單彤文，教授級高級工程師，中國海油集團公司專家，畢業(yè)于上海交通大學(xué)，現(xiàn)任中國海油集團公司科技信息部副總經(jīng)理，曾任中國海油氣電集團總工程師兼研發(fā)中心主任、黨委書記。其在海洋工程及液化天然氣領(lǐng)域有多年工作經(jīng)驗，現(xiàn)任國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC67/SC9 中方專家代表、全國專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會液化天然氣分標(biāo)委副主任委員。曾擔(dān)任多個國家及省部級課題研究的負(fù)責(zé)人。

　　摘要： “十四五”是我國能源向清潔化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，隨著可再生能源的快速發(fā)展及碳排放目標(biāo)的確定，在此期間調(diào)整與平衡電源結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃火力發(fā)電的發(fā)展目標(biāo)并安排相應(yīng)的配套政策十分重要，甚至可能成為影響能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵性因素。本文詳細分析了天然氣發(fā)電在“中國碳排放2030年達峰，2060年實現(xiàn)碳中和”總體目標(biāo)引領(lǐng)下的能源轉(zhuǎn)型中的重要作用，以及其在環(huán)保性、環(huán)保性、靈活性等方面相對煤炭發(fā)電的突出優(yōu)勢，闡述了目前天然氣發(fā)電面臨的主要問題，提出了天然氣發(fā)電在未來電力及能源結(jié)構(gòu)中的定位與發(fā)展路徑建議。以期為我國天然氣發(fā)電及未來能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃提供參考。

　　關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)電；能源轉(zhuǎn)型；定位；發(fā)展路徑

　　在2030年碳達峰、2060年碳中和的背景下，中國能源轉(zhuǎn)型的任務(wù)已經(jīng)非常明確，即能源結(jié)構(gòu)要進一步調(diào)整并向清潔化發(fā)展。根據(jù)測算，我國要實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，在能源供應(yīng)側(cè)可再生能源占比不能低于80%，需求側(cè)電動化率不能低于80%[1]。碳中和是遠期最終目標(biāo)，但是通過可靠、有效的減排手段實現(xiàn)碳排放總量快速達峰甚至下降、減輕未來實現(xiàn)碳中和帶來的壓力應(yīng)該是近期的主要目標(biāo)。

　　電力行業(yè)是碳排放及污染物排放的重要來源之一，其中火電更是排放大戶?；痣娭械奶烊粴獍l(fā)電（或稱“燃氣發(fā)電”“氣電”）因其清潔性、環(huán)保性、靈活性等受到發(fā)達國家的重視。以天然氣發(fā)電代替煤炭發(fā)電（或稱“燃煤發(fā)電”“煤電”），逐步控制煤炭消費量，一方面可以減少污染物排放，改善空氣質(zhì)量；另一方面可以降低電力行業(yè)碳排放強度，使碳排放總量得到控制，甚至大幅下降。

　　對比發(fā)達國家天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑來看，天然氣市場進入成熟期后消費增長動力主要來自于發(fā)電。要實現(xiàn)2030年天然氣占一次能源消費比重15%的目標(biāo)[2]，規(guī)?；l(fā)展天然氣發(fā)電是關(guān)鍵，特別是以大規(guī)模、高比例可再生能源為主的新一代電力系統(tǒng)，對電力系統(tǒng)靈活性和安全可控等提出了更高要求，天然氣發(fā)電的清潔低碳和靈活性將在可再生能源為主的電力系統(tǒng)構(gòu)建中發(fā)揮積極作用。

　　2019年中國天然氣表觀消費量3067億m3，在一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比約8.3%，遠低于全球24%的平均水平；其中發(fā)電用氣553.9億m3，占比18.1%，不及全球平均水平39%的一半；這兩項指標(biāo)與美國、英國、日本等發(fā)達國家相比更是相距甚遠[3-4]。

　　本文分析了燃氣發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型中的重要作用及其相比煤炭發(fā)電在環(huán)保性、清潔性、靈活性等方面的優(yōu)勢，分析了燃氣發(fā)電目前面臨的問題，提出了天然氣發(fā)電在未來電力及能源結(jié)構(gòu)中的定位與發(fā)展路徑建議。

　　1 燃氣發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型中的作用明顯

　　從國際經(jīng)驗看，今后十年間，中國在推動可再生能源發(fā)電的同時，天然氣發(fā)電占比仍存在上升空間。從德國和美國能源發(fā)展的去碳化經(jīng)驗來看，兩國在降低一次能源中煤炭消費比例、提升可再生能源占比的同時，天然氣用量仍有所上升。德國在1995年以前一次能源消費中煤的占比較高，1985年曾達到41.32%，之后煤的使用量和在一次能源消費中的占比迅速降低，到2017年下降至21.27%。2011年以后，隨著核能占比下降，風(fēng)能、光能和生物能等可再生能源占比迅速上升，2018年德國一次能源消費中天然氣占比約23.4%，超過煤炭。2019年，德國政府決定在2038年前逐步停止使用煤炭。按照其最新的“能源轉(zhuǎn)型”計劃，到2030年，德國可再生能源發(fā)電比例需達到65%，天然氣發(fā)電裝機占比約18%，碳排放量較1990年需減少55%。美國一次能源消費占比中，石油、天然氣和煤炭占絕對主導(dǎo)地位，較長一段時間維持在80%以上。2019年，美國可再生能源消費占比達11.5%，130多年來首次超過煤炭。與此同時，天然氣消費量再創(chuàng)新高，占比約32%，增量主要來自燃氣發(fā)電。與德、美相比，2019年中國一次能源中，煤炭占比最高達57.7%，天然氣占比僅8.3%。按照國際經(jīng)驗，可再生能源的快速發(fā)展中，天然氣作為重要的過渡能源，也將進一步發(fā)揮重要作用，而電力需求將是天然氣消費增長的重要來源。

