中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，新能源大量并網(wǎng)引起系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足，為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，一方面儲(chǔ)能、抽蓄、充電樁等硬件技術(shù)飛速發(fā)展，另一方面虛擬電廠和負(fù)荷聚合商等一系列新型經(jīng)濟(jì)形態(tài)也應(yīng)運(yùn)而生。這些新技術(shù)的確進(jìn)一步提升了電力系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)速度，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡和高效運(yùn)行提供了有力支撐；但是我們也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這類調(diào)節(jié)資源的成本十分高昂。在明確確立并執(zhí)行碳中和目標(biāo)的國(guó)家中，雖然我國(guó)經(jīng)濟(jì)總量龐大，但經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)于一些發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定差距。國(guó)外電價(jià)水平較高，用戶抵御電價(jià)波動(dòng)的能力較強(qiáng)，可以通過市場(chǎng)化培育的方式發(fā)展高成本的電化學(xué)儲(chǔ)能等技術(shù)；而我國(guó)必須探索更加符合我國(guó)國(guó)情的發(fā)展模式，更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，盡量減少能源價(jià)格上漲對(duì)整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響。
中國(guó)煤電還有多少調(diào)節(jié)潛力？
我國(guó)傳統(tǒng)化石能源資源稟賦呈現(xiàn)“富煤、貧油、少氣”的特點(diǎn)。煤炭資源儲(chǔ)量豐富，煤電長(zhǎng)期作為我國(guó)電源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其技術(shù)相對(duì)成熟，存量機(jī)組多。所以經(jīng)濟(jì)地開發(fā)調(diào)節(jié)性資源可以從煤電入手。雖然目前煤電機(jī)組的啟停通常被認(rèn)為是異常或小概率現(xiàn)象，但如果煤電具備多次啟停的能力，其隱藏的調(diào)節(jié)潛力將十分巨大。
火電根據(jù)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)不等，可以分為冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)、極熱態(tài)啟動(dòng)等多種不同啟動(dòng)工況。一般來說，燃煤機(jī)組停機(jī)時(shí)間一小時(shí)以內(nèi)為極熱態(tài)啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)間1小時(shí)至10小時(shí)為熱態(tài)啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)間10小時(shí)至72小時(shí)為溫態(tài)啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)間72小時(shí)以上為冷態(tài)啟動(dòng)。在全國(guó)范圍內(nèi)多省份現(xiàn)貨運(yùn)行的情況來看，現(xiàn)貨價(jià)格出現(xiàn)地板價(jià)的時(shí)段通常為中午2-4個(gè)小時(shí)，也即真正需要火電進(jìn)行啟停調(diào)節(jié)的停機(jī)時(shí)間為2-4小時(shí)左右，此時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組狀態(tài)為熱態(tài)或極熱態(tài)。
處于極熱態(tài)、熱態(tài)工況下的機(jī)組有以下特點(diǎn)。一是能夠快速啟動(dòng)：由于停機(jī)時(shí)間短，設(shè)備溫度尚未大幅下降，啟動(dòng)速度快，減少了啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間；二是啟動(dòng)成本低：停機(jī)后設(shè)備內(nèi)的熱量仍然較高，充分利用熱力系統(tǒng)蓄熱，可以減少鍋爐燃料消耗；三是相較于其他工況，啟停更為安全：避免了長(zhǎng)時(shí)間冷卻和加熱的循環(huán)過程，減少了金屬材料的熱應(yīng)力，有利于提高機(jī)組壽命。
