上海电源结构优化策略研究

李秀财，陈永刚，曹俊波，夏凉，黄平



上海电源结构优化策略研究

李秀财1，陈永刚2，曹俊波1，夏凉3，黄平3

（1．中国华电集团有限公司上海公司，上海市 浦东新区 200126；2．上海华电奉贤燃机发电有限公司，上海市 奉贤区 201403；3．上海市城市规划设计研究院，上海市 静安区 200040）

目前上海负荷峰谷差日益增大，市外来电规模增加及新能源优先消纳等问题要求上海电源装机具有较强的调峰灵活性。该文系统地分析了上海用电负荷特性，并从增强调峰灵活性角度出发，对上海电源结构优化策略和实施方案进行了详细分析。研究结果表明未来上海市内电源装机建设应以建设增加燃气机组，提高灵活调峰性能为主。上海缺口容量的燃机替代燃煤机组方案策略包括退役煤机原址建设燃机，以及城市外围规划燃机电源点。现有小型煤机中，石洞口发电厂具备原址燃机替代条件。金山、青浦、嘉定、浦东4个区域适宜新增燃机替代燃煤机组。

负荷特性；电源结构；优化策略；燃气机组

0 引言

能源作为城市正常运转发展的重要支撑，面临着新时代、新形势下的发展方向选择。电力作为能源供应体系中的重要环节，不仅在消费侧比重越来越高，而且在供给侧与众多一次能源发生关联，合理的电源供应体系将是构建清洁低碳、安全高效能源体系的重要组成部分。

随着城市和社会发展水平的提升，上海市用电负荷中空调负荷占比高，负荷波动性强且用电峰谷差较大。同时，市外来电规模日益增大，但中期外来电深度参与上海调峰可能性的预期仍然较低，上海电网整体调峰形势较为严峻。用电负荷特性的变化，电源建设思路也需相应有所调整。目前，2017年上海市内电源装机总规模已达到 2400万kW，其中煤机规模约1546万kW，占比64.4%。电源装机结构中煤机比重过大限制了调峰的灵活性。本文从增强上海电源调峰灵活性角度出发，对上海电源装机结构优化策略和实施方案进行了研究。

1 上海用电负荷特性

随着上海城市和社会发展水平的飞速提升，国际化大都市用电负荷特性愈发明显，负荷特性较为稳定的第二产业用电比例逐步减小，空调负荷占比高，负荷波动性强且用电峰谷差较大。

上海2016—2018年分月最高负荷曲线如图1所示。

图1 上海2016—2018年分月最高负荷曲线

由图1可见，上海电网各月用电负荷随季节变化呈现“两峰两谷”特征，夏季、冬季分别形成2个用电高峰，年度最高负荷一般出现在夏季的7、8月份；春秋季温度适宜，空调负荷占比较小，形成2个低谷；由于用电负荷的自然增长，秋季负荷一般高于春季。文献[1]针对上海电网日最高负荷与气温灵敏度关系进行了分析，结果表明上海电网用电负荷受气温影响较大，呈现明显的“V”形特性。日最高气温在16~26℃，用电负荷与气温关系较小；最高气温超过26℃，最高负荷随气温升高而增加；最高气温低于16℃，最高负荷随气温降低而增加；夏季高峰期间日最高气温每升高1℃，最高负荷增加约832MW。

可采用季不均衡系数指标衡量上海各月用电负荷的不均匀程度。季不均衡系数定义为各月最大负荷的平均值与年最大负荷的比值，系数越小则各月负荷越不均衡。上海电网2014—2018年季不均衡系数如表1所示。

由表1可知，上海电网各年的季不均衡系数基本低于0.80，反映上海电网不同月份的最高负荷差异较大，且受气温影响存在较大波动性。

表1 上海电网2014—2018年季不均衡系数

上海电网各月用电负荷不均衡的情况较严重，电力需求温度敏感性增强，最高负荷中商业、工业以及居民生活中的夏季降温负荷已占到最高负荷的40%~45%，导致用电峰谷差较大[2]。2016年上海统调最大用电峰谷差已达12287MW，平均日峰谷差达6867MW[1]。空调负荷的持续增长造成了峰谷差的日益增大，消费侧负荷需求的波动性，给电网调峰增加了难度。

