，合资方对生产过程使用“绿电”要求严苛。这给山东华勤集团出了道难题：企业自建的光伏电站面临严重的“弃光”问题，多方尝试不能解决，想用“绿电”不容易。 一次偶然的机会，华勤集团联系上了中国科学院工程热物理研究所（以下简称工程热物理所）循环流化床实验室，没想到经过几个月的技术改造，所有难题迎刃而解。 “谁说中国人没有好技术，这不就是？”华勤集团银河电厂厂长韩会忠如是说。 实际上，华勤集团的问题在我国新能源发电领域比较普遍。数据显示，截至2023年10月，我国风光装机占比约33.4%，而发电量仅占20.4%。如今，华勤集团的成功案例预示着，能解决“弃光”问题的新技术有了眉目。 一个难以解决的问题 华勤集团是山东济宁一家大型民营企业，主营业务为高端轮胎、工程橡胶等，年产值达到500亿元。 2010年，集团公司每小时用电量达到6.5万度。为此，园区自建了一座燃煤发电厂——银河电厂，用以自产企业生产用电和工业生产所需的蒸汽，一举两得。 企业发展不仅要算好“经济账”，也要算好“低碳账”。2020年，响应国家“双碳”政策号召，华勤集团投资4亿元新增了100兆瓦光伏发电装机。不过，问题随之而来。 目前，我国多个省份出台了峰谷电价政策——用电高峰期电价高、低谷期电价低。在山东，午间的谷电价远低于发电成本，对企业来说，此时少发电、多使用电网上富余的电量更为经济划算、低碳环保。因此，在光照条件好的白天，为了多用光电，火电机组必须尽可能往下压负荷；而在阴天或者夜晚没有光电时，火电机组得保持出力，以维持企业24小时用电需求。 也就是说，想要最大化且最经济地利用光伏发电，火电机组必须具备随意调整负荷的能力。 不料，看似简单的“降负荷”却成了不可能完成的任务。韩会忠表示，循环流化床锅炉负荷降低后，炉内温度相应降低。这会带来两个问题：一是产生不了生产所需的高温蒸汽，二是污染物排放超标。因为行业内通常采用喷氨水的方法去除烟气中的氮氧化物，但该反应的温度窗口在850摄氏度到1000摄氏度，温度一旦低于800摄氏度，加再多氨水也不能反应。 “我们想了很多办法，但是锅炉负荷最低到50%就降不动了。”韩会忠告诉《中国科学报》，这导致银河电厂弃光严重。 如何在保证蒸汽温度和环保达标的前提下，尽可能地降低锅炉负荷、减少碳排放？韩会忠四处寻找这样的技术。 一次超出预期的改造 2023年3月8日，经朋友介绍，工程热物理所研究员朱建国第一次来到银河电厂。一听对方的需求，他就知道自己来对了。 朱建国所在团队正在开发燃煤发电的灵活调峰技术，其中一条技术路线就专注于解决循环流化床锅炉超低负荷稳定高效运行遇到的难题。 “这是一个锅炉降负荷的普遍问题。”朱建国告诉《中国科学报》，循环流化床作为目前两大主流燃煤发电技术之一，不挑燃料，其他技术烧不了的劣质煤都能被“吃干榨净”，使尾气排放达标。但这一优势往往在高负荷运行条件下才能充分发挥，刻意降负荷运行，无疑是扬“短”避“长”，暴露短板。 既要环保，又要经济，有没有一种可行技术？工程热物理所正高级工程师宋国良告诉《中国科学报》：“我们这项技术的目标就是克服劣势、发挥优势。” 他们采取的改造措施是为循环流化床锅炉加装预热装置，对燃料进行预热改性处理——将其从常温预热到900摄氏度，将大粒径煤块细化，再把固体燃料预处理为气固燃料，从而提高反应速率，最后通过结构调整重新分配热量，增加蒸汽吸热量。 2023年11月，经过第三方测试，银河电厂的最低负荷已经降低到33%，并能维持足够的蒸汽发电温度。 超出预期的是，改造后的锅炉还实现了零喷氨超低排放。2023年8月30日的现场测试发现，氨水可降低到0，环保数据依然达标。“当时现场中控室里响起了掌声，那一刻我们很感动。”朱建国回忆说。 “我们怎么都没想到能有这么好的效果，完全超出预期。”韩会忠表示，目前电厂的光伏利用率从52%左右提高到78%左右，机组负荷的灵活调整使企业的制造成本得到控制，既算清了“低碳账”，也算好了“经济账”。 “环保不达标是现在很多锅炉负荷降不下去的根本原因，而且喷氨水需要额外的成本，还有腐蚀性。更重要的是经过改造，火电机组更加灵活，企业可以根据自身特点安排最佳运行模式。”宋国良表示。 一个紧急部署的课题 近年来，我国可再生能源产业获得长足发展。国家能源局统计数据显示，截至2022年底，我国可再生能源装机已达到12.1亿千瓦，首次实现超越煤电装机的历史性壮举。 然而，2021年9月“东北限电”却冲上微博热搜。这背后体现出的是风光等可再生能源出力随机性、波动性、不确定性强，呈现“大装机、小电量”的特点。 一方面是全国煤电供应紧张，另一方面是新能源关键时刻不顶用、扛不住，这造成电力保障形势严峻。 针对这一问题，中国科学院紧急部署“煤炭清洁燃烧与低碳利用”战略性先导科技专项，其中一个重要任务就是要解决煤电调峰保供。在该专项支持下，工程热物理所循环流化床实验室开展了深度灵活调峰技术研究。 “过去我们研究循环流化床都是研究如何保证高效燃烧，从2021年才开始着力解决低负荷燃烧的问题。”宋国良表示，预热燃烧过去主要用于煤粉锅炉，华勤集团银河电厂改造工程是循环流化床耦合预热燃烧技术的首次试水。 对于这样的新尝试，企业经过前期探讨，仅1个多月就决定采用，5个月时间就试运行成功。朱建国感慨：“必须感谢华勤集团敢于‘第一个吃螃蟹’、支持创新的担当。”韩会忠则说：“科学家很有信心，我们也有了信心。” 顺利合作的背后既有企业的迫切需求，也有实验室对预热燃烧技术将近20年研究的历史积淀，没有厚积哪有薄发？长期不懈的基础研究，是这支科技“国家队”在国家需要时能拿出新技术的关键。 “电荒”之后，一度沉寂的煤电迎来核准“热潮”，近两年我国新增核准煤电项目装机近2亿千瓦。宋国良分析指出，煤电回暖与我国新能源装机大增相匹配，反映了国家对能源安全的深远考虑，通过增加灵活性调节电源来保证能源供应和电网安全。 在这样的历史性转变中，煤电企业要同时做到环保、高效、灵活并不容易，老锅炉要么关停要么淘汰，亟须科学界提供一种能够逆转窘境的新技术。 循环流化床耦合预热燃烧技术在这样的背景下应运而生。宋国良表示：“预热改造既保留了循环流化床技术的优势，又弥补了之前的短板，希望能在更大规模的电站锅炉上应用，为保障国家能源安全作出贡献。” |
