牛 剛
上海市節(jié)能減排中心有限公司
煤電是上海市的主力電源類型,截至2019 年底,上海市電源總裝機(jī)容量2 655 萬(wàn)kW,其中煤電裝機(jī)容量1 499萬(wàn)kW,占比約56%,詳見(jiàn)圖1。
圖1 上海市電源裝機(jī)構(gòu)成
截至2019 年底,上海市共有41 臺(tái)燃煤機(jī)組。從機(jī)組用途屬性而言,其中公用燃煤機(jī)組26 臺(tái),企業(yè)自備燃煤機(jī)組15臺(tái)。從機(jī)組參數(shù)而言,超臨界參數(shù)及以上機(jī)組10臺(tái),超臨界參數(shù)以下機(jī)組31臺(tái);30萬(wàn)kW 以上機(jī)組14 臺(tái),容量812 萬(wàn)kW、30 萬(wàn)kW 及以下機(jī)組27 臺(tái)。從機(jī)組服役年限而言,2035 年前到齡機(jī)組32 臺(tái),裝機(jī)容量836 萬(wàn)kW(其中公用18臺(tái),裝機(jī)容量680萬(wàn)kW)。
近三年上海市燃煤電廠運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。此外,至2018年底,上海市所有燃煤機(jī)組均已完成超低排放改造,達(dá)到燃機(jī)排放限值要求。
上海市內(nèi)電源已形成“5+X”格局,即五大發(fā)電基地(外高橋地區(qū)、石洞口地區(qū)、吳涇-閔行地區(qū)、漕涇地區(qū)、臨港地區(qū))和若干個(gè)調(diào)峰與熱電聯(lián)產(chǎn)電廠。其中,石洞口、外高橋地區(qū)、吳涇-閔行和漕涇基地以煤機(jī)為主,臨港以燃機(jī)為主。前四個(gè)以煤電為主的基地現(xiàn)有燃煤機(jī)組裝機(jī)規(guī)模分別為508萬(wàn)kW、502 萬(wàn)kW、240 萬(wàn)kW 和200 萬(wàn)kW,共計(jì)1450萬(wàn)kW。
從全球?qū)用婵矗苋驓夂蜃兓?、推?dòng)低碳可持續(xù)發(fā)展以及可再生能源技術(shù)不斷進(jìn)步等多重因素的影響,全球發(fā)電結(jié)構(gòu)即將發(fā)生實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變,可再生能源的重要性持續(xù)提升。據(jù)BP 公司預(yù)測(cè),到2040 年,煤炭發(fā)電的比例顯著降低,作為一次能源將被可再生能源超越,其間可再生能源占發(fā)電增量的60%,進(jìn)而達(dá)到全球發(fā)電量的約30%[1]。
從發(fā)達(dá)國(guó)家看,部分發(fā)達(dá)國(guó)家正著力推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源向低碳綠色能源轉(zhuǎn)型,歐洲各國(guó)政府相繼列出煤電退出的時(shí)間表。如德國(guó)宣布將最遲于2038 年徹底放棄煤電(2018 年煤電裝機(jī)占比25.5%),英國(guó)決定在2025年前關(guān)閉所有煤電設(shè)施,芬蘭及荷蘭打算到2030年全面禁止使用煤炭發(fā)電。
表1 上海市燃煤電廠近三年運(yùn)行情況
從地區(qū)對(duì)標(biāo)看,以東京都為例,該區(qū)域上世紀(jì)80 年代末的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與上海目前的發(fā)展水平相近。該區(qū)域電力由東京電力公司提供,其電力裝機(jī)主要有如下特點(diǎn):一是公司旗下火電廠幾乎全部分布在東京灣區(qū)域,靠近化工、鋼鐵等大用戶;二是公司火電以燃?xì)鈾C(jī)組為主,煤電裝機(jī)占比僅6.3%;三是機(jī)組效率較高,從2003年的45.4%逐步提升至2018 年的49.7%,而上海市2019 年煤電機(jī)組發(fā)電熱效率為42.07%,相差7 個(gè)百分點(diǎn)左右;四是從重點(diǎn)發(fā)展核電轉(zhuǎn)向重點(diǎn)發(fā)展可再生能源發(fā)電,提出2030 年之前開(kāi)發(fā)可再生能源發(fā)電裝機(jī)(不含水電)達(dá)到600萬(wàn)~700萬(wàn)kW的目標(biāo),而核電將適度恢復(fù)發(fā)展[2]。
