抽水蓄能电站与大型火电机组经济性比较

抽水蓄能电站与大型火电机组经济性比较张培杨志平杨勇平（华北电力大学北京市“能源的安全与清洁利用”重点实验室)【摘要】本文分别以抽水蓄能电站和大型火电机组两种电源替代电网中的小火电为对象，建立经济性评价模型，主要包括能量转换效益、环保效益和容量效益。以某电网实际情况为例，比较两种替代方案经济性指标，为制定更加合理的电源扩容提供依据。【关键词】大型火电机组抽水蓄能电站经济性评价目前，我国电力行业节能减排任务加剧，同时电力负荷和峰谷差不断加大，因此，电源扩容的目标不仅要满足节能环保要求，更要满足调峰以及电网安全有序运行的要求。根据国内外经验，各个电网大多采取大型的超（超）临界和亚临界火电机组作为电源扩容的重要选择[1-3]。抽水蓄能电站作为一种特殊的电源，具有很多优点：①较好地调峰填谷作用；②运行灵活、启动方便，从机组启动到带满负荷只需1～2min，是电网中昀佳“黑启动”电源；③机组出力调整灵活，调频、调相性能好；④比起单循环燃气机、联合循环燃气轮机、柴油机以及燃煤机组，是经济的调峰电源[4]。本文主要从经济性评价角度出发，用抽水蓄能电站和大火电机组替代电网中等量小火电机组，计算两种方案的能量转化效益、环保效益和容量效益，以制定更合理电源扩容方案。1经济性评价模型1.1能量转化效益大型火电机组替代小火电的能量转化效益，主要是发电效率差异造成的，其年节煤量B1计算公式如下：()ffWbbB⋅−=11（1）式中：bf、b1分别为小火电机组和大型火电机组供电煤耗，g/kWh；Wf为小火电年发电量。抽水蓄能电站运行特点：抽水时，消耗电力系统中煤耗昀低的大型火电机组电量；发电时，替代系统中煤耗昀高的调峰机组运行，在当前的电力系统中这批机组主要是小火电机组。那么，它的作用可以看作电量转移，即将高峰时高能耗机组电量转移到低谷时低能耗机组电量。此时，抽水蓄能电站节煤量B2是满足调峰要求下系统内有、无抽水蓄能电站是的能耗差，计算公式可参考文献[5]。此外，如果电力系统中关停的小火电机组是通过启停机组进行调峰，则在替代电源投运后，可以节省大量燃油。如果按调峰机组二班制运行，每天开停机一次的节省燃油量是能量转化效益重要组成部分，计算公式见文献[6]。1.2环保效益替代方案的环保效益体现在，它能减少硫化物、氮氧化物、粉尘及一氧化碳等排放，其中氮氧化物、粉尘、一氧化碳的减排是通过节煤实现的，而硫化物的减排不仅仅是由节煤实现：由于抽水蓄能电站在正常运行时耗用的是先进的大容量机组电力，这些机组一般都装有脱硫装置，而落后的小火电机组一般都没有安装，所以它在抽水时耗用电力燃煤的污染物排放也较低。那么，两种替代方案的硫化物减排不仅仅由于节煤，还包括替代电源承担小火电机组发电量时污染物排放量减少。氮氧化物、粉尘及一氧化碳的年减排量计算公式为：iiGBS⋅=（2）式中：Si为污染物i的减排总量；Gi为燃煤机组单位质量煤耗的污染物i的排放量。硫化物的年减排量计算公式为：fjSOfSOSOSOWGGGBS⋅−+⋅=)(2222（3）式中：2SOS为SO2的减排总量；fSOG2、jSOG2为小火电机组、替代电源j单位供电量SO2排放量，j为1或2。两种替代方案的环保效益可以通过公式（4）计算，其中各种污染物排放情况按火力发电机组的相关标准进行计算。∑⋅=iipPSB（4）式中：Si为能够减少的第i种排放物的年减排总量；Pi为第i种排放物的排污单价。1.3容量成本容量效益主要表现为替代容量固定投资及运行维护费用的节省。两种替代方案的容量效益计算公式如下：PffFFF)(2121−=−=Δ（5）式中，ΔF为节省的投资；F1、F2为小火电机组、替代电源的固定投资及运行维护费用；f1、f2为单位容量的小火电机组、替代电源的固定投资及运行维护费用，其计算公式如式（6）、（7）所示；P为替代电源容量。tPMf⋅+=β)1(（6）式中，M为单位容量的小火电机组、替代电源的运行维护费率；Pt为单位千瓦的中小火电机组、替代电源的设备投资（￥/kW）；β为年投资费用率，是贴现率i和使用年限m的函数，它的定义为：mii−+−=)1(1β（7）1.4经济性评价模型确定了容量效益评价模型、能量转化效益评价模型、环保效益评价模型，再转换成成本，即可得经济效益B0的评价模型：peBBFB++Δ=0（8）2算例及其分析2.1算例本文以某电网为例，2006年为计算年份，电网统调机组为研究对象，分别用大型火电机组和抽水蓄能电站作为小火电的替代电源1、替代电源2，计算其经济性并进行分析。