基于火電廠靈活性改造的經(jīng)濟(jì)性研究★

曹源平， 胡 洋

（長(zhǎng)春工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)[1]，截止2022 年全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)256 405 萬(wàn)kW。其中，火電裝機(jī)容量133 239 萬(wàn)kW，占總裝機(jī)容量51.96%，較2021 年總占比下降2.59%。依據(jù)國(guó)家新能源發(fā)展目標(biāo)，2030 年我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模要達(dá)到或超過12 億kW，標(biāo)志著2030 年風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源裝機(jī)水平要達(dá)到2020 年的2～3 倍。隨著電力系統(tǒng)中風(fēng)電、太陽(yáng)能裝機(jī)比重將逐漸提高，電力系統(tǒng)將面臨調(diào)峰資源不足、靈活性資源短缺的局面[2-4]。

基于此遠(yuǎn)景目標(biāo)，火電廠參與調(diào)峰將承擔(dān)更為關(guān)鍵的任務(wù)。本文將基于結(jié)合火電廠靈活性改造的項(xiàng)目實(shí)際，對(duì)相關(guān)影響因素識(shí)別和完成結(jié)果分析，結(jié)合實(shí)際環(huán)境找到符合“三北”（華北、東北、西北）地區(qū)火電廠的合理改造方式。

1 火電機(jī)組靈活性改造的意義

1.1 助力新能源消納

火電廠的靈活性改造是實(shí)現(xiàn)未來高比例新能源并網(wǎng)消納與新能源戰(zhàn)略發(fā)展的關(guān)鍵需求，而目前我國(guó)龐大的火電市場(chǎng)標(biāo)志火電廠的相關(guān)改造具有廣闊的市場(chǎng)前景與發(fā)揮重要作用，同時(shí)未來火電廠改造的長(zhǎng)期目標(biāo)與發(fā)展前景是火電廠的靈活性改造使火電廠參與調(diào)峰。文獻(xiàn)[5]中指出在東北地區(qū)電源過剩的現(xiàn)狀中，具備調(diào)峰能力是更為稀缺的資源，其商品價(jià)值遠(yuǎn)高于發(fā)電能力，突顯了電力系統(tǒng)靈活性改造的重要性。文獻(xiàn)[6]中詳細(xì)梳理各省電力輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)情況與各地火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施情況，展現(xiàn)了目前電力系統(tǒng)靈活性改造已經(jīng)在各地大規(guī)模推廣實(shí)施。文獻(xiàn)[7]中直觀地闡述了東北地區(qū)在火電靈活性改造逐年完成的過程中，東北地區(qū)棄風(fēng)情況有了大幅度改善，同時(shí)介紹了東北各大企業(yè)均積極投入了改造之中。文獻(xiàn)[8]中描述了京津冀地區(qū)能源發(fā)展中面臨著巨大挑戰(zhàn)，對(duì)靈活性能源的需求提出了更高的要求。因此火電機(jī)組的靈活性改造發(fā)揮著關(guān)鍵作用與承擔(dān)了重大責(zé)任。

1.2 增強(qiáng)供熱與熱電解耦

在冬季，我國(guó)北方城市氣候寒冷，供熱是保障民生的重要任務(wù)。在供暖期中，電力系統(tǒng)在參與新能源消納的任務(wù)中，肩負(fù)了保障電力供應(yīng)的重要任務(wù)[9-11]。目前多數(shù)地區(qū)供熱措施仍采用燃煤為主，熱電聯(lián)產(chǎn)是提供供熱的重要形式。2020 年熱電廠在供熱能力和供熱總量中分別占到88.52%、88.96%；在熱水供熱方面，熱電廠在供熱能力和供熱總量中分別占50.9%和56.64%，均占較大比重。但熱電聯(lián)產(chǎn)在一定程度上限制了火電廠的靈活性，熱電解耦的目的是為了解決在供熱期內(nèi)，機(jī)組在“以熱定電”的運(yùn)行方式下造成的電負(fù)荷和熱負(fù)荷之前的矛盾。在保證穩(wěn)定供熱的前提下，能極大地降低機(jī)組電負(fù)荷，提高煤電機(jī)組調(diào)峰能力。

