基于减排约束下上海市电力结构多目标规划研究

文_张东海 上海市经济信息中心

当前上海市发电结构仍然偏重，在发电消费的能源中煤炭占比在80%左右，可再生能源仅占5%左右，而要转向依靠核能和可再生能源能源发电又面临成本、资金、技术等难题，因此如何通过发电结构的优化，确保经济发展、环境目标都得以实现并达到最优，成为亟待解决的问题。

本文以发电成本最小化和污染治理成本最小化作为目标，综合考虑上海市经济增长、资源、温室气体减排、污染物减排等约束因素，并结合发电成本的变动趋势，运用加权和多目标优化方法模拟优化了2025 年上海市的发电结构，进一步为上海市发电结构优化提供了相关决策建议。

1 模型构建及数据来源

1.1 模型构建

目标函数设定为总发电成本最小、二氧化硫污染治理成本最小和氮氧化物污染治理成本最小，发电成本和污染治理成本会直接影响到发电企业的营业利润，进而影响到企业资金的正常运作。

成本、资源、环境和经济发展等多种因素，从总发电成本最小化和污染治理成本的角度建立了如下电力结构优化模型：

其中：染治理成本， f3(x)为总发电排放氮氧化物污染治理成本，xi

式中：f1(x)为总发电成本， f2(x)为总发电排放二氧化硫污为各种发电能源发电量，ci为各种能源每发一度电的发电成本，si为各种能源每发一度电的二氧化硫排放治理成本（费用），ni为各种能源每发一度电的氮氧化物排放治理成本（费用），D 为满足国民经济和社会发展的电力需求，L 为考虑装机容量和利用时间的发电技术和资源约束，Wi为各种能源每发一度电的二氧化硫排放系数，iλ 为各种能源每发一度电的氮氧化物排放系数，ps为二氧化硫排放控制目标，pn为氮氧化物排放控制目标。

1.2 数据来源

根据上海市电源发展趋势判断，煤机、燃油装机容量将维持现状，气机装机容量将在当前水平下持续增长，其他新能源发电装机预计将实现翻番。传统燃煤发电成本、新型超低排放燃煤发电成本、燃气发电成本，考虑到因成本核算方式的差异和国家对上网电价的管制，采用上网电价替代发电成本进行计算。此外二氧化硫和氮氧化物污染物的平均治理成本分别按8 元/kg 和9 元/kg 计。随着技术升级，新能源发电成本有持续下降的预期，火电发电煤耗也会下降。参考已有发电成本和扩散潜力测算结果，预计新能源发电成本将会下降10%～20%。

结合上海市“十三五”发电煤耗的变动趋势分析，预计煤炭、柴油和天然气的发电煤耗将会下降5%～10%。燃煤、燃油、燃气电厂单位发电量二氧化硫排放、单位发电量氮氧化物排放的设定分别参考上海市同类燃料发电厂的平均水平。上海市燃煤电厂目前已全部完成超低排放改造后，燃煤电厂单位发电量二氧化硫排放、单位发电量氮氧化物排放均远低于超低排放的绩效。燃煤、燃油、燃气的二氧化碳排放因子参考国家对地方考核计算的排放因子。具体2025 年不同发电技术主要参数假设如表1 所示。

表1

结合上海市“十二五”和“十三五”节能减排和控制温室气体工作方案，预计2025 年二氧化硫、氮氧化物排放控制目标较2020 年下降10%左右，发电行业二氧化碳排放增量可设定在1000 万t。市外来电起到了东西部地区优势互补、资源合理配置的作用，但也对上海市本地发电和输配电带来了一定冲击，因此维持市外来电保持当前的水平，也即净输入市外来电的比重维持在45%左右。

2 运算结果及分析

2.1 运算结果

以上海市“十三五”经济、能源发展规划为基础，参照刘世锦的研究成果，我国“十四五”时期 GDP 增长较“十三五”时期将进一步放缓，进入中速增长平台，年均增速在5%～6%之间。上海市在经济高质量发展要求下，预计“十四五”期间GDP增速略高于全国平均增速，进一步结合上海市近几年电力弹性系数，预计到2025 年上海市用电量将在1850 亿～1950 亿kWh之间。本文根据不同电力需求情景进行分析，按1850 亿kWh、1900 亿kWh 和1950 亿kWh 划分为低、中、高三种情景，采用加权和法求解多目标优化模型，得出2025 年上海市电力结构优化结果如表2 所示。

表2

2.2 结果分析

煤电作为“压舱石”的作用仍未改变。无论是低情景还是中情景，在以经济成本作为目标的情况下，燃煤发电优势明显，燃煤发电量都达到装机容量资源利用的上限，占比在80%左右。由于我国能源的自然禀赋特点，燃煤发电的经济性相比较燃气发电优势依旧非常明显，在传统燃煤发电改造为超低排放后，燃煤发电在环保方面的劣势有所减弱，许多超低排放的案例实践证明，清洁煤技术使得燃煤发电污染物排放强度甚至可以超越燃气发电。进一步结合对电力供应安全问题和未来用电规模的刚性增长约束的考虑，外来电比重需要维持在一定的水平，不宜过早大规模淘汰煤电。

在低情景和中情景下，可再生能源发电量也达到了其资源利用的上限，占比提高到了7%左右。这主要是由于随着风电、光电等新能源发电技术的快速发展和进步，新能源和可再生能源发电成本持续下降，其在经济性上越来越具有竞争力。但是，上海市受限于当地气候环境等因素限制，风能、太阳能、生物质能和海洋能等新能源和可再生能源的开发利用还有待进一步提高。

无论是低情景还是中情景下，燃气发电都没有达到其资源利用的上限，占比在12%左右，这主要是受燃气发电成本较高的制约。天然气价格是影响燃气发电企业经济性最重要的因素，燃气发电运营成本中燃料费占比较高，再加上折旧维修和人工等费用，已超过了现行燃机上网电价，这就导致近几年燃气发电企业主要依靠容量电价维持财务平衡，部分企业盈利微薄甚至亏损。

在高情景下，当用电量需求达到1950 亿kWh，模型优化结果显示为无可行解，原因是在于经济发展需求和减排之间的互相冲突，在满足经济和社会发展需求的高情景用电量条件下，温室气体控制目标则无法实现，因此需要花费更高的成本来降低温室气体排放因子。

3 结论及建议

优化电源结构，提高可再生能源发电比例是应对环保约束的根本，随着可再生能源发电成本的持续下降，其经济性将会逐渐显现，可有效解决污染物排放和碳排放问题。

加快形成天然气与煤炭“协调发展、优势互补”的新格局，提高能源利用效率、经济效益和环境效益，推动天然气进口来源多元化，多元化的天然气对降低经济成本、有效降低地缘政治风险、维护能源安全等都至关重要。

建立能源系统预警机制，充分估计各种不可抗力可能引发短期能源价格变化产生的经济问题，研究制定能源供应保障、能源使用成本降低预案。