燃煤鍋爐用戶電能替代方案對比研究

唐 虎，崔 浩2，陳愛倫，謝婷婷

(1.國網四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000;2.國網湖北省電力公司襄陽供電公司，湖北 襄陽 421000)

0 引 言

社會經濟的高速發(fā)展使得能源利用量逐步加大，加上以煤炭、石油、天然氣等為主的一次能源逐步枯竭，環(huán)境的不斷惡化，能源供給越來越離不開電能的支撐。隨著環(huán)保對環(huán)境改善的迫切要求，以電代煤、以電代油等已經成為目前的發(fā)展趨勢，電能作為現代社會進步的重要推動力，將掀起一場新的能源革命[1]。近年來，四川省清潔能源生產能力快速增長，能源結構進一步優(yōu)化，能源普遍服務水平大幅提升，能源科技創(chuàng)新和體制機制改革取得積極進展，能源供給保障能力顯著增強，能源發(fā)展已站到轉型變革的新起點。

電能替代的宗旨是逐步改變當前終端能源利用格局，使電能在終端能源的消費比例不斷提升，實現節(jié)能減排、保護環(huán)境的目的[2]。對成都平原而言，近幾年霧霾天氣逐年嚴峻，主要原因之一是化石能源的燃燒、汽車尾氣等直接排放到空氣中，導致環(huán)境不斷惡化。德陽作為成都平原的重要組成區(qū)域，將積極響應政府號召，大力推廣電能替代戰(zhàn)略。根據相關數據顯示，目前，中國工業(yè)鍋爐數量約62萬臺，燃煤鍋爐約37萬臺。綜合考慮國家政策、電價水平和技術條件，具備可行性的電能替代鍋爐共4.28萬臺、210 000 t/h，若全部以電鍋爐替代，可增加用電容量約147 000 MVA，增加用電量294 000 GWh/a[3]。

電能替代的必要性在于：1)電力供應充足，不存在冬季供應短缺問題，可保證企業(yè)連續(xù)生產；2)電價相對穩(wěn)定，由省發(fā)改委統一確定輸配電價，交易電價可簽長期合同予以確定；3)電能是真正的清潔能源、“零排放”，可避免環(huán)保標準提升后企業(yè)二次改造；4)電鍋爐占地小，無人值守，安全性高，運維便捷；5)電鍋爐熱效率高、品質穩(wěn)定，有助于提高產品質量[4]。

下面以德陽地區(qū)為研究對象，以政府相關政策為支撐，研究了德陽地區(qū)電能替代潛力，并選取某燃煤鍋爐用戶為研究點，對比了燃煤鍋爐不同改造方案的經濟性，為該地區(qū)其他燃煤的改造方向提供了理論參考，促使燃煤鍋爐用戶改造意愿向電能方向發(fā)展。

1 背景簡介

1.1 電力供需形勢

四川作為全國最大的清潔能源生產基地，具有豐富的清潔水電資源。近年來，水電實現跨越式發(fā)展，2017年水電裝機容量達到77 140 MW，占全省總發(fā)電裝機容量的79.35%；2017年發(fā)電量316 372 GWh，占全省發(fā)電量的88.64%；預計到2020年末，水電裝機規(guī)模達到83 010 MW，在建規(guī)模約40 100 MW[5]。

由于四川省內電力通道建設進度滯后于電源，自2012年起出現棄水問題，2012—2017年調峰棄水電量分別為7600、2600、9700、10 200、14 100、13 996 GWh，在相當一段時間內四川省電力供大于求的供需形勢難以有效逆轉。

1.2 能源消費現狀

2014—2016年，四川省能源消費總體情況保持平穩(wěn)略有增長的態(tài)勢，其中，煤炭消耗量逐年降低，從2014年的110 Mt降低到了2016年的88.69 Mt；天燃氣消耗保持平穩(wěn)略有增長，從2014年的16.172 Gm3增長到2016年的17.181 Gm3，電力消費量呈現出先抑后揚的態(tài)勢，從2014年的205 500 GWh增長到2016年的210 100 GWh[6]。

