“雙碳”目標下我國天然氣發(fā)電的展望

天然氣發(fā)電是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要技術途徑之一，低碳、清潔、可調度性強的特性使其成為社會主義現(xiàn)代化國家清潔低碳、安全高效電力能源保障的重要組成部分。從天然氣發(fā)電的技術特性和經濟成本分析角度出發(fā)，利用多方數(shù)據(jù)對我國天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀進行了闡述，并展望了氣電行業(yè)在碳達峰、碳中和事業(yè)中將發(fā)揮的作用。

關鍵詞：天然氣發(fā)電 碳達峰 清潔能源

在我國“十三五”期初，天然氣占一次能源消費結構的6%。國務院辦公廳發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014—2020年）》和國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，均要求積極發(fā)展天然氣等清潔能源，提出了天然氣在一次能源消費中的比重，到2020年力爭達到10%左右的目標;同時要求降低煤炭消費占比，提高天然氣發(fā)電利用比重，鼓勵發(fā)展天然氣分布式多聯(lián)供項目，支持發(fā)展燃氣調峰電站，并結合熱負荷需求適度發(fā)展燃氣熱電聯(lián)產項目。

在已經發(fā)布的“十四五”規(guī)劃中，天然氣發(fā)展并沒有獲得明確的數(shù)字目標。但隨著“雙碳”目標的確立，天然氣發(fā)電借助其碳排放強度低、可調度能力強、清潔環(huán)保污染少的優(yōu)勢，將會在未來較長的一段時間內填補由于碳達峰削減燃煤發(fā)電量所產生的可調度電力缺口，為建設清潔低碳、安全高效的能源體系和提高能源供給保障能力，貢獻更大的力量。

本文將從天然氣作為火力發(fā)電清潔燃料的角度，對我國天然氣發(fā)電（以下亦稱“燃氣發(fā)電”或“氣電”）行業(yè)的現(xiàn)狀進行論述，并對行業(yè)未來發(fā)展情況進行分析。

1 天然氣發(fā)電的特點和優(yōu)勢

天然氣是一種無色、無味、密度比空氣輕的燃氣，在常壓狀態(tài)下的沸點是-161℃，主要成分為甲烷，通常情況下會同時含有氮氣和二氧化碳等惰性氣體，并可能含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和更高碳原子數(shù)的碳氫化合物，可通過對氣田、頁巖和煤層的開采過程獲得，也可通過生物質的分解過程獲得。根據(jù)國家能源局、國務院發(fā)展研究中心、自然資源部聯(lián)合發(fā)布的《中國天然氣發(fā)展報告（2020）》數(shù)據(jù)，2019年，全球天然氣消費量為3.93萬億標準立方米（以下簡稱立方米），在一次能源消費中占比為24.2%，其中亞太地區(qū)天然氣消費量為8699億立方米，北美地區(qū)為10576億立方米，歐亞地區(qū)為11278億立方米;2019年，我國天然氣表觀消費量為3064億立方米，折合標煤約3.6億噸，同比增長8.6%，在一次能源消費結構中占比達8.1%，同比上升0.3個百分點。

與我國一次能源主力的煤炭相比，天然氣具有明顯的碳排放強度優(yōu)勢。根據(jù)國務院發(fā)展研究中心發(fā)布的《中國氣體清潔能源發(fā)展報告》，并結合政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和美國能源信息署（EIA）等機構發(fā)布的數(shù)據(jù)計算，每燃燒1公斤標煤能夠釋放7000千卡熱量，產生二氧化碳約為2.7噸;而釋放同樣的熱量只需要燃燒約0.85立方米天然氣，燃料重量下降至約0.65公斤，產生二氧化碳僅為1.58公斤左右。從度電碳排放量的角度分析，若使用實際運行數(shù)據(jù)保守計算度電燃料耗用率，燃煤發(fā)電需消耗約300克標煤，產生二氧化碳約為810克;而燃氣發(fā)電則需消耗約0.2立方米天然氣，燃料重量約為155克，產生二氧化碳僅約370克。由此可見，在產生同等熱量的情況下，天然氣燃燒后所產生的二氧化碳排放量只有煤炭燃燒后所產生二氧化碳排放量的59%。而在產生同等電量的情況下，該比值則降至45%，碳減排效果明顯。

