人類活動(dòng)造成了二氧化碳等溫室氣體排放量不斷增高，引起冰川融化、海平面上升、極端天氣頻發(fā)等一系列氣候?yàn)?zāi)害，氣候變化已成為人類面臨的全球性問題。為解決這一問題，我國(guó)提出了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，能源是“主戰(zhàn)場(chǎng)”，電力是“主力軍”。2020年電力行業(yè)二氧化碳排放量占我國(guó)能源消費(fèi)行業(yè)二氧化碳排放總量的42.5%左右，電力行業(yè)碳減排進(jìn)度很大程度上代表著“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的進(jìn)度，這就迫切要求我國(guó)構(gòu)建以新能源為主體新型電力系統(tǒng)。

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)意味著風(fēng)電、光伏為主的新能源未來將作為電力生產(chǎn)的主體能源。新型電力系統(tǒng)的建設(shè)無疑有利于減少碳排放、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，然而想要完成這個(gè)目標(biāo)卻不是一件容易的事。風(fēng)能和太陽(yáng)能具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，這就要求新型電力系統(tǒng)要能夠適應(yīng)電源的劇烈波動(dòng)，在這一背景下，開展電力系統(tǒng)調(diào)峰改造、為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)保駕護(hù)航勢(shì)在必行。



電力系統(tǒng)調(diào)峰：構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要推動(dòng)力量

從電力資源的產(chǎn)生到千家萬(wàn)戶用電，需要經(jīng)過一個(gè)過程，包括發(fā)電、升壓變電、輸電、降壓變電、配電和用電幾個(gè)主要環(huán)節(jié)，它們共同組成了電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)中的輸電、變電和配電環(huán)節(jié)共同組成電網(wǎng)。通常，由發(fā)電端的發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能經(jīng)過升壓變電流入電網(wǎng)，通過輸電環(huán)節(jié)到達(dá)接近用電端的一定距離后再經(jīng)變電站降壓，然后通過配電環(huán)節(jié)將電能按需求分配，最終輸送到用戶端，從而點(diǎn)亮千家萬(wàn)戶，驅(qū)動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)。

由于電是電荷定向移動(dòng)產(chǎn)生的，能量不能以電的形式存儲(chǔ)，電力系統(tǒng)的發(fā)輸用電往往同時(shí)進(jìn)行，即用電端要多少電量，電網(wǎng)就應(yīng)該輸送多少電量，發(fā)電端就要發(fā)出多少電量。但是，用電端在不同時(shí)間的用電量是不同的，即用電負(fù)荷在不斷變化，有時(shí)多、有時(shí)少，電網(wǎng)作為電能輸運(yùn)的通道，難以應(yīng)付這種波動(dòng)。

為了避免這種負(fù)荷波動(dòng)給電網(wǎng)帶來的沖擊，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，有幾個(gè)方面的手段：可以控制“上網(wǎng)”的電源，讓發(fā)電端產(chǎn)生的電量實(shí)時(shí)符合用電端需求；可以在電力系統(tǒng)中建立儲(chǔ)能裝置，像是“蓄水池”一樣，將多余的電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量?jī)?chǔ)存起來；還可以優(yōu)化電力調(diào)度、開展微電網(wǎng)建設(shè)；或者在用戶側(cè)增加靈活需求響應(yīng)。



在以火力發(fā)電、核電和水電為主要發(fā)電端的電力系統(tǒng)中，通過發(fā)電端機(jī)組的調(diào)控，以及電網(wǎng)中增加的“蓄水池”，適應(yīng)用電端的波動(dòng)，是行之有效的方案：在電網(wǎng)總體的調(diào)度下，根據(jù)電網(wǎng)的要求，每個(gè)發(fā)電廠增加、降低發(fā)電量，每個(gè)“蓄水池”釋放、儲(chǔ)存電能，調(diào)節(jié)用電高峰和用電低谷，共同滿足用電需求、維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。這一過程就稱為電力系統(tǒng)調(diào)峰。

新能源大規(guī)模發(fā)展將對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)峰帶來巨大挑戰(zhàn)。我們要構(gòu)建的新型電力系統(tǒng)，將大比例接納太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源進(jìn)入電網(wǎng)。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)電力科學(xué)研究院名譽(yù)院長(zhǎng)周孝信在《雙碳目標(biāo)下我國(guó)能源電力系統(tǒng)發(fā)展前景和關(guān)鍵技術(shù)》一文中預(yù)測(cè)：基于我國(guó)的能源電力發(fā)展需求，預(yù)估到2060年風(fēng)能、光伏發(fā)電量將達(dá)到11.9萬(wàn)億kWh，占我國(guó)總發(fā)電量69.2%。

高比例新能源發(fā)電對(duì)于構(gòu)建低碳社會(huì)、實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)來說是必要的，但卻給電網(wǎng)帶來新的“不穩(wěn)定因素”——太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源具有很大的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性：有光才有電、有風(fēng)才有電。這些特性會(huì)引起發(fā)電不穩(wěn)定、負(fù)荷不匹配、電網(wǎng)受沖擊等問題。例如，我國(guó)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)容許的波動(dòng)通常不超過15%，這也意味著如果某地新能源發(fā)電容量所占比例超過這一份額，那么發(fā)電量的不穩(wěn)定有可能造成電網(wǎng)的崩潰。

僅僅是用戶端的波動(dòng)，就已經(jīng)讓電力系統(tǒng)全部動(dòng)員起來了，如果發(fā)電端也大幅度波動(dòng)，電網(wǎng)將難以支撐。這就要求電力系統(tǒng)大幅度提高調(diào)峰能力，例如，通過使其他電源能夠在新能源無法發(fā)電時(shí)迅速向電網(wǎng)供電，在新能源能夠發(fā)電時(shí)迅速暫停供電，從而讓新能源波動(dòng)的影響在電網(wǎng)中“消失”，使電網(wǎng)保持穩(wěn)定。

