上海市中小燃煤機組燃機替代研究

夏涼黃平郭羽

上海市城市規劃設計研究院

關鍵字：電源；清潔；更新；儲備

0 簡介

能源發展和環境保護的兼容協調已成為全世界共同面對的課題。我國已提出“2030年左右碳排放達到峰值，2030年單位GDP碳排放要比2005年下降60～65%，非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右”目標，并將“構建清潔低碳、安全高效的能源體系”寫入了黨的“十九大”報告。

上海正在全力打造清潔安全能源供應體系。合理的電源供應體系是構建清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分。本文以上海電源為對象，從清潔低碳和城市空間視角出發，對未來上海電源的發展策略和更新途徑進行探討研究。

1 現狀評價

“十二五”上海全社會用電指標年均增速遠低于“十一五”，“十三五”略有回升；市外來電不斷加強，市內機組利用效率下降明顯，年利用小時下降23%；電煤消耗呈逐年下降趨勢，但占比仍高達83.7%，天然氣消耗穩步提升至8.4%。

全球電力生產結構仍呈現以化石燃料為主格局，但每年化石燃料比重均在下降。以非化石能源占比為標桿，我國處于中下游水平，煤炭消費比重為世界平均水平的2.2倍。上海作為我國經濟最發達的城市，化石燃料發電占比仍較高，電煤占到84%，煤機裝機和低效煤機比重指標較為落后。

綜合評價：受國家宏觀經濟結構調整影響，上海電力需求呈現結構性放緩特征，為電源系統調整完善提供了良好契機；電源供應出現供大于求局面，市內機組利用效率下降明顯；化石發電燃料占比過高，電源結構不合理，亟需更新替代。

2 發展趨勢

我國中央、地方政府為實現能源與環境的協調發展，已陸續發布一系列規劃指導文件，指引著未來發展方向。

2014年的《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》，提出了一系列能源發展目標，為“十三五”能源戰略提供參考和指引。重要能源領域如煤炭“降低、控制、減量、替代”，天然氣“提高、加強、擴大、拓展”的定位，深刻影響了后續的“十三五”規劃編制。

2016年的《能源發展“十三五”規劃》指出，天然氣和非化石能源將成為世界能源主要方向，并且2030年天然氣有望成為第一大能源品種，提出非化石、天然氣、煤炭消費比重和單位GDP碳排放目標?！耙巹潯笔状翁岢隽丝偭亢蛷姸入p控制，煤炭消費比重要求壓縮至58%以內，非化石、天然氣消費將占新增量68%以上，是煤炭消費增量的3倍以上。

2017年的《上海市能源發展“十三五”規劃》提出，煤炭消費比重下降到33%左右，天然氣消費比重達到12%，加快煤機節能減排升級和清潔改造?！耙巹潯碧岢龅闹饕蝿丈婕叭斜姸嗳济弘姀S，市內電源將迎來結構性調整周期。

2017年的《上海市電力發展“十三五”規劃》提出了新增調峰燃機、關停燃油機組、升級清潔煤機、發展可再生能源發電及分布式供能等主要任務，指出了電網的重要作用和面臨的新挑戰。

2018年的《中國電力發展報告2017》展望了2020年我國15%非化石能源消費目標實現難度較大；應提升系統調節能力，擴大煤電靈活性改造，推動調峰氣電建設，優化抽水蓄能電站。國家能源局未來將進一步加大非化石能源（重點為水電）的消納范圍和力度，上海市外來電規模有進一步增大預期。

2018年的《上海市城市總體規劃（2017-2035年）》要求推進天然氣等清潔能源，進一步提高可再生能源比例。同時，認定能源工業為重要改革對象，認為天然氣、太陽能、風能、潮汐能、淺層地溫能、生物質能等屬于清潔能源，應推進替代煤、油等傳統能源。

2018年的《上海市清潔空氣行動計劃（2018-2022年）》提出了2020、2022年PM2.5年均濃度和空氣質量優良率目標，要求2020年煤炭消費總量在2015年基礎上削減5%以上。由于約束目標嚴格，全市煤機排放措施和能力已基本接近極限，未來對目標的貢獻預期較低，將間接推動電源供給側改革。

紐約州燃煤發電比重僅占2%，大部分來自石油天然氣（占48%）、核電（占14%）、水電（占11%）和天然氣（占10%）。紐約州提出了2030年碳排放量減少40%目標。紐約州環境監管機構于2018年5月公布污染規定草案，要求到2020年關閉州內所有剩余燃煤電廠或改為天然氣等清潔燃料發電。英國2012-2018年期間，煤電占比已從43%縮減至7%，天然氣飆升至44%，風電大幅增加至16%，核電基本穩定在20%，進口電提升至9%，其余生物質發電、光伏、水電約占4%（見圖1）。

