我國煤電機組延壽及其經(jīng)濟性研究

劉愛國，張健赟，趙樹成，宋秉懋

（1.國家能源集團技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京 102211；2.中國石油大學(xué)（北京）外國語學(xué)院，北京 102249）

立足我國基本國情和發(fā)展階段，煤電一直以來在我國電力結(jié)構(gòu)中占有重要地位，作為電力供應(yīng)的穩(wěn)定器和壓艙石為我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展做出了重要貢獻。為滿足快速增長的用電需求，我國結(jié)合自身資源稟賦和能源結(jié)構(gòu)，建設(shè)了一大批煤電機組，有力地支撐了我國能源供應(yīng)和經(jīng)濟快速穩(wěn)定增長。2020年我國燃煤發(fā)電裝機達到10.8億kW，占全國發(fā)電總裝機容量的49.1%；燃煤發(fā)電量達到 4.6萬億kW·h，占總發(fā)電量的60.8%[1]，煤電裝機和發(fā)電量多年居世界首位。

為應(yīng)對全球氣候變化、著力解決資源環(huán)境約束突出問題，2020年我國提出二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的莊嚴(yán)承諾，并在第十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論、聯(lián)合國生物多樣性峰會、金磚國家領(lǐng)導(dǎo)人第十二次會晤、氣候雄心峰會及2020中央經(jīng)濟工作會議上進一步明確了“3060”碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。雖然我國不斷提升燃煤發(fā)電技術(shù)、降低能耗和污染物排放水平，供電煤耗持續(xù)降低，但由于體量巨大，2020年以煤電為主的電力行業(yè)二氧化碳排放仍占四成以上[2-4]，電力行業(yè)仍然是能源系統(tǒng)碳減排的主力。在碳達峰、碳中和目標(biāo)下，我國存量煤電機組轉(zhuǎn)型發(fā)展迫在眉睫，尤其是隨著我國20世紀(jì)90年代建設(shè)的大批煤電機組進入設(shè)計壽命末期，老舊機組的關(guān)停、延壽改造問題日趨緊迫，這部分機組的發(fā)展策略將對我國保障電力供應(yīng)安全、順利實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)產(chǎn)生重要影響。

1 煤電機組延壽的意義

在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中，煤電機組將逐步由電量型電源向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源并重轉(zhuǎn)型[5]，煤電的發(fā)電量占比將不斷下降?！笆奈濉焙汀笆逦濉币燥L(fēng)電和光伏為主的可再生能源發(fā)展將進入快車道，進入增量電量替代階段[6]。但短期來看，煤電仍將在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中處于不可或缺的地位。我國煤電機組裝機規(guī)模大，近年來節(jié)能環(huán)保投入力度也不斷加大，部分達到設(shè)計壽命的機組設(shè)備狀態(tài)、能耗環(huán)保水平、經(jīng)濟性較好且機組是地區(qū)重要的電網(wǎng)支撐點或熱源點，這些機組進行延壽對于保障我國電力供應(yīng)安全、高質(zhì)量完成碳達峰、碳中和目標(biāo)意義重大。

1.1 保障我國電力供應(yīng)安全的需要

短期來看，我國儲能的規(guī)模尚難以抵消風(fēng)電、光伏發(fā)電的間歇性、波動性對電網(wǎng)的影響。近年來迎峰度夏、迎峰度冬、極端天氣保供壓力不斷增加。據(jù)預(yù)測“十四五”期間國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域最大負(fù)荷將在2025年達到13億kW，最大日峰谷差率將增至35%，最大日峰谷差達到4億kW，電力系統(tǒng)調(diào)峰壓力進一步增大[7]。在“十四五”嚴(yán)控新建煤電 項目的背景下，充分發(fā)揮存量煤電機組保障高峰負(fù)荷將成為保障我國電力供應(yīng)安全的有效手段。 2021年美國得州停電事件和歐洲能源危機中，新能源穿透率上升導(dǎo)致系統(tǒng)有效容量不足是影響電力系統(tǒng)可靠性的原因之一[8-9]。為保障電力供應(yīng)安全，根據(jù)國內(nèi)不同機構(gòu)預(yù)測，2030年前后電力系統(tǒng)中煤電裝機約為11億～14億kW[10-13]。因此，煤電仍將在我國電力系統(tǒng)中持續(xù)發(fā)揮壓艙石和穩(wěn)定器的重要作用，兜底保障我國電力供應(yīng)安全和經(jīng)濟發(fā)展。

