华东电力试验研究院科学技术信息所

1发展燃气轮机优化电源结构——美加大停电的思考胡立业（华东电力试验研究院，上海200437）2003年我国遭遇大面积电荒，全国19个省市出现拉闸限电。在“电荒”日益严重的情况下，正常的经济活动受到极大冲击。电力严重不足的问题已成为影响经济持续高速发展的阻力。电网供电紧缺，重载运行是事故发生的温床。向用户提供安全、经济、优质的电力供应服务是电力工业发展的根本目的。当前缺电和电网安全问题是我国电力发展面临的新挑战。2003年8月14日，美国东北部和加拿大联合电网发生严重的停电事故，也是世界电力发展史上最大的一次事故，数百台发电机组停运，电网解列，停电范围9300多平方英里，涉及美国8个州及加拿大，造成包括纽约在内的许多城市一度瘫痪。据北美电力可靠性协会（NERC）统计，此次停电共损失6180万kW负荷，影响了5000多万人的正常生活。经济学家估计，给美国经济造成的损失每天高达250～300亿美元。巨大的直接经济损失与无法计量的间接损失警示我们必须高度重视电力安全，电力安全是最大的经济。美加“8·14”停电事件引发了我们对电网安全问题的深入思考。我们应积极研究应对措施，保证电网安全、稳定、经济运行，防止事故发生和一旦事故发生后如何尽快恢复。本文根据上海电网的情况，从电源这一侧面进行分析讨论，建议加快发展燃气轮机，优化电源结构。1燃气轮机的特点和应用范围随着天然气开发、贮存、输送技术的发展，应用领域的扩大，新型燃气轮机的单机容量与效率大幅度提高以及大容量、高效率的新型燃气轮机联合循环机组问世，燃气轮机发电获得高速发展。并且近年来电力体制改革、环保力度加大，使这种初投资低、高效、清洁、灵活方便的发电装置备受青睐。1.1燃气轮机特点（1）设备与安装费用低2在美国，简单循环燃气轮机发电机组的投资成本约为375美元/kW，低于联合循环机组的550美元/kW，而比燃煤蒸汽机组的1000美元/kW（或更高）低得多。（2）污染物排放低燃用天然气时SO2排放几乎为零。大型燃机NOx的排放小于25ppm。在美国有严格要求的地区，可以通过各种降低NOx排放措施满足环保要求（如NOx排放小于9ppm、3ppm）。（3）高的热效率简单循环燃气轮机的热效率已从90年代初的30%～33%（LHV）提高到现在的36%～38%，有些类型机组已达42%。联合循环机组有更高的热效率，F级的效率达58%，H级的为60%。（4）快速起停能力（5）积木块式结构，提供分阶段安装的可能（6）占地面积小与极少的用水量（7）短的建设周期（8）高的可靠性，可用率高，易于“黑起动”1.2燃气轮机应用领域（1）新建发电厂作基本负荷与中间负荷运行（主要是联合循环机组）；（2）电网调峰、应急备用与移动式电源；（3）压缩空气储能电站；（4）热（冷）电联供系统；（5）老电厂改造；（6）与燃料电池结合组成具有最高效率的燃料电池燃气轮机联合循环发电装置。（7）煤炭清洁利用技术（整体煤气化联合循环IGCC与增压流化床联合循环PFBC-CC等）。2上海缺电严重，电网险象丛生2.1电力需求急增随着上海国民经济持续快速发展，城市综合功能不断加强，居民消费水平和质量逐3步提高，上海用电需求呈现加速增长的态势。2002年，上海全社会用电量为645.71亿kWh，比2001年增长8.9%。2002年，上海电网最高用电负荷为1235.1万kW，比2001年增长11.1%。图1是上海历年用电最高负荷与历年全社会用电量的变迁。由图1可见，电力需求的增长正在加速。图1上海历年最高用电负荷与用电量2.2电网经受严峻考验上海市电力公司预测2003年夏天上海最高用电负荷为1300万kW，考虑到无新发电机组投运，可供电力仍与上一年持平，为930万kW，通过华东电网调配和外省计划受电以及安徽、三峡、福建等地购电外，预计还存在100多万kW的电力缺口，为此制订出一系列全方位保电措施。但是实际需求比预测高得多。