火電廠在進(jìn)行靈活性改造過程中因建廠環(huán)境有所差異、機(jī)組運(yùn)行特征不同、機(jī)組所需改造目標(biāo)各有差別，這將導(dǎo)致機(jī)組靈活性改造的經(jīng)濟(jì)性形成了極大差異，因此本文將著重研究承擔(dān)供熱任務(wù)較大的“三北”地區(qū)火電廠靈活性改造的相關(guān)內(nèi)容，以減小經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)誤差，更好地為后續(xù)改造的進(jìn)行提供參考，助力市場(chǎng)布局。

2 火電靈活性改造的經(jīng)濟(jì)性識(shí)別方法與評(píng)價(jià)方法

2.1 成本和收益的識(shí)別方法

國(guó)家能源局修訂發(fā)布的《電力輔助服務(wù)管理辦法》《東北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則》，被認(rèn)為是解決電力系統(tǒng)靈活性改造的成本補(bǔ)償問題的根本指導(dǎo)，為加快傳統(tǒng)機(jī)組的靈活性改造提供了重要支持與推動(dòng)。

目前，火電廠靈活性改造的目標(biāo)主要為機(jī)組快速啟停、增加調(diào)峰能力。而參與調(diào)峰改造的相關(guān)技術(shù)主要為供給側(cè)向下靈活性改造，采用較多的分為電鍋爐蓄熱改造項(xiàng)目、切割低壓氣缸改造項(xiàng)目、啟停改造技術(shù)、汽輪機(jī)旁路供熱改造項(xiàng)目、吸收式熱泵改造項(xiàng)目等。

火電廠調(diào)峰靈活性改造的成本主要為顯性成本與隱性成本兩種。顯性成本：前期技術(shù)改造成本、參與調(diào)峰服務(wù)時(shí)所放棄的發(fā)電量、后期運(yùn)行時(shí)所帶來的成本增量；隱性成本：設(shè)備進(jìn)行改造后造成的設(shè)備損耗、后期運(yùn)行時(shí)所帶來的加速損耗。

火電廠調(diào)峰靈活性改造的收益主要分為兩種：其一是參與輔助服務(wù)市場(chǎng)獲得的收益；其二是增加供熱獲得的收益。

2.1.1 輔助服務(wù)產(chǎn)品補(bǔ)償機(jī)制

國(guó)家能源局發(fā)布的《電力輔助服務(wù)管理辦法》通知，指出了各地國(guó)家能源局派出機(jī)構(gòu)依據(jù)本《辦法》根據(jù)結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行的需求和特性，固定補(bǔ)償參考社會(huì)平均容量成本、提供有償輔助服務(wù)的投資成本和由于提供電力輔助服務(wù)而減少的有功發(fā)電量損失[9]。

《東北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則》的出臺(tái)，極大程度推動(dòng)與完善了東北地區(qū)電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)的建設(shè)。采用“階梯式”價(jià)格方式，針對(duì)非供熱期負(fù)荷率低于48%（熱電機(jī)組）、50%（純凝火電機(jī)組）、40%（全部機(jī)組）；供熱期負(fù)荷率低于48%（純凝火電機(jī)組）、50%（熱電機(jī)組）、40%（全部機(jī)組）將獲得不同程度的調(diào)峰補(bǔ)償，其中在深度調(diào)峰至40%額定出力以內(nèi)獲得補(bǔ)償達(dá)到1 元/kW·h。

2.1.2 電鍋爐蓄熱改造項(xiàng)目

固體蓄熱式電鍋爐具有很強(qiáng)的調(diào)峰靈活性，同時(shí)可進(jìn)行不間斷調(diào)峰運(yùn)行，是最早出現(xiàn)且目前應(yīng)用最多的改造方式之一。常見的固體蓄熱式電鍋爐技術(shù)改造成本約80～120 萬(wàn)元/MW（蓄熱時(shí)間約7 h～10 h、快速放熱時(shí)間10 h 或14 h）[2-7]，改造項(xiàng)目初期投資成本較高，對(duì)機(jī)組損害較小，在獲得調(diào)峰補(bǔ)償收益的同時(shí)，增加了部分供熱收益。

