省域天然氣發(fā)電成本模型及敏感性分析

王坤，吳瑩，張興嘉，鄭夢蓮，廖文碧

（1.國網(wǎng)浙江電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，浙江 杭州 310008；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027）

0 引 言

天然氣發(fā)電具有清潔高效、污染低的特點，是實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和減緩氣候變化的重要技術(shù)路徑[1]。根據(jù)浙江省的“十四五”規(guī)劃，未來浙江省將增加500 萬千瓦規(guī)模的天然氣發(fā)電裝機容量。

天然氣雖為較清潔能源，但其生產(chǎn)、消費與發(fā)電過程仍會排放大量溫室氣體[2]。為了實現(xiàn)碳達峰和碳中和，大部分化石能源消費都會被可再生能源所代替，這給天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)帶來了極大的不確定性[3]。短期來看，由于油氣體制機制改革關(guān)鍵政策的大力實施[4]，天然氣資源供應(yīng)充足且價格相較以往有所回落。此外，在國家清潔低碳能源發(fā)展戰(zhàn)略和嚴格的生態(tài)環(huán)境保護政策的保障下，天然氣作為清潔能源的短期需求仍會持續(xù)增加，天然氣發(fā)電行業(yè)規(guī)模預(yù)期持續(xù)增長。長期來看，隨著風(fēng)能、光伏等可再生能源和氫能等新能源技術(shù)的大力推廣和發(fā)展以及成本的下降，天然氣的需求空間可能減少，天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的長久穩(wěn)定增長面臨挑戰(zhàn)[5-6]。但由于風(fēng)能、光伏等可再生能源及氫能等新能源技術(shù)在供給穩(wěn)定性方面仍存在一定挑戰(zhàn)，以及天然氣發(fā)電行業(yè)具備低排放、快調(diào)峰的特點[7-8]，可再生能源和新能源技術(shù)難以直接瓦解和動搖天然氣發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型的橋梁作用和在電力行業(yè)的支撐作用。因此，天然氣發(fā)電行業(yè)在未來很長的一段時間內(nèi)仍將發(fā)揮重要作用。

目前，關(guān)于天然氣發(fā)電行業(yè)的研究多集中于某一特定天然氣發(fā)電機組的成本模型與不確定性分析，針對省域級天然氣發(fā)電成本模型的研究較少。為此，本文基于浙江省實際情況，構(gòu)建浙江省天然氣發(fā)電一般成本模型，設(shè)計浙江省天然氣發(fā)電機組一般運行場景與典型場景，量化分析一般場景和典型場景下天然氣價格、年等效發(fā)電小時數(shù)、運維成本三種關(guān)鍵參數(shù)分別對天然氣發(fā)電成本的敏感性，為省域天然氣發(fā)電成本預(yù)測提供準確有效的參考模型。

1 浙江省天然氣發(fā)電機組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 浙江省天然氣發(fā)電機組情況

我國天然氣發(fā)電主要分布在長三角、東南沿海等經(jīng)濟發(fā)達省市，京津地區(qū)及中南地區(qū)也有部分燃氣電廠，此外，西部地區(qū)的油氣田周圍有少量自備燃氣電廠。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018 年浙江省天然氣發(fā)電項目的總裝機容量為1252 萬千瓦，占浙江省發(fā)電總裝機容量的13.6%和全國天然氣發(fā)電總裝機容量的14%。本文對浙江省內(nèi)不同地區(qū)的天然氣發(fā)電機組進行了調(diào)研，由統(tǒng)計結(jié)果可知，目前浙江省內(nèi)最常用的四種天然氣發(fā)電機型為9F、9E、6F、6B，各機組的平均裝機容量如表 1 所示。

表 1 浙江省各天然氣發(fā)電機組的平均裝機容量

表 2 我國運行的幾種大型燃氣輪機的檢修周期[9]