1)從供需上看,電力消費(fèi)持續(xù)回暖,局部地區(qū)供需趨緊。2018 年全社會(huì)用電量達(dá)到68 449 億kWh,近3年年均增長(zhǎng)率達(dá)到7.2%。依據(jù)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院預(yù)測(cè),“十三五”后期全國(guó)電力供應(yīng)保障整體充足,但河北、江蘇、浙江等省電力供需趨緊。受控煤政策、周邊省市供電形勢(shì)影響及今后可再生能源配額制的實(shí)施,上海市長(zhǎng)期穩(wěn)定地獲得經(jīng)濟(jì)的市外來(lái)電困難將加大。
2)從結(jié)構(gòu)上看,電力生產(chǎn)向清潔低碳方向大力轉(zhuǎn)變。我國(guó)大氣污染防治力度加強(qiáng),生態(tài)與環(huán)保剛性約束進(jìn)一步趨緊,可再生能源平價(jià)上網(wǎng)及儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)改變傳統(tǒng)以火電為主的電源結(jié)構(gòu)。就上海市而言,未來(lái)上海市本地裝機(jī)提升運(yùn)行靈活性、增強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)成為必然選擇。此外,市內(nèi)電源除約200萬(wàn)kW裝機(jī)規(guī)模的自備電廠需面臨升級(jí)改造,至2035年還有超過(guò)800萬(wàn)kW公用煤電機(jī)組面臨到齡,這些機(jī)組的到期轉(zhuǎn)型的路徑問(wèn)題也面臨抉擇。
3)從煤電轉(zhuǎn)型方向上看,未來(lái)煤電仍將作為我國(guó)重要的基礎(chǔ)電源長(zhǎng)期存在?!赌茉瓷a(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016-2030年)》認(rèn)為:“煤炭是我國(guó)主體能源和重要工業(yè)原料,支撐了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,還將長(zhǎng)期發(fā)揮重要作用。煤電領(lǐng)域要推廣先進(jìn)的能效標(biāo)準(zhǔn),加快現(xiàn)役機(jī)組升級(jí)改造,建立世界最清潔的煤電體系?!睆拈L(zhǎng)遠(yuǎn)看,資源稟賦決定了煤電仍將長(zhǎng)期作為我國(guó)的主力電源存在,實(shí)現(xiàn)煤電的清潔高效轉(zhuǎn)型發(fā)展是我國(guó)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要任務(wù)。
1)煤電未來(lái)發(fā)展空間受限。從結(jié)構(gòu)上看,目前上海本地煤電裝機(jī)與最高電力負(fù)荷的比例約為48%,其他一線城市北京已經(jīng)實(shí)現(xiàn)煤電零裝機(jī)目標(biāo),廣州煤電占比約13.2%,長(zhǎng)三角重點(diǎn)城市杭州為15%[3],上海明顯高于其他重點(diǎn)城市,在電力結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型的大背景下,過(guò)高的燃煤裝機(jī)占比將對(duì)上海未來(lái)燃煤機(jī)組發(fā)展規(guī)模設(shè)定天花板。
