上海市中小燃煤機(jī)組燃機(jī)替代研究

夏涼黃平郭羽

上海市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

關(guān)鍵字：電源；清潔；更新；儲(chǔ)備

0 簡介

能源發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的兼容協(xié)調(diào)已成為全世界共同面對的課題。我國已提出“2030年左右碳排放達(dá)到峰值，2030年單位GDP碳排放要比2005年下降60～65%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右”目標(biāo)，并將“構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”寫入了黨的“十九大”報(bào)告。

上海正在全力打造清潔安全能源供應(yīng)體系。合理的電源供應(yīng)體系是構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分。本文以上海電源為對象，從清潔低碳和城市空間視角出發(fā)，對未來上海電源的發(fā)展策略和更新途徑進(jìn)行探討研究。

1 現(xiàn)狀評價(jià)

“十二五”上海全社會(huì)用電指標(biāo)年均增速遠(yuǎn)低于“十一五”，“十三五”略有回升；市外來電不斷加強(qiáng)，市內(nèi)機(jī)組利用效率下降明顯，年利用小時(shí)下降23%；電煤消耗呈逐年下降趨勢，但占比仍高達(dá)83.7%，天然氣消耗穩(wěn)步提升至8.4%。

全球電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)以化石燃料為主格局，但每年化石燃料比重均在下降。以非化石能源占比為標(biāo)桿，我國處于中下游水平，煤炭消費(fèi)比重為世界平均水平的2.2倍。上海作為我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的城市，化石燃料發(fā)電占比仍較高，電煤占到84%，煤機(jī)裝機(jī)和低效煤機(jī)比重指標(biāo)較為落后。

綜合評價(jià)：受國家宏觀經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整影響，上海電力需求呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性放緩特征，為電源系統(tǒng)調(diào)整完善提供了良好契機(jī)；電源供應(yīng)出現(xiàn)供大于求局面，市內(nèi)機(jī)組利用效率下降明顯；化石發(fā)電燃料占比過高，電源結(jié)構(gòu)不合理，亟需更新替代。

2 發(fā)展趨勢

我國中央、地方政府為實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，已陸續(xù)發(fā)布一系列規(guī)劃指導(dǎo)文件，指引著未來發(fā)展方向。

2014年的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》，提出了一系列能源發(fā)展目標(biāo)，為“十三五”能源戰(zhàn)略提供參考和指引。重要能源領(lǐng)域如煤炭“降低、控制、減量、替代”，天然氣“提高、加強(qiáng)、擴(kuò)大、拓展”的定位，深刻影響了后續(xù)的“十三五”規(guī)劃編制。

2016年的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，天然氣和非化石能源將成為世界能源主要方向，并且2030年天然氣有望成為第一大能源品種，提出非化石、天然氣、煤炭消費(fèi)比重和單位GDP碳排放目標(biāo)?！耙?guī)劃”首次提出了總量和強(qiáng)度雙控制，煤炭消費(fèi)比重要求壓縮至58%以內(nèi)，非化石、天然氣消費(fèi)將占新增量68%以上，是煤炭消費(fèi)增量的3倍以上。

2017年的《上海市能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，煤炭消費(fèi)比重下降到33%左右，天然氣消費(fèi)比重達(dá)到12%，加快煤機(jī)節(jié)能減排升級和清潔改造?！耙?guī)劃”提出的主要任務(wù)涉及全市眾多燃煤電廠，市內(nèi)電源將迎來結(jié)構(gòu)性調(diào)整周期。

2017年的《上海市電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出了新增調(diào)峰燃機(jī)、關(guān)停燃油機(jī)組、升級清潔煤機(jī)、發(fā)展可再生能源發(fā)電及分布式供能等主要任務(wù)，指出了電網(wǎng)的重要作用和面臨的新挑戰(zhàn)。

