綠色發(fā)展背景下自備電廠煤改氣替代方案決策研究

陳 凱，李 力，趙靜波，王 美

（廣東省技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心，廣州 510070）

綠色發(fā)展，可以實現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的深度融合，是解決生態(tài)與發(fā)展問題、推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。實施煤改氣工作，能夠減少污染排放、改善空氣質(zhì)量和控制煤炭消費(fèi)等，是落實綠色發(fā)展理念的重要抓手[1-2]。

除了傳統(tǒng)六大高耗能行業(yè)，我國煤炭消費(fèi)量有較大比例用于造紙、紡織等行業(yè)的自備電廠[3-4]。以廣東省東莞市為例，2017年全市共有20 家自備電廠，分布在中堂、麻涌、望牛墩等鎮(zhèn)，其中16 家為造紙企業(yè)自備電廠；全市自備電廠共有發(fā)電機(jī)組56 臺，總裝機(jī)容量149.65 kW，其中造紙企業(yè)電廠裝機(jī)容量占比約95%。全市自備電廠煤炭消耗約450 萬t，占全市煤炭消耗量比例超過25%。

按照國家和廣東省煤改氣和工業(yè)園區(qū)集中供熱的要求，東莞市正在加快推進(jìn)造紙、紡織等行業(yè)自備電廠煤改氣工作，同時也面臨一些困難和問題。例如，造紙企業(yè)屬于資源密集型產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)競爭充分且激烈，由于用熱量較大，熱價占產(chǎn)品成本高達(dá)15%，企業(yè)對熱價的敏感程度普遍較大，熱價的輕微波動將明顯影響傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營[5]。另外，部分小規(guī)模造紙企業(yè)仍沒有實現(xiàn)集中供熱。這些企業(yè)采用哪種供熱方案既能滿足煤改氣和集中供熱的要求，又能盡量滿足當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，是值得深入研究并且較為緊迫的問題。

近年來，眾多學(xué)者對煤改氣的可行性進(jìn)行了廣泛的探討，分析了煤改氣對環(huán)境改善的明顯效果[6-11]。但以上研究對工業(yè)園煤改氣的政府決策參考性不強(qiáng)，本文以東莞市某區(qū)域兩家重點造紙企業(yè)（以下分別稱為A 廠和B 廠）的煤改氣方案為對象，詳細(xì)對比分析兩種方案的優(yōu)缺點，為政府主管部門科學(xué)決策提供有效參考。

1 區(qū)域熱源點和熱負(fù)荷

1.1 熱源點

根據(jù)調(diào)研和分析，該區(qū)域2025年熱負(fù)荷最大 2 013.1 t/h，平均1 617.0 t/h，最小1 074.7 t/h。區(qū)域內(nèi)目前尚無建成的集中供熱熱源點，企業(yè)的用熱需求主要是通過自備電廠或者工業(yè)鍋爐滿足，正在建設(shè)2 套9F 級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及配套工程僅能解決部分用熱企業(yè)的需求，這部分熱負(fù)荷2025年能達(dá)到最大733.1 t/h，平均556 t/h，最小389.7 t/h。

1.2 企業(yè)熱負(fù)荷

A 廠和B 廠是區(qū)域內(nèi)兩家龍頭造紙企業(yè)，另外該區(qū)域還有部分制品加工企業(yè)需要用熱。其中，A 廠自備電廠主要包括3 臺240 t/h 循環(huán)流化床鍋爐、2 臺60 MW 抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組；B 廠3 臺90 t/h 次高溫次高壓CFB+2 臺18 MW 抽凝機(jī)，2 臺240 t/h 高溫高壓CFB+1 臺60 MW 抽凝機(jī)和1 臺30 MW 背壓機(jī)。根據(jù)熱負(fù)荷調(diào)查情況，企業(yè)為按訂單生產(chǎn)方式，旺季期間24 h 連續(xù)生產(chǎn)，對用熱參數(shù)的要求較低，用熱壓力在0.5 ～1.7MPa，用熱溫度在160 ～260℃。熱負(fù)荷波動較小，一年四季較為穩(wěn)定，生產(chǎn)線為三班連續(xù)生產(chǎn)，全年運(yùn)行340 d，生產(chǎn)系統(tǒng)年生產(chǎn)時間8 160 h。經(jīng)統(tǒng)計，包括兩家大型企業(yè)在內(nèi)的區(qū)域熱負(fù)荷最大809 t/h，平均770 t/h，最小736 t/h。