能源低碳化已在世界范圍形成共識，天然氣和非化石能源將成為主要消費方向，煤炭“深度減量化”趨勢已不可避免。受我國清潔能源目標約束和煤電功能定位轉變，上海電源格局將迎來結構性調整周期，未來供給側結構新常態將對電力系統的彈性調節能力提出更高要求。

3 需求預測

上海市“十二五”電力消費數據表明，上海人均用電負荷年均增長率約為1.63%，與上海城市人口發展趨勢基本匹配（見表1）。

圖1 英國發電結構更新圖

表1 “十二五”上海電力消費統計表

借鑒東京發展歷程，電力需求變化大致經過3個階段：第一階段為“粗放增長期”，高耗能行業占整個工業用電60%，最高負荷年均增長12%左右；第二階段為“轉型調整期”，隨著高耗能工業比例大幅下降，最高負荷增速下降至8%左右；第三階段為“飽和穩定期”，產業結構進一步持續調整，最高負荷增速下降至5%以下甚至停滯。上海正處在工業化后期向后工業化時代轉型時期，新的工業體系正在建立，短期內化工、冶金及裝備型工業仍將維持，高污染、高耗能、低附加值產業將逐步淘汰。目前，高耗能用電大幅減少，負荷增速放緩的特征與東京第二階段極為相似。預計2020年后，新的產業結構形成雛形，負荷增速有所回升，并在10-15年左右進入飽和平穩階段。

《上海市電力發展“十三五”規劃》提出，2020年用電需求約3500萬KW，人均指標1.4KW，按1.63%增長率測算，中期2028年指標約1.59KW，遠期2035年指標約1.78KW。2500萬人口將成為未來上海常住人口調控目標，中期2028年用電需求規模預計4000萬KW左右，遠期2035年預計4500萬KW左右。

4 系統格局

上海電源供應現狀呈“二元互補、多元燃料”局面，市內外電源互為補充。市外來電比重不斷增大，市內發電燃料日益多元化。2017年，總裝機達到2400萬KW，其中煤機比重約64.4%，燃機比重約23.9%，非化石能源發電約6.5%。

上海國際化大都市的用電負荷特性愈發明顯，一方面最高負荷需求不斷增加，另一方面最大峰谷差也在不斷增大，2015年已占到最高負荷44%。根據以往消費數據，上海年平均最低負荷僅占到最高負荷28～31%。對于負荷特性的顯著變化，上海電源建設思路也要相應調整，以保障基荷的供應穩定。增加靈活調峰能力應是新時期上海電源建設的思路方向。

鑒于地域特點，上海無水電和抽水蓄能電站建設條件，風和光發電穩定性較差，反調峰特性突出；鑒于發電燃料特性，上海電煤供應充足，發電機組運行經濟、啟動時間長、調峰性能較差。上海存量煤機仍較多，建議在其壽命期內盡量提高利用小時數用于基荷保障，同時可降低不完全出力工況下的排放指標，新增調峰電源則不應再考慮。運行方式靈活的燃機將成為上海電源的必然選擇，未來應作為建設重點，并成為調峰主力。

受國家能源目標的約束，水電和核電必須優先全額消納。上海市外來電中不參與調峰的電源規模達到1 000-1 100萬KW，造成上海受電比例大于50%時間超過6個月，本地電源則全部轉向輔助配合，系統功能定位從基荷保障向應急調峰深度轉變。新常態也引起了上海電力一系列的連鎖反應：①“強饋入、弱開機”促使本地電網轉變最小開機方式運行，以保證電壓、頻率等指標安全穩定；②低谷負荷出現負備用，須通過抽水蓄能或外送方式額外進行平衡；③本地機組群深度調峰，性能和品質嚴重下降；④系統運行風險增加，大規模外部直流密集饋入華東電網，存在復雜故障下同時失電的嚴重風險。

新時期上海電源系統的供應格局，應由合理的市外來電比重和完善的市內調峰體系共同組成。市外部分應考慮4點：①響應國家戰略，清潔電源消納優先；②規模應參考低谷負荷水平確定；③優化空間分布，防范直流同時失去風險；④視情況變化，合理增加調峰比重。市內部分應考慮4點：①規模應根據最高負荷和最大峰谷差確定；②不再新建調峰煤機，適當提高存量煤機利用效率；③加大燃機調峰建設力度，優化上海電源結構；④重視風、光發電配套設施建設，增加上海非化石能源利用比重。

