省域天然氣發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.國網浙江電力有限公司經濟技術研究院，浙江 杭州 310008；2.浙江大學，浙江 杭州 310027）

0 引 言

天然氣發電具有清潔高效、污染低的特點，是實現能源轉型和減緩氣候變化的重要技術路徑[1]。根據浙江省的“十四五”規劃，未來浙江省將增加500 萬千瓦規模的天然氣發電裝機容量。

天然氣雖為較清潔能源，但其生產、消費與發電過程仍會排放大量溫室氣體[2]。為了實現碳達峰和碳中和，大部分化石能源消費都會被可再生能源所代替，這給天然氣發電產業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鍵政策的大力實施[4]，天然氣資源供應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展戰略和嚴格的生態環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增加，天然氣發電行業規模預期持續增長。長期來看，隨著風能、光伏等可再生能源和氫能等新能源技術的大力推廣和發展以及成本的下降，天然氣的需求空間可能減少，天然氣發電產業的長久穩定增長面臨挑戰[5-6]。但由于風能、光伏等可再生能源及氫能等新能源技術在供給穩定性方面仍存在一定挑戰，以及天然氣發電行業具備低排放、快調峰的特點[7-8]，可再生能源和新能源技術難以直接瓦解和動搖天然氣發電在能源轉型的橋梁作用和在電力行業的支撐作用。因此，天然氣發電行業在未來很長的一段時間內仍將發揮重要作用。

目前，關于天然氣發電行業的研究多集中于某一特定天然氣發電機組的成本模型與不確定性分析，針對省域級天然氣發電成本模型的研究較少。為此，本文基于浙江省實際情況，構建浙江省天然氣發電一般成本模型，設計浙江省天然氣發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、年等效發電小時數、運維成本三種關鍵參數分別對天然氣發電成本的敏感性，為省域天然氣發電成本預測提供準確有效的參考模型。

1 浙江省天然氣發電機組發展現狀

1.1 浙江省天然氣發電機組情況

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

根據統計數據，2018 年浙江省天然氣發電項目的總裝機容量為1252 萬千瓦，占浙江省發電總裝機容量的13.6%和全國天然氣發電總裝機容量的14%。本文對浙江省內不同地區的天然氣發電機組進行了調研，由統計結果可知，目前浙江省內最常用的四種天然氣發電機型為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 浙江省天然氣發電機組運行現狀

本文針對浙江省內天然氣發電機組的運行模式及現狀進行調研，總結歸納浙江省天然氣發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供電并承擔一定負荷的發電機的脫離電網時間。該運行模式具有以下幾個特點：

1)年等效發電小時數較少；

2)運行時負荷率較高；

3)全年啟停次數較多。

2 浙江省天然氣發電成本模型

2.1 浙江省天然氣發電成本構成

天然氣發電機組的發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備成本、安裝成本、土建成本和設計勘察成本等。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電成本中的重要組成部分，其主要影響因素包括發電量、天然氣價格以及氣耗等。

天然氣發電機組的維修成本通常根據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]。

天然氣發電機組的檢修內容和計劃在不同制造商間有所不同，但通常都會根據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生影響的各項因素加權計算得到的運行小時數，可用于確定檢修周期或預測壽命。而啟動期數是指天然氣發電機組從啟動到停機的整體循環次數。天然氣發電機組的每次啟動和停機都會對其熱部件產生一定的損耗，因此啟動期數是影響天然氣發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。當等效運行時間達到8000 小時或啟停次數達到300 次，需進行C 檢，通常為每兩年一次，費用約為900 萬元；而當等效運行時間達到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備的正常運行所產生的各項費用，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穩定發生，即不隨時間變化而有所差異。

期間成本為維持企業正常運轉所消耗的支出，可分為管理費用及財務費用[10]。

2.2 浙江省天然氣發電一般成本模型

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

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

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

年投資成本如式(4)所示。

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

投資成本參數和天然氣發電機組的規模關聯性更高，與機型關聯性較低。基于文獻[11]提供的擬合公式與浙江省各型號機組的平均容量、國內外以及浙江省的投資成本差異以及匯率等因素，構建天然氣發電機組投資成本參數的擬合公式，如式(5)所示。

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

燃料費為天然氣發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為天然氣發電機組聯合循環效率；ρ為天然氣密度，kg/m3；pgas為天然氣價格，元/ m3。

