能源轉(zhuǎn)型條件下煤電機組延壽經(jīng)濟性及環(huán)保性分析

年紅玉　尹海濤

摘 要：燃煤發(fā)電在相當(dāng)長時期內(nèi)占據(jù)我國電力能源結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。我國目前的電力供應(yīng)存在短時缺口問題，部分地區(qū)迎峰度夏尖峰資源不足，但是總體供應(yīng)相對富足。相比新建大型煤電機組，對現(xiàn)役煤電機組的延壽和升級改造是一個更加經(jīng)濟友好和環(huán)境友好的選擇。我國現(xiàn)役燃煤機組在設(shè)計過程、選用材料、加工制造、安裝檢修等方面與國外水平相當(dāng)，延續(xù)運行的技術(shù)空間很大，可以通過機組延壽改造，讓現(xiàn)役機組繼續(xù)承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻功能。這樣，既能平衡局部短期負(fù)荷激增的供需，又能為新能源騰出一席之地，同時還避免了新建煤電機組大量投資導(dǎo)致的資本和能源浪費。

關(guān)鍵詞：煤電機組延壽；度電經(jīng)濟成本；度電環(huán)境成本；能源轉(zhuǎn)型

中圖分類號：X 196; F 062.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Economic and Environmental Benefits from the Life Extension ofCoal Power Unit during the Energy Transformaiton

NIANG Hongyu YIN Haitao

（Antai College of Economics & Management， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030， China）

Abstract：Coal-fired power generation has dominated China’s power energy for a long time. In recent years， there has been a short-term gap in power supply in China. Electricity supply is in short during peak usage time， while the overall supply is relatively abundant. Compared with the new and large coal generating units， life extension and upgrading of existing coal generating units is a more economical and environmentally friendly choice. As a matter of fact， China’s active coal-fired units are as well-designed as those in developed countries in terms of their design process， material selection， installation， and maintenance， which implies that there is a large technical space for the continuous operation. The active coal-fired units can continue to bear the function of peak and frequency modulation through the life-extending transformation of units. In this way， it can not only balance the supply and demand of local short-term load surge， but also make room for new energy， and avoid the capital and energy waste caused by a large amount of investment in new coal power units.

Key words：life extension of coal power unit; economic cost per kilowatt hour; environmental cost per kilowatt hour; energy structural transition

在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，我國發(fā)電行業(yè)“煤炭當(dāng)家”的格局不會改變。目前問題出在電力供應(yīng)存在短時缺口，部分地區(qū)迎峰度夏尖峰資源不足，但是總體供應(yīng)相對富足。

首先，我國存量煤電機組潛能尚未得到充分發(fā)揮，機組服役年限較短且利用效率低。2018年，我國煤電平均利用小時數(shù)4361小時，遠(yuǎn)低于機組設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)利用小時數(shù)5300～5500小時。世界主要以煤電為主力電源的國家——韓國、澳大利亞、德國的年平均利用小時數(shù)為5877小時，我國僅為該水平的74%?？梢娢覈弘姍C組利用效率低，仍處于過剩狀態(tài)。其次，選擇新建煤電機組是浪費資產(chǎn)的行為。中電聯(lián)發(fā)布的《2018—2019年度全國電力供需形勢分析預(yù)測報告》顯示，2018年煤電企業(yè)虧損面超過50%，裝機容量充裕，設(shè)備利用效率下降。2019年7月，多家煤電企業(yè)資不抵債，五大發(fā)電集團(tuán)2018年火電板塊虧損額在140億元左右。倘若新煤電項目啟動，加上高煤價、低利用效率，煤電企業(yè)長期虧損和資不抵債的局面將進(jìn)一步惡化。