2003年夏季，伴随申城持续高温，上海用电负荷屡创历史新高，在先后实施错峰、避峰和限电措施后，全市最高用电负荷仍达到1362万kW，比2002年未实施限制措施的最高值净增127万kW。自1997年以来，上海市2003年首次采取了临时紧急拉电措施。由于4000多家企业执行了避峰让电措施，加上华东电网全力增援，在周边省市天天实施较大规模拉限电情况下，不断增援上海电力，最高达400万kW，甚至连确保电网安全运行的备用电力都已用上；本市发电机组保持全部投入满负荷运行，并持续在960万kW超发极限范围运行，从而确保了上海电网安全稳定运行和居民生活及重要用户的用电需求。其间，供4电部门共出动了18万人次，修复各类用电故障92100余起。2.3加强电源建设，填补供电缺口在经受严峻考验，胜利度过夏季用电高峰之后，我们应清醒地看到上海电力供应将面临更艰巨的任务。上海电网没有备用裕量，本地机组持续长时间超发与对外来电力的过分依赖都是电力安全的致命隐患。“8·14”美加大停电正是发生在夏天高峰季节，电网稳定裕度较低。美国和加拿大联合调查组于2003年11月19日公布的“8·14”美加大停电事故中期调查报告中指出，事故的引发因素之一是缺乏足够的备用容量。美国历史上几次大停电，多数发生在高峰负荷期间，这说明缺电对电力系统安全的危害是很大的。上海电网在2003年7～9月承受了巨大的缺电压力，多次出现危及电网安全的险情。“巧妇难为无米之炊”，为确保电网安全，6月25日上海被迫启动紧急拉电措施，总共拉电线路75条，负荷达45万kW，影响企业正常生产经济活动。在2003年夏后阶段，上海市发电机组运行状况日渐见绌。先后发生电厂300MW机组跳闸和电厂600MW机组跳闸，由于应急调度措施得当，电网、用户和邻网协调合作，才共度难关，使一场可能导致类似美加大停电的事故和我们擦肩而过。上海市电力公司指出，近3年内上海电力供需矛盾十分突出，缺电已成定局。据预测2004年夏季上海缺电300～400万kW，届时华东地区电力缺口达1600～1800万kW，难以对上海进行更有效的支持。上海电力公司对电源建设进行了大手笔的规划。但是“远水难救近火”，大型燃煤机组的建设需要较长的周期。因此利用燃气轮机建设周期短的特点，赶紧建设一批燃气轮机发电机组是解决燃眉之急的有效措施。3峰谷差日益增大，电网缺乏调峰能力3.1峰谷差越来越大历年来上海用电峰谷差迅速增长（图2），并且市外来电（调节能力差）容量逐年增大，而上海电网缺乏调峰能力，调峰形势极为严峻。随着经济的发展，电力需求增大，峰谷差日益增大，在国际上也是这样的发展趋势。5图2上海历年电力最大峰谷差表1与图3是上海电力系统最高负荷、峰谷差和年用电量的预测。面对如此巨大的峰谷差，需要积极采取应对措施。表1上海电力系统最高负荷、峰谷差和年用电量预测项目2002年*2005年2010年2020年远景最高负荷/万kW1235.11550～16302150～23503200～36004000用电量/亿kW·h645.71760～8001000～11201425～16001700年最大峰谷差/万kW543.9750110017002200*2002年为实际数字图3上海电力系统最高负荷、峰谷差和年用电量预测3.2燃机电厂在上海电网调峰调频上的作用由于经济性方面的考虑，目前上海的燃气轮机（燃油）一般都是高峰时段开，低谷时段停，同时也根据电网的实际负荷确定开机方式。在高峰时段，如果实际负荷大于预测负荷，且其他机组出力均已开足时，开燃机是解决问题的首选手段。而在低谷时段，6燃机的停机又能减少峰谷差对其他机组的影响。目前，上海闸电燃机电厂的4台燃气轮机，高峰时段能贡献400MW出力，低谷时段又能减少400MW。从电网调度角度出发，与常规火电机组相比，上海闸电燃机电厂燃气轮机表现出来的特点非常突出：（1）启停快；（2）增减负荷速率快，响应迅捷；（3）适应负荷冲击能力强。为了确保电能质量，1998年9月起华东电网实行ACE（AreaControlError）考核，将三省一市的受电偏差允许值限制在一定范围之内，并以10min为一个考核点，期间受电至少过零一次。