1.2 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的需要

新型電力系統(tǒng)對系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力提出了更高要求。當(dāng)前我國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力明顯不足，抽水蓄能、燃?xì)獾褥`活調(diào)節(jié)電源比重不足6%[14]，儲能尚未大規(guī)模應(yīng)用。在當(dāng)前技術(shù)條件下，存量煤電調(diào)峰相較于其他調(diào)節(jié)型電源具有明顯的體量和成本優(yōu)勢。存量煤電機組經(jīng)改造提高低負(fù)荷安全運行能力，可以有力保障新能源消納、維護電網(wǎng)安全穩(wěn)定。

目前我國煤電機組設(shè)計壽命為30年，隨著安全、能耗、環(huán)保要求不斷提高，大部分電廠運行期間均經(jīng)過多輪技術(shù)改造，雖然接近設(shè)計壽命期限但機組設(shè)備總體狀態(tài)較好，部分機組能耗水平較好，滿足國家對能耗、環(huán)保的要求。這些機組投資大都已計提完畢，運行成本低，按期關(guān)停將造成巨大的資源和資金浪費，同時可能帶來地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展、電力供應(yīng)安全、人員就業(yè)安置等一系列問題。我國特有的資源稟賦決定了煤電產(chǎn)業(yè)與能源安全、社會用能成本、產(chǎn)業(yè)帶動和就業(yè)密切相關(guān)，我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和煤電機組的退出、淘汰不能一蹴而就，需要認(rèn)真謀劃煤電機組延壽和退役策略。

2 國內(nèi)外煤電機組服役年限

2.1 國外煤電機組服役情況

通常煤電機組關(guān)鍵組成部件（如高溫高壓部件等）的安全性能是決定其壽命的重要因素[15]。國外煤電機組關(guān)停主要由于經(jīng)濟和環(huán)保要求等原因，通常壽命遠(yuǎn)超過30年。2018年世界主要國家和區(qū)域的煤電機組壽命情況如圖1所示[16]。由圖1可以看出，美國、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)煤電機組壽命較長。其中，美國67%的煤電機組壽命集中在30～ 50年，歐洲約50%的煤電機組壽命在30～50年。在發(fā)展中國家，煤電機組壽命普遍較為年輕，其中印度約62%的機組壽命小于10年，東南亞約58%的機組壽命小于10年。

根據(jù)美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)[17]，美國75%的現(xiàn)役煤電機組服役時間在35年以上。2011年美國煤電機組裝機為31 760萬kW，2011—2021年約8 870萬kW的煤電機組退役[18]，退役機組平均壽命52年。其中2015年退役煤電機組容量最高達到約1 600萬kW，平均壽命約56年；2021年1—6月，美國煤電機組退役378萬kW，平均壽命約53年。圖2為美國退役煤電機組情況。

2.2 我國煤電機組服役情況

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國目前已形成以300、600、1 000 MW的大型國產(chǎn)機組為主力的發(fā)電系統(tǒng)。通過新建大容量、高參數(shù)（超臨界、超超臨界）煤電機組、關(guān)停小機組和落后機組等手段，我國電力裝機結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，發(fā)電煤耗不斷下降。2021年全國6 000 kW及以上火電廠供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗達到 302.5 g/(kW·h)，電力工業(yè)整體運行狀況已達到世界先進水平[19-21]。

圖3為我國煤電機組運行年限情況。由圖3可見，我國煤電機組，尤其是大容量、高參數(shù)機組運行年限較短，其中約51%的機組運行年限在10～20年，36%的煤電裝機運行不到10年，運行年限小于10年的機組中近一半的機組容量運行年限在5年及以下。隨著我國環(huán)保要求不斷提高，近年來煤電機組在節(jié)能降耗、環(huán)保方面投入力度不斷加大，我國大部分到期機組通過檢修、更換缺陷部件、消除安全隱患后具備在設(shè)計壽命基礎(chǔ)上延壽運行10～15年的能力[22]。

