上海電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略研究

李秀財，陳永剛，曹俊波，夏涼，黃平

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上海電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略研究

李秀財1，陳永剛2，曹俊波1，夏涼3，黃平3

（1．中國華電集團有限公司上海公司，上海市 浦東新區(qū) 200126；2．上海華電奉賢燃機發(fā)電有限公司，上海市 奉賢區(qū) 201403；3．上海市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，上海市 靜安區(qū) 200040）

目前上海負(fù)荷峰谷差日益增大，市外來電規(guī)模增加及新能源優(yōu)先消納等問題要求上海電源裝機具有較強的調(diào)峰靈活性。該文系統(tǒng)地分析了上海用電負(fù)荷特性，并從增強調(diào)峰靈活性角度出發(fā)，對上海電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略和實施方案進行了詳細(xì)分析。研究結(jié)果表明未來上海市內(nèi)電源裝機建設(shè)應(yīng)以建設(shè)增加燃?xì)鈾C組，提高靈活調(diào)峰性能為主。上海缺口容量的燃機替代燃煤機組方案策略包括退役煤機原址建設(shè)燃機，以及城市外圍規(guī)劃燃機電源點?，F(xiàn)有小型煤機中，石洞口發(fā)電廠具備原址燃機替代條件。金山、青浦、嘉定、浦東4個區(qū)域適宜新增燃機替代燃煤機組。

負(fù)荷特性；電源結(jié)構(gòu)；優(yōu)化策略；燃?xì)鈾C組

0 引言

能源作為城市正常運轉(zhuǎn)發(fā)展的重要支撐，面臨著新時代、新形勢下的發(fā)展方向選擇。電力作為能源供應(yīng)體系中的重要環(huán)節(jié)，不僅在消費側(cè)比重越來越高，而且在供給側(cè)與眾多一次能源發(fā)生關(guān)聯(lián)，合理的電源供應(yīng)體系將是構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分。

隨著城市和社會發(fā)展水平的提升，上海市用電負(fù)荷中空調(diào)負(fù)荷占比高，負(fù)荷波動性強且用電峰谷差較大。同時，市外來電規(guī)模日益增大，但中期外來電深度參與上海調(diào)峰可能性的預(yù)期仍然較低，上海電網(wǎng)整體調(diào)峰形勢較為嚴(yán)峻。用電負(fù)荷特性的變化，電源建設(shè)思路也需相應(yīng)有所調(diào)整。目前，2017年上海市內(nèi)電源裝機總規(guī)模已達到 2400萬kW，其中煤機規(guī)模約1546萬kW，占比64.4%。電源裝機結(jié)構(gòu)中煤機比重過大限制了調(diào)峰的靈活性。本文從增強上海電源調(diào)峰靈活性角度出發(fā)，對上海電源裝機結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略和實施方案進行了研究。

1 上海用電負(fù)荷特性

隨著上海城市和社會發(fā)展水平的飛速提升，國際化大都市用電負(fù)荷特性愈發(fā)明顯，負(fù)荷特性較為穩(wěn)定的第二產(chǎn)業(yè)用電比例逐步減小，空調(diào)負(fù)荷占比高，負(fù)荷波動性強且用電峰谷差較大。

上海2016—2018年分月最高負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 上海2016—2018年分月最高負(fù)荷曲線

由圖1可見，上海電網(wǎng)各月用電負(fù)荷隨季節(jié)變化呈現(xiàn)“兩峰兩谷”特征，夏季、冬季分別形成2個用電高峰，年度最高負(fù)荷一般出現(xiàn)在夏季的7、8月份；春秋季溫度適宜，空調(diào)負(fù)荷占比較小，形成2個低谷；由于用電負(fù)荷的自然增長，秋季負(fù)荷一般高于春季。文獻[1]針對上海電網(wǎng)日最高負(fù)荷與氣溫靈敏度關(guān)系進行了分析，結(jié)果表明上海電網(wǎng)用電負(fù)荷受氣溫影響較大，呈現(xiàn)明顯的“V”形特性。日最高氣溫在16~26℃，用電負(fù)荷與氣溫關(guān)系較??；最高氣溫超過26℃，最高負(fù)荷隨氣溫升高而增加；最高氣溫低于16℃，最高負(fù)荷隨氣溫降低而增加；夏季高峰期間日最高氣溫每升高1℃，最高負(fù)荷增加約832MW。

