上海市中小燃煤机组燃机替代研究

夏凉黄平郭羽

上海市城市规划设计研究院

关键字：电源；清洁；更新；储备

0 简介

能源发展和环境保护的兼容协调已成为全世界共同面对的课题。我国已提出“2030年左右碳排放达到峰值，2030年单位GDP碳排放要比2005年下降60～65%，非化石能源占一次能源消费比重达到20%左右”目标，并将“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”写入了党的“十九大”报告。

上海正在全力打造清洁安全能源供应体系。合理的电源供应体系是构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要组成部分。本文以上海电源为对象，从清洁低碳和城市空间视角出发，对未来上海电源的发展策略和更新途径进行探讨研究。

1 现状评价

“十二五”上海全社会用电指标年均增速远低于“十一五”，“十三五”略有回升；市外来电不断加强，市内机组利用效率下降明显，年利用小时下降23%；电煤消耗呈逐年下降趋势，但占比仍高达83.7%，天然气消耗稳步提升至8.4%。

全球电力生产结构仍呈现以化石燃料为主格局，但每年化石燃料比重均在下降。以非化石能源占比为标杆，我国处于中下游水平，煤炭消费比重为世界平均水平的2.2倍。上海作为我国经济最发达的城市，化石燃料发电占比仍较高，电煤占到84%，煤机装机和低效煤机比重指标较为落后。

综合评价：受国家宏观经济结构调整影响，上海电力需求呈现结构性放缓特征，为电源系统调整完善提供了良好契机；电源供应出现供大于求局面，市内机组利用效率下降明显；化石发电燃料占比过高，电源结构不合理，亟需更新替代。

2 发展趋势

我国中央、地方政府为实现能源与环境的协调发展，已陆续发布一系列规划指导文件，指引着未来发展方向。

2014年的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》，提出了一系列能源发展目标，为“十三五”能源战略提供参考和指引。重要能源领域如煤炭“降低、控制、减量、替代”，天然气“提高、加强、扩大、拓展”的定位，深刻影响了后续的“十三五”规划编制。

2016年的《能源发展“十三五”规划》指出，天然气和非化石能源将成为世界能源主要方向，并且2030年天然气有望成为第一大能源品种，提出非化石、天然气、煤炭消费比重和单位GDP碳排放目标。“规划”首次提出了总量和强度双控制，煤炭消费比重要求压缩至58%以内，非化石、天然气消费将占新增量68%以上，是煤炭消费增量的3倍以上。

2017年的《上海市能源发展“十三五”规划》提出，煤炭消费比重下降到33%左右，天然气消费比重达到12%，加快煤机节能减排升级和清洁改造。“规划”提出的主要任务涉及全市众多燃煤电厂，市内电源将迎来结构性调整周期。

2017年的《上海市电力发展“十三五”规划》提出了新增调峰燃机、关停燃油机组、升级清洁煤机、发展可再生能源发电及分布式供能等主要任务，指出了电网的重要作用和面临的新挑战。

2018年的《中国电力发展报告2017》展望了2020年我国15%非化石能源消费目标实现难度较大；应提升系统调节能力，扩大煤电灵活性改造，推动调峰气电建设，优化抽水蓄能电站。国家能源局未来将进一步加大非化石能源（重点为水电）的消纳范围和力度，上海市外来电规模有进一步增大预期。

2018年的《上海市城市总体规划（2017-2035年）》要求推进天然气等清洁能源，进一步提高可再生能源比例。同时，认定能源工业为重要改革对象，认为天然气、太阳能、风能、潮汐能、浅层地温能、生物质能等属于清洁能源，应推进替代煤、油等传统能源。

2018年的《上海市清洁空气行动计划（2018-2022年）》提出了2020、2022年PM2.5年均浓度和空气质量优良率目标，要求2020年煤炭消费总量在2015年基础上削减5%以上。由于约束目标严格，全市煤机排放措施和能力已基本接近极限，未来对目标的贡献预期较低，将间接推动电源供给侧改革。

纽约州燃煤发电比重仅占2%，大部分来自石油天然气（占48%）、核电（占14%）、水电（占11%）和天然气（占10%）。纽约州提出了2030年碳排放量减少40%目标。纽约州环境监管机构于2018年5月公布污染规定草案，要求到2020年关闭州内所有剩余燃煤电厂或改为天然气等清洁燃料发电。英国2012-2018年期间，煤电占比已从43%缩减至7%，天然气飙升至44%，风电大幅增加至16%，核电基本稳定在20%，进口电提升至9%，其余生物质发电、光伏、水电约占4%（见图1）。