綜合式(3)-(7)，浙江省天然氣發電一般成本模型如式(8)-(9)所示。

3 浙江省天然氣發電成本對比及敏感性分析

3.1 浙江省天然氣發電機組一般運行場景

基于浙江省天然氣發電機組運行現狀級運行模式，構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，其成本參數如表 3 所示。

表 3 浙江省天然氣發電機組運行一般場景成本參數

3.2 不同天然氣發電機型一般效率曲線

不同型號的天然氣發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電機組的效率曲線進行聚類顯得十分必要。聚類算法的應用可以實現不同型號天然氣發電機組的效率曲線的歸類。其次，聚類分析體現出不同型號天然氣發電機組的效率曲線的顯著差異，為實現天然氣發電成本的比較分析提供數據基礎。

針對浙江省常用的五類天然氣發電機型，結合省內現有的天然氣發電機組效率曲線和Ebsilon軟件內各天然氣發電機組效率曲線，使用聚類算法[13]將五類在役天然氣發電機型的效率曲線進行聚類，構建出高通用性的五類天然氣發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 浙江省各天然氣發電機型聚類效率曲線

其中，η為天然氣發電機組的聯合循環效率；PL為天然氣發電機組的負荷率。

3.3 不同天然氣發電機型的成本對比分析

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

表 4 浙江省五類天然氣發電機型聯合循環效率

表 5 各天然氣發電機型投資成本參數

在浙江省天然氣發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電機型成本構成情況

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

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

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

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

最后，運維成本在天然氣發電成本中占據了15%～25%的比例，它也會對天然氣發電機組的經濟性產生一定的影響。本文同樣對運維成本參數對天然氣發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、年等效發電小時數和運維成本參數這三種關鍵變量分別展開浙江省天然氣發電度電成本的敏感性分析。

國內各省市天然氣發電用氣價格如表 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 國內各省市天然氣價格

年等效發電小時的范圍為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)。

其余成本參數如表 8 所示。

表 8 天然氣價格敏感性分析其余成本參數

通過采用蒙特卡洛方法，將三種關鍵參數和其他成本參數逐一代入浙江省天然氣發電成本一般模型，計算不同型號天然氣發電機組的度電成本及敏感系數，并進行敏感性分析。其結果如圖 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果

圖 5 年等效發電小時數對度電成本的敏感性分析結果

圖 6 運維成本參數對度電成本的敏感性分析結果

表 9 天然氣價格對各天然氣發電機型的度電成本的敏感系數

表 10 年等效發電小時數對各天然氣發電機型的度電成本的敏感系數

表 11 運維成本參數對各天然氣發電機型的度電成本的敏感系數

敏感性分析的結果表明，天然氣價格和運維成本參數與天然氣發電度電成本呈線性相關，即這兩個變量的增加會導致度電成本的增加。然而，不同型號的天然氣發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 型天然氣發電機組對運維成本參數的敏感性最高，而9F 型的敏感性最低。

另一方面，年等效發電小時數與天然氣發電度電成本呈非線性相關，即度電成本隨著年等效發電小時數的增加而降低，但降低速率逐漸減小。這是由于年等效發電小時數越高，表示天然氣發電機組的利用率越高，單位時間內產生的收入越多，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 型天然氣發電機組對年等效發電小時數的敏感性最高，這意味著9F 型天然氣發電機組在年等效發電小時數變化時，其度電成本變化幅度最大。此外，相對于其他兩種變量來說，年等效發電小時數對天然氣發電機組的經濟性影響最大，過低的年等效發電小時數會使得度電成本顯著增加，甚至超過天然氣價格的影響。

4 結論

本研究以浙江省天然氣發電機組為研究對象，通過對其發展現狀和運行現狀的調研分析，構建了一個天然氣發電成本一般模型和一般運行場景。在此基礎上，對不同型號的天然氣發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成差異，并對天然氣發電度電成本進行了三種關鍵參數的敏感性分析。

結果表明：不同型號的天然氣發電機組在成本構成上存在顯著差異，而且對天然氣價格、年等效發電小時數和運維成本參數的敏感程度也不同；而在三種影響天然氣發電度電成本的關鍵參數中，年等效發電小時數對天然氣發電度電成本的影響最大。

基于以上研究結果，本研究提出針對不同型號的天然氣發電機組，優化關鍵參數如天然氣價格、年等效發電小時數和運維成本參數等，以提高其經濟性和運行效率。

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