強饋入弱開機方式下上海電網電能綠色管理實踐與研究

楊凌輝 陳洪崗 李福興 徐琴 呂敬友國家電網上海市電力公司電力科學研究院

強饋入弱開機方式下上海電網電能綠色管理實踐與研究

楊凌輝 陳洪崗 李福興 徐琴 呂敬友
國家電網上海市電力公司電力科學研究院

隨著全國范圍內大面積霧霾的頻發，國務院制定《《大氣污染防治行動計劃》，“史上最嚴環保法”和排放標準實施，能源局制定《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》，能源結構轉型與能源消費方式轉變已上升至國家戰略。國網上海電科院根據國網公司總體規劃和上海市能源發展要求，從電網、電源和網源協調等三個方面開展面向大規模清潔能源消納的“強饋入弱開機”方式下電網電能綠色管理實踐研究，進一步優化本地機組運行方式，建立上海地區火電機組綠色評價體系，暢通電源至電網的能源輸送通道，引領上海電網綠色轉型，有力推動上海能源結構和能源消費模式新一輪“綠色”升級。

電能綠色管理；節能減排；清潔能源；強饋入弱開機

隨著我國承諾2030年碳排放達到峰值，全國范圍內大面積霧霾的頻發，國務院制定《《大氣污染防治行動計劃》，“史上最嚴環保法”和排放標準實施，能源局制定《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》，從電網安全、市場準入、電力交易等傳統范疇，衍生出新能源并網、節能、電力企業大氣污染防治等新課題。

根據《上海市能源發展“十二五”規劃》要求，上海市能源消費比例煤炭要由2010年的49.2%下降到2015年的40%左右，石油由32.9%下降到30%左右。2013年底，上海出臺《上海市清潔空氣行動計劃》，在能源、產業、交通、農業、社會等六大領域推出187項具體措施，將大氣污染治理列入攻堅戰；2014年，我國政府首次正式提出2030年碳排放峰值即將到來，與此同時，非化石能源在一次能源消費中的比重將提升到20%。而作為第一批低碳試點城市的上海，很有可能被賦予提前到達碳排放峰值的使命。2014年，上海市能源消費總量30年來首次出現負增長，同比降低2.3%，能源消費轉型勢在必行。國網上海電科院根據國網公司總體規劃和上海市能源發展要求，從電網、電源和網源協調3個方面開展面向大規模清潔能源消納的強饋入弱開機方式下電網電能綠色管理實踐研究，進一步優化本地機組運行方式，建立上海地區火電機組綠色評價體系，暢通電源至電網的能源輸送通道，全面實施綠色節能調度，有力推動上海能源結構和能源消費模式新一輪“綠色”升級。

1 上海火電行業發展現狀及環境影響分析

目前，上海電網受電比例大幅攀升，內部開機大幅減少，上海電網進入“強饋入弱開機”新常態，大于50%受電比例的時間每年超過6個月，而且將持續至整個“十三五”期間，上海電網、電源的發展運行模式都發生了深刻改變。電力供應從本地發電為主轉為外來水電為主，這為上海電網開展電能綠色管理，進一步優化綠色調度，實施高效機組替代低效機組，達到節能環保新要求，提供了較大的操作空間。

1.1 上海地區發電行業基本現狀

國網上海電科院作為上海地區涉網電廠技術監督主要實施單位，2014年，納入該院技術監督和技術支持服務發電企業共有19家，總裝機容量20 310 MW：其中，按容量等級組成情況如圖1所示；按發電集團組成情況如圖2所示。

圖1 各機組等級裝機容量組成情況

圖2 各發電公司裝機容量組成情況

1.2 上海地區涉網電廠發電量與燃煤總量分析

上海地區涉網電廠2014年發電量和燃煤量均下降，發電量為777.0億kWh，較2013年下降17.3%；燃煤量為3 087.2萬t，較2013年下降18.3%。2005～2014年上海地區火力發電廠裝機容量、發電量、燃煤量的變化情況如圖3所示，燃煤量的降幅略低于發電量，反映了燃煤質量有所提高。

