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無(wú)論從中國(guó)以煤為主的能源資源稟賦，還是煤電發(fā)電量在電網(wǎng)中的現(xiàn)實(shí)比重，以及電網(wǎng)需要的負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活性的角度，在可預(yù)見(jiàn)的中國(guó)電源結(jié)構(gòu)中必然要保持一個(gè)合理的煤電容量。實(shí)現(xiàn)碳中和來(lái)控制氣候變化，是否需要徹底地“去煤化”而完全關(guān)停燃煤電廠是值得商榷的。筆者認(rèn)為，可以通過(guò)高質(zhì)量的創(chuàng)新性發(fā)展，將燃煤發(fā)電的技術(shù)水平升級(jí)到一個(gè)新的高度，從而使燃煤發(fā)電和非化石能源電力之間達(dá)到一個(gè)既有利于控制氣候變化，又有利于根據(jù)我國(guó)能源資源結(jié)構(gòu)的實(shí)際并確保我國(guó)能源和電網(wǎng)安全靈活的合理平衡。

01

中國(guó)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和的目標(biāo)對(duì)煤電發(fā)展的啟示

2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

“碳中和”的概念，表明實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中二氧化碳濃度的控制，不僅可通過(guò)控制二氧化碳的排放，而且可以通過(guò)森林草木對(duì)二氧化碳的吸收，達(dá)到碳中和來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常森林每生長(zhǎng)出1立方米的儲(chǔ)積量，平均要吸收1.83噸二氧化碳，一公頃的森林一天可吸收1000噸的二氧化碳，因此，通過(guò)提高化石燃料利用效率減少碳排放、用可再生能源代替化石能源以減排二氧化碳排放，以及通過(guò)植樹(shù)造林吸收二氧化碳，最終可使碳排放和吸收達(dá)到中和來(lái)實(shí)現(xiàn)將大氣中的二氧化碳濃度控制在人們預(yù)期的地球環(huán)境升溫1.5-2攝氏度水平。無(wú)論從中國(guó)以煤為主的能源資源稟賦，還是煤電發(fā)電量在電網(wǎng)中的現(xiàn)實(shí)比重，以及電網(wǎng)需要的負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活性的角度，在可預(yù)見(jiàn)的中國(guó)電源結(jié)構(gòu)中必然要保持一個(gè)合理的煤電容量。實(shí)現(xiàn)碳中和來(lái)控制氣候變化，是否需要徹底地“去煤化”而完全關(guān)停燃煤電廠是值得商榷的。筆者認(rèn)為，可以通過(guò)高質(zhì)量的創(chuàng)新性發(fā)展，將燃煤發(fā)電的技術(shù)水平升級(jí)到一個(gè)新的高度，從而使燃煤發(fā)電和非化石能源電力之間達(dá)到一個(gè)既有利于控制氣候變化，又有利于根據(jù)我國(guó)能源資源結(jié)構(gòu)的實(shí)際并確保我國(guó)能源和電網(wǎng)安全靈活的合理平衡。

圖1 2012-2020年我國(guó)煤電與非化石能源電力裝機(jī)容量發(fā)展對(duì)比

我國(guó)煤電的巨大發(fā)展，對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展做出了歷史性的貢獻(xiàn)，2013年以來(lái)，煤電的清潔高效發(fā)展成績(jī)顯著，包括完成了煤電節(jié)能改造機(jī)組容量超過(guò)7.5億千瓦，超低排放改造8.9億千瓦，累計(jì)關(guān)停淘汰落后煤電機(jī)組超過(guò)1億千瓦。根據(jù)國(guó)家能源局所發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年全國(guó)電源新增裝機(jī)容量1.9億千瓦，新增占比9.5%，使全國(guó)總裝機(jī)容量達(dá)到了22億千瓦。在新增加的裝機(jī)容量中，水電為1323萬(wàn)千瓦；風(fēng)電為7167萬(wàn)千瓦；太陽(yáng)能發(fā)電為4820萬(wàn)千瓦，其中新增風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電合計(jì)達(dá)1.2億千瓦，新增占比約63%， 成為我國(guó)電源增長(zhǎng)的主導(dǎo)力量。2020年所有非化石能源電力新增裝機(jī)容量的占比則達(dá)71%。表1為2020年我電力的裝機(jī)容量結(jié)構(gòu)和占比， 圖1 為2012年-2020年我國(guó)煤電與非化石能源電力裝機(jī)容量發(fā)展對(duì)比，從中可以看出，2020年我國(guó)火電總裝機(jī)容量為12.45億千瓦，其中煤電裝機(jī)容量為10.95億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)容量22億千瓦的49.8%， 第一次下降至低于全國(guó)總裝機(jī)容量的50%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自2012年以來(lái)，我國(guó)煤電裝機(jī)容量一直保持低位增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從2012年的7.55億千瓦增長(zhǎng)到2020年的10.95億千瓦，年平均增長(zhǎng)率為4.5% 左右；而同期的非化石能源電力裝機(jī)容量則從2012年的3.89億千瓦增長(zhǎng)到2020年的9.55億千瓦，年平均增長(zhǎng)率高達(dá)13%。上述我國(guó)電力裝機(jī)容量發(fā)展的結(jié)構(gòu)和比重的變化，是中國(guó)為應(yīng)對(duì)氣候變化能源結(jié)構(gòu)低碳發(fā)展的必然趨勢(shì)，完全符合我國(guó)對(duì)二氧化碳減排的戰(zhàn)略目標(biāo)的要求。但是，盡管我國(guó)煤電的裝機(jī)容量的比重已經(jīng)下降至50% 以下，但是在2020年全國(guó)7.42萬(wàn)億千瓦時(shí)的發(fā)電總量中，煤電發(fā)電量所占比重仍然高達(dá)65% 左右，煤電仍然是保障我國(guó)電力安全和電力供應(yīng)的絕對(duì)主力。

