强馈入弱开机方式下上海电网电能绿色管理实践与研究

杨凌辉 陈洪岗 李福兴 徐琴 吕敬友国家电网上海市电力公司电力科学研究院

强馈入弱开机方式下上海电网电能绿色管理实践与研究

杨凌辉 陈洪岗 李福兴 徐琴 吕敬友
国家电网上海市电力公司电力科学研究院

随着全国范围内大面积雾霾的频发，国务院制定《《大气污染防治行动计划》，“史上最严环保法”和排放标准实施，能源局制定《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020）》，能源结构转型与能源消费方式转变已上升至国家战略。国网上海电科院根据国网公司总体规划和上海市能源发展要求，从电网、电源和网源协调等三个方面开展面向大规模清洁能源消纳的“强馈入弱开机”方式下电网电能绿色管理实践研究，进一步优化本地机组运行方式，建立上海地区火电机组绿色评价体系，畅通电源至电网的能源输送通道，引领上海电网绿色转型，有力推动上海能源结构和能源消费模式新一轮“绿色”升级。

电能绿色管理；节能减排；清洁能源；强馈入弱开机

随着我国承诺2030年碳排放达到峰值，全国范围内大面积雾霾的频发，国务院制定《《大气污染防治行动计划》，“史上最严环保法”和排放标准实施，能源局制定《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020）》，从电网安全、市场准入、电力交易等传统范畴，衍生出新能源并网、节能、电力企业大气污染防治等新课题。

根据《上海市能源发展“十二五”规划》要求，上海市能源消费比例煤炭要由2010年的49.2%下降到2015年的40%左右，石油由32.9%下降到30%左右。2013年底，上海出台《上海市清洁空气行动计划》，在能源、产业、交通、农业、社会等六大领域推出187项具体措施，将大气污染治理列入攻坚战；2014年，我国政府首次正式提出2030年碳排放峰值即将到来，与此同时，非化石能源在一次能源消费中的比重将提升到20%。而作为第一批低碳试点城市的上海，很有可能被赋予提前到达碳排放峰值的使命。2014年，上海市能源消费总量30年来首次出现负增长，同比降低2.3%，能源消费转型势在必行。国网上海电科院根据国网公司总体规划和上海市能源发展要求，从电网、电源和网源协调3个方面开展面向大规模清洁能源消纳的强馈入弱开机方式下电网电能绿色管理实践研究，进一步优化本地机组运行方式，建立上海地区火电机组绿色评价体系，畅通电源至电网的能源输送通道，全面实施绿色节能调度，有力推动上海能源结构和能源消费模式新一轮“绿色”升级。

1 上海火电行业发展现状及环境影响分析

目前，上海电网受电比例大幅攀升，内部开机大幅减少，上海电网进入“强馈入弱开机”新常态，大于50%受电比例的时间每年超过6个月，而且将持续至整个“十三五”期间，上海电网、电源的发展运行模式都发生了深刻改变。电力供应从本地发电为主转为外来水电为主，这为上海电网开展电能绿色管理，进一步优化绿色调度，实施高效机组替代低效机组，达到节能环保新要求，提供了较大的操作空间。

1.1 上海地区发电行业基本现状

国网上海电科院作为上海地区涉网电厂技术监督主要实施单位，2014年，纳入该院技术监督和技术支持服务发电企业共有19家，总装机容量20 310 MW：其中，按容量等级组成情况如图1所示；按发电集团组成情况如图2所示。

图1 各机组等级装机容量组成情况

图2 各发电公司装机容量组成情况

1.2 上海地区涉网电厂发电量与燃煤总量分析

上海地区涉网电厂2014年发电量和燃煤量均下降，发电量为777.0亿kWh，较2013年下降17.3%；燃煤量为3 087.2万t，较2013年下降18.3%。2005～2014年上海地区火力发电厂装机容量、发电量、燃煤量的变化情况如图3所示，燃煤量的降幅略低于发电量，反映了燃煤质量有所提高。