该电网统调机组中满足关停条件的小火电机组总容量约3600MW，比例约占10%，故替代容量范围600~3600MW（步长600MW），相关的机组特性见表1。2006年该电网标煤单价平均约450元/吨，煤炭平均含硫量1%，含氮量1.5%，灰分为15%，飞灰含炭量2%，硫化物、氮氧化物、粉尘及一氧化碳排放价格为630元/t、630元/t、275元/t、37.7元/t；贴现率取8.0%；此外，统调火电机组中极少使用开停机调峰运行，故算例中不考虑节油效益。两种方案经济效益的计算结果见图1、表2。表1火电机组和抽水蓄能电站各项经济指标机组类型造价/元·kW-1煤耗/g·（kWh）-1年利用小时数/h使用年限/年维护费率/%脱硫效率/%脱氮效率/%除尘效率/%小型火电机组3000480-4205324203.50099大型火电机组4300305-3355324202.295099抽水蓄能电站3500-1300301.0---表2两种替代方案的经济效益比较单位：万元替代电源容量600MW1200MW1800MW2400MW3000MW3600MW替代方案121212121212节煤效益132801714824114295263530341485457114543652277480455748350993环保效益175816903427320351084702676164348272811697339282容量效益-7877109-15754218-23631327-31508491-39384654-47261763经济效益71611894611787329471678046513209655236121164568161995561038图1两种替代方案的节能环保效益2.2结果分析（1）能量转化效益两种方案均产生明显的能量转化效益，且在经济效益中比重昀大，不同的是：大型火电机组节煤量几乎随替代容量增加呈线性增大，而抽水蓄能电站节煤量呈曲线变化，存在昀大节煤量。原因是在一定的替代容量下，方案2中，抽水蓄能电站只具有能量时空转移功能，本身不能发电，系统没有新增具有发电能力的电源，因此实际承担电网负荷的机组容量小于方案1，系统中机组平均负荷率要高于方案1，火电机组煤耗率较低，节煤量更大；但随着替代容量增加，方案2节煤量减少甚至不节煤，方案1的能量转化效益更明显。在算例中，替代容量小于约2400MW，抽水蓄能电站节煤量大于大型火电机组。（2）环保效益由计算可得，环保效益中SO2的减排效益昀为明显；与节煤量和替代容量相关的环保效益的变化趋势和能量转化效益相似；随着替代容量的增加，环保效益不断增加，且在3000MW之前，方案2的环保效益大于方案1。（3）容量效益对于容量效益，方案2优势明显，因为其造价和运行维护费用低。（4）两种替代方案的经济性比较通过对以上分析可得：①在一定范围内，方案2的节能环保效益要优于方案1，随着替代容量增加，此种优势会发生转移，2400MW之后方案1的效益更加明显；②方案2的容量成本始终高于方案1；③方案2优越的容量效益使其综合经济效益是方案1的2~3倍。4结论在算例中，以2006年该电网中两种电源的各项经济指标计算，如果全部替代满足关停要求的火电机组，大型火电机组的节能环保效益优于抽水蓄能电站，但两者容量效益的巨大差异，使大火电010000200003000040000500006000060012001800240030003600替代容量MW万元替代方案1环保效益替代方案2环保效益替代方案1节能效益替代方案2节能效益的综合经济性急剧降低。而对容量效益影响昀大的是电源造价，如果其他条件不变，大火电机组和抽水蓄能电站造价变为3500元/kW和4100元/kW，两种替代方案的经济效益分别为5.0亿元和4.2亿元，大型火电机组经济性更优。同时，本文只从节能环保角度考虑抽水蓄能电站的削峰填谷作用，未涉及其动态效益；我国电价机制还未完善，经济性评价中也未涉及电价影响，应在以后的研究中不断完善。参考文献[1]陈德铭.加大上大压小工作力度千方百计完成节能减排任务[J].中国经贸导刊,2007(6):4-6.[2]王佩璋.我国电力工业关停小火电、建设节能环保型大火电的进展[J].发电设备,2008(1):93-96.[3]冯伟忠.欧洲超超临界机组发展的特点和启示[J].华东电力,2008,36(2):127-132.[4]陆佑楣,潘家铮.抽水蓄能电站[M].北京:中国水利电力出版社,1992.[5]杨志平,杨勇平,张培等.引入抽水蓄能后电网煤耗分析[J].现代电力,2008(6).[6]崔继纯,刘殿海等.抽水蓄能电站经济环保效益分析[J].中国电力,2007,40(1):5-8.