除了碳排放強度方面的優(yōu)勢，天然氣與煤炭相比還具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。根據(jù)供應商提供的實際檢測數(shù)據(jù)，天然氣成分中幾乎不含硫分和灰分，其燃燒后所產生的二氧化硫、飛灰等污染物明顯少于燃燒煤炭，從而基本上消除了燃氣發(fā)電企業(yè)脫硫、除塵、除灰等環(huán)節(jié)的投資成本和運行成本，更不會產生汞等重金屬污染物。同時，目前主流燃氣輪機供應商所提供的燃氣發(fā)電機組，均采用干式低排放技術（DLE），能夠顯著降低機組的氮氧化物排放水平，在不使用SCR等額外脫硝技術的情況下，即已可滿足氮氧化物排放國家標準的要求;根據(jù)江蘇省《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》征求意見稿的結論，投運SCR后的氮氧化物排放強度甚至可降至每立方米15毫克以內。

天然氣發(fā)電在能耗方面也處于領先地位。根據(jù)《發(fā)電雜志》（POWER Magazine）的報道，當前最先進的H級燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組，熱效率已經可以達到63%～64%。如果使用主流的F級燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組的實際運行數(shù)據(jù)計算，度電氣耗約為0.18立方米，折合標煤為210克，約是燃煤發(fā)電當前平均度電煤耗的2/3。再者，度電燃料重量的顯著降低也會減少電力燃料通過海運或陸運時的能耗水平，同樣達到節(jié)能減排的目的。

2 我國天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀和展望

2021年1月，東莞深能樟洋電力公司擴建項目首套機組168小時滿負荷試運的順利結束，標志著我國燃氣發(fā)電裝機容量突破1億千瓦，在我國總裝機容量中占比約為4.5%。根據(jù)中電聯(lián)《2020年全國電力工業(yè)統(tǒng)計快報數(shù)據(jù)一覽表》的統(tǒng)計，2020年年末，我國燃氣發(fā)電裝機容量為9802萬千瓦，占火電裝機容量124517萬千瓦的7.9%，占總裝機容量220058萬千瓦的4.45%。2020年，我國氣電發(fā)電量為2485億千瓦時，占火電發(fā)電量51743億千瓦時的4.8%，占總發(fā)電量76236億千瓦時的3.3%。以上數(shù)據(jù)與國家發(fā)展改革委《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中的“2020 年氣電裝機規(guī)模達到1.1億千瓦”相比，雖然未實現(xiàn)既定目標，但與“十二五”末我國燃氣發(fā)電裝機容量5700萬千瓦相比，容量增幅達到了72%。

但是，度電燃料成本依舊是制約我國氣電發(fā)展的重要因素。2020年，火電裝機容量占總裝機容量的56.6%，但火電發(fā)電量占總發(fā)電量的占比達到67.9%;與之形成對比的是，燃氣發(fā)電4.45%的裝機容量占比，對應的發(fā)電量占比只有3.3%，說明相較火電整體而言，燃氣發(fā)電利用率偏低。通過實際運行數(shù)據(jù)計算，天然氣價格折算出的標煤單價達到了動力煤標煤單價的2倍，與當前JKM天然氣現(xiàn)貨價格和動力煤價格的比例基本相符，意味著燃氣發(fā)電度電燃料成本相較燃煤發(fā)電高出近30%。

即便如此，電力行業(yè)內部對于天然氣發(fā)電的前景還是樂觀的。在2021年經濟形勢與電力發(fā)展分析預測會上，中電聯(lián)提出要加快構建新型電力系統(tǒng)，積極推進氣電電源的開發(fā)，預計2025年、2030年、2035年，全國氣電裝機分別達到1.5億、2.35億、3億千瓦。

