劉吉臻, 李云鷙, 宋子秋, 房 方, 牛玉廣, 曾德良

(1．華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2．華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

氣候問題關(guān)乎人類生存與發(fā)展。美國、日本等國家以及歐盟均制定了相應(yīng)的氣候戰(zhàn)略，力爭在2050年前實現(xiàn)凈零碳排放的目標(biāo)。黨的十九大以來，我國加速推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，并將其作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要方向。2020年9月中國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，電力行業(yè)的關(guān)注重點也從“電視角”轉(zhuǎn)向“碳視角”[1-2]。

受限于“富煤、貧油和少氣”的能源資源稟賦，我國能源行業(yè)始終以煤炭為主要能源。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2021年我國全社會煤炭總消費41.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中發(fā)電用煤21.3億t，約占52%。從電力行業(yè)主體功能上看，煤電機(jī)組以不到50%的裝機(jī)占比提供了66%的全社會用電量，并且支撐75%的高峰時段負(fù)荷需求。在未來較長時間，燃煤發(fā)電在我國電力供應(yīng)中仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。

隨著新能源發(fā)電技術(shù)日趨成熟，以風(fēng)能、太陽能發(fā)電為代表的零碳機(jī)組開始大規(guī)模并入電網(wǎng)，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對運行調(diào)控提出了更為嚴(yán)格的要求，主要體現(xiàn)在兩方面：一是新能源消納問題，我國新能源資源與負(fù)荷需求具有逆向分布的特點，跨區(qū)域輸電能力有限，棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象突出；二是系統(tǒng)安全問題，風(fēng)、光等自然資源具有強(qiáng)隨機(jī)性，新能源發(fā)電對負(fù)荷需求的響應(yīng)能力不足，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行面臨挑戰(zhàn)。燃煤發(fā)電具有一次能源可儲、二次能源可控的特征，其在我國大規(guī)模新能源消納和保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面發(fā)揮著“壓艙石”作用。因此，發(fā)展靈活智能的新型燃煤發(fā)電技術(shù)既是煤炭清潔高效利用的需要，也是現(xiàn)階段新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要支撐，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 靈活智能燃煤發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域

1.1 基本概念

靈活智能燃煤發(fā)電以燃煤發(fā)電過程中的數(shù)字化、自動化、信息化和標(biāo)準(zhǔn)化為基礎(chǔ)，以管控一體化、大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)為平臺，集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制與優(yōu)化、智能管理與決策等技術(shù)，形成一種具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自趨優(yōu)、自恢復(fù)和自組織能力的運行控制模式，提升燃煤發(fā)電機(jī)組寬負(fù)荷運行效率，實現(xiàn)快速變負(fù)荷、深度調(diào)峰和污染物超凈排放[3]。在推進(jìn)靈活智能燃煤發(fā)電的進(jìn)程中，靈活為智能化賦予現(xiàn)實需求，智能為靈活的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

1.2 技術(shù)需求

1.2.1 深度調(diào)峰

深度調(diào)峰是保障大規(guī)模新能源消納和電網(wǎng)安全穩(wěn)定的重要手段。深度調(diào)峰要求在超低負(fù)荷工況(20%～50%額定容量)下保證機(jī)組的平穩(wěn)運行，相關(guān)技術(shù)包括超低負(fù)荷穩(wěn)燃、超低負(fù)荷安全監(jiān)控和超寬負(fù)荷優(yōu)化控制等。

深度調(diào)峰對燃煤發(fā)電機(jī)組的影響主要體現(xiàn)在機(jī)爐水動力安全運行、低負(fù)荷狀態(tài)下爐膛參數(shù)穩(wěn)定性、過/再熱溫度偏離設(shè)計值等[4]，與之對應(yīng)的研究也在不斷開展。另外，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組在設(shè)計階段并沒有考慮深度調(diào)峰，缺乏必要的監(jiān)測和調(diào)控手段，難以獲悉機(jī)組調(diào)峰極限能力，輔機(jī)設(shè)備長期工作在低負(fù)荷工況下也會出現(xiàn)效率大幅度降低和設(shè)備無法投運等現(xiàn)象。

1.2.2 快速變負(fù)荷

變負(fù)荷能力直接反映了機(jī)組運行的靈活性。在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，具有快速變負(fù)荷能力的燃煤發(fā)電機(jī)組可以快速響應(yīng)調(diào)度指令，補(bǔ)償新能源發(fā)電機(jī)組不確定性帶來的功率波動，支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運行，進(jìn)而提高電網(wǎng)對新能源電力的消納能力。目前，華北、東北等區(qū)域電網(wǎng)均已頒布相關(guān)的電力并網(wǎng)運行管理規(guī)定，對于機(jī)組響應(yīng)自動發(fā)電控制(AGC)指令的調(diào)節(jié)速率有明確的考核指標(biāo)，包括AGC可用率考核和AGC性能考核。一般來說，常規(guī)煤發(fā)電機(jī)組的變負(fù)荷速率為每分鐘1%～2%額定功率，經(jīng)過靈活性改造后可以達(dá)到2%～3%，參照丹麥和德國等國家的先進(jìn)技術(shù)，未來我國燃煤發(fā)電機(jī)組的變負(fù)荷速率有望提升至4%～6%[5]。