2018年的《中國電力發(fā)展報(bào)告2017》展望了2020年我國15%非化石能源消費(fèi)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)難度較大；應(yīng)提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，擴(kuò)大煤電靈活性改造，推動(dòng)調(diào)峰氣電建設(shè)，優(yōu)化抽水蓄能電站。國家能源局未來將進(jìn)一步加大非化石能源（重點(diǎn)為水電）的消納范圍和力度，上海市外來電規(guī)模有進(jìn)一步增大預(yù)期。

2018年的《上海市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》要求推進(jìn)天然氣等清潔能源，進(jìn)一步提高可再生能源比例。同時(shí)，認(rèn)定能源工業(yè)為重要改革對象，認(rèn)為天然氣、太陽能、風(fēng)能、潮汐能、淺層地溫能、生物質(zhì)能等屬于清潔能源，應(yīng)推進(jìn)替代煤、油等傳統(tǒng)能源。

2018年的《上海市清潔空氣行動(dòng)計(jì)劃（2018-2022年）》提出了2020、2022年P(guān)M2.5年均濃度和空氣質(zhì)量優(yōu)良率目標(biāo)，要求2020年煤炭消費(fèi)總量在2015年基礎(chǔ)上削減5%以上。由于約束目標(biāo)嚴(yán)格，全市煤機(jī)排放措施和能力已基本接近極限，未來對目標(biāo)的貢獻(xiàn)預(yù)期較低，將間接推動(dòng)電源供給側(cè)改革。

紐約州燃煤發(fā)電比重僅占2%，大部分來自石油天然氣（占48%）、核電（占14%）、水電（占11%）和天然氣（占10%）。紐約州提出了2030年碳排放量減少40%目標(biāo)。紐約州環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)于2018年5月公布污染規(guī)定草案，要求到2020年關(guān)閉州內(nèi)所有剩余燃煤電廠或改為天然氣等清潔燃料發(fā)電。英國2012-2018年期間，煤電占比已從43%縮減至7%，天然氣飆升至44%，風(fēng)電大幅增加至16%，核電基本穩(wěn)定在20%，進(jìn)口電提升至9%，其余生物質(zhì)發(fā)電、光伏、水電約占4%（見圖1）。

能源低碳化已在世界范圍形成共識，天然氣和非化石能源將成為主要消費(fèi)方向，煤炭“深度減量化”趨勢已不可避免。受我國清潔能源目標(biāo)約束和煤電功能定位轉(zhuǎn)變，上海電源格局將迎來結(jié)構(gòu)性調(diào)整周期，未來供給側(cè)結(jié)構(gòu)新常態(tài)將對電力系統(tǒng)的彈性調(diào)節(jié)能力提出更高要求。

3 需求預(yù)測

上海市“十二五”電力消費(fèi)數(shù)據(jù)表明，上海人均用電負(fù)荷年均增長率約為1.63%，與上海城市人口發(fā)展趨勢基本匹配（見表1）。

圖1 英國發(fā)電結(jié)構(gòu)更新圖

表1 “十二五”上海電力消費(fèi)統(tǒng)計(jì)表

借鑒東京發(fā)展歷程，電力需求變化大致經(jīng)過3個(gè)階段：第一階段為“粗放增長期”，高耗能行業(yè)占整個(gè)工業(yè)用電60%，最高負(fù)荷年均增長12%左右；第二階段為“轉(zhuǎn)型調(diào)整期”，隨著高耗能工業(yè)比例大幅下降，最高負(fù)荷增速下降至8%左右；第三階段為“飽和穩(wěn)定期”，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步持續(xù)調(diào)整，最高負(fù)荷增速下降至5%以下甚至停滯。上海正處在工業(yè)化后期向后工業(yè)化時(shí)代轉(zhuǎn)型時(shí)期，新的工業(yè)體系正在建立，短期內(nèi)化工、冶金及裝備型工業(yè)仍將維持，高污染、高耗能、低附加值產(chǎn)業(yè)將逐步淘汰。目前，高耗能用電大幅減少，負(fù)荷增速放緩的特征與東京第二階段極為相似。預(yù)計(jì)2020年后，新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)形成雛形，負(fù)荷增速有所回升，并在10-15年左右進(jìn)入飽和平穩(wěn)階段。