我國煤電機組總體運行年限較短，且主要集中在2000年以后投運。按照30年設(shè)計壽命計算， 2030年前后將是煤電機組壽命到期的高峰期。據(jù)估算，從2021至2030年，按30年設(shè)計壽命估算需退役的煤電機組容量預(yù)測接近1億kW，約占煤電總裝機量的10%[23]。

3 我國煤電機組延壽主要政策

3.1 我國現(xiàn)行煤電機組延壽政策和文件

我國現(xiàn)行火電延壽政策和要求主要包括《電力業(yè)務(wù)許可證管理規(guī)定》（國家電力監(jiān)管委員會令第9號）、《國家能源局關(guān)于印發(fā)亞臨界煤電機組改造、延壽與退役暫行規(guī)定的通知》（國能電力〔2015〕332號）、《國家能源局關(guān)于加強發(fā)電企業(yè)許可監(jiān)督管理有關(guān)事項的通知》（國能資質(zhì)〔2016〕351號）等。對于火電機組的壽命評估主要依據(jù)《火電機組壽命評估技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 654—2009），針對管道及壓力容器壽命評估主要依據(jù)《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評估技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 940—2005）、《電站鍋爐主要承壓部件壽命評估技術(shù)導(dǎo)則》（GB/T 30580—2014）、《水管鍋爐 第4部分：受壓元件強度計算》（GB/T 16507.4—2013）、《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T 438—2016）等。

根據(jù)《國家能源局關(guān)于印發(fā)亞臨界煤電機組改造、延壽與退役暫行規(guī)定的通知》文件，運行期滿30年或20萬h的亞臨界煤電機組，經(jīng)延壽改造、安全評估后，300、600 MW級機組一般可延長10～ 15年服役期限。2016年12月，《國家能源局關(guān)于 加強發(fā)電企業(yè)許可監(jiān)督管理有關(guān)事項的通知》再次明確，煤電機組應(yīng)按照國能電力〔2015〕332號文件有關(guān)要求，在申請延續(xù)運行時須提供經(jīng)延壽改造、安全評估的有關(guān)證明材料，派出能源監(jiān)管機構(gòu)按照證明材料中明確的時限準(zhǔn)予其延續(xù)運行。

隨著煤電機組延壽工作日益緊迫，一些地方政府也出臺了煤電延壽相關(guān)政策。山東省于2017年發(fā)布《關(guān)于做好設(shè)計壽命期滿發(fā)電機組延續(xù)運行工作的通知》，明確了火電機組延壽的條件。其中，單機50 MW以下的常規(guī)小火電機組、發(fā)電為主的燃油發(fā)電機組、單機容量100 MW及以下的常規(guī)燃煤火電機組、單機容量200 MW及以下未實施供熱改造的常規(guī)燃煤機組在壽命期滿后不再延續(xù)運行。

江蘇省于2015年12月正式發(fā)布了《江蘇省亞臨界煤電機組改造、延壽與退役暫行辦法》。2020年11月30日，國家能源局江蘇監(jiān)管辦公室、江蘇省能源局出臺《關(guān)于設(shè)計壽命期滿燃煤發(fā)電機組延續(xù)運行有關(guān)事項的通知》（蘇監(jiān)能資質(zhì)〔2020〕116號），明確300 MW及以上燃煤機組壽命期滿符合條件可延續(xù)運行，并對相關(guān)燃煤發(fā)電機組申請延壽的主要條件、標(biāo)準(zhǔn)和要求、申請及審查進行了規(guī)定。其中，延壽的主要條件包括：1）符合地方政府電力、熱力等相關(guān)規(guī)劃，具備供熱能力；2）機組污染物排放達 到國家和地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)設(shè)區(qū)市生態(tài)環(huán)境主管部門同意；3）機組能耗、水耗符合標(biāo)準(zhǔn)；4）機組滿足安全運行要求；5）符合國家和省級有關(guān)燃煤發(fā)電機組延壽政策，未納入國家或地方政府淘汰落后或關(guān)停計劃。

從山東省和江蘇省的延壽辦法可以看出，除依法合規(guī)、安全、環(huán)保等硬性要求外，單機容量大小、是否供熱都成為延壽的重要因素?？傮w來看，我國煤電機組針對具體設(shè)備壽命定量評估有標(biāo)準(zhǔn)可循，但對于是否延壽的標(biāo)準(zhǔn)和延壽運行相關(guān)政策仍需進一步完善。隨著“十四五”期間大量煤電機組到期，亟待出臺煤電機組延壽頂層設(shè)計方案、完善壽命評估的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，明確機組延壽條件、延壽年限、延壽改造技術(shù)路線及延壽后機組定位等一系列問題。

