經(jīng)測算，燃氣電廠在降低污染物排放、碳排放，提高能源利用效率，調節(jié)電網(wǎng)峰谷差等方面明顯優(yōu)于燃煤電廠。同時，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)在熱電聯(lián)產(chǎn)基礎上，更有利于能源的梯級利用。當然，在燃料成本偏高的當下，燃氣電廠也應積極尋找合適的生存之道。建議相關部門在“十四五”能源規(guī)劃中繼續(xù)深化能源供給側結構性改革，提高天燃氣發(fā)電比重。
表注：燃煤機組煤耗按282g/kWh計算；E級燃氣機組氣耗按0.190Nm3/kWh計算；F級燃氣機組氣耗按0.183Nm3/kWh計算；H級燃氣機組氣耗按0.170Nm3/kWh計算。
在當前的能源使用狀況下，推動能源系統(tǒng)低碳轉型、提高能源利用率，成為各國能源從業(yè)者共同的目標。電力需求的增長，將使中國等發(fā)展中國家電力行業(yè)的脫碳變得更加困難。這一方面要努力推進電力系統(tǒng)脫碳化，積極探索發(fā)展風光可再生電力、推進燃料轉換、“化石能源發(fā)電+CCS碳捕捉”等多種電力系統(tǒng)脫碳化路徑。另一方面，也要意識到電氣化并非能源轉型的全部，我們要從節(jié)約能源消費、提高能源利用效率、發(fā)展可再生能源、氫能等其它能源多方面入手，提供一個更加多元化的低碳轉型方案。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電作為低碳環(huán)保、能源梯級利用的典型代表，已成為世界各國推動能源轉型的關鍵措施。我國燃氣電廠在當前形勢下也需探索出一條新的生存與發(fā)展之路。
燃氣電廠綜合優(yōu)勢高于燃煤電廠
隨著世界經(jīng)濟規(guī)模的不斷增大，世界能源消費量持續(xù)增長，同時，世界能源消費結構逐漸趨向優(yōu)質化。2018年，經(jīng)合組織國家的煤炭需求降至1975年以來的最低水平，說明部分國家和地區(qū)已經(jīng)開始實現(xiàn)多元的能源結構，可再生能源使用的增長替代了煤炭和石油的使用。據(jù)BP公司預測，中國能源消費中煤炭的占比將快速下降，從2018年的60%降至2040年的35%，降低的總量基本由可再生能源和天然氣的增量抵消。
燃氣電廠污染物與碳排放水平優(yōu)于全生命周期的燃煤發(fā)電
對于燃煤電廠來說，排放的大氣污染物主要有氮氧化物、二氧化硫、煙塵等，因管道天然氣中基本不含硫，所以燃氣電廠排放的大氣污染物主要為氮氧化物。
2016年，原環(huán)境保護部下發(fā)的《火電行業(yè)排污許可證申請與核發(fā)技術規(guī)范》要求火電機組排污量按照機組裝機容量和年利用小時數(shù)，采用排放績效法測算。據(jù)測算，在裝機容量和年利用小時數(shù)一致的情況下，燃煤電廠的氮氧化物允許排放量是燃氣電廠的1.6倍。
而實施超低排放以后的燃煤機組的污染物當量值仍明顯高于燃氣機組，根本不存在所謂的環(huán)保優(yōu)勢。我國大部分地區(qū)火電廠氮氧化物的排放標準為50mg/m3，目前只有北京與深圳對燃氣機組的氮氧化物排放提高了要求，要求排放濃度不大于15mg/m3。隨著低氮燃燒技術的進一步發(fā)展，我國其他地區(qū)燃氣機組的NOx排放標準也會逐步降低到15mg/m3。
相關研究顯示，燃煤電廠和天然氣電廠的全生命周期碳排放分別為745.9735g/kWh、522.4980g/kWh，其中發(fā)電運行分別占全生命周期碳排放的90.80%、68.15%，即燃煤電廠發(fā)電過程中碳排放量為677.34g/kWh，而天然氣電廠發(fā)電過程中的碳排放量僅為356.08g/kWh，不到燃煤電廠碳排放量的一半。整體來說,燃煤發(fā)電全生命周期和發(fā)電環(huán)節(jié)的碳排放均高于天然氣發(fā)電。
燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)能源利用效率優(yōu)勢明顯
根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2019》中的數(shù)據(jù)，2018年，全國6MW及以上電廠供電標煤耗為307.6g/kWh，比2017年降低1.8g/kWh。根據(jù)國家發(fā)改委、原環(huán)境保護部及國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，現(xiàn)役先進水平的1000MW級超超臨界燃煤機組供電標煤耗為285g/kWh，新建1000MW級超超臨界濕冷機組設計供電煤耗為282g/kWh。
按照供電煤耗282g/kWh計算，每千瓦時供電所耗能量為8264.57kJ，能源利用率為43.56%。根據(jù)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組實際運行情況，E級聯(lián)合循環(huán)的氣耗為0.190Nm3/kWh，F(xiàn)級聯(lián)合循環(huán)在純凝工況下的氣耗為0.183Nm3/kWh，而新型的H級聯(lián)合循環(huán)機組氣耗能達到0.170Nm3/kWh。即使以氣耗相對較高的E級聯(lián)合循環(huán)機組計算，天然氣高位熱值按36MJ/m3計算，每千瓦時供電所耗能量為6840kJ，能源利用率為52.63%。按照H級聯(lián)合循環(huán)機組的氣耗計算，供電的能源利用率為62.4%。
可見，在能源利用的效率方面，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)比常規(guī)燃煤機組有明顯的優(yōu)勢。
燃料成本過高致燃氣電廠收益偏低
關于燃氣電廠與常規(guī)燃煤電廠經(jīng)濟性對比的研究有很多，從電廠的利潤情況來看，燃氣電廠的盈利能力的確不如燃煤電廠，而且存在較大差距。但是，造成這種情況的主要原因是燃氣電廠燃料成本遠高于燃煤電廠，收益遠低于燃煤電廠。
在我國，電網(wǎng)企業(yè)和電廠企業(yè)作為國民經(jīng)濟保障企業(yè)，在盈利的同時承擔了更多的社會責任。雖然電網(wǎng)對參與調峰的發(fā)電企業(yè)有額外獎勵，但對于發(fā)電企業(yè)來說，電網(wǎng)的調峰獎勵往往不能覆蓋調峰所產(chǎn)生的成本，導致企業(yè)調峰的積極性不高，此時只能通過限制工業(yè)用電來保障居民用電。如果完全從經(jīng)濟角度來說，這種運行方式是不經(jīng)濟的，也導致燃氣機組無法發(fā)揮調峰速度的優(yōu)勢，成為影響燃氣電廠利潤的一個重要原因。
在某些國家，電力生產(chǎn)經(jīng)營市場化程度較高，夏季高溫時，用電價格甚至可飆升至9美元/千瓦時，折合人民幣接近63元/千瓦時，是平時電價的180倍。在這種情況下，發(fā)電企業(yè)有足夠的積極性進行調峰。雖然這是一個比較極端的情況，但對于燃氣發(fā)電機組，其控制模式中有一種“尖峰負荷”（PEAK）模式，在這種模式下，燃氣輪機通過提高燃燒初溫以增加出力，這種運行方式會降低設備使用壽命，此時需要電廠經(jīng)營者根據(jù)調峰電價和設備的成本進行取舍。