煤炭消費量占全省能源消費總量的比重從2014年的42.76%下降到2016年的34.11%，煤炭消費量占比累計降低8.65百分點[7]。按照《四川省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，煤炭在終端能源的消費比重將進一步降低至23.90%。在人民美好生活與大氣污染矛盾日益凸顯的形勢下，主動實施“煤改電”是大型企業(yè)積極響應政府號召，履行社會責任的有力表現。

1.3 四川省“煤改電”政策

實施電能替代是將四川清潔能源優(yōu)勢轉化為環(huán)境優(yōu)勢的重要舉措，通過政府搭建平臺，整合電源、電網及技術資源，實現各方信息互通，按照“政府補貼一點、企業(yè)付出一點、發(fā)電和電網企業(yè)讓利一點”的政策導向，形成合力，全社會共同推動電能替代工作[8]。

2017年 3 月，為治理大氣污染、促進水電消納、有效推進電能替代工作，四川省發(fā)改委、四川省能源局、四川省環(huán)保廳等7委廳聯合印發(fā)了《四川省電能替代實施意見》，明確了工業(yè)領域燃煤(油、柴)鍋爐的強制淘汰及替代改造標準。后續(xù)，四川省發(fā)改委、四川省能源局密集出臺了工業(yè)鍋爐“煤改電”電價、補貼等政策，大幅降低了電鍋爐的運行成本與改造成本，全年到戶電價不高于0.35元/kWh，讓電能具備與天然氣相當的經濟性。

2 電能替代

2.1 電能替代相關政策

針對目前市場上現存的燃煤、燃氣鍋爐，對其進行電能替代，主要體現在以下幾個政策的支撐上：

1)“煤改電”工作目標

根據《四川省推進電能替代實施意見》(川發(fā)改能源【2017】112號)要求：2020年電能占終端能源消費比重提高至36%以上的主要目標，并將10 t/h及以下燃煤鍋爐納入強制淘汰范圍，禁止城市建成區(qū)新建20 t/h及以下燃煤鍋爐。

2)電能替代電價政策

根據《關于藏區(qū)留存電量和電能替代輸配電價有關問題的通知》(川發(fā)改價格【2017】380號)的相關要求：2017年1月1日以后新建電鍋爐和改造燃煤、燃油、燃氣鍋爐等電能替代項目按單一制輸配電價0.105元/kWh(含線損)執(zhí)行，且到戶電價由上網電價和輸配電價兩部分組成，免收基本電費，政府性基金和附加。

3)省級財政補助標準及辦法

《關于加強四川省工業(yè)燃煤(油、柴)鍋爐窯爐電能替代改造項目補助資金管理的通知》(川發(fā)改能源【2017】367號)明確：1～10 t/h的強制改造煤鍋爐企業(yè)，2017、2018年分別按萬元/(t·h-1)、2萬元/(t·h-1)標準予以一次性補貼，2019年及以后實施改造的不再給予補貼；10 t/h以上鼓勵改造煤鍋爐企業(yè)，2017—2019年分別按10萬元/(t·h-1)、8萬元/(t·h-1)、6萬元/(t·h-1)標準予以一次性補貼，2020年及以后實施改造的不再給予補貼。

4)電能替代項目管理

根據《工業(yè)燃煤(油、柴)鍋爐窯爐電能替代項目管理指南(暫行)》(川發(fā)改能源【2017】459號)相關規(guī)定：電能替代輸配電價政策與財政補助政策的適用范圍、申報流程以及相關責任主體，對工業(yè)領域、單獨裝表計量等進行了強調。

2.2 電能替代可行性分析

1)供求關系

天然氣供求矛盾日益突出，由于國產天然氣價格大幅低于其他可替代能源價格，各地爭上以天然氣為原料或燃料的高耗能項目，紛紛進行“油改氣”，導致天然氣需求過快增長，部分地區(qū)“氣荒”和加氣難時有發(fā)生。

2)資源含有量

中國天然氣資源相對缺乏，剩余可采儲量不足世界總量的2%，人均探明剩余可采儲量只有世界水平的7%左右。隨著國民經濟的發(fā)展，國內天然氣產量已不能滿足日益增長的需求。據統計，2007—2012年，中國天然氣進口量從4 Gm3增加到42.5 Gm3，5年增長9.6倍。