我們應(yīng)該尋找一個更優(yōu)的選擇，現(xiàn)役煤電機組的延壽和升級改造就是其中一個。它既能緩解尖峰負(fù)荷電力缺口，又能減少新建煤電投資與存量煤電資產(chǎn)擱淺。我國現(xiàn)存燃煤機組在設(shè)計過程、選用材料、加工制造、安裝檢修等方面與國外水平相當(dāng)，延續(xù)運行的技術(shù)空間很大，可以通過機組延壽改造，讓現(xiàn)役機組繼續(xù)承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻功能。這樣，既能平衡局部短期負(fù)荷激增的供需，又能為新能源騰出一席之地，同時還避免了新建煤電機組大量投資導(dǎo)致的資源浪費。

因此，對現(xiàn)役舊機組進(jìn)行延壽改造，還是選擇新建大型機組來解決局部地區(qū)局部時段供電不足問題，成為當(dāng)前能源發(fā)展中一個繞不過、同時又存在激烈爭論的重要政策問題。這既涉及經(jīng)濟和能源環(huán)境問題，又涉及技術(shù)層面的問題。本文主要側(cè)重于經(jīng)濟和能源環(huán)境層面的分析，具體安排如下：首先，比較中國和美國現(xiàn)有煤電機組的服役時間；其次，比較延壽機組和新建機組的經(jīng)濟成本和環(huán)境成本；最后，在能源轉(zhuǎn)型的背景下，討論延壽煤電機組的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

1 中美現(xiàn)有煤電機組服役時間的比較分析

中國和美國都是煤電大國，中國很多機組也采用美國的技術(shù)。經(jīng)過30年的發(fā)展，我國煤電的建設(shè)和運營達(dá)到世界先進(jìn)水平，在這樣的情況下，比較我國和美國煤電機組的服役時間，可以起到他山之石的作用。圖1和圖2分別展示了2017年中國和美國運行機組的服役年限。

首先，美國煤電機組的服役年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國。從圖1和圖2的比較可以看出，美國服役時間在35年以上的煤電機組共602個，占機組總數(shù)的75%，而中國服役時間在30年以上的煤電機組只有66個，占機組總數(shù)的3%。自20世紀(jì)80年代以來，美國、日本等發(fā)達(dá)國家在火電廠逐步開展針對主蒸汽管道、鍋筒、汽輪機轉(zhuǎn)子等主要部件的機組整體壽命評估和技術(shù)提升研究，充分挖掘現(xiàn)役煤電機組的潛力，完全能夠使煤電機組實際運行壽命遠(yuǎn)大于30年。如圖3所示，2010年以來，美國退役煤電機組的平均服役年限在50年以上。

其次，在未來十年的時間里，我國有414臺機組會面臨30年的門檻，這意味著，到2030年我國將有大約1.35億千瓦煤電機組退役。2050年基本上是現(xiàn)有煤電機組運行壽命的終結(jié)期，因此2050年左右將是中國電力結(jié)構(gòu)進(jìn)入新一輪調(diào)整的關(guān)鍵時期。是否應(yīng)該用新的煤電機組來滿足電力需求，這樣做的經(jīng)濟性如何？這又如何與新能源電力的發(fā)展相匹配？不僅如此，現(xiàn)有機組的退役還會帶來一個地區(qū)電力不平衡的問題。據(jù)統(tǒng)計，2003年以來，我國煤電裝機進(jìn)入快速發(fā)展期，其中65%以上集中在東中部地區(qū)。按照原設(shè)計30年經(jīng)濟壽命推算，如不對煤電機組進(jìn)行延壽改造，東中部地區(qū)在2030年以后將有大量煤電機組退役，而新增煤電項目主要集中在西部、北部地區(qū)，電力供應(yīng)“總體供應(yīng)過?！焙汀熬植慷虝r缺口”的現(xiàn)象將進(jìn)一步加劇。

目前我國的煤電機組設(shè)計壽命為30年，如果可以將其壽命延長10年（即按機組40年壽命推算），到2050年末，我國退役機組數(shù)量可減少323個，可保留機組容量182265MW（如圖4所示）。按新建1000MW機組平均每個投資39億元估算，扣除機組延壽技改投資平均每個4億元，可節(jié)省新建機組總投資6379億元左右；如果可以將其壽命延長20年（即按機組50年壽命推算），到2050年末，我國退役機組數(shù)量可減少1461個，可保留機組容量679700MW，如上推算，可節(jié)省新建機組總投資23790億元左右。若直接把運行30年（甚至不到30年）的機組直接淘汰，可以說是資源的極大浪費。

