在碳中和目標(biāo)愿景下，中國(guó)煤電行業(yè)遇到了史無(wú)前例的發(fā)展壓力，亟待探尋既能滿足能源系統(tǒng)需求又能兼顧碳減排政策的發(fā)展路徑。另外，煤電是CO2排放的最大來(lái)源之一，碳中和要求能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳化，無(wú)碳化調(diào)整，因此煤電是中國(guó)碳中和目標(biāo)的“排頭兵”。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，煤電將與非化石能源并存，煤電地位由“主體”向“兜底”轉(zhuǎn)變，煤電發(fā)電利用小時(shí)數(shù)減少、占比逐年下降，面對(duì)高比例非化石能源發(fā)電的新時(shí)代，煤電在未來(lái)需積累化石能源與非化石能源發(fā)電相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)，面臨清潔低碳化、深調(diào)靈活化，功能多元化和智慧能源化的改造技術(shù)挑戰(zhàn)，在碳中和時(shí)期為電力系統(tǒng)發(fā)揮電力平衡和調(diào)節(jié)作用。

　　一、清潔低碳化
　　中國(guó)煤電發(fā)展的主要制約因素已從常規(guī)污染物排放控制轉(zhuǎn)為低碳排放，清潔低碳化是面臨的首要挑戰(zhàn)。在清潔化(污染物排放控制)方面，煤電機(jī)組在發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗不大于全國(guó)平均水平時(shí)比燃?xì)怆姀S更清潔，在污染物控制技術(shù)上，繼續(xù)向深度一體化協(xié)同控制發(fā)展，逐步使大氣污染物排放接近于零。要實(shí)現(xiàn)煤電機(jī)組低碳發(fā)展，需要逐步完成低碳—零碳—負(fù)碳排放，這主要需在三方面進(jìn)行技術(shù)突破。

　　(1)節(jié)能改造技術(shù)。先進(jìn)高效的燃煤發(fā)電技術(shù)，可通過(guò)降低煤耗減少碳排放。目前中國(guó)超超臨界機(jī)組實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)，百萬(wàn)千瓦空冷發(fā)電機(jī)組、大型循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)世界領(lǐng)先。截至2020年底，全國(guó)累計(jì)完成煤電節(jié)能改造超過(guò)6億kW，平均供電煤耗為305.5g/(kW?h)，其中超超臨界和超臨界機(jī)組占比49.5%，還存在占煤電容量50.5%的亞臨界及以下機(jī)組需通過(guò)升級(jí)改造來(lái)提升效率、降低煤耗或淘汰落后機(jī)組。此外，還需大力推動(dòng)煤電機(jī)組由超超臨界向更高效的二次再熱高低位布置、700℃機(jī)組、多聯(lián)供機(jī)組等新型燃煤發(fā)電方式擴(kuò)展，將先進(jìn)煤電機(jī)組的供電煤耗降到250g/(kW?h)以下。

　　(2)生物質(zhì)等非煤燃料摻燒技術(shù)。燃煤耦合生物質(zhì)發(fā)電對(duì)于降低煤耗、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排發(fā)揮了重要作用。在保證相同發(fā)電量的情況下，煤電機(jī)組可與污泥、生活垃圾等生物質(zhì)耦合混燒，大幅度減少煤炭的使用量，達(dá)到與燃?xì)怆姀S一樣的碳排放。燃?xì)怆姀S按平均碳排放強(qiáng)度折算相當(dāng)于供電煤耗為174g標(biāo)煤/(kW?h)，按照安徽平山電廠煤電機(jī)組供電煤耗251g/(kW?h)和現(xiàn)階段新建機(jī)組要求設(shè)計(jì)供電煤耗全面低于270g/(kW?h)計(jì)，分別需要摻燒30%和36%比例的生物質(zhì)燃料可達(dá)到單位供電量與燃?xì)怆姀S一樣的碳排放量。當(dāng)然未來(lái)在可能條件下需不斷增加生物質(zhì)燃料混燒比例，直至最后實(shí)現(xiàn)完全的生物質(zhì)燃料替換，達(dá)到零碳排放。目前中國(guó)生物質(zhì)發(fā)電量占比僅為1.5%，且以小容量的秸稈電廠為主。為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的摻燒，需要對(duì)燃料制備系統(tǒng)和鍋爐燃燒設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，利用大容量高參數(shù)煤電機(jī)組發(fā)電效率高的優(yōu)勢(shì)，提高生物質(zhì)的發(fā)電效率。除生物質(zhì)外，中國(guó)煤電混氨發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，2022年建立了世界首個(gè)40MW等級(jí)煤電氨混應(yīng)用項(xiàng)目，按年利用小時(shí)數(shù)4000h計(jì)，每年可減少煤電機(jī)組碳排放46萬(wàn)t。