　　截至2019年底，全國全口徑發(fā)電裝機容量201006萬kW，其中氣電9024萬kW，占比約4.5%[5]；2019年我國天然氣表觀消費量3067億m3，其中發(fā)電用氣553.9億m3，占比約18.1%[4]。而同年度美國、英國、日本天然氣發(fā)電分別占各自總發(fā)電量的38.63%、40.1%以及35.0%，發(fā)電用氣量在天然氣消費結(jié)構(gòu)中占比分別為36%、31%及69%[3]。

　　2019年我國繼續(xù)保持世界第一大可再生能源消費國和生產(chǎn)國的地位，可再生能源消費總量相當(dāng)于美國（全球第2）的2.2倍、巴西（全球第3）的3.2倍。2019年我國消費的可再生能源（含水電）減少的CO2排放量為16.5億t，相當(dāng)于我國當(dāng)年CO2排放總量的16.5%[3]。雖然我國可再生能源生產(chǎn)規(guī)模居全球首位，但是棄風(fēng)、棄光的現(xiàn)象還比較嚴(yán)重。2019年全國棄風(fēng)和棄光電量分別高達169億kW?h和46億kW?h，相當(dāng)于450萬kW煤電廠一年的發(fā)電量，對應(yīng)約50億元燃煤成本和600萬t CO2排放[6-7]?？傮w來看，中國各地區(qū)電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)能力不同，但都難以滿足高比例可再生能源發(fā)電的需求。我國抽水蓄能、燃氣發(fā)電等靈活調(diào)節(jié)電源比重僅為6%，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足。風(fēng)電、光伏發(fā)電富集的“三北”地區(qū)電源調(diào)度靈活性更低，煤電裝機比重超過70%，靈活調(diào)節(jié)電源占比不足4%。而國外主要可再生能源比例較高的國家靈活電源比重相對較高，西班牙、德國、美國（可再生能源在一次能源消費中的占比分別為17.0%、17.5%、8.6%）的靈活調(diào)節(jié)電源占總裝機比例分別達到31%、19%、47%，而天然氣發(fā)電是靈活調(diào)節(jié)電源的重要組成部分。

　　隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源并入電網(wǎng)的數(shù)量和比例越來越高，可再生能源發(fā)電波動性、間歇性等弊端也將成倍擴大影響，這將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來更大挑戰(zhàn)。電網(wǎng)需要更大規(guī)模的響應(yīng)速度快、發(fā)電成本可承受、可持續(xù)供電的電源為其提供調(diào)峰、調(diào)頻服務(wù)。系統(tǒng)需求及供應(yīng)是隨時變化的，且變化快慢不同，需要不同響應(yīng)速度的電源進行補充。天然氣發(fā)電具有運行靈活、啟停時間短、爬坡速率快、調(diào)節(jié)性能出色等優(yōu)勢，相對于燃煤發(fā)電、抽水蓄能、電池儲能等調(diào)峰電源，是響應(yīng)特性、發(fā)電成本、供電持續(xù)性綜合最優(yōu)的調(diào)峰電源。天然氣發(fā)電配合可再生能源的發(fā)展思路將是國家未來能源轉(zhuǎn)型的最佳途徑。

　　從高碳能源轉(zhuǎn)向低碳能源，由低碳能源進入完全可再生能源，這是世界能源轉(zhuǎn)型和發(fā)展的趨勢。我們理應(yīng)順應(yīng)這一趨勢并盡可能縮短這個過程，但應(yīng)尊重這一過程的客觀規(guī)律，不應(yīng)試圖從高碳能源跨過低碳能源而一步到位進入到完全可再生能源。

　　2．燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電相比優(yōu)勢明顯

　　燃氣發(fā)電相比燃煤發(fā)電不僅常規(guī)污染物排放低于燃煤發(fā)電，而且在碳排放、調(diào)峰性能、投資、占地、用水等多個方面優(yōu)于燃煤發(fā)電。

　　2.1燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電相比在污染物排放上大幅降低

　　國家經(jīng)過多年大力投入及發(fā)展，燃煤發(fā)電“超低排放”改造大幅降低了燃煤電廠污染物排放，為改善中國大氣質(zhì)量做出了不可否認(rèn)的貢獻，但應(yīng)清晰地認(rèn)識到經(jīng)過“超低排放”改造的燃煤電廠除了NOx排放勉強能與燃氣電廠比肩外，其他污染物，如SO2、CO2、煙塵、固體廢物、重金屬等污染物排放均高于或遠高于燃氣發(fā)電。

　　2.1.1 燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電在環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)上的對比

　　2011年，我國環(huán)境保護部（現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部）與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局制定了GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，自2012年開始實施。標(biāo)準(zhǔn)中對火電廠污染物排放濃度限值和控制要求做出了詳細規(guī)定。

　　根據(jù)GB13223-2011及國家環(huán)保部《關(guān)于執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告》，自2012年1月，全國新建燃煤電廠將按照重點地區(qū)和非重點地區(qū)開始執(zhí)行新的排放標(biāo)準(zhǔn)，煙塵、SO2、NOx排放限值分別為30mg/m3、100mg/m3、100mg/m3（西南地區(qū)除外）；自2013年4月，重點控制區(qū)新建的燃煤機組執(zhí)行大氣污染物特別排放限值，煙塵、SO2、NOx排放標(biāo)準(zhǔn)分別為20mg/m3、50mg/m3、100mg/m3。“十三五”期間，重點控制區(qū)市域范圍內(nèi)所有火電燃煤機組均執(zhí)行特別排放限值要求（表1）。