图3 上海地区装机容量、发电量、燃煤量变化情况

1.3 上海地区涉网电厂污染物排放分析

（1）污染物排放总量分析

2014年上海地区火电厂烟气污染物排放总量比2013年有较大幅度下降，其中烟尘、SO2、NOx排放总量分别比2013年下降了20.1%、26.7%、47.4%。2005～2014年烟尘、SO2、NOx排放趋势如图4所示，SO2排放总量在2009年大幅下降，主要源于受日益严重的酸雨影响，2008年上海市政府要求本地区发电厂必须安装脱硫设备，脱硫装备投入运行后，SO2排放情况得到明显改善。同时，2011年，上海地区发电厂烟气脱硝装置陆续建成投运，至2012年，NOx排放总量下降了近50%。

图4 2005-2014年烟气污染物排放趋势

（2）单位电量污染物排放率分析

2014年上海地区火电厂烟尘、SO2、NOx单位电量排放率，较之2013年分别下降了3.7%、11.8%、36.4%。2007～2014年烟尘、SO2、NOx单位电量排放率变化趋势如图5，与排放总量趋势一致，2009年，上海地区涉网电厂SO2单位排放率出现明显下降；而2012年，NOx的单位排放率也随着脱硝装置的相继投入得到了有效改善。

图5 2007～2014年上海地区烟气污染物排放率变化趋势

（3）各等级机组污染物排放分析

2014年，纳入国网上海电科院技术监督范围的上海地区火电厂总装机容量为20 310 MW，按照小于300 MW、300 MW等级、600 MW等级、1 000 MW等级及燃气燃油机组划分机组，各容量等级机组等级烟气污染物排放情况如图6所示。

从图6看出，小于300 MW机组，装机容量占3.3%，发电量占5.6%，而烟尘、SO2、NOx排放量却占总排放量的40.6%、26.0%、37.8%。 1 000 MW机组，装机容量占28.6%，发电量占33.1%，而烟尘、SO2、NOx排放量却占总排放量的17.4%、19.0%、10.5%。

各机组等级的单位发电量污染物排放率统计列于表1。

表1 各容量等级机组的单位发电量污染物排放率 g/kWh

从表1看出，小于300 MW机组平均污染物排放率大大超过其他级别的机组。随着单机容量的增大，机组污染物排放率下降，1 000 MW等级机组的污染物排放率最小。其主要原因：小于300 MW机组发电效率低、部分机组脱硝装置在2014年建成投运。污染物去除装置效率相对较低、燃煤品质差。而大机组发电效率高、煤耗低、配备的污染物去除装置较为齐全、效率较高，如1000 MW级机组在2013年底全部配备了脱硝装置。

2 强馈入弱开机方式下上海电网的电能绿色管理实践与研究

截止2014年底，上海电网装机容量总计21.76 GW，其中火电占98.3%，公共燃煤机组占61.2%，燃煤机组产生的环保、经济问题日益突出，而通过外来输电通道尽可能的消纳西南清洁水电，是上海能源系统转方式、调结构、治雾霾的必由之路。为解决上海能源发展重大转型后电网面临的一系列技术问题，国网上海电科院从电网、电源及网源协调三个方面开展了面向大规模清洁能源消纳的强馈入弱开机方式下都市电网电能绿色管理实践研究，取得预期成果。

图6 各容量等级机组烟气污染物排放比例比较

2.1 电网方面，优化本地机组开机方式，大规模消纳西南水电清洁能源

2014年，国网上海电科院开展基于“强馈入弱开机”状态上海电网机组调控方式研究，解决如何安排最小开机方式，最大程度上消纳西南清洁水电的问题。与常规发电计划不同，“强馈入弱开机”状态下，电网的安全稳定裕度大幅减小，这就要求上海电网综合考虑电力平衡需求、潮流控制需求、调峰平衡需求以及电压稳定需求等因素，合理安排“强馈入弱开机”条件下的本地发电机组运行方式，在确保上海都市电网安全稳定优质运行的前提下，通过四回直流从区外受入大量电力，充分消纳西南水电清洁能源，从而降低本地火电机组开机规模，大幅减少本地火电机组能源消耗量以及污染排放量。