燃氣機組更適于調節(jié)電網(wǎng)峰谷差
根據(jù)《2019年全球電力報告》中的數(shù)據(jù)，2018年，我國發(fā)電量為7.1萬億千瓦時，位居全球第一，占全球總發(fā)電量的26.7%，比第二名的美國多2.6萬億千瓦時。但我國人均耗電量排名在63位，說明我國電力行業(yè)仍有較大發(fā)展空間。由于電力難以儲存的特殊性，電力的生產(chǎn)和消耗需要保持實時平衡。近年來，雖然也發(fā)展了諸如抽水蓄能、電池蓄能等方法平衡電網(wǎng)的峰谷差，但對于目前電網(wǎng)的規(guī)模來說，這些手段的調節(jié)能力有限。對于電網(wǎng)來說，能夠快速調整負荷的發(fā)電機組比其它手段能更好地平衡電網(wǎng)的峰谷差。
常規(guī)燃煤發(fā)電機組容量大，能夠為電網(wǎng)提供基本的負荷，調節(jié)負荷的速率為10MW/分鐘。燃氣發(fā)電機組具有啟動快、調節(jié)負荷快的特點，負荷調節(jié)速率能夠達到65MW/分鐘，顯然燃氣機組更適合用于調節(jié)電網(wǎng)的峰谷差。另外，燃氣機組啟動快，既可以作為電網(wǎng)的黑啟動電源，也可以對天然氣管網(wǎng)進行調峰，發(fā)揮儲氣庫的部分調峰作用。
燃氣電廠選址更為靈活
對燃煤電廠來說，其最主要的區(qū)域為燃煤儲存區(qū)域，由于燃煤電廠對燃煤的需求量十分巨大，按照兩臺600MW燃煤發(fā)電機組的耗煤量，滿負荷運行狀態(tài)下每天需消耗煤炭約10500噸，如果電廠儲存15天的燃煤量，則存煤量達到15.75萬噸，儲煤廠占地約2萬平方米，加上灰場，總占地面積能達到40萬平方米。此外，由于煤炭運輸量大，燃煤電廠需建立在鐵路或碼頭旁邊。而對同樣規(guī)模的燃氣電廠，由于天然氣采用管道輸送，總占地面積約14萬平方米。而且燃氣電廠排污量低，即使建設在城市中心也不會對周圍產(chǎn)生影響。
由燃煤電廠和燃氣電廠的特性可以看出，燃煤電廠適合建設在遠離城市中心，靠近煤礦或鐵路、碼頭的地方。燃氣電廠則可以根據(jù)電負荷、熱負荷的集中程度選址，適合建設在采暖集中或工廠較集中的區(qū)域，如城市附近和工業(yè)園區(qū)。
燃氣輪機的廣泛使用將帶動基礎性學科發(fā)展
從1939年世界第一臺燃氣輪機投入商業(yè)運行開始，燃氣輪機的發(fā)展取得了長足進步。其燃燒初溫能從最初的550℃發(fā)展到H級燃機的1500℃，得益于透平材質以及涂層材料的飛速進步。反過來說，也正是商業(yè)的需求促進了材料的研究與發(fā)展。另外，燃氣輪機的應用并不僅僅局限于商用與發(fā)電，還廣泛應用于軍事上，主要為飛機及大型艦船的動力發(fā)動機。GE公司曾在1969年推出LM2500型航改型燃機，直到今天仍應用在美國海軍最新的水面作戰(zhàn)船上。
燃氣輪機的應用，從某種意義上說，是為燃氣輪機核心技術的研發(fā)與進步提供了平臺與支撐，任何成熟的技術都不是在實驗室里發(fā)明出來的，而是通過不斷實踐、研發(fā)、再實踐的過程得以實現(xiàn)。中科院上海高等研究院自主研發(fā)的天然氣分布式能源機組已投入商業(yè)運行，為微型燃氣輪機的國產(chǎn)化向前推進了一大步。當前，部分人士認為我國沒有掌握燃氣輪機的核心技術，造成燃機投資高、維修成本高，所以應減少在燃氣輪機上的投資，這種認識是片面的。燃氣輪機除了能推動材料科學的發(fā)展外，還能推進燃燒理論、控制理論等基礎性學科發(fā)展，燃氣輪機的廣泛使用必將會帶動這些基礎性學科的發(fā)展。
燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)提高能源梯級利用水平