《上海市電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，2020年用電需求約3500萬KW，人均指標(biāo)1.4KW，按1.63%增長率測算，中期2028年指標(biāo)約1.59KW，遠(yuǎn)期2035年指標(biāo)約1.78KW。2500萬人口將成為未來上海常住人口調(diào)控目標(biāo)，中期2028年用電需求規(guī)模預(yù)計(jì)4000萬KW左右，遠(yuǎn)期2035年預(yù)計(jì)4500萬KW左右。

4 系統(tǒng)格局

上海電源供應(yīng)現(xiàn)狀呈“二元互補(bǔ)、多元燃料”局面，市內(nèi)外電源互為補(bǔ)充。市外來電比重不斷增大，市內(nèi)發(fā)電燃料日益多元化。2017年，總裝機(jī)達(dá)到2400萬KW，其中煤機(jī)比重約64.4%，燃機(jī)比重約23.9%，非化石能源發(fā)電約6.5%。

上海國際化大都市的用電負(fù)荷特性愈發(fā)明顯，一方面最高負(fù)荷需求不斷增加，另一方面最大峰谷差也在不斷增大，2015年已占到最高負(fù)荷44%。根據(jù)以往消費(fèi)數(shù)據(jù)，上海年平均最低負(fù)荷僅占到最高負(fù)荷28～31%。對于負(fù)荷特性的顯著變化，上海電源建設(shè)思路也要相應(yīng)調(diào)整，以保障基荷的供應(yīng)穩(wěn)定。增加靈活調(diào)峰能力應(yīng)是新時(shí)期上海電源建設(shè)的思路方向。

鑒于地域特點(diǎn)，上海無水電和抽水蓄能電站建設(shè)條件，風(fēng)和光發(fā)電穩(wěn)定性較差，反調(diào)峰特性突出；鑒于發(fā)電燃料特性，上海電煤供應(yīng)充足，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、啟動(dòng)時(shí)間長、調(diào)峰性能較差。上海存量煤機(jī)仍較多，建議在其壽命期內(nèi)盡量提高利用小時(shí)數(shù)用于基荷保障，同時(shí)可降低不完全出力工況下的排放指標(biāo)，新增調(diào)峰電源則不應(yīng)再考慮。運(yùn)行方式靈活的燃機(jī)將成為上海電源的必然選擇，未來應(yīng)作為建設(shè)重點(diǎn)，并成為調(diào)峰主力。

受國家能源目標(biāo)的約束，水電和核電必須優(yōu)先全額消納。上海市外來電中不參與調(diào)峰的電源規(guī)模達(dá)到1 000-1 100萬KW，造成上海受電比例大于50%時(shí)間超過6個(gè)月，本地電源則全部轉(zhuǎn)向輔助配合，系統(tǒng)功能定位從基荷保障向應(yīng)急調(diào)峰深度轉(zhuǎn)變。新常態(tài)也引起了上海電力一系列的連鎖反應(yīng)：①“強(qiáng)饋入、弱開機(jī)”促使本地電網(wǎng)轉(zhuǎn)變最小開機(jī)方式運(yùn)行，以保證電壓、頻率等指標(biāo)安全穩(wěn)定；②低谷負(fù)荷出現(xiàn)負(fù)備用，須通過抽水蓄能或外送方式額外進(jìn)行平衡；③本地機(jī)組群深度調(diào)峰，性能和品質(zhì)嚴(yán)重下降；④系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增加，大規(guī)模外部直流密集饋入華東電網(wǎng)，存在復(fù)雜故障下同時(shí)失電的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。