如果通過技術(shù)攻關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)燃煤機(jī)組極熱態(tài)、熱態(tài)啟停常態(tài)化，我國(guó)燃煤機(jī)組又能挖掘出多大的調(diào)節(jié)能力呢？據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2024年4月底，全國(guó)累計(jì)發(fā)電裝機(jī)容量約29.9億千瓦。另?yè)?jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)30日發(fā)布的《2023—2024年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》，截至2023年底，煤電裝機(jī)占比為39.9%，大致可計(jì)算出煤電裝機(jī)容量約為11.65億千瓦?？鄢欢ǖ睦鋫溆茫⒕W(wǎng)的煤電容量約10億千瓦左右。假設(shè)電網(wǎng)最小運(yùn)行方式下火電開機(jī)比例為50%，經(jīng)過靈活性改造后均滿足《國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局關(guān)于加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰儲(chǔ)能和智能化調(diào)度能力建設(shè)的指導(dǎo)意見》的要求，最小技術(shù)出力壓至額定負(fù)荷的30%，在此基礎(chǔ)上，保留1/5的容量用作電力系統(tǒng)基本調(diào)頻調(diào)壓需要，其余進(jìn)行啟停調(diào)節(jié)，則新增調(diào)節(jié)能力可以達(dá)到1.2億千瓦。如果這些調(diào)節(jié)能力全部用于消納光伏，按光伏同步率為60%（實(shí)際無(wú)法達(dá)到60%）進(jìn)行保守估計(jì)，相當(dāng)于在不需要額外發(fā)展其他調(diào)節(jié)資源的條件下，可以新增2億千瓦的光伏消納量。且隨著用電負(fù)荷不斷上漲，煤電裝機(jī)也會(huì)相應(yīng)增加，這個(gè)消納量也會(huì)隨之上升。這說明，我國(guó)煤電依然具有海量調(diào)節(jié)潛力可以開發(fā)。
煤電常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)需要哪些技術(shù)支撐？
與常見的機(jī)組冷態(tài)溫態(tài)啟停不同的是，常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)需要機(jī)組在停機(jī)后鍋爐依然維持兩臺(tái)左右的磨煤機(jī)運(yùn)行，將汽溫汽壓維持在一定參數(shù)范圍，同時(shí)汽輪機(jī)保持一定轉(zhuǎn)速。這樣才能確保當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)候，機(jī)組能以盡可能快的速度并網(wǎng)。若想真正實(shí)現(xiàn)常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)，必須從全方位的角度進(jìn)行深入考量，并有針對(duì)性地開展一系列技術(shù)攻關(guān)。
從煤電機(jī)組的角度考慮，頻繁啟停下機(jī)組運(yùn)行工況發(fā)生巨大變化，需要發(fā)展新材料技術(shù)并進(jìn)行機(jī)組系統(tǒng)邏輯優(yōu)化，解決或減少溫度變化帶來的以應(yīng)力增加為主的各類問題。
對(duì)于汽輪機(jī)來說，首先，短時(shí)啟停過程中高中壓缸汽缸轉(zhuǎn)子保持較高溫度，要避免上下汽缸溫差過大，防止大軸旋轉(zhuǎn)時(shí)與汽封磨擦造成轉(zhuǎn)子彎曲；第二，需要防止由于汽輪機(jī)軸封供汽的汽源頻繁切換、軸封處溫度劇烈波動(dòng)而引發(fā)的轉(zhuǎn)子或軸封片變形，進(jìn)而引起動(dòng)靜間隙消失，產(chǎn)生動(dòng)靜碰摩、振動(dòng)爬升；第三，需要考慮在低流量條件下，蒸汽與低壓缸末級(jí)葉片間的摩擦及蒸汽流動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)效應(yīng)等因素帶來的排氣溫度過高造成設(shè)備損傷；第四，機(jī)組頻繁啟停會(huì)導(dǎo)致進(jìn)汽閥門閥桿持續(xù)動(dòng)作以及進(jìn)汽溫度的波動(dòng)，需要解決由此引發(fā)的氧化皮增厚并從閥桿表面剝落，卡在閥桿與閥套之間環(huán)縫中形成的閥門卡澀問題。