根據(jù)國(guó)網(wǎng)能源研究院近期發(fā)布的《中國(guó)能源電力發(fā)展展望》報(bào)告，2025年、2035年、2050年和2060年前后，非化石能源消費(fèi)的比重分別有望達(dá)到約22%、40%、69%和81%。而2035年前后非化石能源總規(guī)模將超過(guò)煤炭。其中風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)展迅速，到2050年，它們占我國(guó)一次能源需求總量的比重將分別為26% 和17%，至2060年，其比重將會(huì)進(jìn)一步分別提升至31% 和21%。因此，這一形勢(shì)將加速我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的變化，在能源需求總量方面，終端能源需求有望于2025年前后達(dá)到峰值并有望控制在37億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，而一次能源需求峰值有望控制在57億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，其中化石能源需求峰值約為43億噸左右。電力系統(tǒng)中的風(fēng)光電由于是不穩(wěn)定電源，因此需要有足夠容量并具有電量和頻率調(diào)節(jié)能力的電源支持?，F(xiàn)在中國(guó)抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)節(jié)電源裝機(jī)容量不到6%。電力系統(tǒng)中具有可靠靈活性調(diào)峰的電源必須具有足夠大的裝機(jī)容量，才能滿足可再生能源電力快速發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的電量消納、電力保障和靈活性調(diào)節(jié)的要求，這只能主要通過(guò)燃煤火電來(lái)解決。

2020年，我國(guó)人均用電量為5300千瓦時(shí)/人，預(yù)計(jì)到2050年，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，以及全國(guó)更高水平的全面電氣化，我國(guó)人均用電量有望翻一番達(dá)到10000千瓦時(shí)/人左右，這樣，我國(guó)電源總裝機(jī)容量也有望翻番至40億千瓦左右，呈現(xiàn)“風(fēng)光領(lǐng)跑，多源協(xié)調(diào)” 的態(tài)勢(shì)。關(guān)于我國(guó)中長(zhǎng)期煤電需求預(yù)測(cè)，中國(guó)電力源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)規(guī)劃模型進(jìn)行了研究，該模型以規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行總成本最小化為目標(biāo)，考慮了電力、電量、調(diào)峰能力三方面平衡約束，并計(jì)及了碳排放等其他十余項(xiàng)約束條件，并以2030年我國(guó)電量需求為10.4萬(wàn)億千瓦時(shí)，最大負(fù)荷容量為18.2億千瓦為條件，進(jìn)行了模型計(jì)算，其結(jié)果是我國(guó)煤電需求峰值約為11.5億千瓦，預(yù)計(jì)2025年左右達(dá)峰。考慮到該模型的計(jì)算的時(shí)間是在2017年，而2020年全國(guó)總裝機(jī)容量已達(dá)22億千瓦，煤電的裝機(jī)容量已達(dá)近11億千瓦，因此，此模型計(jì)算可能過(guò)于保守，按照目前的實(shí)際情況，煤電的裝機(jī)容量預(yù)計(jì)有望在“十五五”（2030年）達(dá)到13億~14億千瓦的峰值，期望煤電的這一峰值容量能夠?qū)θ珖?guó)的電力系統(tǒng)發(fā)揮其保證電力平衡，調(diào)節(jié)支撐，電量調(diào)劑的功能，起著全國(guó)電力供應(yīng)的托底保障作用。從能源電力按照以上預(yù)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)碳排放的影響看，能源消費(fèi)方面的二氧化碳排放將于2025年前后達(dá)標(biāo)，2035年前后將快速下降。隨著煤電裝機(jī)容量達(dá)到峰值，二氧化碳排放也有望在“十五五”期間達(dá)到峰值。按照預(yù)測(cè)的中國(guó)能源結(jié)構(gòu)，到2060中國(guó)能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放約為6億噸，低于屆時(shí)中國(guó)森林草木碳吸收能力10億~20億噸，同時(shí)還能為非能源消費(fèi)（如鋼鐵、水泥等）的其它碳排放留出了一定的空間。

02

在新形勢(shì)下中國(guó)燃煤火電必須進(jìn)行可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展

為了應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)電力結(jié)構(gòu)的低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型成效顯著，至2020年，我國(guó)非化石能源電力裝機(jī)容量已達(dá)9.55億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)容量的43.4%；作為高碳燃料的煤炭被替代程度正在逐步加深，煤電的裝機(jī)容量第一次降低到50% 以下，這是我國(guó)電源結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢(shì)。但是，中國(guó)以煤為主的能源資源天然稟賦，決定了煤炭和煤電在中國(guó)的能源和電力中將長(zhǎng)時(shí)期起著不可替代的作用。今年冬天以湖南為代表的浙江、江西、內(nèi)蒙古等地出現(xiàn)的缺電現(xiàn)象，凸顯了在我國(guó)能源和電源轉(zhuǎn)型過(guò)程中必須高度重視煤炭和煤電的不可替代的兜底作用。以湖南為例，造成湖南電力供應(yīng)不足的原因是煤電裝機(jī)容量不足和調(diào)節(jié)的靈活性不夠，同時(shí)可再生能源電力發(fā)展迅猛，因而可再生能源電力的持續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)問(wèn)題未能得到很好解決，再加上外來(lái)電力通道的瓶頸限制，從而導(dǎo)致出現(xiàn)了多年未見(jiàn)的缺電和拉閘限電的問(wèn)題。這也說(shuō)明，煤電現(xiàn)在和在將來(lái)一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍然是我國(guó)電源的主力軍和壓艙石。