表1 區(qū)域企業(yè)熱負(fù)荷情況

2 供熱方案對比分析

為了解決關(guān)停燃煤自備電廠后企業(yè)用熱問題，筆者初步提出兩種解決方案：一是在建設(shè)中集中供熱熱源點基礎(chǔ)上擴(kuò)建2 套9F 級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組；二是在兩家重點企業(yè)內(nèi)分別建設(shè)3 套天然氣分布式能源站及配套工程，并從經(jīng)濟(jì)性、供熱穩(wěn)定性、能源利用效率、對區(qū)域電力系統(tǒng)支撐性等方面進(jìn)行比較分析。

2.1 供熱方案

2.1.1 9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案

根據(jù)區(qū)域熱負(fù)荷情況、主流機(jī)型供熱能力、國內(nèi)主機(jī)生產(chǎn)能力，為使建成后企業(yè)單位投資最少、熱效率較高，選擇9F 級燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組，采用一臺背壓機(jī)穩(wěn)定供應(yīng)蒸汽，一臺抽凝機(jī)在供熱負(fù)荷變化時靈活調(diào)節(jié)供汽，同時供應(yīng)電力。

按最遠(yuǎn)熱用戶（距離約為5 ～6 km）的用熱參數(shù)，供熱管網(wǎng)熱損失每1 km 溫降約7℃，壓降約 0.07 MPa，估算后得出機(jī)組低壓供熱蒸汽參數(shù)1.2 MPa， 240℃，中壓供熱蒸汽參數(shù)2.2 MPa，300℃。抽凝機(jī)（低壓）抽汽量297.8 t/h，（中壓）抽汽量40 t/h，背壓機(jī)抽汽量432.2 t/h。

2.1.2 天然氣分布式能源站方案

煤改氣方案皆以天然氣為燃料，環(huán)境污染危害小，但燃料價格較高，因此提高系統(tǒng)熱效率、降低能耗十分必要。機(jī)組選型應(yīng)考察其系統(tǒng)的先進(jìn)性、成熟性和穩(wěn)定性，結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的特點，經(jīng)比選分析，初步選擇以下方案。

若采用天然氣分布式能源站方案，在A 企業(yè)廠址內(nèi)建設(shè)3×50 MW 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組+1 臺180 t/h低壓燃?xì)忮仩t，B 企業(yè)廠址內(nèi)建設(shè)3×50 MW 等級燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組配套3 臺低壓余熱鍋爐+2 臺240 t/h高壓燃?xì)忮仩t（1 用1 備）+B25 背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組（自備電廠現(xiàn)有汽輪發(fā)電機(jī)組），為企業(yè)提供熱力和電力。

2.2 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是決定煤改氣項目建成后正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，本文從單位發(fā)電裝機(jī)投資、項目投資內(nèi)部收益率、運(yùn)行成本三方面分析項目的經(jīng)濟(jì)性。

單位發(fā)電裝機(jī)投資方面，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組單位投資241 1 元/kW，鋪底生產(chǎn)流動資金786 8 萬元，A 企業(yè)分布式能源站單位投資267 1 元/kW，B 企業(yè)分布式能源站方案單位投資399 4 元/kW，兩家企業(yè)的天然氣分布式能源站方案的單位發(fā)電裝機(jī)投資皆高于9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案。