鍋爐系統(tǒng)的響應(yīng)速率是制約火電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)的主要因素。從鍋爐的能量轉(zhuǎn)換層面看，可通過熱力系統(tǒng)、制粉及燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計縮短鍋爐對負(fù)荷的響應(yīng)時間；從控制層面看，制粉系統(tǒng)、給水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制能提升鍋爐響應(yīng)過程的快速性，是實現(xiàn)火電機(jī)組快速變負(fù)荷的重要基礎(chǔ)。

1.2.3 超凈排放

超凈排放是指燃煤發(fā)電機(jī)組在發(fā)電運行和末端治理等過程中，采用多種污染物高效協(xié)同脫除集成系統(tǒng)技術(shù)，使大氣污染物排放質(zhì)量濃度基本達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組排放限值水平，即煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度(基準(zhǔn)含氧體積分?jǐn)?shù)6%)分別不超過5 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3。

燃煤機(jī)組在超低負(fù)荷工況下運行會對NOx等污染物排放控制帶來顯著影響，亟需研發(fā)面向靈活智能燃煤發(fā)電的超凈排放技術(shù)。現(xiàn)有技術(shù)中，脫硫系統(tǒng)的問題主要集中在吸收塔內(nèi)pH值異常、吸收塔起泡、廢水處理不達(dá)標(biāo)、系統(tǒng)水平衡無法控制、煙氣自動監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性低等；脫硝系統(tǒng)的問題主要表現(xiàn)在非額定工況下選擇性催化還原(SCR)反應(yīng)器入口煙溫催化劑適用溫度之間的矛盾。解決方案包括使用分級省煤器、省煤器煙氣旁路以及增設(shè)0號高壓加熱器，也可通過改造燃燒方式以提高SCR入口煙溫[6]等方式解決。

1.2.4 高效燃煤發(fā)電

高效燃煤發(fā)電是指綜合考慮供電需求和發(fā)電效率，供電效率達(dá)到42%～45%，供電煤耗降到300 g/(kW·h)以下的燃煤發(fā)電技術(shù)[7]。目前，華電萊州發(fā)電有限公司4號機(jī)組的度電煤耗為253 g，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。大容量、高參數(shù)的燃煤發(fā)電系統(tǒng)是實現(xiàn)煤炭能源高效清潔利用最可行的技術(shù)途徑，其中包括發(fā)展高參數(shù)二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組、對主要耗能設(shè)備及輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行能效升級、應(yīng)用先進(jìn)的節(jié)能節(jié)水技術(shù)等[8]。此外，材料和制造技術(shù)是制約我國燃煤發(fā)電技術(shù)高效化的核心問題，尤其是高溫材料的生產(chǎn)與制造。

在新型電力系統(tǒng)建設(shè)的背景下，多種能源的綜合化利用為高效燃煤發(fā)電提供了更多可選擇的技術(shù)路徑。另外，煤炭氣化技術(shù)和新型節(jié)能技術(shù)也會提高燃煤發(fā)電機(jī)組的綜合效率。

1.2.5 碳電市場協(xié)同發(fā)展

隨著碳稅政策的相繼出臺和碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以碳匯為代表的碳交易市場初具雛形。燃煤發(fā)電等火力發(fā)電機(jī)組是CCUS項目的重要客戶，這類機(jī)組參與碳交易不僅能夠響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)，還能夠提高整體經(jīng)濟(jì)效益，部分機(jī)組在參與CCUS項目后的發(fā)電成本甚至低于風(fēng)電機(jī)組[9]。

碳電市場是碳交易與電力交易不斷開放的產(chǎn)物，但2個市場的歸口主管部門、運行范圍和市場主體均不相同，相關(guān)政策體系、交易規(guī)則等暫未實現(xiàn)有效銜接。在國際上，歐盟率先推行碳電市場，實施碳稅與碳排放權(quán)交易，開展綠色電力認(rèn)證，并設(shè)計相關(guān)的碳關(guān)稅政策。

未來的碳電市場應(yīng)重點關(guān)注碳交易與電力交易的協(xié)同發(fā)展，通過設(shè)計靈活的價格疏導(dǎo)機(jī)制和高效的減排傳導(dǎo)機(jī)制，推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)。但目前的CCUS技術(shù)尚不能滿足商業(yè)化的需求，全球范圍內(nèi)也沒有成功的案例可以參考，距離碳電市場落地實施仍有較長的路要走。

1.3 研究框架

針對以上技術(shù)需求，靈活智能燃煤發(fā)電理論與技術(shù)的研究框架如圖1所示，包括智能化建模、智能多維調(diào)控、靈活智能燃燒等，此外，還需要建立健全的安全監(jiān)控和綜合評價體系，通過分析發(fā)電過程的各項指標(biāo)評判技術(shù)路徑優(yōu)劣，指導(dǎo)靈活性改造方案，協(xié)同推進(jìn)靈活智能燃煤發(fā)電的實現(xiàn)。