調(diào)峰電源：電力系統(tǒng)調(diào)峰的根基

“調(diào)峰”扮演著未來電力系統(tǒng)安全保障者的角色。提高系統(tǒng)調(diào)峰能力可以從電源端、電網(wǎng)和用戶端多方面著手，其中電源端的調(diào)峰可以從源頭上“削峰填谷”，保障規(guī)模大，是解決風(fēng)光消納、電網(wǎng)波動(dòng)性問題的重要手段。根據(jù)北歐等新能源發(fā)電比例較高地區(qū)的電力系統(tǒng)調(diào)峰經(jīng)驗(yàn)，要保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，靈活調(diào)峰電源裝機(jī)容量至少要達(dá)到總裝機(jī)容量的10％～15％，而美國(guó)、西班牙、德國(guó)的調(diào)峰電源裝機(jī)量占比甚至達(dá)到了49%、34%、18%（目前，三國(guó)對(duì)應(yīng)的可再生能源在一次能源消費(fèi)中的占比分別為17.0％、17.5％、8.6％）。

燃汽輪機(jī)發(fā)電是比較理想的調(diào)峰電源，它是指利用天然氣燃燒獲得的高溫高壓氣體直接推動(dòng)輪機(jī)做功、發(fā)電的發(fā)電方式。它具有快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度信號(hào)、高效燃燒釋放能量并發(fā)電、廣泛適應(yīng)不同的用電端負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，美歐等國(guó)家的調(diào)峰電源，絕大部分都是燃機(jī)輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。然而，我國(guó)天然氣儲(chǔ)備量很少，無法滿足燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰機(jī)組的用氣量需求，如此大的能源消費(fèi)主體，從能源安全的角度，也不大可能通過進(jìn)口天然氣滿足需求。為此，我們已經(jīng)興建了大量的抽水蓄能電站，在用電負(fù)荷低時(shí)，將富余的電能轉(zhuǎn)化為水的重力勢(shì)能；在用電負(fù)荷高時(shí)將水從高處釋放，推動(dòng)輪機(jī)做功發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)峰。不過，抽水蓄能電站對(duì)水資源量要求較高，有明顯的區(qū)域限制。

綜合來看，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能電站作為調(diào)峰電源存在一些優(yōu)勢(shì)，但仍不能完全滿足我國(guó)調(diào)峰需求，需要尋求另外調(diào)峰電源。

煤電機(jī)組：參與電力系統(tǒng)調(diào)峰的主力

目前我國(guó)靈活電源的裝機(jī)容量?jī)H達(dá)到6%。鑒于我國(guó)的能源資源稟賦，燃煤發(fā)電作為當(dāng)前的主力能源，未來的保障能源，始終擔(dān)負(fù)著用電端波動(dòng)帶來的電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，并正在承擔(dān)新能源電力并網(wǎng)波動(dòng)的調(diào)峰任務(wù)。而未來，也將通過技術(shù)突破和改造升級(jí)，在新型電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)更大的調(diào)峰任務(wù)。

當(dāng)然煤電機(jī)組參與調(diào)峰同樣存在一些問題。不同于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃煤發(fā)電燃燒煤炭這種固體燃料，并且需要依賴做功工質(zhì)將煤炭燃燒釋放的能量傳遞給汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。當(dāng)前機(jī)組參與調(diào)峰的方式主要為低負(fù)荷運(yùn)行，在過低的負(fù)荷下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致爐膛溫度降低、燃燒不穩(wěn)定，還會(huì)導(dǎo)致煙氣污染物凈化設(shè)備偏離運(yùn)行條件，影響環(huán)保指標(biāo)。此外，如何保證調(diào)峰響應(yīng)速度的同時(shí)，兼顧火力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，也存在一些問題�？梢姡�火電機(jī)組要承擔(dān)更大比例的調(diào)峰任務(wù)，還需要克服大量困難。

為了解決煤電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行中面臨的難題，中科院積極響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，在2021年10月，布局啟動(dòng)了“煤炭清潔燃燒與低碳利用”先導(dǎo)專項(xiàng)，其中的一個(gè)重點(diǎn)任務(wù)就是突破燃煤發(fā)電靈活調(diào)峰等關(guān)鍵技術(shù)。中科院工程熱物理研究所在該項(xiàng)目的支持下，正在開展“燃煤鍋爐靈活調(diào)峰技術(shù)與示范”的工作，充分挖掘和提升煤電深度靈活調(diào)峰能力潛力與快速變負(fù)荷能力，為促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)低碳轉(zhuǎn)型保駕護(hù)航。

結(jié)語(yǔ)

“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。如何在低碳的同時(shí)，保障能源供應(yīng)、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，這是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要全社會(huì)的力量共同努力。從我國(guó)實(shí)際情況出發(fā)，利用煤電機(jī)組參與調(diào)峰，是當(dāng)前階段解決新能源并網(wǎng)發(fā)電引起電網(wǎng)波動(dòng)問題的必由之路，我們也相信，通過攻克技術(shù)難題、推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，最終完成新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建。

當(dāng)然，或許明天，我們?nèi)祟愓莆樟丝煽睾司圩�，能源不再成為制約人類發(fā)展的問題，那么，包括火力發(fā)電在內(nèi)的一些電源，也將功成身退。讓我們一起朝著明天努力，踏實(shí)走好今天的每一步。




作者：王宏帥李百航歐陽(yáng)子區(qū) 來源：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所 責(zé)任編輯：jianping