3)能源單價比

國產天然氣價格大大低于其他可替換能源價錢。國際市場天然氣價格通常等于熱值原油價格的60%左右，而目前國產陸上天然氣平均出廠基準價格僅相當于國際市場原油價格的25%左右。與其他可替代能源價格相比，國內天然氣價格相當于等熱值液化石油氣價格的1/4,燃料油價格的1/3，進口天然氣價格的一半左右。

價格是引導市場資源配置最靈敏、最直接的信號，適當上調天然氣價格，對于合理有效配置天然氣資源，促進資源節(jié)約，保證天然氣生產供應，已十分必要而且緊迫。國內天然氣需求不斷攀升，在國內無法滿足需求的情況下，天然氣進口加劇，對外依存度也在不斷提高，同時進口天然氣價格倒掛影響明顯。由于這一系列因素的影響，造成了未來中國天然氣依然存在增長空間。

2.3 市場目標分析

1)電能替代方向

四川近年為實施重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃，開展節(jié)能節(jié)水工作，鼓勵大型工業(yè)企業(yè)對燃煤鍋爐進行“煤改氣”改造，使得2017年以來有一定數量的企業(yè)完成了“煤改氣”、“煤改電”或“煤改生物質”改造。這部分企業(yè)對于近期內再次改造鍋爐的意愿很低，且“煤改氣”政策還在進一步開展中。因此，考慮四川省電鍋爐近期的主要替代方向有兩個：一是生活供熱，包括新建酒店、寫字樓等公共建筑的取暖供熱、食堂供熱水等；二是中小型工業(yè)燃煤鍋爐改造，中小型企業(yè)尚未進行“煤改氣”的數量較多，改造成本較低。遠期來看，若天然氣氣源持續(xù)緊張，供需矛盾逐步加劇，電鍋爐將更具有替代優(yōu)勢。電能替代領域及主要替代技術如表1所示。

表1 電能替代主要領域

2)電鍋爐優(yōu)勢

環(huán)境優(yōu)勢：燃煤鍋爐運行過程中產生煙氣，向空氣中排放細顆粒物，對環(huán)境有一定污染。電鍋爐具有零排放、無煙塵、無廢棄、無噪音等優(yōu)點，更有利環(huán)境保護。

安全優(yōu)勢：燃油、燃煤鍋爐的原料運輸、現場儲存、使用過程中均存在一定的不安全因素，而燃氣鍋爐的原料天然氣易燃，相較之下，電鍋爐更為安全。

成本優(yōu)勢：燃油或燃煤鍋爐的使用過程中，需安排人員進行采購、驗收、裝卸等工作，燃油、燃煤鍋爐運行過程中還需專人值守，使用電鍋爐則減少了輔助用工的支出。

“移峰填谷”優(yōu)勢：若使用蓄熱電鍋爐，制熱設備的用電時間將全部或部分被轉移，電網較富裕的低谷電力可以得到充分利用，使電力系統運行效率得到提高。同時，充分利用電網峰谷分時電價，蓄熱系統的運行費用將比直熱系統電鍋爐大大降低。

2.4 電能替代量化模型

電能替代需要以模型化進行量化完成對電能替代潛力的分析，在這里將電能替代量作為分析電能替代潛力的客觀依據，為此可以建立理論模型：

(1)

式中：Dct為第t年電能替代量；Yct為第t年實際的電能消耗量；TB為基準年，用以衡量其他年份電能替代量的多少；YTB為基準年TB的電能替代量；Yc,TB為基準年TB的所有能源消耗總量；Yt為第t年所有能源消耗的總量。

一個企業(yè)電能替代潛力不僅與國民經濟的發(fā)展狀態(tài)、電能替代的技術成熟度有關，同時與政府政策扶持力度有關，由政府主導的產業(yè)結構化調整及清潔能源消費導向作用是左右非電能源結構變化的主要因素。式(2)至式(4)分別表示經濟狀態(tài)、技術成熟度、政策補貼對電能替代的量化關系。

(2)

(3)

(4)