圖1 靈活智能燃煤發(fā)電技術(shù)研究框架Fig.1 Research framework of flexible and intelligent coal-fired power generation technology

2 智能化建模理論與技術(shù)

智能化建模理論是實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)建模的有效手段，是靈活智能燃煤發(fā)電的關(guān)鍵性支撐技術(shù)。目前，智能化建模理論在電力工業(yè)，尤其是在燃煤發(fā)電領(lǐng)域，仍處于起步階段，主要包括多時空尺度動力學(xué)模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模理論和數(shù)字孿生建模技術(shù)等研究方向。

2.1 多時空尺度動力學(xué)模型

燃煤發(fā)電是一個非線性多尺度的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)，包含許多具有跨時空特性的現(xiàn)象和過程，相關(guān)的觀察和測量往往也是在不同尺度上開展的。因此，利用多尺度系統(tǒng)理論建立燃煤發(fā)電機(jī)組的多時空尺度動力學(xué)模型，有助于描述燃煤發(fā)電的本質(zhì)特征，提取更多的有效信息。

燃煤發(fā)電機(jī)組通常由以鍋爐為核心的燃燒系統(tǒng)、以各類換熱裝置為代表的汽水系統(tǒng)、以汽輪機(jī)為主體的電氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)間協(xié)調(diào)配合，完成能量轉(zhuǎn)換流程。傳統(tǒng)控制方法能夠在一定程度上消除系統(tǒng)間的時空尺度差異，但隨著燃煤發(fā)電機(jī)組對深度調(diào)峰和快速變負(fù)荷需求的不斷加強(qiáng)，及新型輔助設(shè)備的不斷加入[10-11]，需要更加精確的多時間尺度模型描述各系統(tǒng)的運行特性。多時間尺度建模方法依照時間序列，將復(fù)雜的非線性耦合模型分解為各時間尺度上的簡單模型，具有思路清晰、形式簡潔和計算復(fù)雜度低等特點。另外，將調(diào)度指令按照不同尺度進(jìn)行分解，用不同頻率的子信號控制不同系統(tǒng)，也是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界廣泛關(guān)注的研究方向[12]。

我國目前投入運行的燃煤發(fā)電機(jī)組通常為大容量、高參數(shù)機(jī)組，涉及的設(shè)備數(shù)量眾多且內(nèi)部熱力學(xué)特性復(fù)雜，具有明顯的多空間尺度特性。多空間尺度建模方法分別從系統(tǒng)層面、機(jī)組層面、設(shè)備層面分析溫度場分布、工質(zhì)輸流管道、兩(三)相流的動力學(xué)狀態(tài)，便于對發(fā)電過程中的某一特定設(shè)備、環(huán)節(jié)或流程開展研究。

2.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模理論

近年來電力信息化改造不斷推進(jìn)，一大批先進(jìn)的智能量測設(shè)備被安裝在燃煤發(fā)電的各個流程中，由此產(chǎn)生了海量的機(jī)組實際運行數(shù)據(jù)，為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的燃煤發(fā)電建?？煞譃榛趨?shù)辨識的機(jī)理建模[13]和基于智能算法的數(shù)據(jù)建模[14]，前者可認(rèn)為是一種灰箱建模方法，通過對部分環(huán)節(jié)建立機(jī)理模型，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對未知參數(shù)進(jìn)行辨識，具有較好的解釋性；而后者屬于黑箱建模方法，狀態(tài)信息的解釋性較差。

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動建模成為當(dāng)前的研究熱點[15]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、深度前饋網(wǎng)絡(luò)、卷積網(wǎng)絡(luò)、概率模型等開始被應(yīng)用于燃煤發(fā)電機(jī)組各類設(shè)備與過程的建模中，相較于機(jī)理建模，建模人員無需完全掌握設(shè)備的機(jī)械特性和物理模型，利用工具箱完成整個建模流程，具有計算周期短、建模效率高和模型泛化能力強(qiáng)等特點。

2.3 數(shù)字孿生建模技術(shù)

數(shù)字孿生建模技術(shù)是目前電廠智能化轉(zhuǎn)型的研究熱點[16]。區(qū)別于傳統(tǒng)建模方法，該技術(shù)利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供的多類型數(shù)據(jù)，建立物理世界的虛擬模型，形成電力生產(chǎn)全過程的實時映射，實現(xiàn)人與設(shè)備的智能交互[17]。燃煤發(fā)電的數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在機(jī)組設(shè)計建設(shè)階段，施工人員通過數(shù)字化模型開展仿真和模擬，根據(jù)返回數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)備參數(shù)；在生產(chǎn)運行階段，運維人員通過孿生系統(tǒng)與實際系統(tǒng)間的信息交互，提高運行效率，降低故障風(fēng)險。

圖2 燃煤發(fā)電數(shù)字孿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Digital twin system structure of coal-fired power generation