　　(3)煤電機(jī)組耦合碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)。煤電機(jī)組加裝CCUS可推動(dòng)電力系統(tǒng)近零碳排放，避免已經(jīng)投產(chǎn)的煤電機(jī)組提前退役，降低碳中和目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)成本，在負(fù)荷變動(dòng)或是極端工況條件下保持清潔低碳發(fā)電特性。但由于技術(shù)、成本及商業(yè)模式層面都尚未成熟，目前該技術(shù)還是以研發(fā)示范為主，沒(méi)有大規(guī)模發(fā)展。因此，加快CCUS研發(fā)技術(shù)的重大突破，解決CCUS高投入、高能耗、高風(fēng)險(xiǎn)的難題，成為我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)向低碳多元化轉(zhuǎn)變的重要保障。此外，生物質(zhì)能-碳捕集與封存(BECCS)技術(shù)將成為碳中和時(shí)適度保存煤電和實(shí)現(xiàn)電力負(fù)碳的可行性選擇，對(duì)煤電摻燒生物質(zhì)燃料改造后的機(jī)組再加裝碳捕集技術(shù)，使未來(lái)煤電機(jī)組有望達(dá)到大范圍負(fù)碳排放。

　　二、深調(diào)靈活化
　　未來(lái)大規(guī)模可再生能源接入的電力系統(tǒng)對(duì)靈活性電源的需求將不斷提高，煤電機(jī)組需要擔(dān)當(dāng)基荷和峰荷等多重功能，需要深度參與系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓和備用等電力輔助服務(wù)。煤電運(yùn)行需要更加靈活，調(diào)峰能力更加突出可靠，目前國(guó)內(nèi)煤電機(jī)組通過(guò)熱電解耦，低壓穩(wěn)燃等技術(shù)可將煤電機(jī)組的最小穩(wěn)定出力降至20%～30%的額定容量，但其增減出力的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，爬坡速度緩慢，難以充分滿足系統(tǒng)靈活性的需求，無(wú)論是調(diào)峰深度、變負(fù)荷速率還是快速啟停能力都與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家有較大差距。深調(diào)后煤電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在低負(fù)荷工況之下，機(jī)組能效減低，煤耗率上升，導(dǎo)致NOx、CO2排放增加，造成環(huán)境影響;同時(shí)還會(huì)增加機(jī)組損耗，降低機(jī)組壽命，這意味著煤電深調(diào)靈活性改造還有很大的空間與潛力，需要在調(diào)峰的深度、速度、成本和環(huán)境影響等綜合技術(shù)上有所突破。因此，提升電力系統(tǒng)深調(diào)靈活技術(shù)將成為碳中和時(shí)期煤電發(fā)展的關(guān)鍵，國(guó)家明確“十四五”期間完成存量煤電機(jī)組靈活性改造2億kW，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力3000～4000萬(wàn)kW。此外煤電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)逐年降低，還需電力市場(chǎng)化改革加快推動(dòng)煤電功能定位調(diào)整，建立包括電量、財(cái)稅、補(bǔ)貼、容量供給等服務(wù)在內(nèi)的煤電評(píng)估機(jī)制和政策，通過(guò)市場(chǎng)手段，確保高效機(jī)組獲得經(jīng)濟(jì)發(fā)電小時(shí)數(shù)，調(diào)峰機(jī)組得到符合市場(chǎng)規(guī)則的效益，進(jìn)而促進(jìn)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電的消納。

　　三、功能多元化
　　我國(guó)電力企業(yè)需要從能源供應(yīng)商向能源服務(wù)商轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)功能多元化。煤電可利用生物質(zhì)、垃圾、污泥等與煤摻燒發(fā)電，能將大量的能源植物收購(gòu)作為能源利用，獲得較好的經(jīng)濟(jì)收益，并為城市消納生活工業(yè)垃圾、污泥等靜脈服務(wù)。著眼中長(zhǎng)期發(fā)展，單純依靠電力系統(tǒng)難以充分實(shí)現(xiàn)新能源利用，因而跨系統(tǒng)發(fā)展循環(huán)碳經(jīng)濟(jì)是新能源多元化利用的重要方式。建設(shè)以煤電機(jī)組為核心的供熱、供汽、供水、蓄熱、蓄電等跨能源系統(tǒng)利用方式，為城市提供“電、熱、冷、汽、水、氫、壓縮空氣”等動(dòng)脈服務(wù)，實(shí)現(xiàn)多種能源的相互轉(zhuǎn)化、相互控制、互補(bǔ)應(yīng)用，促進(jìn)多能融合互補(bǔ)，打通城市發(fā)展建設(shè)的“動(dòng)靜脈”。此外，利用煤電CCUS或BECCUS捕獲的CO2，和火電的低谷電電解水制氫，結(jié)合來(lái)制取甲醇、甲烷等應(yīng)用于工業(yè)原料領(lǐng)域，全面擴(kuò)大碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)規(guī)模，并同時(shí)解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)安全性的難題。