可采用季不均衡系數(shù)指標(biāo)衡量上海各月用電負(fù)荷的不均勻程度。季不均衡系數(shù)定義為各月最大負(fù)荷的平均值與年最大負(fù)荷的比值，系數(shù)越小則各月負(fù)荷越不均衡。上海電網(wǎng)2014—2018年季不均衡系數(shù)如表1所示。

由表1可知，上海電網(wǎng)各年的季不均衡系數(shù)基本低于0.80，反映上海電網(wǎng)不同月份的最高負(fù)荷差異較大，且受氣溫影響存在較大波動性。

表1 上海電網(wǎng)2014—2018年季不均衡系數(shù)

上海電網(wǎng)各月用電負(fù)荷不均衡的情況較嚴(yán)重，電力需求溫度敏感性增強，最高負(fù)荷中商業(yè)、工業(yè)以及居民生活中的夏季降溫負(fù)荷已占到最高負(fù)荷的40%~45%，導(dǎo)致用電峰谷差較大[2]。2016年上海統(tǒng)調(diào)最大用電峰谷差已達12287MW，平均日峰谷差達6867MW[1]?？照{(diào)負(fù)荷的持續(xù)增長造成了峰谷差的日益增大，消費側(cè)負(fù)荷需求的波動性，給電網(wǎng)調(diào)峰增加了難度。

除空調(diào)負(fù)荷造成的峰谷差日益增大外，上海市外來電規(guī)模日益增大及未來能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整同樣導(dǎo)致靈活性調(diào)峰壓力增大。上海市外來電規(guī)模不斷擴大，占上海最高電力負(fù)荷的比重越來越高，2016、2017年已突破50%。市外來電的調(diào)峰特性、送電曲線對于上海電網(wǎng)的調(diào)峰平衡影響很大。目前水電直流豐水期“一條直線”的送電方式給上海電網(wǎng)調(diào)峰帶來很大壓力。同時，《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014—2020年)》明確提出“2020年完成非化石能源占一次能源消費比重15%，造成外來電中如水電、核電等必須優(yōu)先全額消納[3]。上海目前不參加調(diào)峰的市外來電規(guī)模達到1000~1100萬kW，已超出基荷水平，直接造成上海受電比例超過50%的時間超過6個月。上海作為重要的受端大用戶之一，未來市外來電規(guī)模有進一步擴大的可能，市外清潔水電等仍將是首要和主要消納對象，中期外來電深度參與上海調(diào)峰可能性的預(yù)期仍然較低，對本地電源靈活性調(diào)峰能力提出了更高的要求。

綜上所述，目前上海負(fù)荷峰谷差日益增大，市外來電規(guī)模增加及新能源優(yōu)先消納等問題要求上海電源具有較強的調(diào)峰靈活性。如何優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)，增加靈活調(diào)峰性能是未來上海市電源裝機亟待研究和解決的問題。

2 上海電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略分析

由第1節(jié)分析可知，增強電源側(cè)調(diào)峰靈活性將是保證上海電力供應(yīng)系統(tǒng)彈性和調(diào)節(jié)能力的有效途徑。通常可通過燃煤機組靈活性改造、建設(shè)燃機、抽水蓄能常規(guī)調(diào)峰電源等措施增強電源側(cè)調(diào)峰靈活性。以下結(jié)合上海能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析上海電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。

目前上海一次能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，存量燃煤機組較多。圖2所示為2017年上海市內(nèi)電源裝機結(jié)構(gòu)，上海市內(nèi)電源裝機總規(guī)模已達到2400萬kW，其中煤機規(guī)模約1546萬kW，占比64.4%，燃機規(guī)模約573萬kW，比重已提升至23.9%，可再生能源發(fā)電規(guī)模約157萬kW，約占6.5%。目前上海市電源結(jié)構(gòu)中煤機占比較大，且低效率機組規(guī)模占比較高。表2所示為2017年上海市內(nèi)燃煤電廠明細(xì)表，低效率燃煤機組占比達到38.4%。上海電網(wǎng)內(nèi)300 MW以上的公用燃煤發(fā)電廠的調(diào)峰能力均可達到60%額定容量，企業(yè)自備電廠根據(jù)各自負(fù)荷特點能提供的調(diào)峰容量不等，在0~40%[4]。但燃煤機組啟動時間長，以300MW燃煤機組為例，其從冷態(tài)啟動到滿負(fù)荷運行大約需要6~10h，靈活性較差，同時受低負(fù)荷穩(wěn)燃條件限制，難以實現(xiàn)深度調(diào)峰[5-7]。上海存量燃煤機組較多，應(yīng)在其壽命期內(nèi)提高效率和利用小時數(shù)保障基本負(fù)荷供應(yīng)，新增調(diào)峰機組不應(yīng)再考慮煤機。