在“雙碳”背景下，開展數(shù)字孿生基礎(chǔ)理論與技術(shù)研究將是靈活智能燃煤發(fā)電領(lǐng)域有潛力的新方向，對于機(jī)組全生命周期的智能控制、靈活調(diào)度、故障診斷、超低負(fù)荷穩(wěn)燃和超凈排放等研究均會起到重要的支撐作用。

3 智能多維調(diào)控理論與技術(shù)

智能多維調(diào)控理論是實現(xiàn)燃煤發(fā)電無人干預(yù)自主運行的有效手段，其目標(biāo)是建立具有自感知、自學(xué)習(xí)和自決策能力的智能系統(tǒng)，以實現(xiàn)機(jī)組的智能控制、智能預(yù)警、智能診斷和多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化。智能多維調(diào)控系統(tǒng)功能組成如圖3所示。

圖3 智能多維調(diào)控系統(tǒng)功能組成Fig.3 Functional composition of intelligent multi-dimensional control and dispatch system

3.1 智能控制理論與方法

智能控制理論與方法是實現(xiàn)燃煤發(fā)電機(jī)組自感知、自學(xué)習(xí)和自決策的基礎(chǔ)，常見的智能控制方法包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、分層遞階控制、學(xué)習(xí)控制、仿人智能控制以及混合型方法。

現(xiàn)階段發(fā)展具有模型自學(xué)習(xí)、工況自適應(yīng)、故障自恢復(fù)能力的控制策略，有助于滿足環(huán)境條件、設(shè)備狀態(tài)和燃料品質(zhì)變化下的控制需求，實現(xiàn)機(jī)組全范圍、全過程的高性能控制，如機(jī)組自啟停優(yōu)化控制、燃燒優(yōu)化控制、靈活調(diào)峰控制等。具體應(yīng)用包括：基于對機(jī)組特性的深度感知，通過高加給水旁路節(jié)流、凝結(jié)水節(jié)流、凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流以及供熱抽汽節(jié)流控制等對機(jī)組蓄能的高效利用，提升機(jī)組快速變負(fù)荷能力；基于機(jī)組靈活運行及熱電解耦，實現(xiàn)機(jī)組在不同工況下的快速、深度和穩(wěn)定調(diào)節(jié)[18]；以帶前饋的階梯式單變量預(yù)測控制算法為核心，融合傳統(tǒng)前饋控制和解耦控制理念，配合智能感知和非線性動態(tài)模型在線更新，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下基于精準(zhǔn)能量平衡的火電機(jī)組智能協(xié)調(diào)控制等。

在工程應(yīng)用中，智能控制算法的實現(xiàn)需要高性能軟硬件平臺支撐，如智能控制器、智能計算引擎和數(shù)據(jù)分析引擎等，以滿足智能應(yīng)用對數(shù)據(jù)、算法和算力的要求。

3.2 智能預(yù)警和智能診斷

智能預(yù)警和智能診斷是燃煤發(fā)電機(jī)組運行在非常規(guī)或極端情況時，保證機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)性能的關(guān)鍵技術(shù)。在新型電力系統(tǒng)中，燃煤發(fā)電機(jī)組頻繁變負(fù)荷運行會增加設(shè)備故障率，進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備的智能狀態(tài)評估、智能故障診斷、智能故障預(yù)警是提升機(jī)組運行可靠性，延長機(jī)組運行壽命的關(guān)鍵保障。圖4所示為集成設(shè)備/系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)警、實時故障診斷及故障根源分析的三層智能狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。

圖4 智能預(yù)警與診斷系統(tǒng)功能組成Fig.4 Functional composition of intelligent early warning and diagnosis system

燃煤發(fā)電機(jī)組的智能預(yù)警和智能診斷技術(shù)主要是基于分析模型、經(jīng)驗知識以及數(shù)據(jù)驅(qū)動方式來實現(xiàn)的。為解決燃煤發(fā)電機(jī)組在快速變負(fù)荷時一些重要狀態(tài)變量無法安裝測點，難以在線測量的問題，基于機(jī)理模型的智能估計方法和智能在線檢測方法在水平煙道和空氣預(yù)熱器中得到了應(yīng)用[19]?；谀：龑＜蚁到y(tǒng)的汽輪機(jī)振動智能故障診斷和汽輪機(jī)調(diào)速的智能診斷分析系統(tǒng)，為燃煤發(fā)電機(jī)組寬負(fù)荷運行時的安全性提供了保障[20]。

3.3 多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化

多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化是以燃煤發(fā)電機(jī)組的清潔低碳、安全高效和靈活智能為目標(biāo)的先進(jìn)多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)。

在我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展和新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不同階段，燃煤發(fā)電機(jī)組運行優(yōu)化的側(cè)重點也會相應(yīng)調(diào)整，如本世紀(jì)初快速發(fā)展時期的容量和效率優(yōu)先、近十年來的污染物減排優(yōu)先以及當(dāng)前的快速深度調(diào)節(jié)以及減碳優(yōu)先等。如通過電廠水耗、發(fā)電煤耗、鍋爐效率等指標(biāo)表示機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，并考慮煙塵、SO2、NOx等污染物的排放，利用啟發(fā)式算法對電廠經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的雙目標(biāo)問題進(jìn)行多目標(biāo)尋優(yōu)，找到性能指標(biāo)最優(yōu)的運行參數(shù)[21]。