　　表1 國家標(biāo)準(zhǔn)及部分地方標(biāo)準(zhǔn)對常規(guī)污染物排放限值的規(guī)定

　　燃煤電廠參考GB13223-2011標(biāo)準(zhǔn)中燃氣電廠的排放濃度限值，并對電廠污染物控制設(shè)施進行升級改造，目的是力求改造后的燃煤電廠煙氣中排放的污染物濃度達到燃氣電廠的排放限值，即常規(guī)污染物排放執(zhí)行表1中“超低排放限值”，稱之為燃煤電廠的“超低排放”。但燃煤發(fā)電經(jīng)過“超低排放”改造后，僅是要達到或者低于國標(biāo)規(guī)定的燃氣電廠排放限值，而這仍遠高于燃氣電廠的實際排放值。GB13223-2011首次增加了燃氣輪機組大氣污染物排放濃度限值，但是并未將燃氣輪機單獨分類，而是與天然氣鍋爐籠統(tǒng)歸為“以氣體為燃料的鍋爐或燃氣輪機組”，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定煙塵、SO2、NOx排放限值分別為5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。在一些經(jīng)濟發(fā)達的省市，如北京、天津、深圳陸續(xù)出臺了地方標(biāo)準(zhǔn)或者政府規(guī)定對燃氣輪機常規(guī)污染物排放特別是NOx排放提出了更高要求（表1）。地方標(biāo)準(zhǔn)主要是將NOx的排放限值從國家要求的50mg/m3進一步嚴(yán)格為15～35mg/m3；天津、深圳并未對燃氣輪機的煙塵及SO2排放做出更嚴(yán)格的規(guī)定，其原因是實際運行中，在不采取任何后處理措施的情況下，燃氣輪機的這2種污染物排放濃度均極低，規(guī)范無需再作要求。

　　2.1.2 燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電在實際排放上的對比

　　國家標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的排放限值是允許排放的高限?；鹆Πl(fā)電機組運行時，實際排放值與標(biāo)準(zhǔn)限值以及煤電與煤電之間，煤電與氣電之間，在實際排放上都存在較大差異。雖然一些專家認(rèn)為理論上超低排放煤電可以做到和燃氣電廠幾乎同樣的排放限值，但實際運行中燃氣電廠清潔性仍然明顯優(yōu)于超低排放的燃煤電廠。徐靜馨[8]等通過現(xiàn)場實測及文獻調(diào)研的方式對全國99臺超低排放燃煤機組以及江蘇省17臺燃氣機組（未安裝脫硝裝置）進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示：實際排放的NOx平均濃度方面，燃氣電廠與超低排放燃煤電廠相比無明顯差距，但燃氣機組僅依靠低氮燃燒器即可很好地控制NOx排放，如加裝脫硝裝置，其NOx排放濃度可進一步下降[9]；煙塵平均排放濃度方面，燃氣電廠比燃煤電廠低一個數(shù)量級；SO2平均排放濃度方面，燃煤電廠約為16mg/m3，明顯高于燃氣機組的2.20mg/m3（E級）和0.84 mg/m3（F級）；平均煙塵排放濃度方面，燃煤機組是燃氣機組的1.8~2.4倍。其他眾多研究結(jié)果均有類似結(jié)論，即目前我國超低排放燃煤發(fā)電的煙塵、SO2的實際排放濃度仍高于氣電。

　　有部分學(xué)者認(rèn)為，燃煤機組和燃氣機組煙氣中的氧含量相差很大，將實際排放濃度折算到相同氧含量下的數(shù)值，燃氣機組NOx排放濃度折算值會成倍增加，數(shù)值將高于超低排放燃煤機組。但煤與天然氣是2種完全不同的燃料，燃料本身及其在2種發(fā)電機組中的燃燒特性決定了其空氣過量系數(shù)及煙氣中的氧含量，強行將排放濃度按照統(tǒng)一的氧含量進行折算對比并無實際意義。

　　要綜合比較2種發(fā)電形式的清潔性，應(yīng)該按照單位電量污染物的排放量進行比較。因為無論是煤電還是氣電，其最終產(chǎn)品都是電能。因此，應(yīng)對比的是生產(chǎn)一單位的電能，煤電和氣電各自排放了多少污染物；而不是比較二者同樣氧含量下，煙氣中污染物濃度這一無實際含義的表面數(shù)值。以生產(chǎn)單位電量所排放的污染物濃度來衡量煤電與氣電的清潔性，顯然是更為科學(xué)、合理的判別方法。

　　圖1為生產(chǎn)單位電量時，超低排放燃煤發(fā)電與燃氣發(fā)電在污染物排放上的實際折合對比。可以看出，燃氣電廠基本不排放煙塵及SO2，排放值明顯低于超低排放燃煤電廠，加裝脫硝設(shè)備的燃氣電廠NOx排放值也低于超低排放燃煤電廠。樊慧[10]等人的研究結(jié)論也充分支持了本文的這一觀點。

　　圖1 超低排放燃煤發(fā)電與燃氣發(fā)電污染物實際排放水平對比

　　除了以上大氣排放物外，燃煤煙氣排放中還包含有一定的放射物及重金屬。雖然目前沒有對這些進行統(tǒng)一衡量與測量的要求與標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)煤質(zhì)的不同，這部分污染甚至有可能造成十分危害的后果。此外，燃煤發(fā)電還會產(chǎn)生大量的固體廢物，包括石子煤、粉煤灰、爐渣、脫硫灰渣、脫硫產(chǎn)物、廢棄脫硝催化劑等，且汞、鉛等痕量重金屬易在以上固體廢物中富集，固體廢物處置不當(dāng)易產(chǎn)生二次污染問題。

　　因此，無論從常規(guī)大氣污染物排放還是固體廢物排放來看，天然氣發(fā)電都比燃煤發(fā)電更清潔，這一結(jié)論是確定并且有科學(xué)依據(jù)的。

