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天然气发电研究
方正证券研究所发布:
天然气发电行业研究
来源:
方正证券作者:
研究员:
刘波2003-12-1614:
45:
27
要点
国民经济持续发展,对电力的需求也快速增长,同时对电力行业的环保提出更高的要求。
天然气发电具有投资成本低、筹建时间短、较高的能量转化效率、较低的环境排放、既可作基荷电厂又可用于调峰等优点,但在总体上还不能够与充裕且价廉的煤竞争。
中国天然气在能源结构中所占比例不足3%,世界平均24%。
预计中国进行能源结构调整、增加清洁能源比例的战略,以及关闭小型燃煤电厂(<5万千瓦)的措施,将会给天然气应用带来较大机遇。
2002年中国天然气发电比例0.38%,预计2010年为.8%,2020年6.7%,2030年7.3%。
华东、华南和华北急需解决电力调峰问题,但为了支撑“西气东输”、“俄气南送”以及LNG进口大型项目,这些地区规划中燃气电厂几乎都为基荷电厂,此时电价就成了政府需要解决的问题。
天然气价格低于1.35元/立方米时对重油发电有竞争力。
但即使气价为1.0元/立方米,也不会对煤电构成竞争态势,不过,对煤电厂强制性安装和运行FGD会提高天然气发电的竞争性。
燃气热电冷联产对燃煤项目有竞争优势。
大型联合循环燃气轮机电厂无法与燃煤电厂竞。
中小型燃气机组发电、更小型燃气机组的分布式发电、电热联供以及三元电热冷联供,可能将是促进天然气的快速发展应用的主要目标。
电、网分开后,电厂会选择成本较低的燃料。
中国应当采取有利于清洁发电燃料的法规、政策与措施,以鼓励天然气发电项目。
前言
随着科学技术和社会生产的不断发展,以及全世界对环境污染的日益重视和严格要求,现代发电机组的发展趋向是同时满足发电量、高效益、低污染、低成本、少用水等多个目标,因此具有上述优点的以天然气为燃料的燃气蒸汽联合循环电站(CCGT)近20年来在世界范围内发展很快,美国、日本、英国、法国、韩等均有大规模建设,天然气正在成为经合组织国家未来发电的首选燃料。
1我国电力工业现状和存在问题
我国电力工业经过几十年的发展,取得了巨大的成就。
但面对新世纪对能源环保、节能、高效、大量的要求,电力工业还存在一些问题。
1)煤电为主的电力格局增加了我国环境保护的压力。
我国煤炭资源丰富,储备方便,是不可缺少的廉价一次能源,但燃煤污染严重。
电力工业是污染物排放较多的行业,目前火电厂二氧化硫尚未得到有效控制,在酸雨问题突出和污染负荷集中的城市和地区已成为电力发展的制约因素,例如上海市目前的燃煤机组未有一台安装脱硫设备,氮氧化物的排放浓度平均也比北京地方标准要高2~3倍;一些位于城市附近的老机组,设备陈旧、煤耗高、除尘设备落后,烟尘排放超标量大,尤其是京津地区、珠江三角地区的环保问题已经十分突出。
2)电网调峰日趋困难。
近年由于用电结构和特性发生了巨大变化,出现了日负荷率、发电设备年利用小时数逐年下降的趋势,而调峰容量需求逐年增加,调峰矛盾日趋突出。
在电网低谷时,发电能力大量过剩,要靠停掉机组或依靠常规火电机组变工况运行来进行机组调峰,不得不以牺牲常规火电机组一定的寿命和经济性以及增加电网的运行成本来换取电网的安全。
同时,在用电峰时,受资源分布等因素的影响,部分电网调峰问题突出,机组调峰能力不足,高峰拉闸限电时有发生,而部分电网由于水电比重较大,受来水影响呈现季节性缺电。
现在都市波动的调峰电力,比十五年前增加了4~5倍,炎夏时,生活用电激增百万千瓦以上。
某一用户瞬时(秒)的波动有可能达几百千瓦。
大电网最大的问题是积点多,在大面积电力紧张时,可能引起网震,今年夏天发生在美国东北的电网瘫痪,即属于此类事故。
现在都市电力最主要的问题之一是解决调峰电力。
而满足调峰电力要求的最有效方法就是大力发展天然气发电。
图1上海市峰荷用电需求
2天然气发电优势
天然气电厂具有下列主要特点:
天然气电厂是天然气工业的大型稳定用户,与天然气工业可以相互支持,相互促进,同步发展。
燃煤电厂相比,发电产生的二氧化碳仅为其1/3,产生的氮氧化合物仅为其0.5%,基本消除了二氧化硫,环保功能强。