我國(guó)現(xiàn)在煤電的現(xiàn)實(shí)情況是，截至2020年底，全國(guó)化石燃料火電裝機(jī)容量為12.45億千瓦，占22億千瓦的總裝機(jī)容量約56.6%，其中煤電裝機(jī)容量為10.95億千瓦，占比從2012年的65.7%下降至2020年的49.8%， 但煤電發(fā)電量卻占據(jù)65%。因此，從電力供應(yīng)的角度，我國(guó)當(dāng)前仍然還是“煤電為主”。在已投運(yùn)的10.95億千瓦煤電總裝容量中，機(jī)組總數(shù)約3000臺(tái)，占全球煤電總裝機(jī)容量的一半，其中，60萬(wàn)千瓦以上機(jī)組占比44.7%，100萬(wàn)千瓦及以上超超臨界的機(jī)組的容量為1.37億千瓦，共113臺(tái)。在全部煤電裝機(jī)容量中，30-60萬(wàn)千瓦等級(jí)的亞臨界機(jī)組約3.5億千瓦，近1000臺(tái)，裝機(jī)容量占比超過(guò)30%。此外，大約還有約900多臺(tái)總?cè)萘拷咏?億千瓦其單機(jī)容量小于10萬(wàn)千瓦的各種行業(yè)自備電廠的熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組。以上數(shù)字表明，占全國(guó)煤電裝機(jī)容量一半的是效率低，煤耗高，性能差的亞臨界機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組，這些是我國(guó)煤電高質(zhì)量發(fā)展的短板和弱項(xiàng)。按照三部委的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》要求，100萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組供電煤耗須低于282克/千瓦時(shí)；現(xiàn)役水冷凝汽無(wú)供熱的30萬(wàn)千瓦等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310 克/千瓦時(shí)；現(xiàn)役60萬(wàn)千瓦及以上機(jī)組（除空冷機(jī)組外）改造后平均供電煤耗低于300 克/千瓦時(shí)。而實(shí)際上，據(jù)了解，現(xiàn)在除了徐州電廠3號(hào)機(jī)組外，所有現(xiàn)役亞臨界機(jī)組的運(yùn)行供電煤耗均達(dá)不到《行動(dòng)計(jì)劃》的要求，亟需升級(jí)改造。十四五規(guī)劃中提的“補(bǔ)短板，強(qiáng)弱項(xiàng)”、創(chuàng)新性高質(zhì)量發(fā)展的要求，為中國(guó)燃煤火電機(jī)組在新形勢(shì)下的發(fā)展指明了方向，即煤電可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)該是能夠通過(guò)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)“補(bǔ)短板，強(qiáng)弱項(xiàng)”的發(fā)展，是能夠應(yīng)對(duì)煤電所面臨的最主要挑戰(zhàn)并加以解決的發(fā)展，即：

應(yīng)對(duì)氣候變化的“低碳發(fā)展”，也就是大大提高效率降低煤耗的發(fā)展；

應(yīng)對(duì)更高質(zhì)量環(huán)境要求的“清潔發(fā)展”；

應(yīng)對(duì)可有效消納迅速發(fā)展的可再生能源電力的需求，支持可再生能源電力發(fā)展，以達(dá)到可安全、穩(wěn)定、高效、低排放地適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷和頻率調(diào)節(jié)要求的“靈活性發(fā)展” 。

我國(guó)煤電的 “低碳發(fā)展”、“清潔發(fā)展”和“靈活性發(fā)展”，應(yīng)該針對(duì)我國(guó)現(xiàn)役燃煤機(jī)組的容量、結(jié)構(gòu)、現(xiàn)狀以及新老機(jī)組的不同，以及其供電效率、供電煤耗，污染物排放、靈活性和剩余使用壽命各不相同的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)和采取不同的升級(jí)改造技術(shù)和措施。唯有創(chuàng)新才能高質(zhì)量發(fā)展，因此，只有不斷增強(qiáng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)， 我國(guó)煤電技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量和更可持續(xù)的發(fā)展。所以，應(yīng)該推動(dòng)大力開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和推廣各種創(chuàng)新技術(shù)，因地制宜，區(qū)別對(duì)待。

根據(jù)能源轉(zhuǎn)型大力發(fā)展非化石燃料電源的新形勢(shì)，煤電像過(guò)去那樣大幅度和高速度增加新建大容量機(jī)組已經(jīng)不再可能，中國(guó)煤電高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)該首先放在煤電的“短板和弱項(xiàng)”，即對(duì)占煤電總裝機(jī)容量約三分之一的低效率高煤耗和靈活性不夠的亞臨界機(jī)組實(shí)行創(chuàng)新升級(jí)改造，把亞臨界機(jī)組的性能提升到超超臨界機(jī)組的水平，不但大大降低煤耗， 而且大大提升其調(diào)節(jié)的靈活性。對(duì)現(xiàn)役的超臨界和超超臨界機(jī)組，根據(jù)投產(chǎn)時(shí)間的不同和技術(shù)的差異，不同機(jī)組在效率和煤耗方面仍然存在可以提升的空間，因此開(kāi)發(fā)不同的創(chuàng)新技術(shù)對(duì)對(duì)現(xiàn)役的超臨界和超超臨界機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造仍然是可行的方向。另外，在大力發(fā)展可再生能源電力的過(guò)程中，估計(jì)在未來(lái)的幾十年中，會(huì)有一批超齡老機(jī)組退役，因此，加上新的需求，大約仍然會(huì)有約2億至3億千瓦新的燃煤機(jī)組需要安裝投運(yùn)，這些新的燃煤機(jī)組所采用的技術(shù)必須是：技術(shù)最先進(jìn)，效率最高、煤耗最低，排放最低，靈活性最好。