總體來看，天然氣發(fā)電在十年內的主要發(fā)展驅動力有以下幾個方面：

一是在“雙碳”目標的驅動下，必須找到一種安全可靠的低碳清潔電源來支撐逐年增長的電力需求量。天然氣發(fā)電具有前文所述的碳排放強度低、燃燒效率高、燃燒后污染物少等諸多優(yōu)點，同時具備了新能源電源無法比擬的可調度性，即可用于基本負荷，也可利用其高爬坡率進行調峰，是最適合的選擇之一。

二是我國天然氣運輸系統(tǒng)正在快速發(fā)展，有助于提高國內天然氣燃料保供控價的能力。隨著國家管網集團正式成立，一個上游油氣資源多主體多渠道供應、中間統(tǒng)一管網高效集輸、下游銷售市場充分競爭的“X+1+X”油氣市場體系逐步形成，將有助于提高天然氣管道運輸?shù)母采w程度，擴大新建燃氣電廠的選址范圍，同時增加管道運輸?shù)墓叫?，最終降低終端用戶的運輸成本。此外，根據(jù)國際天然氣聯(lián)盟（IGU）《全球液化天然氣報告（2021）》（World LNG Report）的數(shù)據(jù)，我國液化天然氣的年接收能力已超過8300萬噸，相當于全國天然氣年消費量的近1/3，年增長率接近10%。進口液化天然氣與國產氣、進口管道氣共同構建了我國氣源的多樣性，能夠有效加強國內天然氣供應的保障能力，進而穩(wěn)定天然氣價格。

三是天然氣發(fā)電技術尚存在減碳空間。根據(jù)《發(fā)電雜志》的報道，GE目前向市場提供的H級燃氣輪機能夠燃燒15%至20%體積比例的氫燃料，并且具備燃燒100%氫燃料的升級能力;而三菱已完成燃燒30%體積比例氫燃料的試驗，透平進口溫度達到1600℃，等效聯(lián)合循環(huán)出力達到700兆瓦，實現(xiàn)了10%的碳排放強度減少量。除了在傳統(tǒng)燃氣輪機上摻燒氫燃料以外，天然氣發(fā)電領域還產生了一些更前沿的碳減排技術。例如，Allam循環(huán)是一種在高純度氧氣中燃燒天然氣，并以高壓二氧化碳流體作為工質的近零排放天然氣發(fā)電方式。該技術路線通過空氣分離器提取空氣中的氧氣，與天然氣混合后燃燒加熱純二氧化碳進氣至超臨界狀態(tài)，并用該流體驅動透平進行發(fā)電，在幾乎不產生氮氧化物等污染物的同時，排放的高純度二氧化碳還能極大降低碳捕集利用的難度。目前，全球有多個使用該技術路線的百兆瓦量級項目處于籌備狀態(tài)，預期系統(tǒng)效率將高于加裝碳捕集設備的傳統(tǒng)燃氣發(fā)電機組。

3 結語

我國近7成的發(fā)電量來自燃煤發(fā)電，利用燃氣發(fā)電對燃煤發(fā)電進行替代是碳達峰的一種可行路線。雖然從燃料成本上考慮，目前燃氣發(fā)電還無法和燃煤發(fā)電看齊，但國家生態(tài)環(huán)境部《2019—2020年全國碳排放權交易配額總量設定與分配實施方案（發(fā)電行業(yè)）》明確指出，“為鼓勵燃氣機組發(fā)展，在燃氣機組配額清繳工作中，當燃氣機組經核查排放量不低于核定的免費配額量時，其配額清繳義務為已獲得的全部免費配額量”，意味著碳排放權成本的引入將重新量化燃氣發(fā)電和燃煤發(fā)電變動成本的比較關系，而當前每噸二氧化碳50元左右的價格將會有效降低兩者之間的差距。這些都將進一步推動天然氣發(fā)電在我國的發(fā)展，提升其在“十四五”構建現(xiàn)代能源體系工作中的作用，從而為全面建設社會主義現(xiàn)代化國家提供清潔低碳、安全高效的電力能源保障。

（作者張一瑄工作單位為中國大唐集團有限公司燃料事業(yè)部）