　　四、智慧能源化
　　互聯(lián)網(wǎng)和智慧能源是推動(dòng)我國(guó)能源供給側(cè)清潔低碳轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段，需要煤電由傳統(tǒng)能源向智慧能源發(fā)展，既滿足用戶需求，又符合環(huán)境要求，不僅要實(shí)現(xiàn)能源需求智慧化，能源運(yùn)輸智慧化，還應(yīng)圍繞能源供應(yīng)和消費(fèi)系統(tǒng)智慧化。煤電未來(lái)要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)以及能源市場(chǎng)深度融合，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算提供智能感知、預(yù)警及診斷、綜合一體化全流程協(xié)同控制等綜合服務(wù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理、精細(xì)化管理、精準(zhǔn)化預(yù)測(cè)，從而完成煤電向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。集成先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)，提升煤電機(jī)組運(yùn)行靈活性，連續(xù)監(jiān)測(cè)污染物排放，調(diào)整催化劑輸入等，構(gòu)建基于實(shí)時(shí)在線煤質(zhì)、爐內(nèi)燃燒及污染物生成機(jī)理的“煤風(fēng)水汽電污”智能全流程一體化協(xié)同聯(lián)動(dòng)控制，開(kāi)發(fā)形成煤電-儲(chǔ)能耦合發(fā)電多場(chǎng)景多目標(biāo)應(yīng)用的高效低碳新型智能化協(xié)同控制。此外，還需充分利用分布式能源，追求橫向能源多品種和供應(yīng)方式的互補(bǔ)優(yōu)化，協(xié)調(diào)縱向源—網(wǎng)—儲(chǔ)—荷等各環(huán)節(jié)的協(xié)同互動(dòng)，提供能源一體化方案。

　　結(jié)論與建議
　　(1)圍繞化石能源在全球能源消費(fèi)中的地位、煤炭在中國(guó)化石能源中的地位和煤電在中國(guó)電力行業(yè)中的地位等方面明確了煤電在碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)中的機(jī)遇:全球范圍內(nèi)，化石能源在全球及許多發(fā)達(dá)國(guó)家能源消費(fèi)中占比高達(dá)80%以上，仍是主體能源;中國(guó)2030、2050年煤炭消費(fèi)在一次能源消費(fèi)中占比預(yù)測(cè)分別為45%和不超過(guò)24%，在單一種類的能源中占比最高，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍是中國(guó)能源安全和穩(wěn)定供應(yīng)的“壓艙石”;中國(guó)煤電在電力保供中的地位短期內(nèi)難以改變，到2060年碳中和時(shí)可能仍需要保留5億kW左右煤電裝機(jī)量，以確保能源安全。

　　(2)按照“控制增量、優(yōu)化存量、淘汰落后”的原則，合理建設(shè)先進(jìn)煤電，并從清潔低碳化、深調(diào)靈活化，功能多元化和智慧能源化四個(gè)方面加大技術(shù)研發(fā)力度，其中清潔低碳化是煤電機(jī)組實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)面臨的首要挑戰(zhàn)，需要逐步示范和推廣煤電機(jī)組低碳—零碳—負(fù)碳技術(shù):將50.5%的亞臨界及以下煤電機(jī)組進(jìn)行節(jié)能降耗升級(jí)改造及淘汰關(guān)停落后機(jī)組，將最先進(jìn)的煤電機(jī)組摻燒30%的生物質(zhì)燃料實(shí)現(xiàn)單位供電量與燃?xì)怆姀S一樣的碳排放量，將生物質(zhì)能-碳捕集與封存(BECCS)技術(shù)進(jìn)行示范應(yīng)用。充分發(fā)揮煤電“托底保供”和系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，支撐能源綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展，在保障能源安全的同時(shí)，順利實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。(作者：朱法華  徐靜馨   潘超   王圣  趙秀勇   田文鑫  孫雪麗  張西   李輝   柏源   董月紅)