1.2 浙江省天然氣發(fā)電機組運行現(xiàn)狀

本文針對浙江省內(nèi)天然氣發(fā)電機組的運行模式及現(xiàn)狀進行調(diào)研，總結(jié)歸納浙江省天然氣發(fā)電機組目前的運行模式為晝起夜停兩班制的運行模式，即白天運行、夜晚停機，解列時間為7 h，如圖 1 所示。解列時間是指已向電網(wǎng)供電并承擔(dān)一定負荷的發(fā)電機的脫離電網(wǎng)時間。該運行模式具有以下幾個特點：

1)年等效發(fā)電小時數(shù)較少；

2)運行時負荷率較高；

3)全年啟停次數(shù)較多。

2 浙江省天然氣發(fā)電成本模型

2.1 浙江省天然氣發(fā)電成本構(gòu)成

天然氣發(fā)電機組的發(fā)電成本主要由三大部分組成：投資成本、運維成本和燃料成本。投資成本主要包括設(shè)備成本、安裝成本、土建成本和設(shè)計勘察成本等。運維成本主要包括三個方面：檢修成本、運營成本和期間成本。燃料成本是天然氣發(fā)電成本中的重要組成部分，其主要影響因素包括發(fā)電量、天然氣價格以及氣耗等。

天然氣發(fā)電機組的維修成本通常根據(jù)維修周期和維修項目的不同，由小修、中修和大修三種維修項目組成。具體而言，小修主要涉及燃燒室的檢查；中修則關(guān)注于熱通道核心部件的檢查；而大修則需要全面檢查整個燃氣輪機。由表2 所示，我國廣泛使用的幾種燃氣輪機的維修周期不盡相同，因此維修成本也不盡相同[9]。

天然氣發(fā)電機組的檢修內(nèi)容和計劃在不同制造商間有所不同，但通常都會根據(jù)等效運行時間進行計算。等效運行時間是將各種運行過程有可能對機組壽命產(chǎn)生影響的各項因素加權(quán)計算得到的運行小時數(shù)，可用于確定檢修周期或預(yù)測壽命。而啟動期數(shù)是指天然氣發(fā)電機組從啟動到停機的整體循環(huán)次數(shù)。天然氣發(fā)電機組的每次啟動和停機都會對其熱部件產(chǎn)生一定的損耗，因此啟動期數(shù)是影響天然氣發(fā)電機組壽命的一個重要因素，通常會被考慮在等效運行時間的計算中。

每次正常啟停的等效運行時間為20 小時，而每次滿負荷跳閘的等效運行時間則是120 小時。當(dāng)?shù)刃н\行時間達到8000 小時或啟停次數(shù)達到300 次，需進行C 檢，通常為每兩年一次，費用約為900 萬元；而當(dāng)?shù)刃н\行時間達到16000 小時或啟停機600 次，則需進行T 檢，通常為每6年一次，費用約為4550 萬元；若等效運行時間達到48000 小時或啟停機1800 次時，需進行M 檢，通常為每12 年一次，費用約5500 萬元[10]。

運營成本是指為了保持設(shè)備的正常運行所產(chǎn)生的各項費用，包括水費、購買動力所需的費用、材料費、人工費以及其他維持運營所需的費用，例如排污費、試驗費、租賃費等。這些費用被視為持續(xù)穩(wěn)定發(fā)生，即不隨時間變化而有所差異。

期間成本為維持企業(yè)正常運轉(zhuǎn)所消耗的支出，可分為管理費用及財務(wù)費用[10]。

2.2 浙江省天然氣發(fā)電一般成本模型

基于前述描述的浙江省天然氣發(fā)電成本構(gòu)成，本文提出了一種具有普適性的浙江省天然氣發(fā)電成本模型。天然氣發(fā)電機組的總發(fā)電成本由投資成本、運維成本和燃料成本構(gòu)成，構(gòu)建的浙江省一般成本模型如式(1)、(2)所示。

