基于火電廠靈活性改造的經(jīng)濟(jì)性研究★

曹源平， 胡 洋

（長春工程學(xué)院， 吉林 長春 130012）

0 引言

據(jù)國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)[1]，截止2022 年全國發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)256 405 萬kW。其中，火電裝機(jī)容量133 239 萬kW，占總裝機(jī)容量51.96%，較2021 年總占比下降2.59%。依據(jù)國家新能源發(fā)展目標(biāo)，2030 年我國風(fēng)電、太陽能發(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目實際，對相關(guān)影響因素識別和完成結(jié)果分析，結(jié)合實際環(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，而目前我國龐大的火電市場標(biāo)志火電廠的相關(guān)改造具有廣闊的市場前景與發(fā)揮重要作用，同時未來火電廠改造的長期目標(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)市場建設(shè)情況與各地火電靈活性改造試點項目實施情況，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)性評價誤差，更好地為后續(xù)改造的進(jìn)行提供參考，助力市場布局。

2 火電靈活性改造的經(jīng)濟(jì)性識別方法與評價方法

2.1 成本和收益的識別方法

國家能源局修訂發(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)市場運(yùn)營規(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。

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目、切割低壓氣缸改造項目、啟停改造技術(shù)、汽輪機(jī)旁路供熱改造項目、吸收式熱泵改造項目等。

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)時所放棄的發(fā)電量、后期運(yùn)行時所帶來的成本增量；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)市場運(yùn)營規(guī)則》的出臺，極大程度推動與完善了東北地區(qū)電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場的建設(shè)。采用“階梯式”價格方式，針對非供熱期負(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 電鍋爐蓄熱改造項目

固體蓄熱式電鍋爐具有很強(qiáng)的調(diào)峰靈活性，同時可進(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 萬元/MW（蓄熱時間約7 h～10 h、快速放熱時間10 h 或14 h）[2-7]，改造項目初期投資成本較高，對機(jī)組損害較小，在獲得調(diào)峰補(bǔ)償收益的同時，增加了部分供熱收益。

2.1.3 切除低壓氣缸改造項目

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)對機(jī)組有一定損傷，但項目初期投資成本低，項目投資回收期短，在獲得調(diào)峰補(bǔ)償收益的同時，增加了部分供熱收益[3]。

2.1.4 機(jī)組啟停技術(shù)改造項目

快速啟停技術(shù)常用于應(yīng)對長時間調(diào)峰，目前常見的100～600 MW 等級機(jī)組啟停費(fèi)用15～70 萬元/次。但同時快速啟停將會造成機(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)性評價方法

電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)與方法，主要分為靜態(tài)評價方法、動態(tài)評價方法、備選方案與經(jīng)濟(jì)性評價方法三項大類。本文將應(yīng)用靜態(tài)評價方法完成分析。

2.2.1 凈現(xiàn)值法（NPV）

對項目壽命周期內(nèi)每年產(chǎn)生的現(xiàn)金流量抽取，并將項目周期中的年凈現(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。

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

2.2.2 內(nèi)部收益率法（IRR）

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

在對項目經(jīng)濟(jì)性評價分析中可判斷，若內(nèi)部收益率（IRR）大于基礎(chǔ)收益率（i0），認(rèn)為項目在實施上可以被接受；若內(nèi)部收益率小于基礎(chǔ)收益率，認(rèn)為項目在實施上不可以被接受。在有多個方案方案符合項目預(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間價值，對方案的研究情況進(jìn)行分析，其使用方法簡單且應(yīng)用效果好，可以有效體現(xiàn)項目的經(jīng)濟(jì)性與風(fēng)險性。

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，當(dāng)Tj≤Tb時，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，在進(jìn)行多項目相互比較經(jīng)濟(jì)性運(yùn)算時，投資回收期最小的項目最優(yōu)。

3 火電廠靈活性改造項目的案例分析

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

3.1 電鍋爐蓄熱改造項目案例分析

電鍋爐蓄熱改造項目即在電力負(fù)荷低谷時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)行項目經(jīng)濟(jì)性測算時，依據(jù)機(jī)組改造前在相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計得到，A 廠煤炭交易價格740 元/t、全年調(diào)峰小時數(shù)總計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)計與相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計得到，A 廠改造費(fèi)用323 萬元，當(dāng)年煤炭交易價格940 元/t、全年調(diào)峰小時數(shù)總計4×120 h、同時新增改造后煤耗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。

計算相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可得NPV=911 萬元＞0，認(rèn)為項目在實施上可以帶來超額收益，認(rèn)為項目在實施上可以接受；內(nèi)部收益率（IRR）=13.34%＞基礎(chǔ)收益率（i0）=10%,認(rèn)為項目在實施上可以接受；投資回收期為2.5 年，符合項目投資回收周期評估；判斷項目整體經(jīng)濟(jì)性良好。

3.2 切割低壓氣缸項目

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外供熱。

三北地區(qū)B 電廠，2×300 MW機(jī)組切割低壓氣缸項目改造前相關(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)行項目經(jīng)濟(jì)性測算時，依據(jù)改造前與改造后相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與相關(guān)行業(yè)預(yù)測得到，B 廠煤炭交易價格800 元/t、全年調(diào)峰小時數(shù)總計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 萬元，當(dāng)年煤炭交易價格870 元/t、全年調(diào)峰小時數(shù)總計4×120 h、同時新增改造后煤耗60 g/kW·h，基準(zhǔn)收益率取i0=10%。

計算相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可得，NPV=895.3 萬元＞0，認(rèn)為項目在實施上可以帶來超額收益，認(rèn)為項目在實施上可以接受；內(nèi)部收益率（IRR）=15.98%＞基礎(chǔ)收益率（i0）=10%,認(rèn)為項目在實施上可以接受；投資回收期為1.5 年，符合項目投資回收周期評估；項目整體經(jīng)濟(jì)性良好。

4 結(jié)語

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，也將是我國未來一段時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)性測算。通過對比改造前后的電廠的經(jīng)濟(jì)性分析可知，認(rèn)為在當(dāng)前時期，針對三北地區(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)市場需求。