3.2 我國已獲得延壽機組情況

隨著近年我國部分煤電機組運行年限接近或達到30年，不少煤電企業(yè)已經(jīng)完成或正在進行延壽改造工作。2019—2021年部分獲準(zhǔn)延壽的火電機組見表1[24-25]。由表1可見，目前準(zhǔn)許延壽機組中容量主要以300 MW級機組為主，延壽年限在3～15年，其中山東區(qū)域延壽機組數(shù)量最多。

表1 部分獲批延壽的煤電機組（2019—2021） Tab.1 Part of coal-fired power units with life extension approval（2019—2021）

4 煤電機組延壽經(jīng)濟性分析

通常擬延壽電廠在安全評估后需根據(jù)評估情況進行延壽改造，對部分老舊設(shè)備進行補強或更換。為使延壽經(jīng)濟性評價具有普遍參考意義，參考國內(nèi)2×300 MW機組的實際情況和運行數(shù)據(jù)，建立2×300 MW延壽電廠的經(jīng)濟性評價模型，研究延壽年限、延壽改造投資、運行小時數(shù)等對延壽經(jīng)濟效益的影響。擬延壽電廠經(jīng)專業(yè)機構(gòu)進行安全性評價后，主要針對安全評價中存在的部分安全、環(huán)保問題進行改造?；鶞?zhǔn)方案按照改造靜態(tài)投資約 8 000萬元，考慮目前國內(nèi)機組延壽后大都仍按照常規(guī)機組運行，利用小時數(shù)按照3 000 h考慮，含稅上網(wǎng)電價350元/(MW·h)，含稅標(biāo)準(zhǔn)煤價830元/t，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗290 g/(kW·h)，考慮到期延壽機組多為老廠，職工人數(shù)按照500人，人均工資及福利 15萬元/a。

經(jīng)濟評價指標(biāo)主要參考項目的全部投資內(nèi)部收益率（RIRR）。項目收益率是指能使項目計算期內(nèi)凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計等于0時的折現(xiàn)率，即：

式中：CCI為現(xiàn)金流入量；CCO為現(xiàn)金流出量；(CCI-CCO)t為第t期的凈現(xiàn)金流量；n為項目計算期。

全部投資內(nèi)部收益率是從項目投資總盈利能力的角度反映項目本身的盈利水平。當(dāng)收益率大于或等于基準(zhǔn)收益率時，表明項目在財務(wù)上可行。對于火電項目，全投資內(nèi)部基準(zhǔn)收益率（稅前）為8%[26]。對于火電延壽項目，現(xiàn)金收入主要考慮售電收入，現(xiàn)金流出考慮燃料費、水費、材料費、修理費、其他費用、人工工資福利費、折舊費用及財務(wù)費用。

4.1 改造投資對延壽經(jīng)濟性的影響

目前我國對煤電機組延壽年限并沒有統(tǒng)一規(guī)定，已獲得延壽的機組延壽年限在3～15年。從經(jīng)濟性角度來看，在延壽年限一定的情況下，延壽改造投資越大，投資回收年限越長，延壽的經(jīng)濟性也越差。圖4為延壽改造投資對延壽經(jīng)濟性的影響。

由圖4可見：在延壽10年情景下，當(dāng)改造投資為8 000萬元時，收益率為12.29%；當(dāng)改造投資上漲為10 000萬元時，收益率下降為8.86%，經(jīng)濟性尚可；而當(dāng)改造投資達到15 000萬元時，收益率下降為2.70%，此時經(jīng)濟性較差，即延壽改造投資不宜超過10 000萬元。延壽電廠需要在保證機組安全環(huán)保運行條件下，盡可能降低改造投資，以達到要求的收益率水平。同時，在改造投資一定的情況下，延壽年限對經(jīng)濟性也有較大影響。由圖4可以看出，在改造投資8 000萬元水平下，當(dāng)延壽10年時，收益率為12.29%，經(jīng)濟性上可行；當(dāng)延壽8年時，收益率為10.12%；當(dāng)僅延壽5年時，收益率下降為2.98%，此時從經(jīng)濟性方面考慮，需要綜合權(quán)衡延壽和關(guān)停（應(yīng)急備用）方案。