2.1.3 切除低壓氣缸改造項(xiàng)目

切除低壓氣缸改造是近年來采取較多的改造方式之一，汽輪機(jī)切缸運(yùn)行使低壓氣缸進(jìn)氣消耗量大幅度降低，在一定程度上提高了機(jī)組深度調(diào)峰能力以及供熱能力，但深度調(diào)峰能力略有不足。切除低壓氣缸改造技術(shù)對(duì)機(jī)組有一定損傷，但項(xiàng)目初期投資成本低，項(xiàng)目投資回收期短，在獲得調(diào)峰補(bǔ)償收益的同時(shí)，增加了部分供熱收益[3]。

2.1.4 機(jī)組啟停技術(shù)改造項(xiàng)目

快速啟停技術(shù)常用于應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)峰，目前常見的100～600 MW 等級(jí)機(jī)組啟停費(fèi)用15～70 萬(wàn)元/次。但同時(shí)快速啟停將會(huì)造成機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等部件損耗老化嚴(yán)重，機(jī)組受到較大損傷[2]。

2.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法

電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法，主要分為靜態(tài)評(píng)價(jià)方法、動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法、備選方案與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法三項(xiàng)大類。本文將應(yīng)用靜態(tài)評(píng)價(jià)方法完成分析。

2.2.1 凈現(xiàn)值法（NPV）

對(duì)項(xiàng)目壽命周期內(nèi)每年產(chǎn)生的現(xiàn)金流量抽取，并將項(xiàng)目周期中的年凈現(xiàn)金流量折算到現(xiàn)值，并累積該指標(biāo)的具體值。

式中：NPV 為凈現(xiàn)值；IC為現(xiàn)金流入；OC為現(xiàn)金流出；n為壽命期；i0為基準(zhǔn)收益率；P為現(xiàn)值；F為終值。

在對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)分析中可判斷，若NPV＞0，則認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以帶來超額收益，項(xiàng)目可以接受；若NPV=0，則認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施過程中的收益符合預(yù)期，項(xiàng)目合理；若NPV＜0,則認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施過程中的收益低于預(yù)期期望，項(xiàng)目不可接受。

2.2.2 內(nèi)部收益率法（IRR）

可以彌補(bǔ)凈現(xiàn)值法只能確定項(xiàng)目是否達(dá)到基準(zhǔn)收益率，而無法確定實(shí)際效率的缺點(diǎn)。

在對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)分析中可判斷，若內(nèi)部收益率（IRR）大于基礎(chǔ)收益率（i0），認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以被接受；若內(nèi)部收益率小于基礎(chǔ)收益率，認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上不可以被接受。在有多個(gè)方案方案符合項(xiàng)目預(yù)期的情況下，可以選擇內(nèi)部收益率最大的方案作為最優(yōu)方案。

2.2.3 靜態(tài)投資回收期法

靜態(tài)投資回收期沒有考慮資金的時(shí)間價(jià)值，對(duì)方案的研究情況進(jìn)行分析，其使用方法簡(jiǎn)單且應(yīng)用效果好，可以有效體現(xiàn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性與風(fēng)險(xiǎn)性。

式中：Tj為靜態(tài)投資回收期；Tb為標(biāo)準(zhǔn)投資回收期。

將靜態(tài)投資回收期與標(biāo)準(zhǔn)投資回收期進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)Tj≤Tb時(shí)，認(rèn)為方案合理可以接受；若Tj＞Tb則認(rèn)為方案不合理，不應(yīng)接受。同時(shí)，在進(jìn)行多項(xiàng)目相互比較經(jīng)濟(jì)性運(yùn)算時(shí)，投資回收期最小的項(xiàng)目最優(yōu)。

3 火電廠靈活性改造項(xiàng)目的案例分析

本文選擇600 MW 的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組作為研究對(duì)象，分析兩個(gè)火電廠相關(guān)改造技術(shù)分別為電鍋爐蓄熱改造項(xiàng)目、切除低壓氣缸項(xiàng)目的案例。收集其靈活性改造的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)完成火電廠靈活性改造不同項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性分析。