2014年，上海电网应用该技术研究成果开展绿色电能调度管理，最高负荷为26.8 GW，直流落点输送总功率为12.72 GW，区外清洁能源占最高负荷的比例为47.5%。而广东电网、江苏电网、浙江电网最高负荷段清洁能源占比分别为24.5%、11.3%、12%，如图7所示。上海电网清洁能源所占比例远远高于广东电网、江苏电网以及浙江电网，充分体现了强馈入弱开机方式下本地机组“绿色”优化运行方式在促进电网能源结构转型中发挥的重要作用。

图7 2014年各区域电网最高负荷及清洁能源消纳情况

2014年上海电网水电全年累计受电量为524 亿kWh，在同一基准情景下，如上海电网用电负荷需求完全由本地机组出力来平衡，则本地机组特别是主力燃煤机组必须全部投入运行[1]，折算后相当于消耗标煤2 117万t，增加CO2排放5716 万t，提高电网购电成本104.8亿元，资源消耗、污染排放及经济投资都将大大增加。预计至2020年，我国东部沿海电网将新增四回特高压直流，输送总容量为32 GW，预计年输送电量1 211.44 亿kWh，送端皆为西南水电、西北风电等清洁能源。采用该技术促进清洁能源异地消纳，可节约标煤4894万t，减少碳排放1.36亿t，对节能降耗、雾霾治理和保护环境具有重大意义。

2.2 在电源方面，建设电能绿色管理平台，量化涉网发电机组节能减排指标

上海市电力公司多年以来一直以绿色化作为电网建设主导理念，积极引入“绿电”，以清洁能源消纳、电能替代、绿色调度和电网节能改造，全面提升电网的节能环保水平。2014年7月，国网上海电科院着手筹建电能绿色管理平台，将电网的绿色管理理念延伸至电源管理，从煤的燃烧开始，完善建立电能发、输、配、售等全过程的绿色监控，实现上海地区上网电量“全过程”的绿色评估，在建设上海全球科创中心的创新浪潮中，充分发挥上海电网的绿色化创新引领作用，助推上海全面建成绿色创新型城市建设。

2014年，上海电科院借助平台基础数据监测，加紧督促涉网电厂按照国家最新标准开展锅炉、脱硫脱硝设备的环保节能改造，积极支撑绿色节能调度，实施高效机组替代低效机组，累计节能置换电量10.67亿kWh，减少CO2排放约106万t。2015年初，为了更全面、科学对涉网电厂上网电量进行绿色管理，上海电科院与上海市节能减排中心、上海市环境科学研究院共同启动了上海地区火电机组绿色评价体系研究项目。2015年3月，在上海市发改委组织下，上海市节能减排中心与上海电科院联合发布了《2014年上海市燃煤发电企业供电煤耗检测验证报告》，上海市发改委根据报告对9家燃煤发电企业的2015年发电计划进行相应调整。

2015年6月，电能绿色管理平台正式投运（见图8～图10），平台以涉网机组环保在线监测分析为基础，全景展示上海地区涉网电厂环保运行数据，实时监测涉网电厂脱硫、脱硝、烟尘排放、煤耗等环保关键指标数据情况，并按照容量等级、发电集团进行排序，对全网电厂的节能排放水平进行统计分析；以建立适应上海绿色城市发展的、政府及行业认可的涉网机组绿色评价体系为核心，综合能源消耗、资源消耗、综合利用、污染物排放、机组安全稳定性，将各种环保监控数据配以权重设置为绿色评价指标，对涉网机组电能生产过程进行全维度的评估与分析；以绿色电能指数为手段，对上网电能生产状态进行定量评价与区分，将环保专业化评估模型转化为简单易懂的绿电指数，提升电网节能调度管理效率，为政府节能减排工作提供了科学的依据，促进上海国际化大都市能源消费方式的新一轮“绿色”升级。