2 研究方法

2.1 經(jīng)濟性分析

本文關(guān)注的兩個指標(biāo)是度電成本和度電污染強度。前者主要用來分析發(fā)電成本；后者主要用來分析發(fā)電的環(huán)境成本。

度電成本是衡量發(fā)電成本的常用指標(biāo)，其計算方法如下：

其中，CAPEX代表發(fā)電設(shè)備每年的投資成本，OPEX代表發(fā)電設(shè)備運營和維修的成本，包括燃料、保險和人工成本等，r是貼現(xiàn)率，N是電廠運營年限，C是裝機容量，H是年利用小時數(shù)，o是廠用電率。LCOE是國際上通用的估算單位發(fā)電成本的財務(wù)方法，不僅被廣泛用于學(xué)術(shù)建模分析，也常見于政策討論等領(lǐng)域。

2.2 環(huán)保性分析

即使從現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟性來看，常規(guī)污染物的控制已不構(gòu)成對煤電發(fā)展的關(guān)鍵性約束條件。燃煤電廠大氣污染物控制技術(shù)將逐步由先除塵再脫硫再脫硝的單元式、漸進(jìn)式控制向常規(guī)污染物加脫除重金屬及氣溶膠等深度一體化協(xié)同控制技術(shù)發(fā)展，逐步使大氣污染物排放接近于零。電廠產(chǎn)生的廢水及固體廢物也將參與到循環(huán)經(jīng)濟體系之中或進(jìn)行無害化處理。影響煤電機組環(huán)保性的主要因素是碳排放。

按照LCOE公式的構(gòu)造思路，我們構(gòu)造如下的度電污染強度指標(biāo)：

其中，SE、NE、PM和CE代表二氧化硫、氮化物、粉塵和二氧化碳的排放成本。我們采用了排污稅衡量二氧化硫、氮化物和粉塵排放的經(jīng)濟成本。至于二氧化碳的成本，我們使用的是上海市環(huán)境和能源交易所碳額度的當(dāng)期價格45元。

3 新建機組與延壽機組比較分析

3.1 新建機組與延壽機組度電成本比較

我們首先比較度電成本。我們選取了兩個代表性的機組：漢川1號和漢川5號。前者是35年達(dá)到退役年齡的機組；后者是新建的機組。表1比較了漢川1號和漢川5號兩個煤電機組的度電成本。計算的兩個情景是：漢川1號機組延壽10年，漢川5號是新建機組，運營10年。從年平均發(fā)電總量上看，新建機組漢川5號是延壽機組漢川1號的3.6倍。漢川5號作為大容量的新建機組，在基礎(chǔ)性供電環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用，但是，從度電成本的分析結(jié)果來看，延壽機組漢川1號的度電成本是0.23091元/千瓦時，低于新建機組漢川5號的0.23689元/千瓦時。這一成本上的差異主要來自發(fā)電煤耗、機組延壽技改投資和新建投資。另外，運維費用、人工成本也是這一差異的主要原因。

3.2 新建機組與延壽機組環(huán)境影響比較

如表1所示，漢川1號機組的度電環(huán)境成本比新建機組略高，這主要是因為新建機組的發(fā)電效率比較高，所以單位發(fā)電量的煤耗和污染比較低。但有兩點值得注意。首先，我們使用的是漢川1號改造前的數(shù)據(jù)。因此，如果延壽改造過程中能引進(jìn)低碳低污染技術(shù)，那么不僅可以強化延壽機組的經(jīng)濟優(yōu)勢，還可以彌補其在度電環(huán)境成本方面的劣勢。其次，漢川5號在度電環(huán)境成本上的優(yōu)勢，不足以彌補其在度電成本上的劣勢。所以綜合來看，老機組延壽的經(jīng)濟性比較好。