与大型燃煤电厂相比,CCGT电厂的场区用地约为50%,用水约为1/3,运行人员约为20%;节省了大量的水、土地、人力和物资资源,可建在人口稠密的地区。
燃气电厂可以靠近负荷中心,提高供电可靠性,并减少送变电工程量。
新型的CCGT效率高达55%~60%,而最好的燃煤机组也能达到40%~45%,这有利于节约能源。
燃气轮机可快起快停,启动15~25分钟即可带满负荷;调峰幅度大,既可作为基荷又可用于调峰,是调峰的最佳选择。
CCGT电厂设备重量轻,施工快,一般12~20个月左右即可投产,而燃煤电厂为4~5年,核电厂为6~10年。
天然气电厂投资低。
在经合组织国家,CCGT每千瓦的投资成本仅为典型燃煤电厂的一半,比核电与水电更低。
尽管天然气具有以上优势,但是考虑到我国煤炭丰富便宜,气煤价格相比要高于国际平均水平,因此在中国,天然气发电的上述优点未必能够转化为现实中的发电优势。
3 天然气发电需求预测
天然气是一种清洁高效的能源和优质便捷的化工原料,已被界各国广泛利用,在全世界的能源结构中的比例已达24%,并且有逐步取代石油成为首要能源的趋势。
我国的天然气利用起步较晚,用量也小,在2002年国内能源结构中仅占2.7%。
预计中国进行能源结构调整、增加清洁能源比例的战略,以及关闭小型燃煤电厂(<5万千瓦)的措施,将会给天然气应用带来较大机遇。
在2002年,天然气用于发电的比例为14%,仅占全国发电量的0.38%,预计2010年为4.8%,2020年6.7%,2030年7.3%,相应地,天然气发电量将从2000年的28亿千瓦时增至2020年的2850亿千瓦时,增幅超过100倍。
但由于天然气发电在很大程度上取决于电价的竞争力、相关发电设施建设的完善中国进行能源结构
调整、增加清洁能源比例的战略,以及关闭小型燃煤电厂的措施,将会给天然气应用带来较大机遇。
表1中国发电量构成预测(亿千瓦时)
鉴于中国大陆各个地区经济发展的不均衡性以及能源电力需求的差异性,预测了2020年前天然气发电需求情况,见图2。
从图中可以看出,对天然气发电的需求增长最大的地区为东南沿海、长江三角洲以及环渤海这三个经济经济较发达地区,这三个地区
急需解决电力调峰问题。
图2中国各地区发电用天然气预测
按照中国“十五”电力规划,未来主要大力发展水电、清洁能源(目前主要指天然气)发电,并适当发展核电。
在海南,目前正在加紧筹划建设全国海洋天然气发电基地,实施“气电北送”工程,实现海南与南方(广东)电网互联。
西气东输工程,目标
市场就是电力需求增长很快的长江三角洲地区,多个天然气发电项目正在推进之中。
据消息,西气东输40%~50%的气以及广东LNG70%的气都将用来发电。
4天然气发电竞争力
影响天然气发电的最主要的市场因素在于天然气发电是否具有竞争力。
图3是用于基荷和联合循环燃气轮机(CCGT)电厂在中国发电竞争力的状况。
图中斜线所表示的是典型的CCGT电厂和简单的燃煤电厂(不带烟道脱硫装置FGD)具有相同电力生产标准出厂成本的位置。
从图中可以看出,燃气发电要具有竞争能力,北京、上海和广东气价要分别低于0.80元/m3、0.85元/m3和0.90元/m3。
而上述三个地区的气价都更高,所以燃气发电对于燃煤发电没有竞争力。
但模拟计算表明,给燃煤电厂强制性安装并运行FGD,将会大增加天然气发电的竞争力,如只要北京和上海的气价分别低于1.0元/m3和1.08元/m3,两地天然气发电就具有竞争力。
计算还表明,燃气电厂可和采用先进洁净煤技术(CCT)的电厂竞争,此
时气价可达1.35元/m3。
基于以上分析,可以看出目前的情况下在中国发展大型燃气机不具有竞争性,只有靠中小机组的应用灵活来弥补燃气发电的不足。
中小机组的发电效率、气价与电价的关系如图4所示。
从图中可以看出,设备最好选用先进的发电机组,以提高竞争性。
中国华东、华南和华北急需解决电力调峰问题,但为了支撑“西气东输”、“俄气南送”以及LNG进口大型项目,这些地区规划中燃气电厂几乎都为基荷电厂,用以保证相关基础设施的充分利用。
基荷电厂的区域竞争见表2
5天然气发电的其它应用
5.1发展分布式天然气电热冷联供
电热冷联供,可以实现规模化的能源梯级合理利用,能源利用效率可达70~90%,而一般火力发电系统的能源利用效率仅为30~47%。