图8 电能绿色管理平台规划框架

图9 电能绿色管理平台主画面

图10 电能绿色管理平台系统全景图

2.3 在网源协调方面，提升都市电缆通道输送能力，促进重点区域节能减排

“强馈入弱开机”状态下，随着外来电消纳规模的大幅增加、内部机组出力的大幅减小，电网的潮流疏散与分布发生重大变化，出现较多输变电瓶颈。同样对比23 GW负荷水平，因220 kV分区内部机组调停，顾路、杨行变电需求从2012年7月11日的1.88 GW和770 MW，大幅增加至2014年7 月11日的2.47 GW和1.27 GW，变电增容需求强烈。同时，上海电网电缆线路集中，相对架空线路限额较小，220 kV分区内部机组大量调停后局部热点地区出现电缆输电断面受阻，例如因调峰需求以及环保投诉，新江湾城区电厂开机受到制约，崇明长兴因环保问题机组关停，受制电缆通道闸森地区以及崇明长兴出现用电缺额，电缆增容需求强烈。

2014年，国网上海电科院在上海市电力公司指导下，研究基于降低区域大气污染的都市电网电缆输送能力提升技术[2]，该技术通过数据采集系统获取电缆运行数据，对电缆外部环境因素进行精细化计算，建立多因子电缆通道传热模型，计算电缆的运行电流限制条件与具体数值，为调度运行提供直接支持，实现电缆增容。通过电缆增容，可以在满足区域负荷需求的同时，减少本地机组开机时间，控制燃料消耗以及污染排放，对加强网源两端的“绿色”互动，促进环境治理重点区域“绿色”升级具有重要意义。

新江湾城区电缆增容是其中的典型案例。新江湾城位于上海中心城区东北部，是上海市区唯一一块自然生态“绿宝石”、同时也是上海第三代知识型、生态型国际社区，电厂排烟对周边大气环境影响受到附近民众的高度关注。2014年，上海市电力公司应用该技术实施闸蕴2268电缆增容来平衡杨行分区电网潮流，使得清洁水电顺利消纳落地，节能减排效果明显。仅2014年，通过在杨行分区实施电网节能减排的电缆输送通道扩容技术，该片区机组发电量比2013年累计减少63.36%，相当于节约标煤9.165 万t，减少CO2排放量27.96万t（占上海市减排总量的0.57%），削减SO2排放量61.40%、NOx排放量58.94%，减少颗粒物排放量62.95%，有效缓解了电厂污染物排放对周边大气环境的影响。

[1]杨凌辉，陈洪岗，冯煜尧，等. 面向大规模清洁能源消纳的都市电网“强馈入弱开机”运行关键技术研究与实践[J].上海节能.2015,(6):292-296

[2]贺林 李红雷.基于电缆增容的上海市中心城区节能减排实践[J].上海节能.2015,(5):240-243

Practice and Research of Electric Energy Green Management in Shanghai Power Grid Under High-Level Power Import and Scale-Reduced Online Mode

Yang Linghui, Chen Honggang, Li Fuxing, Xu Qin, Lv Jingyou
State Grid Shanghai Electric Power Company Electric Power Science Research Institute

With frequent occurrence of a large scale haze weather in nationwide area, the State Council draws up , which is one of the most stringent environmental protection law and emission standards implementation. Energy bureau draws up ， which means energy restructure and energy consumption patterns have integrated into the national strategies. State grid shanghai electric power science research institute is based on overall planning of state grid and Shanghai energy development requirements, it carries out power grid green management practice and research under large scale clean energy consumptive‘high-level power import and scale-reduced online’ mode from state grid network, electric power and network resource coordination. State grid shanghai electric power science research institute optimizes local units operation mode further and establishes green evaluation system for thermal power units in Shanghai area, makes transmission channel easy for power resources to power grid network, leads green transformation of Shanghai power grid and strongly promotes new round green update of Shanghai energy structure and energy consumption patterns.

Electric Power Green Management, Energy Saving and Emission Reduction, Clean Energy, High-Level Power Import and Scale-Reduced Online

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.01.002

能源与环境专栏 Energy and Environment Column