03

亞臨界機(jī)組的升級(jí)改造

根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》，對(duì)現(xiàn)有亞臨界機(jī)組已經(jīng)提出了改造的煤耗指標(biāo)和在2020年實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)要求至今還遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，這不同于該 《行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)煤電超低排放的要求已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)的情況。以現(xiàn)役水冷凝汽無(wú)供熱的30萬(wàn)千瓦等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310克/千瓦時(shí) 的要求為例，現(xiàn)在絕大多數(shù)30萬(wàn)千瓦等級(jí)的亞臨界機(jī)組的實(shí)際平均供電煤耗均大大高于310 克/千瓦時(shí)，一般在340 克/千瓦時(shí)的上下。實(shí)際上，自《行動(dòng)計(jì)劃》提出以來(lái)，電力部門(mén)就開(kāi)始提出各種亞臨界機(jī)組改造的方案，其中一些方案已經(jīng)實(shí)施，表2是現(xiàn)已實(shí)施或提出建議的各種亞臨界機(jī)組升級(jí)改造技術(shù)方案比較。

由于現(xiàn)在全部煤電裝機(jī)容量中，30萬(wàn)千瓦-60萬(wàn)千瓦等級(jí)的亞臨界機(jī)組約3.5億千瓦，近1000臺(tái)，約占煤電現(xiàn)役機(jī)組總?cè)萘康?0%。因此，亞臨界機(jī)組的升級(jí)改造，其改造目標(biāo)應(yīng)至少能夠達(dá)到《行動(dòng)計(jì)劃》的要求，所選擇的改造技術(shù)需經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，不但應(yīng)該達(dá)到大幅度降低供電煤耗，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，而且應(yīng)該具有極好的低負(fù)荷及調(diào)峰和調(diào)頻的靈活性性能，以適應(yīng)我國(guó)電源結(jié)構(gòu)快速向可再生能源電力調(diào)整的形勢(shì)。為此，本文重點(diǎn)介紹“亞臨界機(jī)組600℃升溫改造技術(shù)”。

“亞臨界機(jī)組600℃升溫改造技術(shù)”的實(shí)例是上海申能電力科技公司在將蒸汽溫度提升至600℃的基礎(chǔ)上，采用其研發(fā)的一系列創(chuàng)新技術(shù)對(duì)對(duì)華潤(rùn)徐州電廠3號(hào)320MW亞臨界機(jī)組所實(shí)施的600℃升溫綜合改造，改造完成正式投運(yùn)后，該改造機(jī)組已經(jīng)于2019年12月9-11日經(jīng)過(guò)GE-西門(mén)子公司采用ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了正式性能測(cè)試，其正式性能測(cè)試結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，機(jī)組負(fù)荷在100%時(shí)，鍋爐效率為94.32%，供電煤耗為282克/千瓦時(shí), 供電效率為43.59%，使該亞臨界機(jī)組的性能達(dá)到了《行動(dòng)計(jì)劃》對(duì)百萬(wàn)等級(jí)超超臨界機(jī)組282克/千瓦時(shí)的供電煤耗要求。而且，即使機(jī)組負(fù)荷在50%時(shí)，其供電效率和煤耗仍然可分別達(dá)到40.36%和304.3 克/千瓦時(shí)。表明該改造技術(shù)具有非常好的低負(fù)荷性能。表4和表5為江蘇方天電力技術(shù)有限公司對(duì)華潤(rùn)徐州電廠#3號(hào)機(jī)組“亞臨界機(jī)組600℃升溫”改造項(xiàng)目改造后最低穩(wěn)燃負(fù)荷性能和在最低穩(wěn)燃負(fù)荷時(shí)的污染物排放值的測(cè)試結(jié)果；表6為華潤(rùn)徐州電廠#3號(hào)亞臨界機(jī)組600℃升溫改造前后的性能比較。

由表3、4、 5和6 可見(jiàn)，華潤(rùn)徐州電廠3號(hào)32萬(wàn)千瓦的亞臨界機(jī)組，在采用申能科技公司的系列創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行600℃升溫改造后，其額定負(fù)荷下的供電煤耗從改造前的318 克/千瓦時(shí)降低到282 克/千瓦時(shí)，每度電降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗36克，達(dá)到了百萬(wàn)千瓦級(jí)超超臨界機(jī)組的供電煤耗水平，此外，改造后機(jī)組不但具有穩(wěn)定的100-20%范圍內(nèi)的調(diào)峰調(diào)頻性能， 而且在19.39%的低負(fù)荷下仍然實(shí)現(xiàn)了超低排放。