新時(shí)期上海電源系統(tǒng)的供應(yīng)格局，應(yīng)由合理的市外來電比重和完善的市內(nèi)調(diào)峰體系共同組成。市外部分應(yīng)考慮4點(diǎn)：①響應(yīng)國家戰(zhàn)略，清潔電源消納優(yōu)先；②規(guī)模應(yīng)參考低谷負(fù)荷水平確定；③優(yōu)化空間分布，防范直流同時(shí)失去風(fēng)險(xiǎn)；④視情況變化，合理增加調(diào)峰比重。市內(nèi)部分應(yīng)考慮4點(diǎn)：①規(guī)模應(yīng)根據(jù)最高負(fù)荷和最大峰谷差確定；②不再新建調(diào)峰煤機(jī)，適當(dāng)提高存量煤機(jī)利用效率；③加大燃機(jī)調(diào)峰建設(shè)力度，優(yōu)化上海電源結(jié)構(gòu)；④重視風(fēng)、光發(fā)電配套設(shè)施建設(shè)，增加上海非化石能源利用比重。

5 規(guī)模布局

5.1 市外來電

統(tǒng)計(jì)顯示，上海低谷負(fù)荷約占最高負(fù)荷28-31%，同時(shí)考慮本地機(jī)組最小運(yùn)行出力，市外來電宜控制在30%左右。上海未來發(fā)展?jié)摿?，低谷?fù)荷仍有進(jìn)一步提升的空間，適當(dāng)預(yù)留外來電增強(qiáng)饋入預(yù)期，中、遠(yuǎn)期市外來電比重宜按35-40%控制。

未來市外來電規(guī)模分兩種情景：①不參與調(diào)峰，比重不宜超過40%，中期2028年出力規(guī)模約1760萬KW，遠(yuǎn)期2035年約1 980萬KW；②參與調(diào)峰，規(guī)模則由市外通道輸送能力決定，最高可達(dá)3 600萬KW。

上海市外來電已規(guī)劃9條通道，最高受電能力可達(dá)3 600萬KW，華東區(qū)外1 500萬KW，華東區(qū)內(nèi)2100萬KW。目前建成8條通道，6條來自浙江方向（含所有大功率直流輸送通道），2條來自蘇州方向，空間分布均衡性一般。外來電強(qiáng)饋入會(huì)引起系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)增加。大功率直流全部位于浙江側(cè)，應(yīng)考慮加強(qiáng)江蘇方向電源備用。適時(shí)啟動(dòng)蘇北方向500kV電源通道建設(shè)，與上海嘉定或浦東方向聯(lián)網(wǎng)，提高電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性。

5.2 市內(nèi)電源

市外來電基本不參與調(diào)峰預(yù)期，比重不宜超過40%，市內(nèi)電源比重需達(dá)到60%，預(yù)計(jì)中期2028年裝機(jī)規(guī)模約2 930萬KW；遠(yuǎn)期2035年裝機(jī)規(guī)模約3 300萬KW。全市燃油機(jī)組全部關(guān)停；燃煤機(jī)組中小型機(jī)組（30萬KW及以下）到期停役，中型機(jī)組（60萬KW）到期視情況停役，大型機(jī)組保留，不再新增或改造調(diào)峰煤機(jī)；燃機(jī)機(jī)組視空間資源和天然氣供應(yīng)能力，在城市外圍布置合適電源點(diǎn)；鼓勵(lì)加快非化石能源和分布式發(fā)電的開發(fā)利用建設(shè)。

目前，煤機(jī)共1546萬KW，未來小型機(jī)組中除寶鋼自備4#機(jī)組須保障煤氣安全消納保留外，其余全部到期停役。中型機(jī)組到期后視情況停役，大型機(jī)組保留。預(yù)計(jì)中期2028年第一批機(jī)組退役后剩余出力約987萬KW，遠(yuǎn)期2035年第二批機(jī)組退役后剩余出力約580萬KW。風(fēng)、光發(fā)電是非化石能源發(fā)電主力，但由于其反調(diào)峰特性不計(jì)入電力平衡，生物質(zhì)能與分布式供能中、遠(yuǎn)期規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)約140-220萬KW。剩余負(fù)荷均由燃機(jī)電源供給，裝機(jī)需求約達(dá)1 803-2 500萬KW。燃機(jī)供應(yīng)體系可分為3個(gè)部分，第1部分為現(xiàn)狀燃機(jī)資源，第2部分為已規(guī)劃預(yù)留燃機(jī)資源，第3部分為擬新規(guī)劃燃機(jī)資源（包含退役煤機(jī)替代和純新增燃機(jī)電源）（見圖2）。