能源梯級利用是能源利用最合理和經(jīng)濟的一種方式。無論是一次能源還是余能資源，均應按其品位逐級加以利用。燃氣—蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)是一種典型的能源梯級利用方式，在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，高溫煙氣（約1500℃）先用來發(fā)電，發(fā)電后的低溫煙氣（約560℃）再將水加熱為水蒸汽，高溫蒸汽先用來發(fā)電，低溫余熱則可向工廠、寫字樓及住宅供熱與制冷。目前丹麥已經(jīng)不再建設大型火力發(fā)電廠，因為大型火電存在難以實現(xiàn)能源梯級利用、用戶終端能耗水平無法降低等問題，通過實施分布式能源系統(tǒng)，能源梯級利用的總能效可達80%以上。
由能源梯級利用的理論可知，工質的初溫越高，其能源梯級利用的范圍就越大，能源利用的效率就越高。與燃氣電廠相比，燃煤電廠的工質為水及水蒸汽，其初溫為500℃-600℃，而燃氣電廠的一級工質為空氣和天然氣，二級工質為水及水蒸汽，對E級燃機而言，其一級工質的初溫可達1124℃，對目前最先進的H級燃機來說，其一級工質的初溫可達到1500℃，這也是燃氣電廠效率高于燃煤電廠的根本原因。
能源的梯級利用包括按質用能和逐級多次利用兩個方面。其中，按質用能就是盡可能不使高質能源去做低質能源可完成的工作，在一定要用高溫熱源來加熱時，也盡可能減少傳熱溫差。在只有高溫熱源，又只需要低溫加熱的情況下，則應先用高溫熱源發(fā)電，再利用余熱供熱，如熱電聯(lián)產(chǎn)。逐級多次利用就是高質能源的能量不一定要在一個設備或過程中全部用完，因為在使用高質能源的過程中，能源的溫度是逐漸下降的（即能質下降），而每種設備在消耗能源時，總有一個最經(jīng)濟合理的使用溫度范圍。這樣，當高質能源在一個裝置中已降至經(jīng)濟適用范圍以外時，即可轉至另一個能夠經(jīng)濟使用這種較低能質的裝置中去使用，使總的能源利用率達到最高水平。
近年來，隨著能源利用水平的提高，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)在熱電聯(lián)產(chǎn)的基礎上，發(fā)展為熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)，通過余熱鍋爐末級熱量生產(chǎn)熱水，并通過溴化鋰設備生產(chǎn)出7℃左右的冷水，向生產(chǎn)辦公區(qū)域及電廠周圍用戶供應冷水，進一步提高了能源的利用率。雖然能源梯級利用是針對發(fā)電和供熱企業(yè)提出的，但可以廣泛地擴展到制冷、化工、冶金等各種工業(yè)過程，必要時可用熱泵來提高熱源的溫度品位后再利用。不同的企業(yè)對能量的等級要求是不一樣的，可以根據(jù)各用能企業(yè)的能級需求，先將高能級熱源經(jīng)上一級企業(yè)使用后降為低能級熱源，再供給需求低的企業(yè)使用。能量的梯級利用能夠有效滿足各單位的用能需要，而不增加能源消耗，極大地提高了能源利用率。
燃氣電廠要提升自身生存能力
進入2020年，“十三五”即將迎來尾聲。經(jīng)濟快速發(fā)展和社會生產(chǎn)力顯著增強，我國能源領域發(fā)生了翻天覆地的變化，取得了舉世矚目的偉大成就。傳統(tǒng)的“等、靠、要”經(jīng)營方式已經(jīng)落伍，經(jīng)營者如果還保持過去電廠的經(jīng)營理念，必然會將電廠帶入發(fā)展的死胡同。燃氣電廠也需要在多元化經(jīng)營上大膽嘗試和創(chuàng)新。