圖2 2017年上海市內(nèi)電源裝機結(jié)構(gòu)

表2 上海市內(nèi)燃煤電廠明細(xì)表

燃機能源效率高、啟動迅速、運行靈活，調(diào)整負(fù)荷速率迅速[8-9]，是理想優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源。簡單循環(huán)燃機可在12min內(nèi)實現(xiàn)全負(fù)荷穩(wěn)定升降，可調(diào)比例為100%[10]。同時，燃機污染物排放指標(biāo)明顯低于煤機。同容量的燃機CO2、NO排放量分別僅為燃煤機組的38%~40%及15%，SO2排放量幾乎為0[11]。以F級燃?xì)鈾C組為例，其NO及CO排放量分別能保持在50mg/m3和20mg/m3以下，遠小于對應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)[12]。因此，燃?xì)鈾C組對于電網(wǎng)抗負(fù)荷沖擊能力、調(diào)峰靈活性以及節(jié)能減排都具有重要意義。天然氣源是燃機發(fā)電的重要支撐因素，上海市主干管網(wǎng)基本建成，截止2018年共建成天然氣高壓主干管道超750km；管道天然氣覆蓋范圍擴大，覆蓋除崇明縣外的16個區(qū)[13]?？傮w來看，上海市已具備了天然氣發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的天然氣管網(wǎng)輸送能力。從氣源格局來看，上海市已構(gòu)建起以西氣東輸和進口LNG(液化天然氣)為主的“+1”天然氣氣源格局，是國內(nèi)氣源結(jié)構(gòu)最為多元化的大城市。從天然氣供應(yīng)角度，上海市燃機建設(shè)具備建設(shè)基礎(chǔ)條件。

抽水蓄能電站相較于燃機調(diào)峰能力更強、運行費用更低，是增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的最佳方 式[14]。但其受地理位置、水力資源等條件限制，上海市無建設(shè)基礎(chǔ)條件。除抽水蓄能、燃機等常規(guī)調(diào)峰電源之外，也出現(xiàn)了一些新的調(diào)峰電源類型，例如蓄電池組、壓縮空氣蓄能調(diào)峰電站、超導(dǎo)、飛輪等，但均尚不具備大規(guī)模應(yīng)用的條件[4]。綜上所述，燃機是最適合上海城市特點、具備靈活調(diào)峰性能的方案。

因此，推進調(diào)峰燃機建設(shè)對于上海電力能源清潔高效利用、增強調(diào)峰靈活性以及促進節(jié)能減排都具有重要意義。

3 上海燃機建設(shè)實施方案

上海市燃機供應(yīng)結(jié)構(gòu)主要分為3部分，如圖3所示。第1部分為現(xiàn)狀燃機資源，包括石洞口燃機、臨港燃機、漕涇熱電、奉賢燃機、奉賢熱電、羅涇燃機等，裝機規(guī)模約為573萬kW。第2部分為已規(guī)劃預(yù)留燃機資源，主要包括臨港發(fā)電基地(增容空間)、閔行燃機電廠(原煤電廠改建燃機)、青浦燃機電廠、崇明燃機電廠、申能奉賢熱電廠、寶山羅涇重型燃機電廠(保障機組120 萬kW)等電源項目。第3部分為缺口容量的燃機支撐，支撐方式又可分為2種，一種為退役煤機原址建設(shè)燃機替代，另一種為城市外圍新規(guī)劃電源點建設(shè)燃機。以下重點就上海缺口容量的燃機建設(shè)實施方案進行分析。

圖3 燃機供應(yīng)結(jié)構(gòu)

3.1 退役煤機原址建設(shè)燃機替代分析

預(yù)計目前上海小型燃煤機組中除寶鋼自備電廠4號機組(35萬kW)須保障寶鋼煤氣安全消納須暫時保留外，其余全部到期停役。退役煤機原址建設(shè)燃機電廠應(yīng)綜合考慮城市總體規(guī)劃布局，避免破壞基本農(nóng)田和生態(tài)環(huán)境保護區(qū)，且應(yīng)具備場地供應(yīng)、氣源接入等條件。