3.3 敏感性分析

敏感性分析是為了檢驗度電成本和度電環(huán)境成本對其他關(guān)鍵參數(shù)的反應(yīng)程度。分析的關(guān)鍵參數(shù)包括年發(fā)電總量、環(huán)保稅費、新建機組的服役年限等。若某參數(shù)的小幅度變化能導(dǎo)致經(jīng)濟效果指標(biāo)的較大變化，則稱此參數(shù)為敏感性因素，反之則稱其為非敏感性因素。

圖5的結(jié)果顯示，新建機組漢川5號的度電成本對年發(fā)電總量的變化非常敏感。如，年發(fā)電總量提高10%，度電成本會下降9.1%，但如果年發(fā)電總量降低的話，度電成本則會有明顯的提升。如果用大機組代替小機組，并考慮未來新能源發(fā)電大發(fā)展的預(yù)期，新建大機組的利用小時數(shù)很難保證。如果年發(fā)電總量降低，則根據(jù)我們的敏感性分析，新建大機組來替代30年小機組的做法，經(jīng)濟性較差。

在表1的分析中，我們看到新建機組與30年小機組相比，在環(huán)保成本上有一些優(yōu)勢。一個自然的問題是，這個優(yōu)勢如何受未來環(huán)保稅費提升的影響。圖6和圖7的分析告訴我們，環(huán)保稅和碳排放價格是機組環(huán)保成本的敏感性因素。如，當(dāng)環(huán)保稅費水平提高的時候，漢川5號，也就是新機組的環(huán)保成本優(yōu)勢會更為凸顯。但是我們看到，即使稅費水平提高20%，度電環(huán)保成本在新舊機組之間的差距，在量上也非常小，不足以彌補新機組在度電經(jīng)濟成本上的劣勢。

在前面章節(jié)中，我們的計算基于漢川5號新建機組只使用十年，那么如果漢川5號也能使用40年的話，是否會使它的經(jīng)濟性變得更好呢？圖7的結(jié)果顯示，新建機組漢川5號延長服役年限對度電成本也會產(chǎn)生影響，但敏感程度隨著服役年限的增加逐步減弱。如果服役年限再延長10年，度電成本會降低1.8%。在此基礎(chǔ)上，如果服役年限再延長10年，度電成本會降低2%。新建機組延長到30年以后，度電成本會逐漸上漲，這是因為人工成本按照每年平均上漲8.78%（國家統(tǒng)計局近5年平均值）計算，但毫無疑問的是，機組延壽必然會降低度電的平均固定成本。比較而言，新建機組的度電成本一直略高于老機組30年延壽的選項。

由表1可知，燃煤成本是度電成本最重要的組成部分，約占可變成本的98.5%。圖9的敏感性分析表明，煤炭價格是度電成本的敏感性因素，以新建機組漢川5號為例，煤炭價格若上升10%，度電成本將會上升約9.4%。圖10是2014—2019年全國電煤價格指數(shù)的變化趨勢，2019年7月較2016年1月電煤價格上升了49%，價格波動劇烈。顯然，度電成本會受到電煤市場的影響。由表2可知，若每小時需發(fā)電30萬千瓦時，60萬機組的發(fā)電煤耗是313.1克/千瓦時，30萬機組的發(fā)電煤耗是306.9克/千瓦時，在煤炭價格大幅上升的情況下，30萬的小型機組經(jīng)濟優(yōu)勢更加明顯。