除空调负荷造成的峰谷差日益增大外，上海市外来电规模日益增大及未来能源结构的调整同样导致灵活性调峰压力增大。上海市外来电规模不断扩大，占上海最高电力负荷的比重越来越高，2016、2017年已突破50%。市外来电的调峰特性、送电曲线对于上海电网的调峰平衡影响很大。目前水电直流丰水期“一条直线”的送电方式给上海电网调峰带来很大压力。同时，《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》明确提出“2020年完成非化石能源占一次能源消费比重15%，造成外来电中如水电、核电等必须优先全额消纳[3]。上海目前不参加调峰的市外来电规模达到1000~1100万kW，已超出基荷水平，直接造成上海受电比例超过50%的时间超过6个月。上海作为重要的受端大用户之一，未来市外来电规模有进一步扩大的可能，市外清洁水电等仍将是首要和主要消纳对象，中期外来电深度参与上海调峰可能性的预期仍然较低，对本地电源灵活性调峰能力提出了更高的要求。

综上所述，目前上海负荷峰谷差日益增大，市外来电规模增加及新能源优先消纳等问题要求上海电源具有较强的调峰灵活性。如何优化电源结构，增加灵活调峰性能是未来上海市电源装机亟待研究和解决的问题。

2 上海电源结构优化策略分析

由第1节分析可知，增强电源侧调峰灵活性将是保证上海电力供应系统弹性和调节能力的有效途径。通常可通过燃煤机组灵活性改造、建设燃机、抽水蓄能常规调峰电源等措施增强电源侧调峰灵活性。以下结合上海能源结构现状分析上海电源结构优化策略。

目前上海一次能源结构仍以煤炭为主，存量燃煤机组较多。图2所示为2017年上海市内电源装机结构，上海市内电源装机总规模已达到2400万kW，其中煤机规模约1546万kW，占比64.4%，燃机规模约573万kW，比重已提升至23.9%，可再生能源发电规模约157万kW，约占6.5%。目前上海市电源结构中煤机占比较大，且低效率机组规模占比较高。表2所示为2017年上海市内燃煤电厂明细表，低效率燃煤机组占比达到38.4%。上海电网内300 MW以上的公用燃煤发电厂的调峰能力均可达到60%额定容量，企业自备电厂根据各自负荷特点能提供的调峰容量不等，在0~40%[4]。但燃煤机组启动时间长，以300MW燃煤机组为例，其从冷态启动到满负荷运行大约需要6~10h，灵活性较差，同时受低负荷稳燃条件限制，难以实现深度调峰[5-7]。上海存量燃煤机组较多，应在其寿命期内提高效率和利用小时数保障基本负荷供应，新增调峰机组不应再考虑煤机。

图2 2017年上海市内电源装机结构

表2 上海市内燃煤电厂明细表

燃机能源效率高、启动迅速、运行灵活，调整负荷速率迅速[8-9]，是理想优质的调峰电源。简单循环燃机可在12min内实现全负荷稳定升降，可调比例为100%[10]。同时，燃机污染物排放指标明显低于煤机。同容量的燃机CO2、NO排放量分别仅为燃煤机组的38%~40%及15%，SO2排放量几乎为0[11]。以F级燃气机组为例，其NO及CO排放量分别能保持在50mg/m3和20mg/m3以下，远小于对应国家标准[12]。因此，燃气机组对于电网抗负荷冲击能力、调峰灵活性以及节能减排都具有重要意义。天然气源是燃机发电的重要支撑因素，上海市主干管网基本建成，截止2018年共建成天然气高压主干管道超750km；管道天然气覆盖范围扩大，覆盖除崇明县外的16个区[13]。总体来看，上海市已具备了天然气发电大规模发展的天然气管网输送能力。从气源格局来看，上海市已构建起以西气东输和进口LNG(液化天然气)为主的“+1”天然气气源格局，是国内气源结构最为多元化的大城市。从天然气供应角度，上海市燃机建设具备建设基础条件。

抽水蓄能电站相较于燃机调峰能力更强、运行费用更低，是增加系统调节能力的最佳方 式[14]。但其受地理位置、水力资源等条件限制，上海市无建设基础条件。除抽水蓄能、燃机等常规调峰电源之外，也出现了一些新的调峰电源类型，例如蓄电池组、压缩空气蓄能调峰电站、超导、飞轮等，但均尚不具备大规模应用的条件[4]。综上所述，燃机是最适合上海城市特点、具备灵活调峰性能的方案。

因此，推进调峰燃机建设对于上海电力能源清洁高效利用、增强调峰灵活性以及促进节能减排都具有重要意义。

3 上海燃机建设实施方案

上海市燃机供应结构主要分为3部分，如图3所示。第1部分为现状燃机资源，包括石洞口燃机、临港燃机、漕泾热电、奉贤燃机、奉贤热电、罗泾燃机等，装机规模约为573万kW。第2部分为已规划预留燃机资源，主要包括临港发电基地(增容空间)、闵行燃机电厂(原煤电厂改建燃机)、青浦燃机电厂、崇明燃机电厂、申能奉贤热电厂、宝山罗泾重型燃机电厂(保障机组120 万kW)等电源项目。第3部分为缺口容量的燃机支撑，支撑方式又可分为2种，一种为退役煤机原址建设燃机替代，另一种为城市外围新规划电源点建设燃机。以下重点就上海缺口容量的燃机建设实施方案进行分析。