圖3 上海地區裝機容量、發電量、燃煤量變化情況

1.3 上海地區涉網電廠污染物排放分析

（1）污染物排放總量分析

2014年上海地區火電廠煙氣污染物排放總量比2013年有較大幅度下降，其中煙塵、SO2、NOx排放總量分別比2013年下降了20.1%、26.7%、47.4%。2005～2014年煙塵、SO2、NOx排放趨勢如圖4所示，SO2排放總量在2009年大幅下降，主要源于受日益嚴重的酸雨影響，2008年上海市政府要求本地區發電廠必須安裝脫硫設備，脫硫裝備投入運行后，SO2排放情況得到明顯改善。同時，2011年，上海地區發電廠煙氣脫硝裝置陸續建成投運，至2012年，NOx排放總量下降了近50%。

圖4 2005-2014年煙氣污染物排放趨勢

（2）單位電量污染物排放率分析

2014年上海地區火電廠煙塵、SO2、NOx單位電量排放率，較之2013年分別下降了3.7%、11.8%、36.4%。2007～2014年煙塵、SO2、NOx單位電量排放率變化趨勢如圖5，與排放總量趨勢一致，2009年，上海地區涉網電廠SO2單位排放率出現明顯下降；而2012年，NOx的單位排放率也隨著脫硝裝置的相繼投入得到了有效改善。

圖5 2007～2014年上海地區煙氣污染物排放率變化趨勢

（3）各等級機組污染物排放分析

2014年，納入國網上海電科院技術監督范圍的上海地區火電廠總裝機容量為20 310 MW，按照小于300 MW、300 MW等級、600 MW等級、1 000 MW等級及燃氣燃油機組劃分機組，各容量等級機組等級煙氣污染物排放情況如圖6所示。

從圖6看出，小于300 MW機組，裝機容量占3.3%，發電量占5.6%，而煙塵、SO2、NOx排放量卻占總排放量的40.6%、26.0%、37.8%。 1 000 MW機組，裝機容量占28.6%，發電量占33.1%，而煙塵、SO2、NOx排放量卻占總排放量的17.4%、19.0%、10.5%。

各機組等級的單位發電量污染物排放率統計列于表1。

表1 各容量等級機組的單位發電量污染物排放率 g/kWh

從表1看出，小于300 MW機組平均污染物排放率大大超過其他級別的機組。隨著單機容量的增大，機組污染物排放率下降，1 000 MW等級機組的污染物排放率最小。其主要原因：小于300 MW機組發電效率低、部分機組脫硝裝置在2014年建成投運。污染物去除裝置效率相對較低、燃煤品質差。而大機組發電效率高、煤耗低、配備的污染物去除裝置較為齊全、效率較高，如1000 MW級機組在2013年底全部配備了脫硝裝置。

2 強饋入弱開機方式下上海電網的電能綠色管理實踐與研究

截止2014年底，上海電網裝機容量總計21.76 GW，其中火電占98.3%，公共燃煤機組占61.2%，燃煤機組產生的環保、經濟問題日益突出，而通過外來輸電通道盡可能的消納西南清潔水電，是上海能源系統轉方式、調結構、治霧霾的必由之路。為解決上海能源發展重大轉型后電網面臨的一系列技術問題，國網上海電科院從電網、電源及網源協調三個方面開展了面向大規模清潔能源消納的強饋入弱開機方式下都市電網電能綠色管理實踐研究，取得預期成果。

圖6 各容量等級機組煙氣污染物排放比例比較

2.1 電網方面，優化本地機組開機方式，大規模消納西南水電清潔能源

2014年，國網上海電科院開展基于“強饋入弱開機”狀態上海電網機組調控方式研究，解決如何安排最小開機方式，最大程度上消納西南清潔水電的問題。與常規發電計劃不同，“強饋入弱開機”狀態下，電網的安全穩定裕度大幅減小，這就要求上海電網綜合考慮電力平衡需求、潮流控制需求、調峰平衡需求以及電壓穩定需求等因素，合理安排“強饋入弱開機”條件下的本地發電機組運行方式，在確保上海都市電網安全穩定優質運行的前提下，通過四回直流從區外受入大量電力，充分消納西南水電清潔能源，從而降低本地火電機組開機規模，大幅減少本地火電機組能源消耗量以及污染排放量。