在天然氣價格2.75 元/m3、上網(wǎng)電價為665 元/MW·h、供熱價格200 元/t 的條件下，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)項目稅后項目投資內(nèi)部收益率約18.6%。A 企業(yè)和B 企業(yè)分布式能源站方案稅后項目投資內(nèi)部收益率分別約11.5%、12.4%，投資收益率皆低于9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案，主要原因為9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案燃料價格較便宜，并且擴(kuò)建項目最大程度利用了現(xiàn)有項目的土地、天然氣管線等條件，減少了投資成本。

在天然氣供應(yīng)方面，企業(yè)自建分布式能源站，采用當(dāng)?shù)厝細(xì)鈱I商提供的天然氣，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)項目采用中海油大用戶專管供應(yīng)天然氣，減少了中間環(huán)節(jié)，燃料成本優(yōu)勢明顯。隨著東莞市煤改氣速度不斷加快，將有大量的煤改氣項目集中建設(shè)和投產(chǎn)，投產(chǎn)后全市對天然氣的需求量呈現(xiàn)脈沖式上升，當(dāng)?shù)厝細(xì)鈱I商可能產(chǎn)生供應(yīng)缺口，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案通過專用天然氣管道供氣，有利于緩解項目所在地天然氣供應(yīng)的緊張局面。

表2 兩種方案經(jīng)濟(jì)性對比情況

2.3 供熱穩(wěn)定性

2.3.1 9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案

正常工況下，當(dāng)熱負(fù)荷較低時，可以由一臺抽凝機(jī)組對外抽汽供熱。當(dāng)熱負(fù)荷增大到超過一臺抽凝機(jī)的最大抽汽能力時，啟動背壓機(jī)。在設(shè)計熱負(fù)荷下，兩套機(jī)組共同對外供熱。當(dāng)一套背壓/抽凝式機(jī)組的汽輪機(jī)故障或檢修停運(yùn)時，可以通過該套機(jī)組余熱鍋爐出口的高壓蒸汽經(jīng)減溫減壓后配合另一套抽凝式/背壓機(jī)組對外供熱。

當(dāng)一套燃?xì)廨啓C(jī)或余熱鍋爐故障或檢修停運(yùn)時，停運(yùn)對應(yīng)的汽輪機(jī)，由另一套機(jī)組對外供熱，但由于本期的供熱蒸汽量已達(dá)到兩套F 級機(jī)組的極限，一臺機(jī)組無法滿足設(shè)計供熱量，故此時需協(xié)調(diào)熱網(wǎng)內(nèi)的其他熱源（如一期工程）或啟用應(yīng)急熱源。

2.3.2 天然氣分布式能源站方案

（1）A 廠。當(dāng)一臺燃?xì)廨啓C(jī)故障或停機(jī)檢修時，供電不足的部分由外網(wǎng)電彌補(bǔ)，汽源部分會有少量缺口（約35 t/h，占總用汽量的8.5%），這時部分生產(chǎn)車間稍微降低部分生產(chǎn)線的生產(chǎn)負(fù)荷，即可實現(xiàn)全廠的用汽量平衡。

當(dāng)燃?xì)忮仩t故障或停爐檢修時，雖然機(jī)組的供電能力仍能滿足全廠生產(chǎn)的用電需求，但是蒸汽部分將產(chǎn)生110 t/h 的缺口，約占總用汽量的27%，故仍需要部分生產(chǎn)車間降負(fù)荷運(yùn)行。

（2）B 廠。企業(yè)總用電量為118 MW（不含熱電廠自用電部分），總用汽負(fù)荷量為低壓蒸汽355 t/h，中壓蒸汽40 t/h。

當(dāng)一臺燃?xì)廨啓C(jī)故障或停機(jī)檢修時，備用燃?xì)忮仩t啟動，可以滿足全廠生產(chǎn)用汽需求。同時，其余兩臺燃?xì)廨啓C(jī)、背壓式汽輪機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，其發(fā)電總量可基本滿足全廠生產(chǎn)用汽負(fù)荷要求，如仍有少量電負(fù)荷缺口，可從電網(wǎng)下電補(bǔ)充。當(dāng)燃?xì)忮仩t故障或停爐檢修時，備用燃?xì)忮仩t啟動，即可全部滿足全廠生產(chǎn)用汽和用電負(fù)荷要求。當(dāng)B25 背壓機(jī)組故障或停機(jī)檢修時，燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的蒸汽減溫減壓向生產(chǎn)車間供汽，3 臺燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電量可以滿足全廠生產(chǎn)用電負(fù)荷缺口。