2)經(jīng)營(yíng)壓力持續(xù)加大。近年來(lái),受煤炭去產(chǎn)能導(dǎo)致燃料成本上漲、用電量增長(zhǎng)放緩且外來(lái)電量擠壓影響,上海市煤電量?jī)r(jià)齊跌,相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)顯著下滑。受制于上海市能源資源的稟賦,燃煤機(jī)組燃料全由外部供應(yīng),當(dāng)前國(guó)際及國(guó)內(nèi)能源資源價(jià)格波動(dòng)加大,煤炭等燃料價(jià)格的波動(dòng)將傳導(dǎo)至發(fā)電企業(yè)。
3)技術(shù)水平有待提高。目前上海市在運(yùn)的亞臨界以下煤電機(jī)組占上海煤電裝機(jī)比例約為44.5%,對(duì)比周邊省份如江蘇、浙江、安徽、福建分別約為36.6%、19.2%、14.7%和12.5%,上海市低參數(shù)煤機(jī)占比較大,機(jī)組煤耗偏高,且其中大部分機(jī)組屬于即將到齡機(jī)組,存在一定的故障風(fēng)險(xiǎn)。此外,城市用電峰谷差進(jìn)一步加大,而煤機(jī)最小出力約為30%~40%,尚不具備深度調(diào)峰能力,對(duì)上海市調(diào)峰缺口不能形成有效補(bǔ)充。
4)國(guó)家未來(lái)可能進(jìn)一步提升對(duì)煤電的環(huán)保要求?!笆濉逼陂g,國(guó)家對(duì)存量煤電提出一系列嚴(yán)厲的環(huán)保舉措,包括淘汰煤電落后產(chǎn)能、煤機(jī)超低排放改造、清理規(guī)范自備電廠、啟動(dòng)碳排放交易等。盡管上海市燃煤電廠環(huán)保改造尤其是超低排放取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,常規(guī)大氣污染物的控制已不構(gòu)成對(duì)煤電發(fā)展的關(guān)鍵性約束條件,但未來(lái)對(duì)燃煤機(jī)組的環(huán)保要求仍會(huì)進(jìn)一步加大,如燃煤電廠仍是大氣中汞的主要排放源,燃煤電廠的汞等重金屬排放治理亟須在未來(lái)尋求解決方案[4]。
5)城市規(guī)劃調(diào)整對(duì)相關(guān)煤電提出轉(zhuǎn)型要求?!渡虾J谐鞘锌傮w規(guī)劃(2017-2035 年)》中規(guī)劃了若干戰(zhàn)略留白區(qū)[5],為城市未來(lái)發(fā)展預(yù)留空間。因此城市空間的更新與優(yōu)化將改變上海市現(xiàn)有的電源布局。受上海城市發(fā)展空間資源限制,上海市建設(shè)用地規(guī)模已接近極限,土地供需矛盾突出,因此應(yīng)優(yōu)先充分挖掘現(xiàn)有電源基地空間的供電潛力。
1)煤電裝機(jī)應(yīng)起到支撐電源及靈活調(diào)峰電源的作用。上海電網(wǎng)負(fù)備用問(wèn)題仍將持續(xù),電力供應(yīng)安全恐將無(wú)法保障。從遠(yuǎn)景發(fā)展看,電力及調(diào)峰缺口都將較“十四五”進(jìn)一步增大,如后續(xù)到齡煤電全部關(guān)停,供電安全形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻。在外來(lái)電不確定性增加、新能源技術(shù)尚未完全成熟的背景下,本地煤電裝機(jī)應(yīng)起到支撐電源及靈活調(diào)峰電源的作用。
2)進(jìn)一步加大煤電機(jī)組清潔高效升級(jí)改造。今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),煤炭仍將是我國(guó)能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的基石,煤炭清潔高效利用是能源綠色發(fā)展的必由選擇之一。其中對(duì)原有燃煤電廠進(jìn)行超低排放及能效提升改造、對(duì)到齡機(jī)組實(shí)施“上大壓小”替代正是煤炭清潔利用的手段之一。在上海市的煤炭消費(fèi)已經(jīng)符合國(guó)家相關(guān)政策中提出的“提高發(fā)電用煤占煤炭消費(fèi)比重”的發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,煤電升級(jí)改造也進(jìn)一步有利于上海市控煤任務(wù)的完成。