2014年，上海電網應用該技術研究成果開展綠色電能調度管理，最高負荷為26.8 GW，直流落點輸送總功率為12.72 GW，區外清潔能源占最高負荷的比例為47.5%。而廣東電網、江蘇電網、浙江電網最高負荷段清潔能源占比分別為24.5%、11.3%、12%，如圖7所示。上海電網清潔能源所占比例遠遠高于廣東電網、江蘇電網以及浙江電網，充分體現了強饋入弱開機方式下本地機組“綠色”優化運行方式在促進電網能源結構轉型中發揮的重要作用。

圖7 2014年各區域電網最高負荷及清潔能源消納情況

2014年上海電網水電全年累計受電量為524 億kWh，在同一基準情景下，如上海電網用電負荷需求完全由本地機組出力來平衡，則本地機組特別是主力燃煤機組必須全部投入運行[1]，折算后相當于消耗標煤2 117萬t，增加CO2排放5716 萬t，提高電網購電成本104.8億元，資源消耗、污染排放及經濟投資都將大大增加。預計至2020年，我國東部沿海電網將新增四回特高壓直流，輸送總容量為32 GW，預計年輸送電量1 211.44 億kWh，送端皆為西南水電、西北風電等清潔能源。采用該技術促進清潔能源異地消納，可節約標煤4894萬t，減少碳排放1.36億t，對節能降耗、霧霾治理和保護環境具有重大意義。

2.2 在電源方面，建設電能綠色管理平臺，量化涉網發電機組節能減排指標

上海市電力公司多年以來一直以綠色化作為電網建設主導理念，積極引入“綠電”，以清潔能源消納、電能替代、綠色調度和電網節能改造，全面提升電網的節能環保水平。2014年7月，國網上海電科院著手籌建電能綠色管理平臺，將電網的綠色管理理念延伸至電源管理，從煤的燃燒開始，完善建立電能發、輸、配、售等全過程的綠色監控，實現上海地區上網電量“全過程”的綠色評估，在建設上海全球科創中心的創新浪潮中，充分發揮上海電網的綠色化創新引領作用，助推上海全面建成綠色創新型城市建設。

2014年，上海電科院借助平臺基礎數據監測，加緊督促涉網電廠按照國家最新標準開展鍋爐、脫硫脫硝設備的環保節能改造，積極支撐綠色節能調度，實施高效機組替代低效機組，累計節能置換電量10.67億kWh，減少CO2排放約106萬t。2015年初，為了更全面、科學對涉網電廠上網電量進行綠色管理，上海電科院與上海市節能減排中心、上海市環境科學研究院共同啟動了上海地區火電機組綠色評價體系研究項目。2015年3月，在上海市發改委組織下，上海市節能減排中心與上海電科院聯合發布了《2014年上海市燃煤發電企業供電煤耗檢測驗證報告》，上海市發改委根據報告對9家燃煤發電企業的2015年發電計劃進行相應調整。

2015年6月，電能綠色管理平臺正式投運（見圖8～圖10），平臺以涉網機組環保在線監測分析為基礎，全景展示上海地區涉網電廠環保運行數據，實時監測涉網電廠脫硫、脫硝、煙塵排放、煤耗等環保關鍵指標數據情況，并按照容量等級、發電集團進行排序，對全網電廠的節能排放水平進行統計分析；以建立適應上海綠色城市發展的、政府及行業認可的涉網機組綠色評價體系為核心，綜合能源消耗、資源消耗、綜合利用、污染物排放、機組安全穩定性，將各種環保監控數據配以權重設置為綠色評價指標，對涉網機組電能生產過程進行全維度的評估與分析；以綠色電能指數為手段，對上網電能生產狀態進行定量評價與區分，將環保專業化評估模型轉化為簡單易懂的綠電指數，提升電網節能調度管理效率，為政府節能減排工作提供了科學的依據，促進上海國際化大都市能源消費方式的新一輪“綠色”升級。