這里特別需要強(qiáng)調(diào)的是，目前中國(guó)以煤電為主的電力系統(tǒng)靈活性嚴(yán)重不足，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)于2019年12月發(fā)布的《煤電機(jī)組靈活性運(yùn)行政策研究》，指出了中國(guó)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足的現(xiàn)狀是，“我國(guó)抽水蓄能、燃?xì)獍l(fā)電等靈活調(diào)節(jié)電源裝機(jī)占比不到6%，‘三北’地區(qū)新能源富集，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量分別占全國(guó)的72%、61%，但靈活調(diào)節(jié)電源不足3%”，由此導(dǎo)致2016-2018年間，中國(guó)棄風(fēng)和棄光電量共計(jì)1389億千瓦時(shí)，相當(dāng)于約3000萬(wàn)千瓦煤電廠的發(fā)電量。由此可見(jiàn)，一方面可再生能源的發(fā)展正在穩(wěn)步加速，向著“2030年非化石能源發(fā)電量占比50%”的國(guó)家中長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略目標(biāo)邁進(jìn)；另一方面，2019年在全國(guó)非化石能源發(fā)電量占比32.6%情況下，就已經(jīng)普遍面臨并網(wǎng)難、消納難、調(diào)度難等問(wèn)題，煤電的靈活性問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)可再生能源電力快速發(fā)展的瓶頸。面對(duì)高比例可再生能源電力發(fā)展的新形勢(shì)，煤電在中長(zhǎng)期的能源低碳轉(zhuǎn)型中應(yīng)如解決其靈活性問(wèn)題已成為關(guān)鍵?！峨娏Πl(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出，要全面推動(dòng)煤電機(jī)組靈活性改造，“十三五”期間計(jì)劃要求完成2.2億千瓦的煤電機(jī)組靈活性改造目標(biāo)。但國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布的《國(guó)家電網(wǎng)有限公司服務(wù)新能源發(fā)展報(bào)告2020》顯示，截至2019年底，我國(guó)累計(jì)推動(dòng)完成煤電靈活性改造約5775萬(wàn)千瓦，改造完成度僅為“十三五”改造目標(biāo)的1/4左右。我國(guó)煤電靈活性改造進(jìn)度緩慢，一個(gè)主要原因是由于煤電機(jī)組的技術(shù)保證穩(wěn)定的最低負(fù)荷水平存在著瓶頸?，F(xiàn)在的有些靈活性改造技術(shù)雖然可以將煤電機(jī)組的最小穩(wěn)定出力降至20%~30%的額定負(fù)荷，但其增減出力的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、爬坡速率較慢，難以充分滿足系統(tǒng)靈活性的需求。同時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成機(jī)組能效降低，煤耗率上升和增加氮氧化物的排放，造成環(huán)境影響。這些負(fù)面影響都將使煤電機(jī)組靈活性改造的長(zhǎng)遠(yuǎn)作用受限，甚至?xí)Ц唠娏ο到y(tǒng)的總體供電成本，不利于電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。由此可見(jiàn)，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足已成為中國(guó)電源轉(zhuǎn)型的主要瓶頸之一，特別是在可再生能源持續(xù)高速發(fā)展的新形勢(shì)之下，大幅提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力已迫在眉睫。根據(jù)這一情況，徐州電廠3號(hào)亞臨界機(jī)組600℃升溫改造的結(jié)果，不僅其在50%額定負(fù)荷下的供電煤耗可仍然保持在304克/千瓦時(shí)的高水平，具有極好的低負(fù)荷性能，而且具有穩(wěn)定100%-20%負(fù)荷范圍內(nèi)調(diào)峰調(diào)頻的高度靈活性，以及在只有額定負(fù)19.39%的低負(fù)荷下，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)全部污染物超低排放，其中氮氧化物的排放達(dá)到28.61 毫克/立方米米 的超低水平。因此，這一改造技術(shù)不僅可大大改善機(jī)組的效率和煤耗，而且其高性能的靈活性可使大量的亞臨界機(jī)組成為我國(guó)推動(dòng)可再生能源電力加速發(fā)展，解決并網(wǎng)難、消納難、調(diào)度難瓶頸的有力保障。

由表6 可見(jiàn)，從月平均供電煤耗的角度比較，徐州電廠#1號(hào)機(jī)組于2017年曾完成了高中低壓缸全部通流改造，改造后其月平均供電煤耗321克/千瓦時(shí)仍遠(yuǎn)高于《行動(dòng)計(jì)劃》提出的310克/千瓦時(shí)的要求。這說(shuō)明在亞臨界機(jī)組改造技術(shù)中已經(jīng)采用較多的“汽輪機(jī)通流部分改造”并不是最佳選擇。特別是#3號(hào)機(jī)組是在已經(jīng)采用高中低壓缸全部通流改造，其在600℃升溫改造前所測(cè)定的供電煤耗只有318克/千瓦時(shí)，之后采用600℃升溫技術(shù)進(jìn)行了第二次改造，改造后達(dá)到的月平均供電煤耗297克/千瓦時(shí), 遠(yuǎn)低于《行動(dòng)計(jì)劃》的要求。

因此， 無(wú)論從煤電本身高質(zhì)量發(fā)展需要大幅度提升效率，降低煤耗，走低碳發(fā)展的道路，還是從煤電以其優(yōu)異的低負(fù)荷靈活性性能，以支持可再生能源電力的加速發(fā)展的角度，申能科技公司采用一系列創(chuàng)新技術(shù)，在改造徐州電廠#3號(hào)機(jī)組所示范的“亞臨界機(jī)組600℃升溫改造”的成功案例都值得我國(guó)能源和電力部門(mén)的高度重視，應(yīng)該從國(guó)家規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)的角度，制定政策和具體要求，以推進(jìn)我國(guó)亞臨界機(jī)組高質(zhì)量改造的全面實(shí)現(xiàn)。

此外，“亞臨界機(jī)組600℃升溫改造”的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，還可為我國(guó)大約900多臺(tái)總?cè)萘拷咏?億千瓦的工業(yè)企業(yè)自備電廠的高煤耗小型熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤機(jī)組升級(jí)改造提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)申能科技公司的可行性研究，如果對(duì)這些小容量高煤耗的熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組實(shí)行600℃升溫綜合改造，其能夠達(dá)到的煤耗降低和性能改進(jìn)程度將會(huì)超過(guò)對(duì)亞臨界機(jī)組的改造，從而可進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)煤電的全面高效、清潔和低碳發(fā)展。試想，全國(guó)約4.5億千瓦的亞臨界機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機(jī)組都能得以改造達(dá)到上述性能目標(biāo)，對(duì)我國(guó)煤電的高質(zhì)量發(fā)展以及我國(guó)電源結(jié)構(gòu)的低碳轉(zhuǎn)型將會(huì)是多么大的貢獻(xiàn)。