對(duì)于發(fā)電機(jī)來說，機(jī)組調(diào)節(jié)幅度和啟停頻次的增加，加速了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈熱脹冷縮效應(yīng)，交變應(yīng)力顯著增加，應(yīng)從材料技術(shù)入手，減緩線圈底下滑移層材料的老化和損壞，預(yù)防發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈軸向膨脹受阻故障，避免大負(fù)荷工況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯熱彎曲和振動(dòng)。對(duì)鍋爐來說，頻繁啟停需要考慮鍋爐汽包等受壓部件的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生低周疲勞損壞的問題。汽包內(nèi)飽和蒸汽壓力和溫度有較大幅度的變動(dòng)，而且由于汽、水導(dǎo)熱率不同以及汽包結(jié)構(gòu)因素影響，汽包壁不同部位存在溫差，并產(chǎn)生熱應(yīng)力。啟動(dòng)引起的周期性熱應(yīng)力同樣也作用于省煤器、水冷壁、過熱器上，容易引起這些設(shè)備低周疲勞并萌生裂紋。應(yīng)通過改進(jìn)汽包等設(shè)備的結(jié)構(gòu)、采用交變應(yīng)力下耐久性良好的材料、加強(qiáng)維護(hù)等方式減少此類問題發(fā)生。
從電力系統(tǒng)的角度考慮，需要增加基礎(chǔ)調(diào)頻機(jī)組的性能、提升系統(tǒng)慣量來抑制煤機(jī)啟停時(shí)的頻率波動(dòng)問題。
從小時(shí)級(jí)的時(shí)間尺度上來說，煤電機(jī)組可以通過啟停增強(qiáng)自身的調(diào)節(jié)能力。但在分鐘級(jí)的時(shí)間尺度上來說，某臺(tái)煤電機(jī)組在“啟”或“停”的過程中，其調(diào)節(jié)能力較差。由于實(shí)際出力與啟停機(jī)曲線存在偏差，煤機(jī)啟停過程中甚至需要消耗系統(tǒng)的一部分調(diào)節(jié)能力。不參與啟停調(diào)節(jié)的其他機(jī)組必須承擔(dān)起基礎(chǔ)調(diào)頻的責(zé)任，這對(duì)基礎(chǔ)調(diào)頻機(jī)組的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)能力帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，煤電機(jī)組通過啟停來消納更多的新能源，此時(shí)系統(tǒng)整體的慣量會(huì)隨之下降，頻率的波動(dòng)程度相應(yīng)提升。必須通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、增加電機(jī)外部附件、發(fā)展虛擬慣量技術(shù)等方式增加系統(tǒng)慣量，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。
從規(guī)劃設(shè)計(jì)的角度考慮，需要洞察能源轉(zhuǎn)型背景下煤電角色演變的大趨勢(shì)，精準(zhǔn)把握并優(yōu)化煤電設(shè)計(jì)思路。
對(duì)于存量燃煤機(jī)組來說，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下以降低最小技術(shù)出力下限、提高爬坡速率、快速啟停為目標(biāo)進(jìn)行靈活性改造，同時(shí)提升運(yùn)行人員技術(shù)水平，重點(diǎn)提高機(jī)組啟停操作能力以及變化工況下參數(shù)的調(diào)節(jié)能力。而對(duì)于增量火電機(jī)組，應(yīng)該改變目前一味追求煤耗經(jīng)濟(jì)性的思路。隨著“雙碳”目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)，新能源發(fā)電大量并網(wǎng)以及煤電容量電價(jià)機(jī)制的出臺(tái)，煤電在電力市場(chǎng)中的定位已經(jīng)從傳統(tǒng)的主體能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹涡?、調(diào)節(jié)性電源。