小型燃煤機組中，外高橋電廠廠址緊鄰長江口，并且燃機用地需求小于等容量煤機，建設(shè)燃機的場地和水源條件基本滿足要求，但外高橋電廠無天然氣支撐，由于浦東外環(huán)附近(外高橋段)目前已有各類重大管線，且各系統(tǒng)重大干線布局中均有敷設(shè)需求，已無新增管線通道資源，天然氣干管無法接入，因此不具備燃機原址替代條件，見圖4。

根據(jù)《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》，閔行吳涇地區(qū)定位升級為上海市4個主城片區(qū)之一，總體規(guī)劃要求推動吳涇地區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和空間留白，并預(yù)留大型文化體育設(shè)施空間[15]。吳涇發(fā)電廠所在地區(qū)空間規(guī)劃為戰(zhàn)略留白區(qū)，用地規(guī)劃取消，現(xiàn)狀機組需視城市發(fā)展需要停役或到期停役，因此不具備燃機原址替代條件，見圖5。

圖4 外高橋電廠出口眾多管線

圖5 吳涇發(fā)電廠所在地區(qū)規(guī)劃調(diào)整

石洞口發(fā)電廠廠址緊鄰長江口，并且規(guī)劃 6.0MPa天然氣干管沿北蘊川公路敷設(shè)經(jīng)過電廠門口，寶山羅涇天然氣門站已建成，接受西氣、俄氣天然氣源，建設(shè)燃機的場地和水源條件基本滿足要求，具備燃機原址替代條件，見圖6。

圖6 石洞口發(fā)電廠燃機替代條件

3.2 新建燃機替代燃煤機組方案分析

新增燃機電源點應(yīng)選擇城市外圍地區(qū)進行布置，應(yīng)綜合考慮負(fù)荷需求分布、城市重要地區(qū)、基本農(nóng)田保護、水源氣源電力等一系列限制因素，并適當(dāng)注重電源分布的均衡合理性。燃機電廠選址應(yīng)符合城市總體規(guī)劃布局，避免破壞基本農(nóng)田和生態(tài)環(huán)境保護區(qū)，且盡量靠近負(fù)荷需求區(qū)域并具備場地供應(yīng)、水源氣源接入、電力送出等條件。

1）增量需求分布分析。

根據(jù)總體規(guī)劃用地情況，通過GIS空間建模分析，得出全市用電需求分布圖，如圖7所示?？梢娙兄饕秒娯?fù)荷分布于主城區(qū)、新城、各產(chǎn)業(yè)基地和產(chǎn)業(yè)社區(qū)集中區(qū)。外高橋、石洞口、臨港、漕涇等傳統(tǒng)電源已覆蓋了主要負(fù)荷集中區(qū)，新增燃機電源結(jié)構(gòu)上應(yīng)優(yōu)先考慮負(fù)荷需求覆蓋相對薄弱地區(qū)，適宜選在嘉定、青浦、松江等由新城、產(chǎn)業(yè)基地、產(chǎn)業(yè)社區(qū)構(gòu)成的集中區(qū)，由于松江區(qū)距離黃浦江上游水源地保護區(qū)較近，因此可考慮嘉定、青浦等產(chǎn)業(yè)用地區(qū)。另一方面新增燃機電源也可考慮布局于傳統(tǒng)發(fā)電基地周邊，以實現(xiàn)傳統(tǒng)燃煤機組的就近靈活替代，結(jié)構(gòu)上可考慮上?；^(qū)、外高橋地區(qū)等。

圖7 增量用電需求分布預(yù)測

2）天然氣源接入。

天然氣源是燃機發(fā)電的重要支撐因素，新增燃機電源與天然氣主干管布局密切相關(guān)，根據(jù)《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035)》資料，燃機電廠適宜靠近天然氣主干管周邊區(qū)域布置，將此區(qū)域與全市增量需求分布預(yù)測疊加，見圖8?？沙醪竭^濾出金山、嘉定、青浦、浦東4個結(jié)構(gòu)性區(qū)域。

3）城市總體規(guī)劃布局適宜性。

地塊的現(xiàn)狀和規(guī)劃用地性質(zhì)是燃機電廠選址的重要考慮因素。燃機電廠選址適宜性可分為5類：新增型工業(yè)用地為最適宜，現(xiàn)狀工業(yè)用地為較適宜，現(xiàn)狀倉儲、綠地、林地等為一般，現(xiàn)狀公共基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)設(shè)施、農(nóng)村居住用地為較不適宜，現(xiàn)狀居住用地、商業(yè)辦公用地、基本農(nóng)田、水域最不適宜。評價結(jié)果如圖9所示。