04

新建最高性能煤電機(jī)組的方案選擇

雖然中國(guó)今后的新建燃煤機(jī)組容量不會(huì)再像過(guò)去那樣有大幅度的增長(zhǎng)，但預(yù)計(jì)在煤電總裝機(jī)容量達(dá)到碳中和的目標(biāo)前，考慮到一些老機(jī)組的退役和電網(wǎng)的需求，可能還有約3億千瓦左右新的大容量機(jī)組增長(zhǎng)空間。但是這些新建的煤電機(jī)組，必須是符合高質(zhì)量發(fā)展的要求，具有最高供電效率、最低供電煤耗、最低污染物排放和最佳靈活性調(diào)峰調(diào)頻能力的最先進(jìn)超超臨界機(jī)組。根據(jù)已有的成功經(jīng)驗(yàn)，不同容量等級(jí)的新建最先進(jìn)的超超臨界機(jī)組的選擇方案應(yīng)該是：

100 萬(wàn)千瓦等級(jí)，應(yīng)采用創(chuàng)新型一次再熱超超臨界方案；

66萬(wàn)千瓦等級(jí)，應(yīng)采用創(chuàng)新型汽輪發(fā)電機(jī)組全高位布置二次再熱超超臨界方案；

135萬(wàn)千瓦等級(jí)，應(yīng)采用創(chuàng)新型高低位布置二次再熱超超臨界方案。

毋容置疑，對(duì)于新建超超臨界機(jī)組，其蒸汽參數(shù)的選擇，原則上應(yīng)該是在可用高溫金屬材料的基礎(chǔ)上選用最高的蒸汽溫度。但是采用一次再熱還是二次再熱方案，則需要要考慮采用二次再熱所增加的長(zhǎng)距離高溫蒸汽管道的成本和對(duì)效率的影響，與增加二次再熱所得效益的性價(jià)比是否值得。例如，100萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組采用二次再熱就不是最佳選擇。而66萬(wàn)千瓦二次再熱超超臨界如果采用汽輪發(fā)電機(jī)“全高位布置”就是最佳選擇，135萬(wàn)千瓦的二次再熱超超臨界，采用雙軸和高中壓缸高位和低壓缸低位布置，即所謂“高低位布置”也是最佳選擇。

圖2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型二次再熱機(jī)組的熱力系統(tǒng)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的二次再熱機(jī)組（圖2 ），主蒸汽和兩次再熱蒸汽管道在鍋爐與汽輪機(jī)房之間多次來(lái)回。對(duì)于大型機(jī)組，鍋爐越來(lái)越高，單根蒸汽管道的平均長(zhǎng)度就達(dá)200m。其存在問(wèn)題是：

增加了壓力較低的近200米長(zhǎng)的大直徑第二次再熱管道，布置困難；

大直徑高溫蒸汽管道價(jià)格昂貴，增加了投資成本；

增加了系統(tǒng)阻力，降低了蒸汽的做功能力；

增加了散熱損失， 降低了機(jī)組效率；

大大增加了系統(tǒng)儲(chǔ)存的蒸汽量，汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)慣性顯著增加。

圖3 二次再熱的第二中壓缸熱耗與壓力的關(guān)系

與一次再熱機(jī)組相比，采用二次再熱可提升供電效率約2%，容量為100萬(wàn)千瓦的二次再熱機(jī)組的總投資估計(jì)比一次再熱至少需增加約4.4億元人民幣，相當(dāng)于提升1%效率的成本至少需增加2.2億元人民幣。再考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性上升，其投入產(chǎn)出比并沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，目前在進(jìn)一步提升大型燃煤發(fā)電機(jī)組的效率發(fā)展方面，包括二次再熱及700℃計(jì)劃，均存在著性價(jià)比的瓶頸，因此，如何大大縮短大容量二次再熱超超臨界機(jī)組昂貴的大直徑主蒸汽和再熱蒸汽管道，從而打開(kāi)高效二次再熱超臨界機(jī)組的發(fā)展瓶頸是人們一直在思考和希望能夠解決的問(wèn)題，其解決方向是根據(jù)機(jī)組容量不同，綜合考慮一次和二次再熱的性價(jià)比， 采取不同的對(duì)策。