實(shí)施煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展要兼顧多方因素,較為復(fù)雜,總體而言,應(yīng)堅(jiān)持“安全第一、環(huán)保優(yōu)先、兼顧經(jīng)濟(jì)”的原則來(lái)做好統(tǒng)籌。
1)確保安全,確保城市能源供應(yīng)安全有序。轉(zhuǎn)型升級(jí)既要注重外部資源供應(yīng)安全,也要考慮到調(diào)整后對(duì)全市及區(qū)域供電供氣等能源供應(yīng)體系的沖擊與影響。
2)環(huán)保優(yōu)先,注重滿足目前及未來(lái)將越來(lái)越嚴(yán)格的削減煤炭消費(fèi)總量與污染物排放總量的要求。堅(jiān)持“減煤量、減排量”替代的基本方向。
3)因時(shí)因地制宜,逐步推動(dòng)電源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。按飽和負(fù)荷,上海未來(lái)遠(yuǎn)景年還需增加超過(guò)1 000 萬(wàn)kW 的本地供電能力,在受電通道能力和電網(wǎng)調(diào)峰雙約束下,上海電源的后續(xù)增量宜結(jié)合煤炭、天然氣資源價(jià)格變動(dòng),因時(shí)制宜動(dòng)態(tài)調(diào)整火電中煤機(jī)和燃機(jī)的發(fā)電比例。
4)分步實(shí)施,結(jié)合企業(yè)自身?xiàng)l件與外部實(shí)施條件穩(wěn)步推進(jìn)。根據(jù)企業(yè)的不同特點(diǎn),按照“一廠一策”的原則推進(jìn)實(shí)施。對(duì)部分條件較好的機(jī)組先期實(shí)施改造,后續(xù)根據(jù)外部條件落實(shí)情況按照規(guī)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn)逐步實(shí)施。
對(duì)2035 年上海市煤電基地優(yōu)化調(diào)整擬定三個(gè)發(fā)展策略,其中漸進(jìn)轉(zhuǎn)型策略基本延續(xù)現(xiàn)有模式,以新建清潔高效機(jī)組替代到齡煤機(jī);備選策略在漸進(jìn)轉(zhuǎn)型策略的基礎(chǔ)上,部分采用燃機(jī)或創(chuàng)新示范發(fā)電技術(shù)來(lái)替代到齡機(jī)組;激進(jìn)轉(zhuǎn)型策略對(duì)標(biāo)發(fā)達(dá)國(guó)家煤電轉(zhuǎn)型路徑,煤電裝機(jī)占比迅速下降、煤炭消費(fèi)持續(xù)減少。
該策略主要是采用“等容量、減煤量”方式替代到齡機(jī)組。
公用電廠方面,到2035 年,石洞口基地中的石洞口一廠采用2 臺(tái)65 萬(wàn)kW 高效煤機(jī)替代,石洞口二廠一期120 萬(wàn)kW 在原址采用等容量煤機(jī)替代;外高橋基地的外高橋一廠共計(jì)128萬(wàn)kW在原址采用等容量替代;吳涇基地的三家電廠共計(jì)240 萬(wàn)kW,在其他發(fā)電基地以異地新建的方式建設(shè)等容量煤機(jī)。長(zhǎng)興島熱電廠以“以熱定電”的原則實(shí)施燃機(jī)改造。自備電廠方面,到2035年,寶鋼除資源消納機(jī)組外,采用外來(lái)電和燃機(jī)替代;上海石化保留部分燃煤背壓機(jī)組,在等容量的前提下新建部分燃機(jī)滿足電熱需求;高橋石化自備電廠關(guān)停。