电热冷联供系统具有能源利用率高、模块化、分散化、距离近等优点。
据国外经验,电热冷联供是高效率大容量地使用
天然气地有效途径,不仅可将燃煤地供热厂改建成燃气的热电联产厂,而且可将一些商业、旅馆饭店、医院及养老保健设施集中的区域建成燃气的热电联供厂。
这种方式不仅可以明显提高一次能源的利用效率,充分实现天然气这种优质能源的梯级利用,而发展分布式发电,是天然气在中国规模应用的最大优势,包括热电联产和热电冷三元联产。
这对北京、上海和广东这样大型消费市场具有重大经济意义。
且能有效避免用电高峰负荷。
在主要工业国家,热电联供比例有较大的比例,如在1997年,丹麦占40%,芬兰占34.5%,德国占14.5%,美国占6%。
近期报导中日本的热电联供发展迅速。
5.2利用燃气轮机组对现有火电厂技术改造的探讨
小火电能耗高、污染严重,给中国环保、能源资源平衡及电力工业的健康发展带来极为不利的影响。
但是,根据我国国情,对中小型火电机组全部实行淘汰或停产显然不合时宜,而利用燃轮机联合循环(GTCC)机组对100MW或125MW机组进行技术改造,可使其容量提高到300MW上下,进入大机组的行列,而且效率可达到或超过常规大容量燃煤机组。
对这些中小型燃煤机组进行改造不需要复杂的审批手续,也不需要占用新的厂址,原有电厂的大多数设备都能得到利用,与新建电厂相比费用低廉。
1)余热锅炉型
在现有蒸汽轮机的基础上,用一台或多台燃气轮机和余热锅炉取代原有的燃煤锅炉,燃气轮机排气送往余热锅炉,用以产生驱动汽轮机的主蒸汽。
这种改造方案可使机组的出力增加1.5~2.0倍,热效率大大增加。
改造后的联合循环电站全部采用燃油或天然气作燃料,排放污染水平能满足环保要求。
目前这种改造方案美国比较流行。
2)排气余热型
在现有燃煤锅炉和蒸汽轮机的基础上,加装一台燃气轮机,将燃气轮机排气直接送入原有燃煤锅炉作为燃烧空气,以取代原有锅炉的送风机和空气预热气。
同时原有锅炉要进行适当改造,如拆除炉内空气预热器、改造燃烧器、加装低温省煤气等。
这种改造方案减少了汽轮机抽汽的数量,使其出力有所增加。
3)双源并联型
在现有燃煤锅炉和蒸汽轮机的基础上,加装燃气轮机和余热锅炉,进行双源并联型联合循环改造。
在燃气轮机中燃用天然气或液体燃料,在原锅炉中则仍燃用原煤。
在余热锅炉中产生几种不同压力和温度的蒸汽,与原锅炉中产生的主蒸汽和再热蒸汽同时
进入原有的汽轮机作功。
在燃气轮机中产生的烟气通过余热锅炉的烟囱排向大气,且安装烟气旁通阀后,燃气轮机和燃煤锅炉均能独立运行。
本改造方案可提高热效率和机组功率、燃料和运行灵活性高、变工况性能好。
6促进天然气发电的几个方面
从能源安全和环境保护上考虑,提倡使用清洁能源天然气。
但目前天然气基荷发电不占优势。
因此,如何提高应用天然气发电比例,是值得关注的问题。
在中国,天然气发电的主要障碍之一是电价不能很好的反映峰荷与腰肩负荷发电的成本。
相信更好的分时电力定价与更严的环保措施将使天然气发电收益。
选用先进机组。
燃气轮机技术的飞速发展,使新型燃气轮机具有更大的单机容量、更好的性能和更高的效率,而单位容量的设备费用略有下降。
采用先进机组不但可以降低发电成本,也同时减少了排放。
天然气电力定价。
中国现在缺乏一个统一而透明的电力价格体系,目前的电价也没有很好的反映峰荷与腰肩负荷发电的成本。
应该实行峰谷电价政策,发挥燃机对负荷响应良好的优点,即峰谷电量比取大值,则高峰、低谷电价都具竞争性。
在电力改革中
考虑清洁能源发电,并在外汇额度、贷款利率、还贷期限、税收等方面有优惠政策。
这样,当天然气发电就有良好的回报,电力厂商也会积极运作天然气发电项目。
环境法规及政策。
当前我国的环保工作有了很大的起色,但离发达国家的标准,还有很大的距离。
主要原因是我国相关的法律法规和环境政策不够完善,污染惩罚力度远远不够,煤电企业交费排污成了合法化。
国外天然气发电能够商业盈利,从侧面反出我国在这方面法规的不足。
应该对煤电厂执行更为严格的环境法规,并由政府监督和加强这些法规的实施。
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