其中，CT為天然氣發(fā)電機組的年總發(fā)電成本，萬元；CI為天然氣發(fā)電機組的年投資成本，萬元；COM為天然氣發(fā)電機組的年運維成本，萬元；CF為天然氣發(fā)電機組的年燃料成本，萬元；LCOE為天然氣發(fā)電機組的度電成本，即天然氣發(fā)電機組單位發(fā)電量成本，元/(kW·h)；EAG為天然氣發(fā)電機組的年發(fā)電量，kW·h，如式(3)所示。

其中，HEG為天然氣發(fā)電機組的年等效發(fā)電小時數(shù)，h，代表天然氣發(fā)電機組以額定容量運行的等效運行小時數(shù)；Q為機組的裝機容量，kW。

年投資成本如式(4)所示。

其中，k1為天然氣發(fā)電機組的投資成本參數(shù)，l表示天然氣發(fā)電機組的使用壽命，一般取20 年。

投資成本參數(shù)和天然氣發(fā)電機組的規(guī)模關(guān)聯(lián)性更高，與機型關(guān)聯(lián)性較低?；谖墨I[11]提供的擬合公式與浙江省各型號機組的平均容量、國內(nèi)外以及浙江省的投資成本差異以及匯率等因素，構(gòu)建天然氣發(fā)電機組投資成本參數(shù)的擬合公式，如式(5)所示。

運維成本為天然氣發(fā)電機組每年運行和維修成本，如式(6)所示。

其中，k2為運維成本參數(shù)，元/(kW·h)。對于啟停次數(shù)較多的運行場景，k2取0.18 元/(kW·h)[12]；對于啟停次數(shù)較少的應(yīng)用場景， 取0.13 元/ (kW·h)[9]。HAG為年等效發(fā)電小時數(shù)，代表天然氣發(fā)電機組在一年內(nèi)以額定容量運行并生產(chǎn)同等發(fā)電量的等效運行小時數(shù)，h。

燃料費為天然氣發(fā)電機組每年消耗天然氣的成本，如式(7)所示。

其中，H為天然氣熱值，kJ/kg；η為天然氣發(fā)電機組聯(lián)合循環(huán)效率；ρ為天然氣密度，kg/m3；pgas為天然氣價格，元/ m3。

綜合式(3)-(7)，浙江省天然氣發(fā)電一般成本模型如式(8)-(9)所示。

3 浙江省天然氣發(fā)電成本對比及敏感性分析

3.1 浙江省天然氣發(fā)電機組一般運行場景

基于浙江省天然氣發(fā)電機組運行現(xiàn)狀級運行模式，構(gòu)建了浙江省的一般運行模式。其解列小時與負荷率隨時間的變化曲線如圖 1 所示，其成本參數(shù)如表 3 所示。

表 3 浙江省天然氣發(fā)電機組運行一般場景成本參數(shù)

3.2 不同天然氣發(fā)電機型一般效率曲線

不同型號的天然氣發(fā)電機組具有顯著的效率曲線差異，即使是相同型號的天然氣發(fā)電機組的效率曲線也在一定程度上存在差異。因此，將不同型號的天然氣發(fā)電機組的效率曲線進行聚類顯得十分必要。聚類算法的應(yīng)用可以實現(xiàn)不同型號天然氣發(fā)電機組的效率曲線的歸類。其次，聚類分析體現(xiàn)出不同型號天然氣發(fā)電機組的效率曲線的顯著差異，為實現(xiàn)天然氣發(fā)電成本的比較分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

針對浙江省常用的五類天然氣發(fā)電機型，結(jié)合省內(nèi)現(xiàn)有的天然氣發(fā)電機組效率曲線和Ebsilon軟件內(nèi)各天然氣發(fā)電機組效率曲線，使用聚類算法[13]將五類在役天然氣發(fā)電機型的效率曲線進行聚類，構(gòu)建出高通用性的五類天然氣發(fā)電機型的通用效率曲線，如圖 2 所示。6B、6F、9E、9F、其他這五類天然氣發(fā)電機型的擬合公式依次如式(10)-(14)所示。