能源低碳化已在世界范围形成共识，天然气和非化石能源将成为主要消费方向，煤炭“深度减量化”趋势已不可避免。受我国清洁能源目标约束和煤电功能定位转变，上海电源格局将迎来结构性调整周期，未来供给侧结构新常态将对电力系统的弹性调节能力提出更高要求。

3 需求预测

上海市“十二五”电力消费数据表明，上海人均用电负荷年均增长率约为1.63%，与上海城市人口发展趋势基本匹配（见表1）。

图1 英国发电结构更新图

表1 “十二五”上海电力消费统计表

借鉴东京发展历程，电力需求变化大致经过3个阶段：第一阶段为“粗放增长期”，高耗能行业占整个工业用电60%，最高负荷年均增长12%左右；第二阶段为“转型调整期”，随着高耗能工业比例大幅下降，最高负荷增速下降至8%左右；第三阶段为“饱和稳定期”，产业结构进一步持续调整，最高负荷增速下降至5%以下甚至停滞。上海正处在工业化后期向后工业化时代转型时期，新的工业体系正在建立，短期内化工、冶金及装备型工业仍将维持，高污染、高耗能、低附加值产业将逐步淘汰。目前，高耗能用电大幅减少，负荷增速放缓的特征与东京第二阶段极为相似。预计2020年后，新的产业结构形成雏形，负荷增速有所回升，并在10-15年左右进入饱和平稳阶段。

《上海市电力发展“十三五”规划》提出，2020年用电需求约3500万KW，人均指标1.4KW，按1.63%增长率测算，中期2028年指标约1.59KW，远期2035年指标约1.78KW。2500万人口将成为未来上海常住人口调控目标，中期2028年用电需求规模预计4000万KW左右，远期2035年预计4500万KW左右。

4 系统格局

上海电源供应现状呈“二元互补、多元燃料”局面，市内外电源互为补充。市外来电比重不断增大，市内发电燃料日益多元化。2017年，总装机达到2400万KW，其中煤机比重约64.4%，燃机比重约23.9%，非化石能源发电约6.5%。

上海国际化大都市的用电负荷特性愈发明显，一方面最高负荷需求不断增加，另一方面最大峰谷差也在不断增大，2015年已占到最高负荷44%。根据以往消费数据，上海年平均最低负荷仅占到最高负荷28～31%。对于负荷特性的显著变化，上海电源建设思路也要相应调整，以保障基荷的供应稳定。增加灵活调峰能力应是新时期上海电源建设的思路方向。

鉴于地域特点，上海无水电和抽水蓄能电站建设条件，风和光发电稳定性较差，反调峰特性突出；鉴于发电燃料特性，上海电煤供应充足，发电机组运行经济、启动时间长、调峰性能较差。上海存量煤机仍较多，建议在其寿命期内尽量提高利用小时数用于基荷保障，同时可降低不完全出力工况下的排放指标，新增调峰电源则不应再考虑。运行方式灵活的燃机将成为上海电源的必然选择，未来应作为建设重点，并成为调峰主力。

受国家能源目标的约束，水电和核电必须优先全额消纳。上海市外来电中不参与调峰的电源规模达到1 000-1 100万KW，造成上海受电比例大于50%时间超过6个月，本地电源则全部转向辅助配合，系统功能定位从基荷保障向应急调峰深度转变。新常态也引起了上海电力一系列的连锁反应：①“强馈入、弱开机”促使本地电网转变最小开机方式运行，以保证电压、频率等指标安全稳定；②低谷负荷出现负备用，须通过抽水蓄能或外送方式额外进行平衡；③本地机组群深度调峰，性能和品质严重下降；④系统运行风险增加，大规模外部直流密集馈入华东电网，存在复杂故障下同时失电的严重风险。

新时期上海电源系统的供应格局，应由合理的市外来电比重和完善的市内调峰体系共同组成。市外部分应考虑4点：①响应国家战略，清洁电源消纳优先；②规模应参考低谷负荷水平确定；③优化空间分布，防范直流同时失去风险；④视情况变化，合理增加调峰比重。市内部分应考虑4点：①规模应根据最高负荷和最大峰谷差确定；②不再新建调峰煤机，适当提高存量煤机利用效率；③加大燃机调峰建设力度，优化上海电源结构；④重视风、光发电配套设施建设，增加上海非化石能源利用比重。