3.1 電鍋爐蓄熱改造項(xiàng)目案例分析

電鍋爐蓄熱改造項(xiàng)目即在電力負(fù)荷低谷時(shí)加熱蓄熱電鍋爐來進(jìn)行供熱，直至電力負(fù)荷低谷期結(jié)束。

三北地區(qū)A 電廠，2×300 MW 機(jī)組電鍋爐蓄熱改造前相關(guān)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 A 電廠機(jī)組改造前相關(guān)設(shè)定參數(shù)表

三北地區(qū)A 電廠，2×300 MW機(jī)組電鍋爐蓄熱改造后相關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 A 電廠機(jī)組改造后相關(guān)設(shè)定參數(shù)表

在進(jìn)行項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性測(cè)算時(shí)，依據(jù)機(jī)組改造前在相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計(jì)得到，A 廠煤炭交易價(jià)格740 元/t、全年調(diào)峰小時(shí)數(shù)總計(jì)3×120 h、其他數(shù)據(jù)均按照當(dāng)?shù)匾?guī)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。依據(jù)機(jī)組改造后在相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計(jì)得到，A 廠改造費(fèi)用323 萬(wàn)元，當(dāng)年煤炭交易價(jià)格940 元/t、全年調(diào)峰小時(shí)數(shù)總計(jì)4×120 h、同時(shí)新增改造后煤耗20 g/kW·h，新增機(jī)組320 MW，基準(zhǔn)收益率取i0=10%，其他數(shù)據(jù)均按照當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)執(zhí)行。

計(jì)算相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可得NPV=911 萬(wàn)元＞0，認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以帶來超額收益，認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以接受；內(nèi)部收益率（IRR）=13.34%＞基礎(chǔ)收益率（i0）=10%,認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以接受；投資回收期為2.5 年，符合項(xiàng)目投資回收周期評(píng)估；判斷項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)性良好。

3.2 切割低壓氣缸項(xiàng)目

切割低壓氣缸技術(shù)即將低壓氣缸切除后使中壓氣缸全功率對(duì)外供熱。

三北地區(qū)B 電廠，2×300 MW機(jī)組切割低壓氣缸項(xiàng)目改造前相關(guān)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 電廠機(jī)組改造前相關(guān)設(shè)定參數(shù)表

三北地區(qū)B 電廠，2×300 MW機(jī)組切割低壓氣缸項(xiàng)目改造后相關(guān)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 B 電廠機(jī)組改造后相關(guān)設(shè)定參數(shù)表

在進(jìn)行項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性測(cè)算時(shí)，依據(jù)改造前與改造后相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與相關(guān)行業(yè)預(yù)測(cè)得到，B 廠煤炭交易價(jià)格800 元/t、全年調(diào)峰小時(shí)數(shù)總計(jì)3×120 h、其他數(shù)據(jù)均按照當(dāng)?shù)匾?guī)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。B 廠改造費(fèi)用170 萬(wàn)元，當(dāng)年煤炭交易價(jià)格870 元/t、全年調(diào)峰小時(shí)數(shù)總計(jì)4×120 h、同時(shí)新增改造后煤耗60 g/kW·h，基準(zhǔn)收益率取i0=10%。

計(jì)算相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可得，NPV=895.3 萬(wàn)元＞0，認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以帶來超額收益，認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以接受；內(nèi)部收益率（IRR）=15.98%＞基礎(chǔ)收益率（i0）=10%,認(rèn)為項(xiàng)目在實(shí)施上可以接受；投資回收期為1.5 年，符合項(xiàng)目投資回收周期評(píng)估；項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)性良好。

4 結(jié)語(yǔ)

火電廠靈活性改造是未來解決新能源消納的重要解決措施，也將是我國(guó)未來一段時(shí)間火電廠改造的主要方向。結(jié)合三北地區(qū)A 電廠與B 電廠的相關(guān)靈活性改造進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性測(cè)算。通過對(duì)比改造前后的電廠的經(jīng)濟(jì)性分析可知，認(rèn)為在當(dāng)前時(shí)期，針對(duì)三北地區(qū)進(jìn)行的火電機(jī)組靈活性改造，電鍋爐蓄熱技術(shù)與切除低壓氣缸的改造技術(shù)符合“三北”地區(qū)市場(chǎng)需求。