在智能多維調(diào)控系統(tǒng)框架下，考慮多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，基于能效分析、運行優(yōu)化、控制優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，建立能效、環(huán)保和靈活性等性能指標(biāo)的“大閉環(huán)”優(yōu)化控制模式，如圖5所示。

圖5 “大閉環(huán)”優(yōu)化控制模式Fig.5 "Full closed loop" optimal control mode

4 靈活智能燃燒理論與技術(shù)

4.1 超低負(fù)荷燃燒

超低負(fù)荷燃燒是提高燃煤發(fā)電靈活性的核心，煤炭的穩(wěn)定、快速、安全燃燒直接決定機(jī)組的深度調(diào)峰與快速變負(fù)荷能力，尤其體現(xiàn)在超低負(fù)荷運行區(qū)段?，F(xiàn)階段，超低負(fù)荷燃燒的發(fā)展瓶頸主要集中在爐膛低負(fù)荷穩(wěn)燃、機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性和安全性、污染物排放等領(lǐng)域。

針對穩(wěn)燃問題的研究，主要圍繞燃燒系統(tǒng)升級改造[22]、精細(xì)化燃燒調(diào)整[23]、燃燒器結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化[24]等方面開展，這些研究通過控制燃燒過程和強(qiáng)化高溫?zé)煔饣亓鳎M(jìn)而提高燃煤發(fā)電在低負(fù)荷運行的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。對煤種類型[25]、煤粉細(xì)度和濃度[26]的研究也在不斷深入，部分實驗顯示，提高煤粉品質(zhì)可以促使煤粉提前著火，降低鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷水平。在輔助燃燒方面，富氧燃燒[27]、微油微氣助燃[28]、混合燃料或生物質(zhì)摻燒[29-30]等技術(shù)的發(fā)展為燃煤發(fā)電低負(fù)荷運行提供了新的選擇。這些技術(shù)能夠促進(jìn)煤粉著火，穩(wěn)定爐內(nèi)燃燒，保障機(jī)組快速、安全響應(yīng)調(diào)度指令，但在實際應(yīng)用中存在諸多負(fù)面效果，投入使用前需要謹(jǐn)慎考慮。另外，先進(jìn)的儲/蓄能技術(shù)[31-32]、熱電解耦技術(shù)[33]、多源協(xié)同調(diào)度技術(shù)[34]、預(yù)測技術(shù)[35]等也可以間接促進(jìn)燃煤機(jī)組在超低負(fù)荷工況下的穩(wěn)定燃燒。

由于我國現(xiàn)役機(jī)組在設(shè)計生產(chǎn)階段大多沒有考慮深度調(diào)峰和快速變負(fù)荷，在超低負(fù)荷工況下燃燒不僅要考慮機(jī)組安全性，還要考慮發(fā)電效率和整體經(jīng)濟(jì)性[36]，如何協(xié)調(diào)這兩者的關(guān)系是燃煤機(jī)組靈活性改造的重要議題。目前的研究大多圍繞優(yōu)化低負(fù)荷主蒸汽壓力曲線、制粉系統(tǒng)運行參數(shù)和燃燒系統(tǒng)配風(fēng)方式等方面開展[37-39]。值得注意的是，不斷完善的輔助服務(wù)市場通過經(jīng)濟(jì)獎懲手段引導(dǎo)燃煤機(jī)組提升運行靈活性[40]，在一定程度上也可以緩解靈活性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。

“雙碳”目標(biāo)對燃煤機(jī)組的排放水平提出了更加嚴(yán)格的要求。但在實際中，高效燃燒技術(shù)與低污染物排放是2種互相矛盾的技術(shù)，這種矛盾在機(jī)組參與深度調(diào)峰與快速變負(fù)荷的背景下更加突出,以NOx排放為例，燃煤機(jī)組效率與NOx排放量的關(guān)系如圖6所示。借助于智能算法，建立有效的燃燒預(yù)測模型[35,41]，以準(zhǔn)確地反映運行參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)之間的映射關(guān)系。另一類研究更加關(guān)注燃煤機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在改造中兼顧靈活性和環(huán)保性[42]，通過調(diào)整燃燒過程參數(shù)，降低不同工況下的污染物排放水平[43]。

圖6 燃煤機(jī)組效率與NOx排放量隨過量空氣系數(shù)的變化Fig.6 Variation of efficiency and NOx emission of coal-fired units with the excess air coefficient

4.2 超低排放

4.2.1 低氮燃燒

低氮燃燒是快速變負(fù)荷下實現(xiàn)機(jī)組超低排放的重要研究方向。NOx的生成與燃燒溫度、氧含量、反應(yīng)時間，以及煤粉的物理和化學(xué)特性有關(guān)。機(jī)組在進(jìn)行快速變負(fù)荷時，NOx排放量會發(fā)生顯著變化。