圖2 燃機(jī)供應(yīng)體系結(jié)構(gòu)

燃機(jī)規(guī)?，F(xiàn)狀約573萬KW，已規(guī)劃預(yù)留燃機(jī)綜合考慮建設(shè)周期、需求分布、容量平衡等因素，應(yīng)按適度有序、穩(wěn)步推進(jìn)原則建設(shè)。兩部分資源預(yù)計(jì)中期供應(yīng)能力達(dá)到1 343萬KW，遠(yuǎn)期達(dá)到1 823萬KW。退役煤機(jī)原址替代方面：①外高橋電廠受制于天然氣專管接入，不具備原址替代條件；②石洞口基地基本具備原址替代條件，中期預(yù)計(jì)建設(shè)3×40萬kw燃機(jī)，遠(yuǎn)期再建設(shè)4×40萬kw燃機(jī)；③吳涇基地由于地區(qū)整體規(guī)劃轉(zhuǎn)型，不具備原址替代條件；④寶鋼、上海石化、高橋石化電廠根據(jù)城市發(fā)展和企業(yè)轉(zhuǎn)型要求，預(yù)計(jì)替代建設(shè)1×40萬kw燃機(jī)。由此可見，剩余約280-337萬kw負(fù)荷缺口需考慮新增電源點(diǎn)予以支撐。

新增電源點(diǎn)選擇上海城市外圍區(qū)域布置。根據(jù)城市總體用地規(guī)劃，通過GIS空間建模，綜合負(fù)荷需求分布、城市重要地區(qū)、基本農(nóng)田保護(hù)、水源氣源電力等一系列電廠規(guī)劃要素，從新增負(fù)荷供給薄弱區(qū)和傳統(tǒng)煤機(jī)替代靈活性兩方面考慮，對規(guī)劃產(chǎn)業(yè)基地和社區(qū)空間進(jìn)行適宜性評價(jià)，初步判斷上?；^(qū)、青松地區(qū)、嘉定新城、浦東外高橋4個(gè)區(qū)域相對適宜，可作為儲(chǔ)備資源，根據(jù)未來實(shí)際需要支撐項(xiàng)目建設(shè)。

6 結(jié)論

上海電源現(xiàn)狀存在發(fā)電燃料結(jié)構(gòu)不合理，化石燃料中電煤比重過高等一系列問題，煤炭“深度減量化”趨勢已不可避免。受國家清潔能源目標(biāo)驅(qū)動(dòng)和煤電功能定位改變，上海電力供應(yīng)格局將面臨較大變革。預(yù)計(jì)中、遠(yuǎn)期負(fù)荷需求約4 000-4 500萬kw。

市外來電在不參與調(diào)峰情況下，比重不宜超過40%，共規(guī)劃預(yù)留9條市外通道；市內(nèi)電源裝機(jī)需求約2 930-3 300萬kw，增加靈活調(diào)峰性能將是主要發(fā)展思路，燃機(jī)將成為建設(shè)重點(diǎn)，需求規(guī)模約1 803-2 500萬kw，經(jīng)梳理判斷現(xiàn)狀、已規(guī)劃預(yù)留和原址替代等燃機(jī)資源，約280-337萬kw需考慮新增電源點(diǎn)予以支撐。

GIS空間建模對上海規(guī)劃產(chǎn)業(yè)基地和社區(qū)空間進(jìn)行適宜性評價(jià)，初步篩選出具備潛力的上海化工區(qū)、青松地區(qū)、嘉定新城、浦東外高橋4處區(qū)域，可作為空間儲(chǔ)備資源支撐上海電源系統(tǒng)未來的更新完善。