從圖3的二次再熱機(jī)組第二中壓缸熱耗與壓力的關(guān)系曲線可見(jiàn)，由于最佳熱耗值的第二再熱壓力約為2.25兆帕，此時(shí)其蒸汽的容積流量達(dá)一次再熱機(jī)組蒸汽流量的2.7倍。因此，受其第二中壓缸的首級(jí)葉片的長(zhǎng)度限制，在二次再熱溫度為620℃時(shí)，若選取最佳的二次再熱壓力2.25兆帕，單個(gè)雙流汽缸的容量上限約為70萬(wàn)千瓦，此時(shí)，第二中壓缸的首級(jí)葉片的根部應(yīng)力將達(dá)到材料的許用應(yīng)力極限。若機(jī)組容量選擇為100萬(wàn)千瓦，單軸布置。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，單軸的汽缸總數(shù)不宜超過(guò)5個(gè)，最多只能按1個(gè)高壓缸，1個(gè)第一中壓缸，1個(gè)第二中壓缸和2個(gè)低壓缸設(shè)計(jì)。這樣，由于第二中壓缸的進(jìn)汽容積流量（對(duì)應(yīng)首級(jí)葉片長(zhǎng)度）的限制，其進(jìn)汽壓力必須遠(yuǎn)高于最佳值（見(jiàn)圖2）以控制進(jìn)汽容積流量。我國(guó)已投運(yùn)的二次再熱機(jī)組的第二再熱壓力選擇為為3.41兆帕，顯然，該選擇遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了最佳值2.25兆帕， 這樣熱耗必然上升。由于常規(guī)布置的100萬(wàn)千瓦機(jī)組由于其二次再熱壓力大幅上升， 其效率必然下降。但是如果采用機(jī)組容量為66萬(wàn)千瓦單軸布置和135萬(wàn)千瓦的雙軸布置，其第二中壓缸的壓力這可選擇為2.48兆帕,從而可大大降低其熱耗從而優(yōu)化了汽輪機(jī)的性能。因此，常規(guī)設(shè)計(jì)和布置的100萬(wàn)千瓦采用兩次再熱的機(jī)組，并非最佳選擇。同時(shí)，為了大大縮短主蒸汽和再熱蒸汽的高溫大直徑蒸汽管道，對(duì)135萬(wàn)千瓦機(jī)組，可采用汽輪發(fā)電機(jī)組高低位雙軸布置，即高中壓汽缸布置在鍋爐出口聯(lián)箱的高位處，而低壓缸則布置在傳統(tǒng)的汽輪機(jī)平臺(tái)高度。對(duì)于66萬(wàn)千瓦二次再熱超超臨界機(jī)組，由于可采用單軸布置，因此可采用汽輪發(fā)電機(jī)組的高中低壓缸和發(fā)動(dòng)機(jī)全高位布置，這樣，不但可優(yōu)化汽輪機(jī)性能，而且可極大地縮短了長(zhǎng)距離高溫蒸汽管道的長(zhǎng)度，改善了機(jī)組性能，同時(shí)大大降低了投資成本。圖4為 135萬(wàn)千瓦高低位布置和66萬(wàn)千瓦全高位布置二次再熱超超臨界機(jī)組示意圖。

（1）135萬(wàn)千瓦高低位雙軸布置二次再熱機(jī)組

（2）66萬(wàn)千瓦全高位單軸布置二次再熱機(jī)組

作為國(guó)家示范項(xiàng)目的135萬(wàn)千瓦二次再熱高低位布置超超臨界機(jī)組的申能安徽平山電廠二期工程，最近已經(jīng)完成了機(jī)組的安裝建設(shè)并于2020年12月16日一次并網(wǎng)成功進(jìn)行了試運(yùn)行。該機(jī)組是目前世界上單機(jī)容量最大的煤電機(jī)組， 該機(jī)組由于采用雙軸高低位布置大大縮短了高溫蒸汽管道， 不但大大降低了管道投資，而且減少了管道的壓力和散熱損失，加上采用一系列創(chuàng)新技術(shù)，其預(yù)期的供電效率接近49%、供電煤耗優(yōu)于251克/千瓦時(shí), 相信該機(jī)組在投入正式運(yùn)行和性能測(cè)試后將會(huì)成為世界燃煤發(fā)電的新標(biāo)桿。對(duì)于66萬(wàn)千瓦全高位布置的二次再熱機(jī)組，根據(jù)對(duì)一具體項(xiàng)目的可行性研究和初步設(shè)計(jì)，由于是單軸布置，而且大大縮短了全部高溫蒸汽管道， 因而其性能將優(yōu)于高低位布置方案，其設(shè)計(jì)的供電煤耗為249 克/千瓦時(shí)，而且其單位造價(jià)將會(huì)比135萬(wàn)千瓦機(jī)組更低。

05

華潤(rùn)曹妃甸電廠新建100萬(wàn)千瓦一次再熱超超臨界機(jī)組的示范和啟示

上海外高橋第三發(fā)電廠2100萬(wàn)千瓦 一次再熱超超臨界機(jī)組，于2008年建成投產(chǎn)，其機(jī)組設(shè)計(jì)性能為：設(shè)計(jì)供電煤耗：291.5 克/千瓦時(shí)；設(shè)計(jì)供電效率：42.1%。投產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)采用了一系列上海申能電力科公司的創(chuàng)新技術(shù)改造后，該2臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行性能達(dá)到了：全年平均實(shí)際供電煤耗: 276克/千瓦時(shí)；全年平均實(shí)際供電效率:44.5%，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)的世界領(lǐng)先水平，2014年被國(guó)家能源局授予全國(guó)唯一的“國(guó)家煤電節(jié)能減排示范基地”稱號(hào)，并在國(guó)際上獲得一系列大獎(jiǎng)，包括ASME的“最佳創(chuàng)新者獎(jiǎng)”、“POWER”雜志的“頂級(jí)電廠獎(jiǎng)”、兩次PEABODY“全球潔凈煤領(lǐng)導(dǎo)獎(jiǎng)”等，其中2017年的為煤電最高效率和最佳性能獎(jiǎng)， 2018年為最低氮氧化物排放和最佳性能獎(jiǎng)。

應(yīng)華潤(rùn)電力的要求，上海申能電力科技公司采用其全部用于改造外三廠的創(chuàng)新技術(shù)，用于曹妃甸電廠的二臺(tái)新建的100萬(wàn)千瓦一次再熱超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)和建造，其目標(biāo)要求是作為“外三升級(jí)版”曹妃甸電廠工程在性能上全面超過(guò)外三廠的水平?，F(xiàn)在曹妃甸電廠項(xiàng)目已經(jīng)建成投產(chǎn)，并完成了正式的性能測(cè)試。通過(guò)表8華潤(rùn)曹妃甸電廠3號(hào)100萬(wàn)千瓦一次再熱超超臨界機(jī)組性能測(cè)試報(bào)告的數(shù)據(jù)以及表9 的比較數(shù)據(jù)，證實(shí)了前述的100萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組，從機(jī)組性能和投資成本的性價(jià)比角度，采用二次再熱技術(shù)并不是最佳的選擇。因此， 曹妃甸電廠可為我國(guó)今后新建百萬(wàn)等級(jí)超超臨界機(jī)組的方案選擇，提供了可供參考的案例。