式中：k1、k2、k3為彈性系數，用以更加準確地預測電能替代潛力；Gp(t)為第t年電能替代下的經濟狀態(tài)；G(t)為第t年國民經濟生產總值；P(t)為第t年國內人口總數；T(t)為第t年電能替代技術的成熟度；Ef(t)為第t年用戶的實際電能消耗量；Et(t)為第t年用戶化石能源的等效電能消耗量；S(t)為第t年由政策主導對電能替代的影響因子；Ie(t)、Ic(t)、Io(t)、Ig(t)分別為第t年的電能、煤炭、石油和天然氣的新建固定資產投資。

從經濟角度出發(fā)，一個大工業(yè)用戶的改造成本包括設備土建成本、初始投資、安裝成本、環(huán)評成本、燃料成本(包括電或燃氣)和其他成本；得到的經濟效益包括政府補貼、電價優(yōu)惠、基本電費等。用戶為實現最優(yōu)經濟改造及效益分析需對自身電能替代量進行預估，然后根據投資成本及其他費用來綜合考慮鍋爐改造類型。

3 案例分析

2018年德陽地區(qū)電能替代典型示范項目電量指標為6200 MWh，必須推廣的替代領域為電鍋爐。為此目標，德陽供電公司深入分析本地區(qū)電能替代潛力，為燃煤企業(yè)制定改造計劃，分別從建設成本、運營成本等方面分析電能替代的優(yōu)劣性。以德陽某燃煤鍋爐公司為研究對象，對其改造方案進行對比分析，為其制定最優(yōu)改造方案。

3.1 基礎數據描述

該公司目前燃煤鍋爐規(guī)模為50 t/h，日運行小時數為24 h，日用蒸汽量約為1080 t，年運行天數為300 d，年用蒸汽量約為324 000 t。鍋爐最高負荷為50 t/h，最低負荷為37 t/h，平均負荷為45 t/h；德陽地區(qū)水費約為3.5元/t；該公司蒸汽鍋爐擁有產品加熱及干燥，蒸汽壓力為1.25 MPa，蒸汽溫度為190 ℃，回水溫度為80 ℃。

3.2 鍋爐選型

1)鍋爐本體

根據用戶蒸汽使用量需求，按照峰值50 t/h要求配置2臺25 t/h鍋爐，輸出190 ℃的飽和蒸汽，鍋爐額度工作壓力1.25 MPa。其中：電極式鍋爐設計容量為19 MW 2臺，10 kV交流電供電鍋爐負荷，0.8～8.0 MW可調，對應的蒸汽量為2.5～25 t/h。

2)鍋爐用水

電極鍋爐用水需要達到純凈水水質要求，進水水質要求小于等于4 μS/cm；原水采用當地市政自來水，設計進水電導率不大于800 μS/cm；水處理系統能力應略大于鍋爐最大蒸汽負荷。

3)電源需求

采用電極式鍋爐需提供兩路10 kV電源(用戶紅線外供電方案不在所提方案中)，容量按選定鍋爐容量的110%左右進行配置(大于40 MW)。電極式鍋爐輔機使用380 V的交流電，總功率約為40 kW，可利用工廠現有的配電進行供給。

3.3 成本分析

該研究用戶意愿將50 t/h的燃煤鍋爐進行改造，這里主要針對燃煤鍋爐改造為電極式蒸汽鍋爐和燃氣鍋爐進行分析。

1)建設成本

建設成本一般包括土建投資、初始投資、安裝費用等，具體如表2所示。

表2 鍋爐建設成本

土建投資一般為新建鍋爐房的投資，據相關數據顯示50 t/h電極鍋爐房建筑面積一般約200 m2，高度8 m，總體投資約為200萬元，而燃氣鍋爐房建筑面積一般約700×2 m2，高度8×2 m，總體投資約300萬元。燃氣鍋爐常規(guī)煙囪高度15 m，如嚴格按照“新建鍋爐房周圍半徑200 m距離內有建筑物時其煙囪高度應高出最高建筑物3 m以上”，以60 m煙囪為例需造價約50萬元。環(huán)保政策日趨嚴格可能增加的投資，電極鍋爐投資為0，燃氣鍋爐主要考核氮氧化物，目前GB 1327-2014規(guī)定在標準狀態(tài)下限值為普通地區(qū)200 mg/m3，重點地區(qū)150 mg/m3。環(huán)保壓力日趨增大，標準日趨嚴格，目前北京地區(qū)為30 mg/m3，天津80 mg/m3，如實施更嚴格標準，需進行低氮改造，以30 mg/m3為例，此項費用超過100萬元。