圖8 天然氣管網(wǎng)與增量用電需求分布疊加圖

圖9 基于用地性質(zhì)的適宜性評價

4）電網(wǎng)短路電流影響。

燃機電源輸出電力需并網(wǎng)運行，上海電網(wǎng)為保證運行安全穩(wěn)定，也存在一系列限制和要求，其中短路電流是主要的制約因素，目前上海500kV亭衛(wèi)、遠東、顧路、徐行、黃渡變電站短路電流已超過額定值，站點如再接入新電源，將進一步加劇系統(tǒng)短路電流(一般1臺300MW機組貢獻2kA，1臺600MW機組貢獻4kA)，將此區(qū)域與全市增量需求分布預(yù)測疊加(如圖10)，可以看出青浦區(qū)域附近無短路電流問題，其余金山、嘉定、浦東3個區(qū)域附近電網(wǎng)短路電流均超標(biāo)，而500kV亭衛(wèi)-遠東線路正在加裝串聯(lián)電抗器，外高橋電廠120萬kW煤機將異地置換，因此目前金山、浦東區(qū)域電網(wǎng)短路電流未來存在下降的趨勢，新增燃機電源可視具體情況與電網(wǎng)開展同步協(xié)調(diào)。

圖10 上海電網(wǎng)短路電流制約點

綜合考慮以上影響因素，初步判斷金山、青浦、嘉定、浦東4個區(qū)域適宜新增燃機電源替代燃煤機組，具體可根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況開展相關(guān)落地方案。

4 結(jié)論

1）上海用電負(fù)荷峰谷差日益增大，市外來電規(guī)模日益增大，且受新能源優(yōu)先消納等因素影響，保障基本負(fù)荷需求，增加靈活調(diào)峰性能是未來上海市內(nèi)電源裝機建設(shè)的思路和方向。

2）燃機機組啟動迅速、運行靈活、污染物排放指標(biāo)優(yōu)異，未來上海市內(nèi)電源裝機建設(shè)應(yīng)以建設(shè)增加燃機機組，替代存量燃煤機組，提高靈活調(diào)峰性能為主。

3）上海缺口容量的燃機替代燃煤機組方案策略包括退役煤機原址建設(shè)燃機替代及城市外圍新規(guī)劃電源點建設(shè)燃機?，F(xiàn)有小型燃煤機組中，石洞口發(fā)電廠具備原址燃機替代條件。金山、青浦、嘉定、浦東4個區(qū)域適宜新增燃機電源替代燃煤機組。

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Research on Optimization Strategy of Power Supply Structure in Shanghai

LI Xiucai1, CHEN Yonggang2, CAO Junbo1, XIA Liang3, HUANG Ping3

(1.China Huadian Corporation Shanghai Branch, Pudong District, Shanghai 200126, China; 2. Shanghai Huadian Fengxian Gas Turbine Power Generation Corporation LTD, Fengxian District, Shanghai 201403, China; 3.Shanghai Urban Plannning and Design Research Institute, Jing’an District, Shanghai 200040, China)

The increasing peak-valley load difference, the increasing scale of external power and the priority of new energy consumption in Shanghai required the flexibility of peak load regulation. In this paper, the characteristics of Shanghai power load were analyzed systematically, and the optimization strategy and implementation scheme of Shanghai power supply structure were analyzed in detail from the perspective of enhancing the flexibility of peak load regulation. The results show that the installation of power supply in Shanghai in the future should focus on increasing gas turbine generating unit and improving peak load regulation performance. The strategy of replacing coal-fired generating units with gas turbine for Shanghai's gap capacity consists of the construction of gas turbine at the original site of retired coal machine and the planning construction of gas turbine power points in the city's outskirts. Shidongkou power plant had the construction condition of gas turbine at the original site of existing small coal-fired power plants. Jinshan, Qingpu, Jiading, and Pudong are suitable for the new gas turbine construction.

power load characteristics;power structure; optimization strategy; gas turbine

10.12096/j.2096-4528.pgt.18248

2018-10-20。

李秀財(1962)，男，碩士，高級工程師，從事發(fā)電產(chǎn)業(yè)管理工作，xiucai-li@chd.com.cn。

李秀財

(責(zé)任編輯 車德競)