由此可以看出，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案可以利用一期工程作為備用和調(diào)峰熱源，供熱穩(wěn)定性較好，能夠最大程度保障兩家企業(yè)的生產(chǎn)連續(xù)性不受影響。

2.4 能源利用效率

經(jīng)計算，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案的能源利用效率為87.43%，稍低于A 廠和B 廠的90.73%和88.81%，皆符合國家和廣東省對于熱電聯(lián)產(chǎn)項目的指標(biāo)要求。天然氣分布式能源站方案能源利用效率較高的原因主要是其供熱方式皆為背壓供汽，冷凝損失較少。

表3 能源利用效率對比

2.5 對電力系統(tǒng)的支撐性

該區(qū)域為東莞西北區(qū)供電范圍，目前用電量已經(jīng)超過東莞全市的1/4，位居?xùn)|莞四大分區(qū)第二。目前，區(qū)內(nèi)電源裝機(jī)容量僅1 243 MW，難以滿足供電要求，對省網(wǎng)供電的依賴程度大。東莞110 kV 及以下電源裝機(jī)容量2 298 MW，其中單機(jī)容量50 MW 及以下的火電機(jī)組容量為195 MW，占比為8.5%，這些電源經(jīng)濟(jì)效益差、難以調(diào)度，并且機(jī)組壽命短，到期也必須退役。煤改氣為小火電的退役創(chuàng)造了條件，兩種方案皆有利于提高系統(tǒng)的綜合效益，促進(jìn)東莞電源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案發(fā)電出力較大，有利于減輕500 kV變電站供電壓力和220 kV電網(wǎng)轉(zhuǎn)供潮流，降低網(wǎng)損，使廣東電源布局更加合理，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

實施燃煤自備電廠煤改氣工作，助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，是一項重大的政府決策。在決策實施過程中，需要大量研究、論證和分析，制定科學(xué)合理的工作方案。本文以東莞市某區(qū)域燃煤自備電廠煤改氣方案為研究對象，采用量化測算和定性分析等方法，對比分析了兩種煤改氣方案的優(yōu)缺點，為政府主管部門制定相關(guān)政策規(guī)劃提供參考。

研究結(jié)果表明，在熱負(fù)荷較大的工業(yè)園區(qū)建設(shè)9F 天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)或者天然氣分布式能源工程是實現(xiàn)煤炭減量和區(qū)域集中供熱的有效手段，能夠減少污染排放，改善區(qū)域空氣質(zhì)量；在單位發(fā)電裝機(jī)投資、項目投資內(nèi)部收益率和運(yùn)行成本三個方面，9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案皆優(yōu)于天然氣分布式能源方案，經(jīng)濟(jì)性更佳，能夠最大程度減小煤改氣帶來的能源成本增加對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的影響；該區(qū)域9F 燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案可以利用一期工程作為備用和調(diào)峰熱源，供熱穩(wěn)定性較好，天然氣分布式能源站方案若要實現(xiàn)同樣的穩(wěn)定性，需設(shè)置較大的備用天然氣鍋爐，增加企業(yè)初始投資規(guī)模；在區(qū)域用熱企業(yè)現(xiàn)有熱負(fù)荷的情況下，9F燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案的能源利用效率稍低于天然氣分布式能源站方案，皆符合國家和廣東省對于天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目的指標(biāo)要求；兩種方案皆有利于提高區(qū)域電力系統(tǒng)的綜合效益，促進(jìn)當(dāng)?shù)仉娫唇Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化；9F燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)方案發(fā)電出力較大，能夠較好地支撐區(qū)域電力系統(tǒng)，使電源布局更加合理，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。