　　2.2 燃氣發(fā)電替代燃煤發(fā)電是碳減排的有效手段

　　根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計》數(shù)據(jù)，2019年我國化石能源燃燒產(chǎn)生的CO2排放量約為98億t[3]，其中電力行業(yè)CO2排放量約占全國總排放量的40%，而燃煤電廠是電力行業(yè)中最主要的碳排放源[11]。根據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告》，2019年全國電力行業(yè)CO2平均排放強度約為577g/kW?h，而燃煤電廠碳排放強度為844g/kW?h[5]。因此降低火電碳排放水平是減少電力行業(yè)碳排放的重要手段。2019年，美國的能源相關(guān)碳排放為48億t，比2018年減少1.4億t，主要是通過“以氣代煤”實現(xiàn)的；歐盟燃煤電廠的發(fā)電量下降了25%以上，而燃氣發(fā)電量增長了近15%[3]。在由高碳能源向零碳能源轉(zhuǎn)變的較長時期內(nèi)，用氣電替代煤電是碳減排的有效手段。

　　樊慧[8]等根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及假定，計算了典型燃煤發(fā)電與燃氣發(fā)電CO2排放強度，結(jié)果表明：在CO2排放強度方面，燃氣電廠約為411g/ kW?h，燃煤電廠為798g/kW?h，氣電排放強度僅為煤電的50%左右，看見氣電替代煤電可大幅降低火電行業(yè)的碳排放量。

　　截至2019年底，全國全口徑發(fā)電裝機容量201006萬kW，其中煤電104063萬kW，氣電9024萬kW；全國全口徑發(fā)電量為73266億kW?h，其中煤電45538億kW?h，氣電2325億kW?h [5]。假定按照世界電源裝機結(jié)構(gòu)平均水平，天然氣發(fā)電約占總裝機容量及總發(fā)電量的30%計算，中國如將相應(yīng)比例的煤電替換成氣電，則2019年可減少CO2排放約7.6億t?？梢娢磥碓隽炕痣姴捎锰烊粴獍l(fā)電可大幅降低CO2排放增量，采用氣電替代存量煤電可減緩我國CO2排放總量的增長，如果大規(guī)模替代甚至可實現(xiàn)CO2排放總量的下降，這將極大有助于我國實現(xiàn)2030年左右CO2排放達峰這一目標(biāo)。

　　此外，天然氣可以更好地與碳捕集、利用和存儲（CCUS）技術(shù)相結(jié)合。未來，隨著CCUS技術(shù)突破和成本降低，天然氣有望成為一種十分接近“零碳”的能源。未來40年，煤電裝機容量需每年下降1%，才能確保2060年煤電比重控制在10%以下，且保留的煤電裝機不能作為主力機組。煤電退出后的空間逐步讓位給可再生能源發(fā)電，使得2060年可再生能源發(fā)電裝機比重至少達到80%以上，方可實現(xiàn)電力的真正低碳化甚至零碳化，確保2060年碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

　　2.3 燃氣發(fā)電比燃煤發(fā)電更適合作為調(diào)峰電源

　　在電力系統(tǒng)中，靈活調(diào)峰電源至少要達到總裝機的10%~15%。在目前的政策環(huán)境下，“煤電深度調(diào)峰改造”被提了出來。雖然煤電機組有一定的靈活改造空間，但隨著高比例可再生能源的發(fā)展，煤電靈活性改造的成本、頻繁啟停的成本以及相應(yīng)的環(huán)境影響，將使得煤電機組靈活性改造后的長遠作用受限，甚至?xí)Ц唠娏ο到y(tǒng)的總體供電成本，不利于電力系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。近期某些煤電調(diào)峰過程中出現(xiàn)非正常停機并造成損失事件時有發(fā)生。從長遠看，煤電裝機規(guī)模勢必要進行合理控制，同時著重發(fā)展氣電、儲能等多種靈活性資源，同時完善電力市場機制，完善公平的靈活性補償機制，才能激勵更多靈活性資源的發(fā)展[12]。

　　燃氣發(fā)電相比燃煤發(fā)電具有負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍寬、響應(yīng)快速、變負(fù)荷能力強的特點，是電網(wǎng)調(diào)峰的更佳選擇。如圖2所示為煤電與氣電冷啟動時間對比，燃氣電廠冷啟動時間僅為燃氣電廠的幾分之一甚至幾十分之一[13]。此外，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠熱態(tài)啟動時間也僅為70~90min。因此天然氣電廠能更好地滿足電網(wǎng)對電源的啟停調(diào)度需求。

　　圖2 煤電與氣電冷啟動時間對比（數(shù)據(jù)來源于參考文獻13）

　　圖3為5分鐘內(nèi)每1000MW煤電與氣電最大負(fù)荷變化對比[13]，可見氣電相比煤電更能適應(yīng)電網(wǎng)短時間內(nèi)的負(fù)荷變化，滿足電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的需求。

　　圖3 煤電與氣電5min內(nèi)最大負(fù)荷變化對比（數(shù)據(jù)來源于參考文獻13）

　　電網(wǎng)調(diào)峰時根據(jù)負(fù)荷變化速率的不同，需要不同響應(yīng)速度的調(diào)峰電源。如圖4所示，相比而言，天然氣發(fā)電既可以實現(xiàn)分鐘級的響應(yīng)，又能實現(xiàn)較低的成本，無疑是響應(yīng)速度及成本綜合較優(yōu)的調(diào)峰電源，可為風(fēng)電、光伏等可再生能源提供調(diào)峰服務(wù)，緩解或消除此類可再生能源不穩(wěn)定、瞬時變化大對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