5 規模布局

5.1 市外來電

統計顯示，上海低谷負荷約占最高負荷28-31%，同時考慮本地機組最小運行出力，市外來電宜控制在30%左右。上海未來發展潛力，低谷負荷仍有進一步提升的空間，適當預留外來電增強饋入預期，中、遠期市外來電比重宜按35-40%控制。

未來市外來電規模分兩種情景：①不參與調峰，比重不宜超過40%，中期2028年出力規模約1760萬KW，遠期2035年約1 980萬KW；②參與調峰，規模則由市外通道輸送能力決定，最高可達3 600萬KW。

上海市外來電已規劃9條通道，最高受電能力可達3 600萬KW，華東區外1 500萬KW，華東區內2100萬KW。目前建成8條通道，6條來自浙江方向（含所有大功率直流輸送通道），2條來自蘇州方向，空間分布均衡性一般。外來電強饋入會引起系統風險增加。大功率直流全部位于浙江側，應考慮加強江蘇方向電源備用。適時啟動蘇北方向500kV電源通道建設，與上海嘉定或浦東方向聯網，提高電網系統安全可靠性。

5.2 市內電源

市外來電基本不參與調峰預期，比重不宜超過40%，市內電源比重需達到60%，預計中期2028年裝機規模約2 930萬KW；遠期2035年裝機規模約3 300萬KW。全市燃油機組全部關停；燃煤機組中小型機組（30萬KW及以下）到期停役，中型機組（60萬KW）到期視情況停役，大型機組保留，不再新增或改造調峰煤機；燃機機組視空間資源和天然氣供應能力，在城市外圍布置合適電源點；鼓勵加快非化石能源和分布式發電的開發利用建設。

目前，煤機共1546萬KW，未來小型機組中除寶鋼自備4#機組須保障煤氣安全消納保留外，其余全部到期停役。中型機組到期后視情況停役，大型機組保留。預計中期2028年第一批機組退役后剩余出力約987萬KW，遠期2035年第二批機組退役后剩余出力約580萬KW。風、光發電是非化石能源發電主力，但由于其反調峰特性不計入電力平衡，生物質能與分布式供能中、遠期規模預計可達約140-220萬KW。剩余負荷均由燃機電源供給，裝機需求約達1 803-2 500萬KW。燃機供應體系可分為3個部分，第1部分為現狀燃機資源，第2部分為已規劃預留燃機資源，第3部分為擬新規劃燃機資源（包含退役煤機替代和純新增燃機電源）（見圖2）。

圖2 燃機供應體系結構

燃機規?，F狀約573萬KW，已規劃預留燃機綜合考慮建設周期、需求分布、容量平衡等因素，應按適度有序、穩步推進原則建設。兩部分資源預計中期供應能力達到1 343萬KW，遠期達到1 823萬KW。退役煤機原址替代方面：①外高橋電廠受制于天然氣專管接入，不具備原址替代條件；②石洞口基地基本具備原址替代條件，中期預計建設3×40萬kw燃機，遠期再建設4×40萬kw燃機；③吳涇基地由于地區整體規劃轉型，不具備原址替代條件；④寶鋼、上海石化、高橋石化電廠根據城市發展和企業轉型要求，預計替代建設1×40萬kw燃機。由此可見，剩余約280-337萬kw負荷缺口需考慮新增電源點予以支撐。

新增電源點選擇上海城市外圍區域布置。根據城市總體用地規劃，通過GIS空間建模，綜合負荷需求分布、城市重要地區、基本農田保護、水源氣源電力等一系列電廠規劃要素，從新增負荷供給薄弱區和傳統煤機替代靈活性兩方面考慮，對規劃產業基地和社區空間進行適宜性評價，初步判斷上?；^、青松地區、嘉定新城、浦東外高橋4個區域相對適宜，可作為儲備資源，根據未來實際需要支撐項目建設。

6 結論

上海電源現狀存在發電燃料結構不合理，化石燃料中電煤比重過高等一系列問題，煤炭“深度減量化”趨勢已不可避免。受國家清潔能源目標驅動和煤電功能定位改變，上海電力供應格局將面臨較大變革。預計中、遠期負荷需求約4 000-4 500萬kw。

市外來電在不參與調峰情況下，比重不宜超過40%，共規劃預留9條市外通道；市內電源裝機需求約2 930-3 300萬kw，增加靈活調峰性能將是主要發展思路，燃機將成為建設重點，需求規模約1 803-2 500萬kw，經梳理判斷現狀、已規劃預留和原址替代等燃機資源，約280-337萬kw需考慮新增電源點予以支撐。

GIS空間建模對上海規劃產業基地和社區空間進行適宜性評價，初步篩選出具備潛力的上?；^、青松地區、嘉定新城、浦東外高橋4處區域，可作為空間儲備資源支撐上海電源系統未來的更新完善。