到2035 年,上海市四大煤電基地公用電廠煤電總計(jì)裝機(jī)規(guī)模1 330 萬(wàn)kW。全市自備電廠煤電裝機(jī)為20 萬(wàn)kW,用于替代的燃機(jī)為63 萬(wàn)kW。全市煤電裝機(jī)共計(jì)1 350萬(wàn)kW。
該策略方案的優(yōu)勢(shì):一是可以保證上海市供電安全,在原料供應(yīng)上可以基本延續(xù)現(xiàn)有模式,在運(yùn)行方式上可以通過(guò)實(shí)施深度調(diào)峰來(lái)強(qiáng)化運(yùn)行靈活性;二是具有一定的節(jié)能環(huán)保效益,由于等容量替代采用高效煤機(jī),在電量不變的前提下,同現(xiàn)狀相比用煤總量可壓減原煤700萬(wàn)t,減排方面可減排煙塵320 萬(wàn)t,SO2210 萬(wàn)t,NOx710 萬(wàn)t;三是基本維持現(xiàn)有電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)和成本。
該策略方案的主要劣勢(shì):初步匡算電源改造總投資約240億元,在當(dāng)前的能源價(jià)格政策下,自備電廠實(shí)施清潔能源替代后在經(jīng)濟(jì)性方面會(huì)略為抬高所屬企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本。
該策略主要結(jié)合區(qū)域條件,在策略一的基礎(chǔ)上部分采用燃機(jī)及創(chuàng)新示范發(fā)電技術(shù)替代到齡機(jī)組。
公用電廠方面,石洞口二廠一期和吳涇二廠兩家60 萬(wàn)kW 等級(jí)的煤機(jī)采用燃機(jī)替代。吳涇發(fā)電和吳涇熱電30 萬(wàn)kW 等級(jí)煤機(jī)在其他發(fā)電基地異地新建等容量煤機(jī)(其中部分容量結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求新建IGCC示范機(jī)組)。同時(shí),外高橋二廠、三廠、漕涇電廠均實(shí)施部分污泥摻燒以消納城市廢棄資源。自備電廠方面同策略一。
到2035年,上海市四大煤電基地公用電廠燃煤機(jī)組1 210萬(wàn)kW(參與城市資源協(xié)同處置燃煤機(jī)組約708 萬(wàn)kW),用于替代到齡煤機(jī)的燃機(jī)134 萬(wàn)kW。全市自備電廠煤電裝機(jī)為20萬(wàn)kW,用于替代的燃機(jī)為63萬(wàn)kW。全市煤電裝機(jī)共計(jì)1 230萬(wàn)kW。
該策略方案的優(yōu)勢(shì):一是煤機(jī)裝機(jī)相較現(xiàn)狀下降不多,可以保證上海市供電安全;二是具有一定的節(jié)能環(huán)保效益,用煤總量可壓減原煤900 萬(wàn)t,減排方面可減排煙塵360 萬(wàn)t,SO2400 萬(wàn)t,NOx 350萬(wàn)t;三是基本不抬高社會(huì)用電成本;四是具有一定的創(chuàng)新示范和產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)。
該策略方案的劣勢(shì)同策略一,主要是在當(dāng)前的能源價(jià)格政策下,自備電廠在經(jīng)濟(jì)性方面會(huì)略為抬高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本。
該策略主要是采用燃機(jī)替代到齡煤電機(jī)組。
公用電廠方面,石洞口基地中的石洞口一廠采用2 臺(tái)65 萬(wàn)kW 高效煤機(jī)替代,石洞口二廠一期120萬(wàn)kW采用F或H級(jí)燃機(jī)替代;外高橋基地的外高橋一廠128萬(wàn)kW采用F或H級(jí)燃機(jī)替代;吳涇基地的三家電廠共計(jì)240萬(wàn)kW機(jī)組在其他發(fā)電基地以異地新建的方式建設(shè)F或H級(jí)燃機(jī)。長(zhǎng)興島熱電廠以“以熱定電”的原則實(shí)施燃機(jī)改造。