　　圖4 調(diào)峰電源成本及響應(yīng)時間的關(guān)系

　　2.4 燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電相比的其他優(yōu)勢

　　天然氣發(fā)電除了具備常規(guī)污染物排放低的優(yōu)點外，在占地、投資、節(jié)水方面也具有較大優(yōu)勢。表2為天然氣發(fā)電與燃煤發(fā)電在占地、投資、能耗及水耗等多項指標(biāo)的對比。

　　根據(jù)《電力工程項目建設(shè)用地指標(biāo)》規(guī)范，采用直流供水、燃煤水路運輸、碼頭接卸轉(zhuǎn)皮帶運輸進廠的2×1000MW燃煤電廠用地基本指標(biāo)為31.83 hm²，單位裝機容量用地159m2/MW；采用直流供水，4套F級一拖一總裝機容量1600MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠用地基本指標(biāo)為11.59 hm²，單位裝機容量用地72m2/MW[14]?？梢?，同等裝機容量的燃氣電廠占地僅為燃煤電廠的一半，可節(jié)省土地資源及土地費用。

　　根據(jù)《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)（2018年水平）》，新建1000MW超超臨界純凝燃煤電廠單位kW造價為3345元，新建400MW等級9F純凝燃氣電廠單位kW造價為2110元[15]，燃氣電廠單位造價顯著低于燃煤電廠，節(jié)省投資。

　　根據(jù)《常規(guī)燃煤發(fā)電機組單位產(chǎn)品能源消耗限額(GB21258-2017)》，1000MW級燃煤電廠單位產(chǎn)品能耗限定值的基礎(chǔ)值為273~285gce/ kW?h[16]。2019年全國6000kW及以上火電廠供電煤耗306.4g/ kW?h[3]，國內(nèi)燃氣電廠實際供電煤耗多為220~230gce/ kW?h?？梢?，燃氣電廠供電煤耗遠低于燃煤電廠，其原因是燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率遠高于燃煤發(fā)電效率。

　　根據(jù)《火力發(fā)電廠節(jié)水導(dǎo)則》中的水耗率指標(biāo)，單機600MW以上燃煤電廠淡水循環(huán)供水系統(tǒng)水耗率0.40~0.60m3/(s•G)，淡水循環(huán)、海水循環(huán)、海水直流供水系統(tǒng)水耗率0.04~0.08m3/(s•G)，空冷機組0.025~0.10m3/(s•G) [17]。國內(nèi)實際運行的燃氣電廠，與燃煤電廠類似，冷卻方式會對水耗率指標(biāo)產(chǎn)生很大影響，循環(huán)供水機組水耗率不超過0.35m3/(s•G)，直流供水機組水耗率不超過0.05 m3/(s•G)。如采用相同的冷卻方式，燃氣電廠水耗率指標(biāo)通常低于燃煤電廠，僅為燃煤電廠的1/3左右。

　　3. 燃氣發(fā)電面臨的問題

　　3.1 政策不夠明朗，產(chǎn)業(yè)定位不夠清晰

　　天然氣發(fā)電涉及天然氣、電力、環(huán)保等多領(lǐng)域問題，目前各領(lǐng)域政策尚存在不夠協(xié)調(diào)、不夠統(tǒng)一的問題。雖然在天然氣利用政策、能源發(fā)展規(guī)劃及環(huán)保政策文件中均對天然氣發(fā)電有所提及，但目前尚未出臺專門針對天然氣發(fā)電的政策文件。對于天然氣發(fā)電的總基調(diào)是“有序發(fā)展、適度發(fā)展”，具體發(fā)展方向有些含糊不清，政策時有波動。在當(dāng)前尚不清晰的政策環(huán)境下，部分電力公司制定了燃氣電廠規(guī)劃但仍處于觀望階段。地方政府更多地從降低電價的因素考慮，對天然氣發(fā)電的支持力度近年實際也存在退坡的現(xiàn)象。電網(wǎng)公司不斷下調(diào)天然氣發(fā)電上網(wǎng)電價，壓縮計劃發(fā)電小時數(shù)，增加競價上網(wǎng)發(fā)電小時數(shù)，使得天然氣發(fā)電的發(fā)展更加難如預(yù)期。

　　3.2 天然氣發(fā)電燃料成本相對較高

　　目前我國各地燃氣發(fā)電燃料氣價格約為2.2~2.7元/m3，按每度電氣耗0.2 m3計算，燃氣電廠燃料氣成本約為0.44~0.54元/kW?h，綜合發(fā)電成本約0.59~0.72元/ kW?h，與風(fēng)電（陸上風(fēng)電0.43元/ kW?h，海上風(fēng)電 0.62元/ kW?h）、光伏發(fā)電（0.5~0.7元/ kW?h）接近，但遠高于煤電（0.3~0.5元/ kW?h）、核電（0.23~0.26元/ kW?h）及水電（0.10~0.17元/ kW?h），燃料氣的成本，是天然氣發(fā)電價格競爭力不足的重要原因。

　　以廣東地區(qū)典型天然氣9F機組（利用小時3000h）和600MW燃煤機組（利用小時4000h）電價對比為例[18]，從表3可以看出，天然氣發(fā)電的固定成本低于燃煤發(fā)電，但是燃煤發(fā)電5000大卡動力煤價格約為600元/t（折合標(biāo)煤價約為840元/t，按熱值計價約28.66元/GJ），電廠天然氣供應(yīng)價格約為2.6元/Nm3（按熱值計價約79.49元/GJ），兩者燃料價格比接近1:3，2種燃料的價格差距最終導(dǎo)致天然氣發(fā)電總成本遠高于燃煤發(fā)電。

　　表2 燃氣機組與燃煤機組發(fā)電成本對比表（數(shù)據(jù)來源于參考文獻18）

　　3.3 天然氣發(fā)電在環(huán)保和調(diào)峰、調(diào)頻上的經(jīng)濟價值尚未體現(xiàn)