由表8可見(jiàn)，通過(guò)采用在外三電廠實(shí)施過(guò)的一系列創(chuàng)新技術(shù)，結(jié)合曹妃甸電廠的實(shí)際再創(chuàng)新所建成的百萬(wàn)千瓦一次再熱超超臨界機(jī)組，其在額定負(fù)荷下的供電效率和煤耗分別達(dá)到46.45%和263克/千瓦時(shí),而且即使在50%的低負(fù)荷下，仍然能夠達(dá)到272克/千瓦時(shí)的供電煤耗水平。表9為曹妃甸電廠一次再熱100萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組和國(guó)內(nèi)某電廠已經(jīng)投產(chǎn)并經(jīng)過(guò)性能測(cè)試的百萬(wàn)級(jí)二次再熱超超臨界機(jī)組的性能比較。

由表9曹妃甸100萬(wàn)千瓦一次再熱機(jī)組的性能與國(guó)內(nèi)某100萬(wàn)千瓦二次再熱機(jī)組的比較可見(jiàn)，對(duì)于100萬(wàn)千瓦等級(jí)的超超臨界機(jī)組，如果采用二次再熱，由于長(zhǎng)距離二次再熱蒸汽管道的散熱和阻力損失和增加的投資，以及二次再熱中壓缸缸效不高等因素，導(dǎo)致二次再熱的百萬(wàn)千瓦機(jī)組的供電煤耗比曹妃甸的一次再熱機(jī)組高出3.87克/千瓦時(shí)；而且，曹妃甸電廠即使在75%的低負(fù)荷時(shí)，其供電煤耗仍然比該二次再熱機(jī)組額定負(fù)荷下的供電煤耗低2.5克/千瓦時(shí)， 這也說(shuō)明了曹妃甸電廠具有更好的機(jī)組低負(fù)荷性能。此外，從投資的角度，一次再熱的投資顯然會(huì)低于二次再熱機(jī)組，例如曹妃甸一次再熱機(jī)組的總投資約為典型的二次再熱機(jī)組的78%，具有更好的性價(jià)比。因此，對(duì)新建燃煤機(jī)組，現(xiàn)行常規(guī)設(shè)計(jì)的二次再熱100萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組不是最佳選擇。

06

結(jié)束語(yǔ)

為了我國(guó)電力“低碳發(fā)展”的戰(zhàn)略目標(biāo)， “煤電為主”的電源結(jié)構(gòu)將最終會(huì)被非化石能源電力取代，今后中國(guó)煤電高質(zhì)量發(fā)展的方向應(yīng)該是“更高效、更清潔、更靈活”，也就是具有最高供電效率、最低供電煤耗、最低污染物排放和最佳靈活性調(diào)峰調(diào)頻能力。馮偉忠總經(jīng)理領(lǐng)導(dǎo)的上海申能電力科技公司采用一系列創(chuàng)新技術(shù)，在徐州電廠亞臨界升溫改造、曹妃甸電廠新建一次再熱百萬(wàn)超超臨界機(jī)組和平山電廠二期新建135萬(wàn)千瓦二次再熱高低位布置超超臨界機(jī)組的三個(gè)項(xiàng)目，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了有說(shuō)服力的實(shí)例。

基于以上，對(duì)當(dāng)前我國(guó)煤電的高質(zhì)量發(fā)展，建議如下：

首先重點(diǎn)應(yīng)該是改造現(xiàn)有在役水冷純凝亞臨界機(jī)組，使其供電煤耗達(dá)到現(xiàn)有超超臨界機(jī)組的水平，實(shí)現(xiàn)額定工況下供電煤耗低于290克/千瓦時(shí)，靈活性調(diào)峰調(diào)頻負(fù)荷范圍100%-20%, 改造后機(jī)組至少可延壽20年。

對(duì)于新建的超超臨界機(jī)組的要求是：

100萬(wàn)千瓦等級(jí)，應(yīng)采用創(chuàng)新型一次再熱超超臨界方案，其供電煤耗不高于 263克/千瓦時(shí), 具有100%-20%的調(diào)峰調(diào)頻能力 ；

66萬(wàn)千瓦等級(jí)，應(yīng)采用創(chuàng)新型汽輪發(fā)電機(jī)組全高位布置二次再熱超超臨界方案，其供電煤耗低于249克/千瓦時(shí), 具有100%-20%的調(diào)峰調(diào)頻能力；

135萬(wàn)千瓦等級(jí)， 應(yīng)采用創(chuàng)新型高低位布置二次再熱超超臨界方案，其供電煤耗低于 251克/千瓦時(shí), 具有100%-20%的調(diào)峰調(diào)頻能力 。

實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的關(guān)鍵是通過(guò)“補(bǔ)短板，強(qiáng)弱項(xiàng)”，大力推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展，研發(fā)和推廣經(jīng)過(guò)示范的各種先進(jìn)煤電節(jié)能減排創(chuàng)新技術(shù)，通過(guò)國(guó)家規(guī)劃、頂層設(shè)計(jì)、政策推動(dòng)和市場(chǎng)導(dǎo)向，抓緊“十四五”和“十五五”這個(gè)十年的窗口期，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造，大大提升我國(guó)煤電的各項(xiàng)性能，大幅降低煤耗，大大提高靈活性，大力推動(dòng)我國(guó)煤電的高質(zhì)量發(fā)展，以促進(jìn)可再生能源電力的高速發(fā)展，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。