在燃煤發(fā)電靈活高效運行的需求下，機(jī)組的低氮燃燒需要合理應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，如分級燃燒技術(shù)，煙氣再循環(huán)技術(shù)，燃料燃燒協(xié)同技術(shù)等。其中，空氣分級燃燒技術(shù)運行經(jīng)驗豐富但減排效果有限，且存在燃燒不充分及腐蝕問題；煙氣再循環(huán)技術(shù)對于現(xiàn)有鍋爐改造較容易，但單獨使用時NOx減排效果有限且對鍋爐燃燒穩(wěn)定性及燃燒效率有不利影響。部分研究針對新型低NOx旋流燃燒器[44]，將煤粉預(yù)燃與燃燒器空氣分級、爐膛空氣分級進(jìn)行耦合，通過改變?nèi)紵到y(tǒng)的配風(fēng)布置對煤粉預(yù)燃燒狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，研究一次風(fēng)率、內(nèi)外二次風(fēng)率、外二次風(fēng)入射方式、循環(huán)風(fēng)率和燃盡風(fēng)率對NOx排放特性的影響，實現(xiàn)低氮燃燒。

4.2.2 脫硝控制

脫硝控制普遍采用中高溫段催化劑，當(dāng)燃煤機(jī)組進(jìn)行超低負(fù)荷運行時，通常煙氣溫度會降低，導(dǎo)致SCR催化劑性能難以充分發(fā)揮，脫硝效率將顯著下降，此時機(jī)組存在較大的NOx排放超標(biāo)風(fēng)險。同時，機(jī)組的快速變負(fù)荷又會使燃燒產(chǎn)生的NOx加劇波動。因此，如何對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行改造，在保證達(dá)標(biāo)排放的同時實現(xiàn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運行是燃煤電站亟待解決的問題。

超低負(fù)荷、快速變負(fù)荷時的脫硝控制方案主要包括：通過鍋爐及其附屬系統(tǒng)改造提高SCR脫硝裝置的煙氣溫度；使用寬溫催化劑；使用SO3脫除技術(shù)。SCR脫硝系統(tǒng)控制應(yīng)兼顧超低排放和運行成本，屬于多目標(biāo)優(yōu)化控制范疇[45]。因此,將脫硝成本加入優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，采用預(yù)測控制等結(jié)構(gòu)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行模型構(gòu)建和控制量尋優(yōu)，可實現(xiàn)對噴氨量的優(yōu)化控制，如圖7所示。

4.2.3 脫硫控制

低負(fù)荷下機(jī)組的煙氣量和煙氣中的SO2含量均小于煙氣脫硫系統(tǒng)的設(shè)計值，而傳統(tǒng)的濕法脫硫工藝采用的煙氣脫硫系統(tǒng)缺乏快速調(diào)節(jié)和深度調(diào)節(jié)能力[46]。脫硫系統(tǒng)出口SO2濃度受漿液pH值、鍋爐負(fù)荷、燃煤含硫量、煙氣流速、噴嘴霧化效果、液氨濃度、吸收塔漿液均勻性和煙氣溫度等多個因素的影響。目前，在火電機(jī)組靈活改造的背景下，主要采用吸收塔漿液pH控制、漿液循環(huán)泵組合運行優(yōu)化等方式，以提高脫硫系統(tǒng)在低負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性。

圖7 SCR脫硝優(yōu)化控制Fig.7 Optimal control of SCR denitrification system

為了實現(xiàn)靈活智能燃煤發(fā)電機(jī)組SO2的超低排放，可使用半干法脫硫和石灰石-石膏濕法脫硫。通過分析2種技術(shù)路線的特點[47]，采用鍋爐爐內(nèi)脫硫+尾部半干法脫硫的SO2超低排放技術(shù)可以大幅降低系統(tǒng)的投資和運行成本。

機(jī)組快速變負(fù)荷運行時，由于煙氣從脫硫裝置排出時攜帶一定量石膏，在煙囪出口會形成石膏雨，需要有針對性地研究治理措施和方案[48]，包括提升機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性、監(jiān)控來煤礦源、改善吸收塔內(nèi)流場均勻性、改造塔頂除霧系統(tǒng)，以及加裝低低溫省煤器等，其中涉及大量的智能化監(jiān)測與優(yōu)化控制技術(shù)。

4.2.4 智能減碳

研究燃煤發(fā)電機(jī)組的智能減碳技術(shù)是時代和行業(yè)發(fā)展的必然要求。從目前已有的技術(shù)手段看，直接減碳主要依靠碳捕集技術(shù)，通過分流模式或溶液存儲模式迅速調(diào)節(jié)碳捕集水平。

面向燃煤發(fā)電機(jī)組供電碳減排，還可以從數(shù)據(jù)分析的角度研究最優(yōu)運行基準(zhǔn)值優(yōu)化方法。通過機(jī)理分析獲得影響機(jī)組供電碳排放的全維運行參量，采用近鄰成分分析算法從各工況全維非線性參量中提取形成全工況高維特征標(biāo)準(zhǔn)集，并建立其與供電碳排放的非線性模型，得到具有泛化性的機(jī)組各工況供電碳排放最優(yōu)基準(zhǔn)值[49]。