圖 2 浙江省各天然氣發(fā)電機型聚類效率曲線

其中，η為天然氣發(fā)電機組的聯(lián)合循環(huán)效率；PL為天然氣發(fā)電機組的負荷率。

3.3 不同天然氣發(fā)電機型的成本對比分析

在對比分析不同天然氣發(fā)電機型的發(fā)電成本構(gòu)成的差異時，選取天然氣發(fā)電機組負荷率為60%的聯(lián)合循環(huán)效率，如表 4 所示；五類天然氣發(fā)電機型的投資成本參數(shù)基于表 1 和式(5)計算得到，如表 5 所示；其余天然氣發(fā)電成本參數(shù)如表 3 所示。

表 4 浙江省五類天然氣發(fā)電機型聯(lián)合循環(huán)效率

表 5 各天然氣發(fā)電機型投資成本參數(shù)

在浙江省天然氣發(fā)電機組一般運行場景下，得出浙江省五類機組的投資成本、運維成本和燃料成本，如表 6 所示。五類機組各類成本占比，如圖 3 所示。

表 6 浙江省一般模式下各天然氣發(fā)電機型成本構(gòu)成情況

由圖 3 可知，天然氣發(fā)電機組的年投資成本占總發(fā)電成本的4%～10%，燃料成本的占比最高，約占總發(fā)電成本的75%～80%，運維成本占總發(fā)電成本的15%～20%。

3.4 天然氣發(fā)電度電成本敏感性分析

采用單因素敏感性分析法[14]對浙江省天然氣發(fā)電成本進行敏感性分析，具體步驟如下：

首先，確定浙江省天然氣發(fā)電成本的關(guān)鍵參數(shù)，并確定各關(guān)鍵參數(shù)的分布類型和數(shù)值范圍。其次，采用蒙特卡洛法[15]對各關(guān)鍵參數(shù)進行隨機采樣，并基于浙江省天然氣發(fā)電成本一般模型計算得到年發(fā)電成本，分析比較不同關(guān)鍵參數(shù)對年發(fā)電成本的影響程度。

天然氣價格是影響浙江省天然氣發(fā)電成本的最主要因素，燃料成本在總發(fā)電成本中占據(jù)了最大的比重。因此，本文對天然氣價格對天然氣發(fā)電成本的敏感性進行了詳細的分析。

此外，年等效發(fā)電小時數(shù)是反映天然氣發(fā)電機組全年運行狀況的重要指標，它直接決定了天然氣發(fā)電機組的利用率和經(jīng)濟效益。本文也對年等效發(fā)電小時數(shù)對天然氣發(fā)電成本的敏感性進行了探討。

最后，運維成本在天然氣發(fā)電成本中占據(jù)了15%～25%的比例，它也會對天然氣發(fā)電機組的經(jīng)濟性產(chǎn)生一定的影響。本文同樣對運維成本參數(shù)對天然氣發(fā)電成本的敏感性進行了分析。

綜上所述，本文針對天然氣價格、年等效發(fā)電小時數(shù)和運維成本參數(shù)這三種關(guān)鍵變量分別展開浙江省天然氣發(fā)電度電成本的敏感性分析。

國內(nèi)各省市天然氣發(fā)電用氣價格如表 7 所示，天然氣價格參照各省天然氣價格的上下界進行取值，范圍為0.9～4.4 元/m3，取值間隔為0.25 元/m3。

表 7 國內(nèi)各省市天然氣價格

年等效發(fā)電小時的范圍為500～4000 小時，取值間隔為500 小時。

運維成本參數(shù)的范圍為0.13～0.18 元/ (kW·h)，取值間隔為0.01 元/ (kW·h)。

其余成本參數(shù)如表 8 所示。

表 8 天然氣價格敏感性分析其余成本參數(shù)