這就意味著煤電無(wú)法保證利用小時(shí)數(shù)，大型機(jī)組大部分時(shí)間下都無(wú)法達(dá)到額定負(fù)荷，煤耗經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)不再是優(yōu)先考慮的指標(biāo)。增量機(jī)組的研究方向應(yīng)該是降低最小技術(shù)出力下限、提高爬坡速率、提升快速啟停能力。具體表現(xiàn)為提升汽輪機(jī)汽缸轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)線圈、鍋爐管道等金屬材料對(duì)于溫度變化的耐受性，同時(shí)在機(jī)組設(shè)計(jì)過程中優(yōu)化啟停機(jī)邏輯，簡(jiǎn)化操作，實(shí)現(xiàn)煤電日內(nèi)兜底調(diào)節(jié)功能等。
煤電啟停調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)性如何？
因機(jī)組啟停時(shí)間集中在光伏大發(fā)、電力供應(yīng)嚴(yán)重過剩的時(shí)段，此時(shí)電力現(xiàn)貨價(jià)格極低甚至為負(fù)（考慮到綠電的環(huán)境溢價(jià)），目前山東、浙江等省份在新能源大發(fā)時(shí)段已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)價(jià)，未來隨著新能源裝機(jī)的增加，新能源出力時(shí)段現(xiàn)貨負(fù)價(jià)將更加頻繁。假設(shè)啟停時(shí)間內(nèi)現(xiàn)貨價(jià)格全部為-0.1元/千瓦時(shí)，算一筆經(jīng)濟(jì)賬。
（一）機(jī)組成本分析
機(jī)組進(jìn)行啟停調(diào)節(jié)的成本分為兩部分：停機(jī)后維持短時(shí)間可并網(wǎng)狀態(tài)所需的成本以及啟動(dòng)成本。以600兆瓦機(jī)組為例，機(jī)組維持短時(shí)間可并網(wǎng)狀態(tài)的成本主要包括煤耗、汽耗成本?？紤]到停機(jī)后為了能快速并網(wǎng)，相應(yīng)輔機(jī)設(shè)備均需要投運(yùn)。此種狀態(tài)下機(jī)組所需熱蒸汽的汽耗約為30噸/小時(shí)，低位發(fā)熱量20000千焦/千克的煤耗約為70噸/小時(shí)。將蒸汽、煤折合成標(biāo)煤，取標(biāo)煤煤價(jià)900元/噸，經(jīng)過計(jì)算此費(fèi)用約為137770.2元。
機(jī)組啟動(dòng)成本則需綜合考慮機(jī)組煤耗、耗水，以及為維持鍋爐燃燒穩(wěn)定的油耗等費(fèi)用。從沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)再到機(jī)組恢復(fù)至30%額定容量（最小技術(shù)出力）總用時(shí)約為1小時(shí)，約消耗燃油1噸，煤耗從約70噸/小時(shí)變至約100噸/小時(shí)，同時(shí)考慮汽耗、電耗等，經(jīng)折算，啟動(dòng)成本約為100000元，總費(fèi)用約為237770.2元。
機(jī)組在30%額定負(fù)荷工況下的運(yùn)行成本：由于機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行下煤耗會(huì)顯著增加，取煤耗為330克/千瓦時(shí)，同時(shí)變動(dòng)成本僅考慮燃煤成本，機(jī)組運(yùn)行四小時(shí)變動(dòng)成本約為213840元。
從兩種情況成本對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，停機(jī)方式相較維持最小出力，成本略有上漲，但考慮到機(jī)組啟停補(bǔ)償，具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
（二）機(jī)組電能量收益分析
從電力市場(chǎng)收益對(duì)比，假設(shè)中長(zhǎng)期簽約比例為機(jī)組容量的80%，即停機(jī)時(shí)段中長(zhǎng)期合同量為480兆瓦*4小時(shí)，中長(zhǎng)期交易價(jià)格設(shè)為0.4元/千瓦時(shí)，分別計(jì)算兩種情況下機(jī)組收益。采用結(jié)算方式二計(jì)算，機(jī)組停機(jī)時(shí)，電能量費(fèi)用為：
480000*4*0.4+（0-480000）*4*（-0.1）=960000（元）
而機(jī)組維持30%額定負(fù)荷工況時(shí)，機(jī)組出力為180兆瓦，此時(shí)費(fèi)用為：
480*4*0.4+（180-480）*（-0.1）*4=888000（元）