隨著全國碳市場啟動，針對燃煤發(fā)電機(jī)組的智能減碳研究可通過引入節(jié)能減排技術(shù)投入成本與收益，以節(jié)能減排成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建火電企業(yè)碳減排策略選擇模型。分析研究期內(nèi)參與碳交易的火電企業(yè)減排策略，幫助現(xiàn)有企業(yè)在被動參與碳交易、主動承擔(dān)減排責(zé)任及何時采用何種減排技術(shù)方面做出決策[50]。

5 靈活智能燃煤發(fā)電評價體系

健全的評價體系不僅能反映燃煤發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)，還能在一定程度上推進(jìn)設(shè)備改造和技術(shù)改良，是靈活智能燃煤發(fā)電的重要環(huán)節(jié)。在評價過程中，不僅要考慮燃煤發(fā)電效率與能耗等常規(guī)指標(biāo)，還要從機(jī)爐性能、設(shè)備健康程度、低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展等角度出發(fā)，量化分析燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活和智能程度。

5.1 機(jī)爐性能評價

機(jī)爐性能評價是靈活智能燃煤發(fā)電評價體系的核心，相關(guān)指標(biāo)能夠直觀體現(xiàn)靈活智能燃煤發(fā)電質(zhì)量，量化技術(shù)改造對機(jī)組靈活性和綜合效率的影響，為評價靈活智能燃煤發(fā)電技術(shù)提供重要的參考依據(jù)。

在評判燃煤發(fā)電機(jī)組靈活性改造時，不僅要計算供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗、廠用電比率、設(shè)備利用小時數(shù)等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，還要考慮最低穩(wěn)燃負(fù)荷、AGC快速響應(yīng)能力、冷/熱態(tài)啟動時間、機(jī)組高效運行區(qū)段等能夠直接反映機(jī)組靈活性的指標(biāo)[18]。德國、丹麥火電靈活性指標(biāo)[5]和我國各省、市火電靈活性改造驗收指標(biāo)如表1所示，結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢，未來火電機(jī)組靈活性水平將進(jìn)一步提高。值得注意的是，在評價深度調(diào)峰機(jī)組時需要適當(dāng)放寬指標(biāo)。此外，對燃煤發(fā)電機(jī)組特定性能開展評價時，需要設(shè)置特殊的評價指標(biāo)，如熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中考慮的熱電關(guān)聯(lián)度指標(biāo)、判斷低負(fù)荷運行穩(wěn)定性的狀態(tài)指標(biāo)等。

表1 機(jī)爐靈活性評價指標(biāo)Tab.1 Flexibility evaluation indexes of turbine and boiler

目前，機(jī)爐經(jīng)濟(jì)性能評價已經(jīng)具備比較完善的理論體系和解決方案，也出現(xiàn)了較為成熟的監(jiān)測與評估軟件。但在靈活性能評價方面，國內(nèi)外尚未形成廣泛認(rèn)可的完備的評價體系，在開展評價時只能依靠運行經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)，缺乏嚴(yán)格的理論分析與長期的運行考驗。在此背景下，亟需研究符合我國設(shè)備條件和運行環(huán)境的機(jī)爐性能評價體系。

另外，如何獲得準(zhǔn)確、實時的性能指標(biāo)是評價過程中的難點問題。這些指標(biāo)大多與燃煤機(jī)組瞬態(tài)和暫態(tài)過程參數(shù)有關(guān)，而這類參數(shù)很難通過外部觀測直接獲取，需要借助先進(jìn)的在線監(jiān)測技術(shù)、動態(tài)建模理論和軟測量技術(shù)等實現(xiàn)。

5.2 設(shè)備健康評價

深度調(diào)峰與變負(fù)荷速率是影響設(shè)備使用壽命的主要因素，頻繁的機(jī)組啟停、升降負(fù)荷會造成金屬材料熱疲勞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力改變，縮短部件的疲勞壽命，影響機(jī)組的運行安全性。研究顯示，當(dāng)變負(fù)荷速率高于參考值50%時，汽包和過熱器壽命分別降低31.9%和52.9%，而低于參考值50%時，汽包和過熱器壽命分別提高16.3%和35.8%[51]。

設(shè)備健康指標(biāo)能夠反映靈活智能燃煤發(fā)電與機(jī)組安全之間的關(guān)系。設(shè)備健康程度評估體系包括2個環(huán)節(jié)，首先是判斷部件損傷程度，利用先進(jìn)的探傷儀器和軟測量技術(shù)等監(jiān)控機(jī)組設(shè)備的實時狀態(tài)，建立設(shè)備狀態(tài)列表，以此為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)備材料的特性和變負(fù)荷敏感性，預(yù)測設(shè)備健康狀態(tài)和運行壽命，為機(jī)組的運行維護(hù)和技術(shù)改進(jìn)提供必要依據(jù)[52]。此外，對設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)估的準(zhǔn)確性和可信度也是需要重點關(guān)注的方向。