　　首先，燃氣發(fā)電的環(huán)境價值未得到充分體現(xiàn)。2011年起，國內(nèi)開始碳交易市場的試點探索，北京、上海、天津、重慶、湖北、廣東和深圳等7省市開始首批試點，后進一步推廣，四川、福建和新疆也先后建立了碳交易市場。但2013年以來，我國碳交易市場累計成交量僅2.2億t，總交易額約51.5億元人民幣，對比目前中國每年超100億t的碳排放總量，整體成交量較低，市場不夠活躍。與此對應(yīng)，天然氣發(fā)電CO2減排的價值也未在經(jīng)濟上得到體現(xiàn)。例如，1億m3天然氣若全部用于天然氣發(fā)電，按照天然氣發(fā)電度電氣耗0.19 m3、碳排放強度411g計算，同樣發(fā)電量下，煤電度電煤耗300g/ kW?h、碳排放強度以798g/ kW?h計，煤電比天然氣發(fā)電多排放CO2約20萬t。若參考歐洲20~30歐元/t的碳價，折合成各自的綜合燃料成本，兩者大體相當(dāng)。依據(jù)相應(yīng)的環(huán)境價值標(biāo)準(zhǔn)對燃氣發(fā)電和燃煤發(fā)電排放常規(guī)污染物、CO、灰渣以及CO2產(chǎn)生的環(huán)境成本進行了核算，燃氣發(fā)電環(huán)境成本約為0.05元/ kW?h，燃煤發(fā)電環(huán)境成本約為0.15元/ kW?h，燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電在環(huán)境成本上的差距與目前中國燃氣發(fā)電與燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價的差距基本相當(dāng)。說明如果燃氣發(fā)電的環(huán)境價值得以充分體現(xiàn)，其完全可以與燃煤發(fā)電直接競爭。

　　其次，有利于天然氣發(fā)電的市場化價格機制尚未建立。全球范圍內(nèi)，日本、歐洲等高比例進口天然氣的國家或地區(qū)，通過價格機制設(shè)計保障氣電的發(fā)展和相對煤電的競爭力。如日本的氣電價格每月隨LNG價格波動調(diào)整，其產(chǎn)業(yè)省參照調(diào)價機制對電力公司調(diào)價申報實施審核，使得氣電成本可通過電價疏導(dǎo)。德國電力交易系統(tǒng)中的短期電力交易價格可以反映短期電力供需關(guān)系，在早、晚高峰時段價格較高，高于靈活的燃氣電廠的邊際成本，燃氣電廠運營商可以在短期市場上獲取收益，從而提升了對靈活性電源投資的積極性。

　　另外，電力輔助服務(wù)市場機制也尚未完全建立。國內(nèi)各大電力市場改革試點中，已經(jīng)在嘗試建立市場化的輔助服務(wù)機制，但目前除走在前列的廣東省外，尚未建立比較全面有效的電力輔助服務(wù)價格機制，實踐探索非常有限，天然氣發(fā)電在調(diào)峰方面的經(jīng)濟價值尚未能得到充分體現(xiàn)。

　　3.4 天然氣發(fā)電的核心技術(shù)尚未實現(xiàn)自主化

　　盡管我國現(xiàn)已具備功率5萬kW以下輕型燃氣輪機的自主化技術(shù)能力，但5萬kW以上的重型燃機仍基本依賴進口，重型燃機技術(shù)基本被美國GE、日本三菱、德國西門子等廠家壟斷，燃氣輪機及其關(guān)鍵零部件價格居高不下。盡管國家非常重視燃氣輪機的國產(chǎn)化，國內(nèi)相關(guān)單位也開展了燃氣輪機相關(guān)研發(fā)，目前國內(nèi)燃氣輪機零部件從數(shù)量上看雖然國產(chǎn)化率較高，但國內(nèi)廠商仍未掌握F級、E級燃氣輪機的控制及熱端部件的制造及維修技術(shù)，仍需依賴進口。因此，雖然目前國內(nèi)有些報道中稱燃機國產(chǎn)化率超過70%，但是國產(chǎn)化部分的價值遠低于整機價值的70%，設(shè)備的購置與維護成本仍然高企。且與外方合作過程中，外方通過合作協(xié)議的約定，限制了重型燃氣輪機制造企業(yè)的技術(shù)改進和品牌創(chuàng)造。突破技術(shù)瓶頸、實現(xiàn)燃氣輪機自主化依然任重道遠，燃氣發(fā)電的價格競爭力仍有待核心技術(shù)的進一步突破。

　　4．天然氣發(fā)電發(fā)展路徑及建議

　　天然氣將在我國能源結(jié)構(gòu)向低碳化、清潔化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要的作用，而規(guī)模化發(fā)展天然氣發(fā)電是天然氣產(chǎn)業(yè)成熟發(fā)展的關(guān)鍵因素。在天然氣環(huán)保調(diào)峰的天然屬性優(yōu)勢、氣源供應(yīng)充足、體制機制不斷優(yōu)化等多重物質(zhì)基礎(chǔ)保障下，仍需要進一步解決天然氣發(fā)電發(fā)展的制約因素，才能抓住契機發(fā)展天然氣發(fā)電，最終助力實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

　　4.1 發(fā)揮固有優(yōu)勢，成為可再生能源發(fā)電的成長伴侶

　　天然氣發(fā)電清潔、高效、穩(wěn)定、啟?？焖佟⒆冐?fù)荷能力強的特點完全契合大規(guī)?？稍偕茉唇尤肭闆r下電網(wǎng)對低碳調(diào)峰、調(diào)頻電源的需求。天然氣發(fā)電可以發(fā)揮其固有優(yōu)勢成為可再生能源發(fā)電的成長伴侶，中短期內(nèi)可再生能源裝機規(guī)模的快速增長為天然氣發(fā)電創(chuàng)造了增長空間，隨著適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉吹膬δ芗夹g(shù)、電網(wǎng)技術(shù)逐步發(fā)展成熟，遠期天然氣發(fā)電規(guī)模將逐漸降低到一個較低水平，完成天然氣發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型過程中的角色及使命。