只要各省调通过调整子网内出力，使得受电实际值与计划值的偏差在一定范围之内，就能保证主网的频率质量。上海的偏差带宽只有38MW，由于上海电网内有多家钢铁厂，冲击负荷较大，使口子较难稳定。上海闸电燃机电厂4台100MW简单循环燃机可立即提供40MW/min的支援，为及时跟上冲击负荷变化创造了条件，即使有200MW的冲击负荷，出力也能在5min内到位。因为燃机的这一特性，使之成为上海电网守ACE的一个必不可少的手段。3.3机组调峰与调峰机组除外地的天荒坪抽水蓄能电站外，上海电网本地专用于调峰的只有闸电燃机电厂4台100MW燃机（宝钢0号机与威钢1号机只适合带基本负荷），相对如此巨大的峰谷差（2003年6228MW），调峰能力严重不足，成为影响电网安全、稳定、经济运行的隐患。由于缺少调峰电站，目前电网主要依靠常规火电机组调峰，这就需要上海电网内的大型火电机组低谷出力要减到尽可能低，小型机组（如125MW机组）更是需要视情况而日夜开停。机组在低负荷运行时煤耗将提高，这种（大多数）机组调峰的方式，无论对机组运行的经济性，还是安全性都十分不利。由于缺少调峰机组，电网不得不实施机组调峰，并且对超临界机组、超超临界机组也都提出了调峰的要求。将这些设备费用贵、具有较高效率的机组用于调峰，显然在经济上是不合理的，对机组的寿命也有影响。简单循环燃气轮机与燃气——蒸汽联合循环机组相比，设备与安装费用较低。在美国，简单循环燃气轮机发电机组的投资成本约为375美元/kW，低于联合循环机组的5507美元/kW，而比燃煤蒸汽机组的1000美元/kW（或更高）低得多。虽然联合循环机组有更高的热效率（F级的效率达58%，H级的为60%），但简单循环燃气轮机的热效率已从90年代初的30%～33%（LHV）提高到现在的36%～38%，有些类型机组已达42%。联合循环的发电成本低于简单循环，但是当机组年运行小时数低时,联合循环的发电成本将高于简单循环。在启停时间、增减负荷速率方面，简单循环燃气轮机比联合循环机组均胜一筹。因此联合循环机组的定位是连续运行，承担基本负荷或中间负荷。它与常规燃煤机组相比，起停快、运行灵活性好，适宜进行机组调峰，用于两班制运行。而简单循环燃气轮机发电机组更宜用于调频、调荷、应急备用，充当尖峰负荷机组（调峰电站）。4采用分阶段建设方案建设燃气轮机发电机组4.1燃气轮机的广泛应用与作用20世纪60年代，美国东部电网曾发生解列的严重事故，造成重大损失，但在装有燃气轮机发电机组的部分地区，由于燃气轮机迅速起动投运，损失大大减少。因此，事后美国规定在电网中燃气轮机电站应占有一定比例。从安全和调峰目的出发，70年代美、欧、日等国安装了很多燃气轮机发电机组作为电网带峰荷和备用电源用，燃气轮机得到广泛应用。据统计，到2001年底，美国300MW及以上容量的燃气轮机电厂总容量为103173MW（注：300MW容量以下电厂尚未计入）。其中简单循环燃气轮机电厂122座，机组总容量是62573MW，占燃机电厂总容量的61%。简单循环燃机电厂主要用于尖峰负荷运行，只有极少数用于基本负荷运行。但是近年来，在一些地区除开高峰季节（一般指6～9四个月）之外，机组也受到频繁调度，在电网中发挥重要作用。美国的燃气轮机电厂较多分布在美国东部，占总数的67.2%。而美国的简单循环燃气轮机电厂集中分布在美国东部，在密西西比河以东地区占总数的81.1%。“8·14”美加大停电事故发生后12h49min，负荷已恢复66.5%；纽约州在当天午夜时已部分恢复供电；纽约城在停电24h后全面恢复供电，恢复过程中水电与燃气轮机发电机组（尤其是简单循环燃气轮机发电机组）发挥了重要作用。据《Power》杂志2001年调查发现，美国联合循环机组存在容量因数低的问题（已有改善）。造成的原因还需更仔细的调研，初步分析认为：（1）设计为基本负荷的联合8循环机组，由于承担比预计多的循环