5.3 低碳環(huán)保評價

減少碳排放量是緩解全球氣候問題的最佳途徑，科學(xué)合理的低碳環(huán)保指標(biāo)有利于推動綠色發(fā)電，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

相關(guān)研究從碳資源流轉(zhuǎn)視角、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)視角出發(fā)，建立碳績效評價指標(biāo)體系。這些研究綜合考慮多種因素，建立宏觀層面上的理論模型，對燃煤發(fā)電乃至電力行業(yè)進(jìn)行評價。另一種策略是從電廠或機(jī)組層面出發(fā)，對發(fā)電過程中的各個環(huán)節(jié)設(shè)置評價指標(biāo)，按照預(yù)先設(shè)定的權(quán)重確定碳績效評定結(jié)果[53]。碳排放稅、碳排放權(quán)交易和碳關(guān)稅等政策的實行進(jìn)一步促進(jìn)碳績效評價優(yōu)化完善，在行政、市場層面推動燃煤發(fā)電低碳化轉(zhuǎn)型。

除了政策方面，建立綠色電力評價體系，引導(dǎo)終端用戶改變消費傾向，也是切實可行的選項。市場潛力調(diào)查顯示，約60%的用戶愿意為綠色電力多付出額外費用[54]。然而在實際中，用戶難以對用電是否綠色、綠色電力的質(zhì)量如何做出直觀判斷，因此有必要建立科學(xué)的生態(tài)認(rèn)證機(jī)制，通過頒發(fā)生態(tài)標(biāo)志的手段，引入環(huán)境機(jī)構(gòu)和獨立的研究協(xié)會，客觀地對電力生產(chǎn)、分配和使用等不同環(huán)節(jié)的環(huán)境影響進(jìn)行考慮和評估。

通常，綠色電力評價主要面向新能源發(fā)電行業(yè)，但近年來，該評價體系也開始關(guān)注傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域，通過設(shè)定科學(xué)的評價指標(biāo)來定量和定性判斷燃煤發(fā)電的低碳環(huán)保性。

5.4 可持續(xù)性評價

可持續(xù)發(fā)展理念是現(xiàn)階段社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主流思想，落實到燃煤發(fā)電領(lǐng)域，要求相關(guān)企業(yè)在滿足全社會用電需求的同時，承擔(dān)更多的社會責(zé)任和環(huán)境治理的責(zé)任。

與其他評價體系相比，可持續(xù)性評價的時間尺度更長，所涉及的領(lǐng)域更廣，需要考慮的不確定性因素更多，不僅要追求發(fā)電效益，還要協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境三者間的關(guān)系。對燃煤發(fā)電進(jìn)行可持續(xù)性評價，需要建立具有全面性和針對性的評價指標(biāo)體系和適用性強(qiáng)、精度高的評價模型，對企業(yè)的環(huán)境影響、社會責(zé)任和公司經(jīng)營等層面開展全面評價，并根據(jù)評價結(jié)果，制定企業(yè)的戰(zhàn)略方向和轉(zhuǎn)型措施?？沙掷m(xù)性評價體系一方面可以提高燃煤發(fā)電企業(yè)的競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力，另一方面也滿足了全社會對于經(jīng)濟(jì)與環(huán)境共同發(fā)展的期待。

6 結(jié) 語

燃煤發(fā)電在我國新型電力建設(shè)中發(fā)揮著“頂梁柱”和“壓艙石”作用，為大規(guī)模新能源消納提供了重要支撐。在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的進(jìn)程中，靈活智能燃煤發(fā)電將成為煤電發(fā)展的重要方向，其發(fā)展要點包括：

(1) 統(tǒng)籌兼顧，挖掘存量機(jī)組節(jié)能調(diào)度潛力，持續(xù)推進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組靈活智能改造。重點改造600 MW級及以下機(jī)組，應(yīng)用信息化、智能化手段，實現(xiàn)機(jī)組清潔低碳、安全高效、靈活智能運行。在靈活智能改造中不能盲目追求超靈活調(diào)峰調(diào)頻能力，要兼顧機(jī)組的靈活性、經(jīng)濟(jì)性與安全性。

(2) 研發(fā)新一代超凈超靈活智能燃煤發(fā)電機(jī)組及其配套控制系統(tǒng)。機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰靈活性參照燃?xì)鈾C(jī)組和抽水蓄能電站，目標(biāo)是負(fù)荷變化范圍0%～100%，負(fù)荷變化速率達(dá)到每分鐘5%～6%額定功率，實現(xiàn)煙塵、SO2、NOx近零排放和重金屬、CO2深度脫除。

(3) 服務(wù)清潔能源大基地建設(shè)，建設(shè)靈活智能燃煤發(fā)電調(diào)峰支撐電源。新型火電+清潔能源大基地已經(jīng)成為我國電力發(fā)展的新趨勢和新增長點，配套的燃煤發(fā)電調(diào)峰電源也成為清潔能源基地需要考量的重要因素，這也成為靈活智能燃煤發(fā)電新的發(fā)展契機(jī)。