圖8 電能綠色管理平臺規劃框架

圖9 電能綠色管理平臺主畫面

圖10 電能綠色管理平臺系統全景圖

2.3 在網源協調方面，提升都市電纜通道輸送能力，促進重點區域節能減排

“強饋入弱開機”狀態下，隨著外來電消納規模的大幅增加、內部機組出力的大幅減小，電網的潮流疏散與分布發生重大變化，出現較多輸變電瓶頸。同樣對比23 GW負荷水平，因220 kV分區內部機組調停，顧路、楊行變電需求從2012年7月11日的1.88 GW和770 MW，大幅增加至2014年7 月11日的2.47 GW和1.27 GW，變電增容需求強烈。同時，上海電網電纜線路集中，相對架空線路限額較小，220 kV分區內部機組大量調停后局部熱點地區出現電纜輸電斷面受阻，例如因調峰需求以及環保投訴，新江灣城區電廠開機受到制約，崇明長興因環保問題機組關停，受制電纜通道閘森地區以及崇明長興出現用電缺額，電纜增容需求強烈。

2014年，國網上海電科院在上海市電力公司指導下，研究基于降低區域大氣污染的都市電網電纜輸送能力提升技術[2]，該技術通過數據采集系統獲取電纜運行數據，對電纜外部環境因素進行精細化計算，建立多因子電纜通道傳熱模型，計算電纜的運行電流限制條件與具體數值，為調度運行提供直接支持，實現電纜增容。通過電纜增容，可以在滿足區域負荷需求的同時，減少本地機組開機時間，控制燃料消耗以及污染排放，對加強網源兩端的“綠色”互動，促進環境治理重點區域“綠色”升級具有重要意義。

新江灣城區電纜增容是其中的典型案例。新江灣城位于上海中心城區東北部，是上海市區唯一一塊自然生態“綠寶石”、同時也是上海第三代知識型、生態型國際社區，電廠排煙對周邊大氣環境影響受到附近民眾的高度關注。2014年，上海市電力公司應用該技術實施閘蘊2268電纜增容來平衡楊行分區電網潮流，使得清潔水電順利消納落地，節能減排效果明顯。僅2014年，通過在楊行分區實施電網節能減排的電纜輸送通道擴容技術，該片區機組發電量比2013年累計減少63.36%，相當于節約標煤9.165 萬t，減少CO2排放量27.96萬t（占上海市減排總量的0.57%），削減SO2排放量61.40%、NOx排放量58.94%，減少顆粒物排放量62.95%，有效緩解了電廠污染物排放對周邊大氣環境的影響。

[1]楊凌輝，陳洪崗，馮煜堯，等. 面向大規模清潔能源消納的都市電網“強饋入弱開機”運行關鍵技術研究與實踐[J].上海節能.2015,(6):292-296

[2]賀林 李紅雷.基于電纜增容的上海市中心城區節能減排實踐[J].上海節能.2015,(5):240-243

Practice and Research of Electric Energy Green Management in Shanghai Power Grid Under High-Level Power Import and Scale-Reduced Online Mode

Yang Linghui, Chen Honggang, Li Fuxing, Xu Qin, Lv Jingyou
State Grid Shanghai Electric Power Company Electric Power Science Research Institute

With frequent occurrence of a large scale haze weather in nationwide area, the State Council draws up , which is one of the most stringent environmental protection law and emission standards implementation. Energy bureau draws up ， which means energy restructure and energy consumption patterns have integrated into the national strategies. State grid shanghai electric power science research institute is based on overall planning of state grid and Shanghai energy development requirements, it carries out power grid green management practice and research under large scale clean energy consumptive‘high-level power import and scale-reduced online’ mode from state grid network, electric power and network resource coordination. State grid shanghai electric power science research institute optimizes local units operation mode further and establishes green evaluation system for thermal power units in Shanghai area, makes transmission channel easy for power resources to power grid network, leads green transformation of Shanghai power grid and strongly promotes new round green update of Shanghai energy structure and energy consumption patterns.

Electric Power Green Management, Energy Saving and Emission Reduction, Clean Energy, High-Level Power Import and Scale-Reduced Online

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.002

能源與環境專欄 Energy and Environment Column