通過采用蒙特卡洛方法，將三種關(guān)鍵參數(shù)和其他成本參數(shù)逐一代入浙江省天然氣發(fā)電成本一般模型，計算不同型號天然氣發(fā)電機組的度電成本及敏感系數(shù)，并進行敏感性分析。其結(jié)果如圖 4-圖 6 與表 9-表 11 所示，其擬合公式如式(15)-(29)所示。

圖 4 天然氣價格對度電成本的敏感性分析結(jié)果

圖 5 年等效發(fā)電小時數(shù)對度電成本的敏感性分析結(jié)果

圖 6 運維成本參數(shù)對度電成本的敏感性分析結(jié)果

表 9 天然氣價格對各天然氣發(fā)電機型的度電成本的敏感系數(shù)

表 10 年等效發(fā)電小時數(shù)對各天然氣發(fā)電機型的度電成本的敏感系數(shù)

表 11 運維成本參數(shù)對各天然氣發(fā)電機型的度電成本的敏感系數(shù)

敏感性分析的結(jié)果表明，天然氣價格和運維成本參數(shù)與天然氣發(fā)電度電成本呈線性相關(guān)，即這兩個變量的增加會導(dǎo)致度電成本的增加。然而，不同型號的天然氣發(fā)電機組對這兩個變量的敏感性存在差異。如表 9 和表 11 所示，9F 型天然氣發(fā)電機組對天然氣價格的敏感性最高，而9E 型的敏感性最低；6B 型天然氣發(fā)電機組對運維成本參數(shù)的敏感性最高，而9F 型的敏感性最低。

另一方面，年等效發(fā)電小時數(shù)與天然氣發(fā)電度電成本呈非線性相關(guān)，即度電成本隨著年等效發(fā)電小時數(shù)的增加而降低，但降低速率逐漸減小。這是由于年等效發(fā)電小時數(shù)越高，表示天然氣發(fā)電機組的利用率越高，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的收入越多，從而降低了度電成本。然而，不同型號的天然氣發(fā)電機型對這個變量的敏感性也存在差異。如表 10 所示，9F 型天然氣發(fā)電機組對年等效發(fā)電小時數(shù)的敏感性最高，這意味著9F 型天然氣發(fā)電機組在年等效發(fā)電小時數(shù)變化時，其度電成本變化幅度最大。此外，相對于其他兩種變量來說，年等效發(fā)電小時數(shù)對天然氣發(fā)電機組的經(jīng)濟性影響最大，過低的年等效發(fā)電小時數(shù)會使得度電成本顯著增加，甚至超過天然氣價格的影響。

4 結(jié)論

本研究以浙江省天然氣發(fā)電機組為研究對象，通過對其發(fā)展現(xiàn)狀和運行現(xiàn)狀的調(diào)研分析，構(gòu)建了一個天然氣發(fā)電成本一般模型和一般運行場景。在此基礎(chǔ)上，對不同型號的天然氣發(fā)電機組的效率曲線進行了聚類，進一步分析了不同型號之間的成本構(gòu)成差異，并對天然氣發(fā)電度電成本進行了三種關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析。

結(jié)果表明：不同型號的天然氣發(fā)電機組在成本構(gòu)成上存在顯著差異，而且對天然氣價格、年等效發(fā)電小時數(shù)和運維成本參數(shù)的敏感程度也不同；而在三種影響天然氣發(fā)電度電成本的關(guān)鍵參數(shù)中，年等效發(fā)電小時數(shù)對天然氣發(fā)電度電成本的影響最大。

基于以上研究結(jié)果，本研究提出針對不同型號的天然氣發(fā)電機組，優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)如天然氣價格、年等效發(fā)電小時數(shù)和運維成本參數(shù)等，以提高其經(jīng)濟性和運行效率。

本研究對于深入理解浙江省天然氣發(fā)電機組的運行情況和性能表現(xiàn)，具有重要意義，并為今后進一步優(yōu)化天然氣發(fā)電機組的運行提供了有價值的參考。