從兩種情況收益對(duì)比，停機(jī)的方式通過中長(zhǎng)期合約賺取了更多利潤(rùn)，整體收益增加，更加具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
另外，當(dāng)前部分火電機(jī)組作為供熱機(jī)組，為了保證穩(wěn)定供熱不能進(jìn)行啟停調(diào)節(jié)。但可以轉(zhuǎn)變思路：通過在用戶側(cè)安裝電鍋爐的方式進(jìn)行供熱，發(fā)電機(jī)組便能按需進(jìn)行啟停，不僅提升了機(jī)組自身的靈活性，并且使用電鍋爐供熱的方式增加了電力需求，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)消納能力。用此時(shí)段的低價(jià)電供暖，可以對(duì)其經(jīng)濟(jì)性簡(jiǎn)要分析。取供熱面積熱指標(biāo)為40瓦/平方米，則每平方米每小時(shí)耗熱量為144千焦/小時(shí)。鍋爐熱效率取75%，燃煤的低位發(fā)熱值按7000千卡/千克計(jì)，則供暖每平米每小時(shí)耗標(biāo)煤量約0.00655千克/平方米。如果是500萬(wàn)平方米供暖面積，則每小時(shí)總耗煤量約為32.756噸/小時(shí)。如果在負(fù)荷側(cè)安裝電鍋爐，由于燃煤機(jī)組啟停時(shí)段現(xiàn)貨價(jià)格為負(fù)，再疊加輸配等其他費(fèi)用，所以啟停調(diào)節(jié)時(shí)段，綜合成本近似為0。僅針對(duì)供熱需求來說，用戶側(cè)加裝電鍋爐方式在啟停調(diào)節(jié)時(shí)段每小時(shí)可節(jié)省成本約29480.4元。
綜合新能源大發(fā)時(shí)期對(duì)比機(jī)組停運(yùn)與維持最小出力的兩種情況，機(jī)組停機(jī)為新能源消納騰出了更多的空間，有利于能源結(jié)構(gòu)綠色化轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)煤電參與啟停調(diào)節(jié)成本可控，且在現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。但多次啟停也伴隨著巨大的操作量和安全風(fēng)險(xiǎn)，在一定程度上影響機(jī)組壽命，需要從啟停機(jī)補(bǔ)償?shù)慕嵌却碳っ弘姍C(jī)組積極參與，具備條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)一日兩次啟停。
煤電在保障我國(guó)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，盡管經(jīng)歷過一段時(shí)間的污名削減產(chǎn)能，但事后依然證明了煤電是整個(gè)電力系統(tǒng)不可或缺的支撐。從技術(shù)水平上講，中國(guó)的煤機(jī)就是歐洲的燃機(jī)。歐美等國(guó)家燃?xì)夤?yīng)充足穩(wěn)定且已適應(yīng)高用能成本，因此選擇發(fā)展燃?xì)鈾C(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)。而我國(guó)的煤機(jī)通過技術(shù)升級(jí)也完全能以燃機(jī)方式運(yùn)行，替代國(guó)外燃機(jī)的地位，同時(shí)為我國(guó)能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。從未來潛力上講，燃煤機(jī)組仍有海量調(diào)節(jié)潛力。不論是技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上，煤機(jī)短時(shí)啟停調(diào)節(jié)均具備可行性。且煤機(jī)調(diào)節(jié)能力還會(huì)隨著負(fù)荷增加和煤機(jī)裝機(jī)容量的增加繼續(xù)上升。從戰(zhàn)略需求上講，“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開煤電完成兜底調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)型。電力行業(yè)必須提前實(shí)現(xiàn)碳中和，才能幫助我國(guó)順利完成“雙碳”目標(biāo)，而這必然要求煤電從主要電源轉(zhuǎn)型成為支撐性、調(diào)節(jié)性電源，真正發(fā)揮兜底調(diào)節(jié)作用。未來煤電必然要在極低利用小時(shí)下，提升爬坡速率，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)，在確保能源供應(yīng)穩(wěn)定的同時(shí)，推動(dòng)能源領(lǐng)域向更清潔低碳的方向發(fā)展。