從表2中可以看出電極鍋爐投資費和燃氣鍋爐相差不大，但是可以節(jié)約用地(在城市里價值凸顯)且零排放無環(huán)保相關費用支出。

2)電鍋爐與燃氣鍋爐特性分析對比

對比分析電極式蒸汽鍋爐與燃氣鍋爐特性(如表3所示)，可以看出電極式鍋爐整體優(yōu)于燃氣鍋爐。

表3 鍋爐對比分析

3)運行方案

為實現用戶最優(yōu)經濟分析，通過采用不同鍋爐組合運行模式，對純電極式鍋爐、電極式鍋爐+燃氣鍋爐、電極式鍋爐+燃煤鍋爐3種方案改造成本與運行成本進行分析對比，為用戶確定最終的改造方案。

①純電極式鍋爐

從表2可以看出，純電極式電鍋爐前期一次性投入2350萬元，2018年完成改造可獲得省級財政補貼400萬元，實際一次性投入1950萬元。年運行成本見表4，可以計算出純電極式電鍋爐年運行成本支出7 315.66萬元。

②電極式鍋爐+燃氣鍋爐

此種方案主要是采用電極式鍋爐的豐水期較為便宜電價和枯水期時使用燃氣鍋爐。從表2可知，電極式鍋爐+燃氣鍋爐前期一次性投入4310萬元(其中：電鍋爐2350萬元、燃氣鍋爐1960萬元)，2018年完成改造可獲得省級財政補貼400萬元，實際一次性投入3910萬元。

電極式鍋爐+燃氣鍋爐的年運行成本見表5，年運行成本支出5 880.2萬元。該方案較采用純電極式鍋爐多投入1960萬元，但年運行成本少支出1 435.46萬元，在鍋爐故障、冬季缺氣、電網故障時，兩套鍋爐可互為備用，提高企業(yè)能源供應的可靠性。

表4 純電極式鍋爐運行成本分析

表5 電極式鍋爐+燃氣鍋爐運行成本分析

表6 電極式鍋爐+燃煤鍋爐運行成本分析

③電極式鍋爐+燃煤鍋爐

該方案主要是采用電極式鍋爐的豐水期較為便宜電價和枯水期時使用燃煤鍋爐。因使用之前的燃煤鍋爐，燃煤鍋爐未拆除，因此無法獲得省級財政補貼，由表2可知前期一次性投入2350萬元。

電極式鍋爐+燃煤鍋爐的年運行成本見表6，年運行成本支出5 374.77萬元，較方案①和方案②分別少支出1 940.89萬元、505.44萬元，并且兩套鍋爐可互為備用，提高企業(yè)能源供應的可靠性。

通過對該用戶的改造方案進行分析可以看出，采用純電鍋爐模式一次性投入最低，但運行成本最高；采用電極式鍋爐+燃煤鍋爐模式運行成本最低，但后續(xù)仍需考慮淘汰燃煤鍋爐；采用電極式鍋爐+燃氣鍋爐模式雖一勞永逸，但一次性投入最大。結合該企業(yè)綜合自身實際情況及改造方案對比，優(yōu)先推薦用戶采用電鍋爐+燃煤鍋爐模式，待條件成熟后再將燃煤鍋爐更換為燃氣鍋爐。

4 結 語

“電能替代”工作作為德陽供電公司重點營銷任務之一，是開拓新增售電市場的關鍵增長點。為促進德陽供電公司“電能替代”工作順利推進，以轄區(qū)某50 t/h燃煤鍋爐作為研究對象，分別探究了燃氣鍋爐、電極式鍋爐以及上述兩者混合改造方案，并計算改造成本及實現經濟效益，最終為用戶提出合理改造方案。