自備電廠方面基本同策略一,區(qū)別在于上海石化不保留煤機(jī),全部機(jī)組實(shí)施等容量燃機(jī)替代。
到2035 年,上海市四大煤電基地公用電廠煤機(jī)842 萬(wàn)kW,用于替代到齡煤機(jī)的燃機(jī)502 萬(wàn)kW。全市自備電廠煤電裝機(jī)為0 萬(wàn)kW,用于替代的燃機(jī)為83萬(wàn)kW。全市煤電裝機(jī)共計(jì)842萬(wàn)kW。
該策略方案的優(yōu)勢(shì):節(jié)能環(huán)保效益較為明顯,用煤總量可壓減原煤1 270萬(wàn)t,約占上海市年耗煤總量的29.5%(以2019年水平測(cè)算);減排方面可減排煙塵400 萬(wàn)t,SO2886 萬(wàn)t。此外,由于燃機(jī)占地面積小,可釋放土地約2 800畝。
該策略方案劣勢(shì):安全性方面,在氣電綜合安全及資源保障安全方面存在不確定性,實(shí)施燃機(jī)改造后,全市煤電降到840萬(wàn)kW,氣電上升至約1 440萬(wàn)kW,對(duì)天然氣的年需求量將新增55億m3,氣電成為主力電源導(dǎo)致對(duì)天然氣的保障更為剛性、調(diào)節(jié)更為困難;經(jīng)濟(jì)性方面,在當(dāng)前的能源價(jià)格政策下,氣電運(yùn)營(yíng)成本若傳導(dǎo)至用戶側(cè)將會(huì)助推上海市終端用戶用電成本約40億元/年。
綜合對(duì)比上述煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的三個(gè)策略方案,安全性方面策略一(漸進(jìn)轉(zhuǎn)型策略)最優(yōu),在原料供應(yīng)上可以基本延續(xù)現(xiàn)有模式,在運(yùn)行方式上可以通過(guò)實(shí)施深度調(diào)峰來(lái)強(qiáng)化運(yùn)行靈活性,可以較好地保障上海市的供電安全。環(huán)保性方面策略三(激進(jìn)轉(zhuǎn)型策略)最優(yōu),用煤總量及常規(guī)大氣污染物中的煙塵及SO2均有較大幅度的削減,且廢水、廢渣排放量較小。經(jīng)濟(jì)性方面策略一(漸進(jìn)轉(zhuǎn)型策略)最優(yōu),除自備電廠實(shí)施清潔能源替代后在經(jīng)濟(jì)性方面會(huì)略為抬高所屬企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本外,不抬高社會(huì)用電成本。因此,建議按策略一實(shí)施(見(jiàn)表2)。
表2 策略方案綜合對(duì)比
配合城市布局和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,上海市在中長(zhǎng)期應(yīng)進(jìn)一步明確煤電轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑、優(yōu)化已有五大發(fā)電基地布局。各電廠所屬發(fā)電集團(tuán)應(yīng)按照“一廠一策”的原則,提前做好方案儲(chǔ)備與方案比選。為配合上海市煤電基地優(yōu)化調(diào)整,建議控制上海市發(fā)電基地的總體用地規(guī)模不減少,總體布局不作重大調(diào)整。此外,通過(guò)樹(shù)立地區(qū)高效示范機(jī)組,對(duì)國(guó)內(nèi)尤其是上海市的高參數(shù)大容量發(fā)電機(jī)組設(shè)備、重型燃機(jī)、IGCC相關(guān)設(shè)備等高端裝備制造業(yè)、新型材料工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極推動(dòng)作用,從而實(shí)現(xiàn)煤電轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展目標(biāo)和電力供應(yīng)保障目標(biāo)的雙贏。