首先，要開辟主營業(yè)務外的新業(yè)務。創(chuàng)新商業(yè)模式，逐步向綜合能源服務商和供應商轉型，建立以熱電生產(chǎn)為主，綜合能源為輔的新模式。在電力生產(chǎn)過程中，為保證發(fā)電機組的正常運行，會配套除鹽水、壓縮空氣的生產(chǎn)，而電廠在設計時，往往會在水、氣最大使用量的基礎上設計一些余量，以保證工況最惡劣的情況下發(fā)電機組能正常運行。在不增加設備的基礎上，可以將多余的除鹽水、壓縮空氣作為商品出售給周邊需要的企業(yè)，既可為周邊企業(yè)節(jié)省設備投資和運行維護成本，也可為企業(yè)增加利潤。
其次，要優(yōu)先發(fā)展分布式能源系統(tǒng)。結合“十三五”新型城鎮(zhèn)化建設和城鄉(xiāng)天然氣管道布局規(guī)劃和建設，優(yōu)先發(fā)展分布式能源系統(tǒng)，因地制宜發(fā)展大型天然氣發(fā)電(熱電)站，以實現(xiàn)能源的梯級利用。在電網(wǎng)系統(tǒng)調峰容量不足地區(qū)，利用天然氣發(fā)電機組承擔調峰調頻任務，提高系統(tǒng)運行靈活性、可靠性，減少棄風、棄水、棄光。
再次，要搶抓碳排放機遇，爭取外部市場收益。作為燃機發(fā)電企業(yè)，相比燃煤電廠，有著碳減排優(yōu)勢，要認真研究碳排放交易政策，跟蹤掌握國內碳排放政策走向，使碳減排交易成為新的利潤增長點。燃氣電廠要利用燃機減排優(yōu)勢，積極介入，充分利用碳交易機制，依靠碳市場機制來合理配置碳排放權這一環(huán)境資源，合理制定碳資產(chǎn)的經(jīng)營策略，對碳資產(chǎn)進行科學管理，實現(xiàn)碳資產(chǎn)收益最大化。
“十四五”時期是我國由全面建成小康社會向基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化邁進的關鍵時期，是積極應對國內社會主要矛盾轉變和國際經(jīng)濟政治格局深刻變化的戰(zhàn)略機遇期?！笆奈濉逼陂g，我國的能源產(chǎn)業(yè)必將得到更加充分的發(fā)展。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電作為低碳環(huán)保、能源梯級利用的典型代表，建議相關部門在“十四五”能源規(guī)劃修訂時高度重視，提高天然氣發(fā)電比重，繼續(xù)深化能源供給側結構性改革。
一是從我國的資源結構來看，天然氣屬于一種稀缺的能源資源，使用時應提高利用效率。熱電冷三聯(lián)供技術，則提供了一種很好的梯級利用高品質能源的方式，既能實現(xiàn)節(jié)能的目標又有利于環(huán)境保護，符合我國目前的國情和能源技術的發(fā)展潮流。
二是從能源的發(fā)展來看，雖然世界各國都在努力降低煤耗，但隨著能源需求的日益增加，煤炭的需求總量仍將增加，煤炭作為能源供應的主力短期內不會改變。而天然氣的供應緊缺情況也會隨著開采技術及天然氣貿易的發(fā)展，逐年得到改善。
三是燃煤電廠與燃氣電廠在電網(wǎng)中的作用各有側重，燃煤電廠適合作為電網(wǎng)的基礎負荷，承擔保障電網(wǎng)安全及電力供應的主力作用。而燃氣電廠適合布局在電負荷及熱負荷中心，以其清潔、高效、快速的特性為電網(wǎng)充分發(fā)揮調峰作用。
四是燃氣電廠應該根據(jù)自身的優(yōu)勢，開展多種經(jīng)營模式，拓展電廠的業(yè)務范圍，提升生存能力。
（作者系協(xié)鑫能源科技股份有限公司副總裁，本文僅代表作者個人觀點）