　　碳中和背景下，2025年新能源實現(xiàn)全面平價，靈活性電力調(diào)峰資源開始廣泛部署；2035年煤電占比大幅度降低，并開始部署碳捕集及封存（CCS）裝置，風(fēng)電和光伏獲得長足發(fā)展，清潔能源電源裝機比例超過60%，此時氣電裝機容量達2.1億kW，占比約5%，電化學(xué)等新型儲能設(shè)備在電力系統(tǒng)開始全面部署。2060年風(fēng)電和光伏占比達86%，成為電源主體，氣電占比僅為1%，約9000萬kW，裝機與2019年幾乎持平。

　　4.2 天然氣產(chǎn)業(yè)鏈與發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈互動結(jié)合，提高整體競爭力

　　天然氣的充足供應(yīng)和國內(nèi)天然氣市場的改革優(yōu)化是天然氣發(fā)電在未來一段時間內(nèi)得以穩(wěn)步發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，天然氣發(fā)電在能源轉(zhuǎn)型期的發(fā)展定位增加了中短期內(nèi)對天然氣的需求，也將在我國天然氣市場的發(fā)展中進一步起到均衡器的作用，兩者互動結(jié)合將有助于提高整體競爭力。

　　根據(jù)國際權(quán)威咨詢機構(gòu)預(yù)測，2020年全球天然氣需求穩(wěn)步增長至4.08萬億m3，年增速維持在2.5%；天然氣產(chǎn)量4.23萬億m3，增速3%，供大于求將長期存在，天然氣價格有望保持低位運行，該趨勢將至少保持接近10年。預(yù)計2030年我國國內(nèi)天然氣產(chǎn)量將達到2100億m3，2050年可達3300億~4100億m3，國內(nèi)天然氣產(chǎn)量可長期滿足居民、公共服務(wù)以及關(guān)鍵工業(yè)的基本需求[19]，配合陸上管道天然氣進口以及海上LNG進口，充足的天然氣資源供應(yīng)為我國天然氣發(fā)電的發(fā)展提供了堅實的“資源物質(zhì)基礎(chǔ)”。

　　天然氣發(fā)電可靠、高效、清潔、低碳的本質(zhì)屬性為其奠定了大規(guī)模發(fā)展的“技術(shù)基礎(chǔ)”。天然氣發(fā)電無論從發(fā)電效率、排放指標(biāo)等方面均遠優(yōu)于燃煤發(fā)電，在穩(wěn)定性上優(yōu)于可再生能源，是聯(lián)結(jié)傳統(tǒng)高碳能源和未來零碳能源最合適的紐帶。

　　我國正在進行的電力體制改革和天然氣市場改革為天然氣發(fā)電發(fā)展提供了優(yōu)越的“制度平臺基礎(chǔ)”。隨著國家管網(wǎng)公司成立后，“X+1+X”市場競爭格局的形成，憑借優(yōu)良的調(diào)峰優(yōu)勢，天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)將形成穩(wěn)定的天然氣消費終端。

　　國際天然氣市場整體寬松環(huán)境為獲取有競爭力的天然氣資源供應(yīng)創(chuàng)造有利條件。BP世界能源展望預(yù)計，2025—2035年全球天然氣供需兩旺，整體呈現(xiàn)寬松態(tài)勢[20]。從國內(nèi)看，隨著中俄天然氣管道的正式通氣、中美第一階段經(jīng)貿(mào)協(xié)議的簽署，國內(nèi)氣源呈現(xiàn)更加多元化的趨勢，將更好地保障天然氣供應(yīng)。國際、國內(nèi)供應(yīng)寬松的市場環(huán)境，促進了天然氣價格逐漸趨于合理。

　　天然氣發(fā)電還具備一定的電網(wǎng)、氣網(wǎng)雙調(diào)峰作用。我國天然氣消費特別是在北方大型城市通常呈現(xiàn)出非常明顯的季節(jié)性峰谷差，除為電網(wǎng)調(diào)峰、支持風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)展外，天然氣發(fā)電作為用氣大戶，可以通過對燃氣電廠的合理調(diào)度減小氣網(wǎng)用氣峰谷差，對天然氣產(chǎn)業(yè)鏈也具有重要調(diào)峰作用。

　　4.3 進一步形成價值可完全體現(xiàn)的電力市場價格機制

　　根據(jù)《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)》中限額設(shè)計控制指標(biāo)[15]，將2×1000MW國產(chǎn)超超臨界新建燃煤電廠和400MW等級新建一拖一純凝燃氣電廠進行對比，燃煤發(fā)電利用小時按照5000h計，燃氣發(fā)電按照3500h計，如要做到燃煤發(fā)電和燃氣發(fā)電價格相當(dāng)，則對應(yīng)的標(biāo)煤價和氣價如表3所示。