4 能源轉(zhuǎn)型下的討論

4.1 新能源的發(fā)展

近年來，隨著能源供給側(cè)改革的不斷深化，能源結(jié)構(gòu)加快向高效、清潔、低碳轉(zhuǎn)型升級，可再生能源發(fā)電規(guī)?？焖僭鲩L，未來可再生能源有可能成為中國的主體能源。根據(jù)國務(wù)院發(fā)改委能源所發(fā)布的《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》，到2050年，即使在基本情景下，我國風(fēng)能發(fā)電也會達(dá)到2萬億千瓦時，太陽能發(fā)電會達(dá)到2.1萬億千瓦時。如果新建大容量的煤電站，在未來必然會面臨在新能源電力大爆發(fā)下，煤電機組利用小時數(shù)不斷縮小的局面。從上面的敏感性分析能夠看出，如果利用小時數(shù)不斷縮減，發(fā)電總量減少，必然會提高新建煤電廠的度電成本，使其經(jīng)濟性更差。雖然現(xiàn)役機組的容量小，但在煤電需求低的情況下，我們可以充分發(fā)揮現(xiàn)存小容量機組的潛能。比如采用兩個30萬瓦延壽機組取代一個60萬瓦新機組，當(dāng)煤電需求低時，可以關(guān)閉一個延壽機組，保證另一個在高工況下運行。比如需要每小時發(fā)電30萬千瓦時，30萬瓦機組可以在100%THA工況下運行，而60萬機組只能在50%THA工況下運行。如表2所示，60萬瓦機組比30萬瓦機組的度電煤耗成本、度電CO排放成本分別高出2%，無論是經(jīng)濟角度還是環(huán)保角度，新建大容量的機組都不占優(yōu)勢。

4.2 新建煤電機組低負(fù)荷運行的經(jīng)濟成本

隨著新能源和儲能技術(shù)的發(fā)展，大型煤電機組低負(fù)荷運行將逐漸成為常態(tài)，從而帶來額外的經(jīng)濟成本。

首先，我國的煤炭企業(yè)負(fù)債率普遍偏高，2018年末，全國規(guī)模以上煤炭企業(yè)資產(chǎn)負(fù)債率達(dá)到65.4%。而新建煤電機組又需要大量的初始投資，如果新建的煤電機組低負(fù)荷運行、利用小時數(shù)少，企業(yè)需要很長時間才能開始盈利，甚至?xí)?dǎo)致虧損，這將會給企業(yè)帶來嚴(yán)重的融資問題和債務(wù)風(fēng)險。

其次，當(dāng)煤電機組的負(fù)荷率降至一定范圍時，鍋爐風(fēng)機、磨煤機以及汽機凝結(jié)水泵、給水泵等主要輔機工作點會偏離最佳工作范圍，脫硫、除塵、脫硝等重要輔助系統(tǒng)并不會隨負(fù)荷降低而停運設(shè)備，導(dǎo)致低負(fù)荷運行的廠用電率和供電煤耗大幅增加（如圖11所示）。

再次，相較于小型舊機組，新建大型機組在調(diào)峰時尤其不占優(yōu)勢。機組參與調(diào)峰必然帶來設(shè)備的頻繁啟停和閥門的反復(fù)開關(guān)，會加速設(shè)備的損耗，增加設(shè)備的檢修成本。大型機組輔助調(diào)峰時通常在低負(fù)荷下運行，對機組的損耗更大，維修成本也更高。

5 結(jié)論

從分析結(jié)果可以看出，30年機組延壽10年的度電成本要低于新建機組運行10年，但環(huán)境成本要高于新建機組運行10年的情形。綜合考慮度電經(jīng)濟成本和環(huán)境成本，這兩種方案難分伯仲。如果進(jìn)一步考慮到新能源發(fā)電和儲能技術(shù)日新月異，大型機組低負(fù)荷運行的額外成本，以及拆除30年機組和建設(shè)新機組工程過程中產(chǎn)生的污染等因素，我們更應(yīng)當(dāng)選擇30年機組延壽。

在目前大量煤炭散燒的情況下，不應(yīng)繼續(xù)盲目提前關(guān)停煤電機組，尤其是關(guān)停供熱煤電機組，而應(yīng)從全社會的節(jié)能減排效果、電力系統(tǒng)的整體效率、電力系統(tǒng)的安全、煤電機組的全生命周期等方面進(jìn)行綜合性評價，在安全生產(chǎn)的前提下，充分挖掘現(xiàn)役煤電機組的潛力。

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