5 规模布局

5.1 市外来电

统计显示，上海低谷负荷约占最高负荷28-31%，同时考虑本地机组最小运行出力，市外来电宜控制在30%左右。上海未来发展潜力，低谷负荷仍有进一步提升的空间，适当预留外来电增强馈入预期，中、远期市外来电比重宜按35-40%控制。

未来市外来电规模分两种情景：①不参与调峰，比重不宜超过40%，中期2028年出力规模约1760万KW，远期2035年约1 980万KW；②参与调峰，规模则由市外通道输送能力决定，最高可达3 600万KW。

上海市外来电已规划9条通道，最高受电能力可达3 600万KW，华东区外1 500万KW，华东区内2100万KW。目前建成8条通道，6条来自浙江方向（含所有大功率直流输送通道），2条来自苏州方向，空间分布均衡性一般。外来电强馈入会引起系统风险增加。大功率直流全部位于浙江侧，应考虑加强江苏方向电源备用。适时启动苏北方向500kV电源通道建设，与上海嘉定或浦东方向联网，提高电网系统安全可靠性。

5.2 市内电源

市外来电基本不参与调峰预期，比重不宜超过40%，市内电源比重需达到60%，预计中期2028年装机规模约2 930万KW；远期2035年装机规模约3 300万KW。全市燃油机组全部关停；燃煤机组中小型机组（30万KW及以下）到期停役，中型机组（60万KW）到期视情况停役，大型机组保留，不再新增或改造调峰煤机；燃机机组视空间资源和天然气供应能力，在城市外围布置合适电源点；鼓励加快非化石能源和分布式发电的开发利用建设。

目前，煤机共1546万KW，未来小型机组中除宝钢自备4#机组须保障煤气安全消纳保留外，其余全部到期停役。中型机组到期后视情况停役，大型机组保留。预计中期2028年第一批机组退役后剩余出力约987万KW，远期2035年第二批机组退役后剩余出力约580万KW。风、光发电是非化石能源发电主力，但由于其反调峰特性不计入电力平衡，生物质能与分布式供能中、远期规模预计可达约140-220万KW。剩余负荷均由燃机电源供给，装机需求约达1 803-2 500万KW。燃机供应体系可分为3个部分，第1部分为现状燃机资源，第2部分为已规划预留燃机资源，第3部分为拟新规划燃机资源（包含退役煤机替代和纯新增燃机电源）（见图2）。

图2 燃机供应体系结构

燃机规模现状约573万KW，已规划预留燃机综合考虑建设周期、需求分布、容量平衡等因素，应按适度有序、稳步推进原则建设。两部分资源预计中期供应能力达到1 343万KW，远期达到1 823万KW。退役煤机原址替代方面：①外高桥电厂受制于天然气专管接入，不具备原址替代条件；②石洞口基地基本具备原址替代条件，中期预计建设3×40万kw燃机，远期再建设4×40万kw燃机；③吴泾基地由于地区整体规划转型，不具备原址替代条件；④宝钢、上海石化、高桥石化电厂根据城市发展和企业转型要求，预计替代建设1×40万kw燃机。由此可见，剩余约280-337万kw负荷缺口需考虑新增电源点予以支撑。

新增电源点选择上海城市外围区域布置。根据城市总体用地规划，通过GIS空间建模，综合负荷需求分布、城市重要地区、基本农田保护、水源气源电力等一系列电厂规划要素，从新增负荷供给薄弱区和传统煤机替代灵活性两方面考虑，对规划产业基地和社区空间进行适宜性评价，初步判断上海化工区、青松地区、嘉定新城、浦东外高桥4个区域相对适宜，可作为储备资源，根据未来实际需要支撑项目建设。

6 结论

上海电源现状存在发电燃料结构不合理，化石燃料中电煤比重过高等一系列问题，煤炭“深度减量化”趋势已不可避免。受国家清洁能源目标驱动和煤电功能定位改变，上海电力供应格局将面临较大变革。预计中、远期负荷需求约4 000-4 500万kw。

市外来电在不参与调峰情况下，比重不宜超过40%，共规划预留9条市外通道；市内电源装机需求约2 930-3 300万kw，增加灵活调峰性能将是主要发展思路，燃机将成为建设重点，需求规模约1 803-2 500万kw，经梳理判断现状、已规划预留和原址替代等燃机资源，约280-337万kw需考虑新增电源点予以支撑。

GIS空间建模对上海规划产业基地和社区空间进行适宜性评价，初步筛选出具备潜力的上海化工区、青松地区、嘉定新城、浦东外高桥4处区域，可作为空间储备资源支撑上海电源系统未来的更新完善。