　　表3 燃煤發(fā)電與燃氣發(fā)電相同電價下的燃料價格對比

　　除了提高燃料價格競爭力外，輔以合理的價格機制才能建立起良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。一是我國多個碳交易試點已運行多年，配額、減排量及相關(guān)金融衍生品交易逐步成熟，不久碳交易范圍將擴大至全國；歐洲碳交易市場是目前世界上規(guī)模最大碳交易市場，2018年以來，歐洲碳交易價格顯著回升，保持在約20歐元/t；未來全國甚至全球碳交易市場的建立將會增強天然氣發(fā)電的價格競爭力；二是通過電力輔助服務(wù)市場化機制的建立和完善，進一步提升系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力和設(shè)備利用效率，促進電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，促進可再生能源消納。以走在電力市場改革前列的廣東省為例，其調(diào)頻輔助服務(wù)市場基本被省內(nèi)燃氣電廠獲得，如表9所示為氣電和煤電輔助服務(wù)收入對比[18]。因此燃氣發(fā)電可通過控制成本獲取更多的集中競爭電量，與此同時依靠自身技術(shù)優(yōu)勢獲得更多的輔助服務(wù)市場，從兩方面增加電廠收入，保持電廠盈利經(jīng)營的同時，也更好地服務(wù)了當(dāng)?shù)仉娏κ袌?，保證了電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運行，體現(xiàn)了燃氣電廠的作用與價值。從表中可以看到煤價與氣價的比價為1∶（1.2~1.6）時，即使不考慮環(huán)境成本，天然氣發(fā)電完全可以與燃煤發(fā)電進行直接的價格競爭，換而言之，天然氣價格的下降將非常有助于提高天然氣發(fā)電的競爭力。

　　表4 廣東地區(qū)一套典型9F燃氣發(fā)電機組(利用小時數(shù)3000h)和600MW燃煤機組(利用小時為4000h)輔助服務(wù)凈收入對比（數(shù)據(jù)來源于參考文獻18）

　　4.4 推動核心技術(shù)自主化和裝備國產(chǎn)化，降低發(fā)電成本

　　不斷推動燃氣輪機在內(nèi)的天然氣發(fā)電相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化升級，進一步提升發(fā)電效率，有效降低綜合成本。我國對發(fā)展重型燃氣輪機產(chǎn)業(yè)高度重視，航空發(fā)動機與燃氣輪機國家科技重大專項（即“兩機專項”），從2016年起進入實施階段，已被列為“十三五”發(fā)展計劃中我國要實施的100項重點任務(wù)之首。2019年9月，國家能源局印發(fā)《關(guān)于將華能南通電廠燃氣輪機發(fā)電項目等24個項目列入第一批燃氣輪機創(chuàng)新發(fā)展示范項目的復(fù)函》，就22個燃氣輪機型號和2個運維服務(wù)項目開展示范。依托該批示范項目，我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)長期以來依賴進口的關(guān)鍵核心技術(shù)將逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，裝備及維修成本將進一步降低。我國燃氣輪機的自主研發(fā)制造近期也取得了一些進展，2020年9月，東方電氣集團完全自主研發(fā)的F級50MW重型燃氣輪機整機點火試驗成功，標(biāo)志著我國F級重型燃氣輪機研發(fā)制造方面取得了較大突破；中國聯(lián)合重型燃氣輪機技術(shù)有限公司已于2020年12月完成300MW F級燃氣輪機的初步設(shè)計工作，將于2021年完成詳細設(shè)計，2022年完成整機制造，2023年完成整機試驗。此外下一代400MW G/H級燃氣輪機主部件概念設(shè)計也已于2020年底完成。

　　5. 結(jié)束語

　　隨著國家電力體制與油氣體制的持續(xù)深化改革、國內(nèi)天然氣生產(chǎn)能力的提升以及多氣源格局的形成，“十四五”期間將是發(fā)展天然氣發(fā)電的戰(zhàn)略“窗口期”。國家相關(guān)部門及能源從業(yè)者應(yīng)該意識到“十四五”能源規(guī)劃及配套政策對天然氣發(fā)電以及未來能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵作用及重大意義。

　　宜從國家層面全面統(tǒng)籌考慮天然氣與可再生能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，可再生能源規(guī)劃應(yīng)同時包括配套調(diào)峰電源規(guī)劃，明確天然氣發(fā)電相對燃煤發(fā)電的優(yōu)先電源地位?？稍偕茉错椖繎?yīng)與天然氣發(fā)電項目等其他調(diào)峰電源項目同步規(guī)劃、同步建設(shè)、同步投產(chǎn)，可再生能源降本、天然氣發(fā)電調(diào)峰，優(yōu)勢互補，切實落實新增能源需求靠清潔能源滿足的戰(zhàn)略。“十四五”規(guī)劃期間應(yīng)嚴(yán)控煤電項目不新增，同時審慎對待煤電深度調(diào)峰改造項目，重點支持天然氣和可再生能源的融合發(fā)展，提高我國一次能源中清潔化石能源的占比，實現(xiàn)天然氣產(chǎn)業(yè)規(guī)劃目標(biāo)，為我國將來能源轉(zhuǎn)型進入深水區(qū)做好充分準(zhǔn)備。

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　　[14] 國家電力監(jiān)管委員會.電力工程項目建設(shè)用地指標(biāo)[S]. 北京:中國電力出版社,2010年.

　　[15] 電力規(guī)劃設(shè)計總院.火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)[M]. 北京:中國電力出版社,2019: 338-339.

　　[16] GB21258-2017, 常規(guī)燃煤發(fā)電機組單位產(chǎn)品能源消耗限額 [S]. 北京:中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會,2017.

　　[17] DL/T5513-2016,發(fā)電廠節(jié)水設(shè)計規(guī)程 [S]. 北京:國家能源局,2016.

　　[18] 閆海波,李海波,蔣韜.電力體制改革下天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)與機遇[J]. 燃氣輪機技術(shù),2019, 32(3): 5-9.

　　[19] 陸家亮,趙素平,孫玉平,等.中國天然氣產(chǎn)量峰值研究及建議[J]. 天然氣工業(yè),2018, 38(1): 1-9.

　　[20] BP.BP energy outlook: 2020 edition [R]. London: BP, 2020.

　　原文發(fā)表于《中國海上油氣》2021年4月第33卷 第2期

　　本文作者 | 中國海油集團公司 單彤文