總的來看，機組延壽需要根據(jù)安全性評價結(jié)果，在滿足機組安全和環(huán)保要求的前提下，因地制宜地優(yōu)化改造方案，合理降低改造投資并爭取較長的延壽年限才能使延壽更具經(jīng)濟性。近年部分到役機組尤其是俄制、捷克制機組，受限于投產(chǎn)時的設(shè)計理念和工藝水平，機組安全性和可靠性問題突出，部分機組采用升參數(shù)的跨代升級改造方案，投資高，若不能爭取較長的延壽年限，將難以獲得較好的經(jīng)濟效益。

4.2 運行小時數(shù)對延壽經(jīng)濟性的影響

煤電機組運行小時數(shù)是經(jīng)濟性最重要的影響因素之一。未來，隨著我國加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，新增電量主要由新能源來滿足，煤電發(fā)電量將逐步降低，運行小時數(shù)將不斷下降?？紤]不同延壽年限下，運行小時數(shù)對延壽經(jīng)濟性的影響如圖5所示。

由圖5可見，運行小時數(shù)對延壽經(jīng)濟性的影響 更為敏感。在延壽改造投資8 000萬元、延壽10年的情景下，運行小時數(shù)為3 000 h，收益率為12.29%；當(dāng)運行小時數(shù)下降到2 800 h，收益率下降為5.80%；當(dāng)運行小時數(shù)下降到2 500 h，收益率下降為-6.26%。經(jīng)測算，為達到延壽改造投資8%的收益率要求，若延壽年限為8年，年運行小時數(shù)應(yīng)不低于2 935 h；若延壽年限為5年，則應(yīng)不低于3 150 h。

總的來看，延壽運行后的小時數(shù)對于延壽經(jīng)濟性效益具有非常重要的影響?？紤]雙碳目標(biāo)和煤電定位轉(zhuǎn)變的影響，在煤電機組延壽時需要充分考慮延壽后機組定位、運行方式和小時數(shù)的因素。尤其是國家發(fā)展改革委、能源局《關(guān)于開展全國煤電機組改造升級的通知》（發(fā)改運行〔2021〕1519號）發(fā)布后，若延壽后按照應(yīng)急備用機組運行，采用常態(tài)下停機備用、應(yīng)急狀態(tài)下啟動、頂峰運行后停機運行方式，則機組運行小時數(shù)難以保證，從經(jīng)濟效益分析作為應(yīng)急備用機組的延壽可行性較差。因此對于延壽機組，應(yīng)明確延壽后機組定位和運行方式；對于應(yīng)急備用機組亟需出臺相應(yīng)政策疏導(dǎo)機組消缺改造、運行維護等應(yīng)急備用成本，保證應(yīng)急備用機組可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論與建議

1）短期來看煤電仍將在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)過程中處于不可或缺的地位。隨著我國安全、能耗、環(huán)保要求不斷提高，大部分到役煤電機組總體狀態(tài)較好，滿足國家對能耗、環(huán)保的要求，這些機組延壽具有較好的經(jīng)濟性，可以充分發(fā)揮存量煤電機組的保供和調(diào)節(jié)作用，這是我國存量煤電機組轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要途徑之一。

2）目前我國針對煤電機組延壽政策發(fā)布較早，近年已有部分機組獲得延壽許可，延壽年限在 3～15年。但總的來看，關(guān)于煤電機組延壽的頂層設(shè)計方案、壽命評價與管理體系設(shè)計仍需進一步完善，明確延壽機組條件、延壽年限及延壽后機組定位等一系列重要問題。

3）通過對煤電機組延壽的經(jīng)濟性模型進行分析，機組的延壽年限、改造投資、延壽后運行小時數(shù)都對延壽經(jīng)濟性有較大影響。在滿足機組安全和環(huán)保要求的前提下，應(yīng)根據(jù)安全性評價結(jié)果結(jié)合延壽年限合理降低改造投資，同時需要充分考慮延壽后機組定位、運行方式和小時數(shù)的因素，綜合權(quán)衡延壽和關(guān)停方案，確保機組延壽經(jīng)濟可行。