图3 燃机供应结构

3.1 退役煤机原址建设燃机替代分析

预计目前上海小型燃煤机组中除宝钢自备电厂4号机组(35万kW)须保障宝钢煤气安全消纳须暂时保留外，其余全部到期停役。退役煤机原址建设燃机电厂应综合考虑城市总体规划布局，避免破坏基本农田和生态环境保护区，且应具备场地供应、气源接入等条件。

小型燃煤机组中，外高桥电厂厂址紧邻长江口，并且燃机用地需求小于等容量煤机，建设燃机的场地和水源条件基本满足要求，但外高桥电厂无天然气支撑，由于浦东外环附近(外高桥段)目前已有各类重大管线，且各系统重大干线布局中均有敷设需求，已无新增管线通道资源，天然气干管无法接入，因此不具备燃机原址替代条件，见图4。

根据《上海市城市总体规划(2017—2035年)》，闵行吴泾地区定位升级为上海市4个主城片区之一，总体规划要求推动吴泾地区产业转型和空间留白，并预留大型文化体育设施空间[15]。吴泾发电厂所在地区空间规划为战略留白区，用地规划取消，现状机组需视城市发展需要停役或到期停役，因此不具备燃机原址替代条件，见图5。

图4 外高桥电厂出口众多管线

图5 吴泾发电厂所在地区规划调整

石洞口发电厂厂址紧邻长江口，并且规划 6.0MPa天然气干管沿北蕴川公路敷设经过电厂门口，宝山罗泾天然气门站已建成，接受西气、俄气天然气源，建设燃机的场地和水源条件基本满足要求，具备燃机原址替代条件，见图6。

图6 石洞口发电厂燃机替代条件

3.2 新建燃机替代燃煤机组方案分析

新增燃机电源点应选择城市外围地区进行布置，应综合考虑负荷需求分布、城市重要地区、基本农田保护、水源气源电力等一系列限制因素，并适当注重电源分布的均衡合理性。燃机电厂选址应符合城市总体规划布局，避免破坏基本农田和生态环境保护区，且尽量靠近负荷需求区域并具备场地供应、水源气源接入、电力送出等条件。

1）增量需求分布分析。

根据总体规划用地情况，通过GIS空间建模分析，得出全市用电需求分布图，如图7所示。可见全市主要用电负荷分布于主城区、新城、各产业基地和产业社区集中区。外高桥、石洞口、临港、漕泾等传统电源已覆盖了主要负荷集中区，新增燃机电源结构上应优先考虑负荷需求覆盖相对薄弱地区，适宜选在嘉定、青浦、松江等由新城、产业基地、产业社区构成的集中区，由于松江区距离黄浦江上游水源地保护区较近，因此可考虑嘉定、青浦等产业用地区。另一方面新增燃机电源也可考虑布局于传统发电基地周边，以实现传统燃煤机组的就近灵活替代，结构上可考虑上海化工区、外高桥地区等。

图7 增量用电需求分布预测

2）天然气源接入。

天然气源是燃机发电的重要支撑因素，新增燃机电源与天然气主干管布局密切相关，根据《上海市城市总体规划(2017—2035)》资料，燃机电厂适宜靠近天然气主干管周边区域布置，将此区域与全市增量需求分布预测叠加，见图8。可初步过滤出金山、嘉定、青浦、浦东4个结构性区域。

3）城市总体规划布局适宜性。

地块的现状和规划用地性质是燃机电厂选址的重要考虑因素。燃机电厂选址适宜性可分为5类：新增型工业用地为最适宜，现状工业用地为较适宜，现状仓储、绿地、林地等为一般，现状公共基础设施、服务设施、农村居住用地为较不适宜，现状居住用地、商业办公用地、基本农田、水域最不适宜。评价结果如图9所示。

图8 天然气管网与增量用电需求分布叠加图

图9 基于用地性质的适宜性评价

4）电网短路电流影响。

燃机电源输出电力需并网运行，上海电网为保证运行安全稳定，也存在一系列限制和要求，其中短路电流是主要的制约因素，目前上海500kV亭卫、远东、顾路、徐行、黄渡变电站短路电流已超过额定值，站点如再接入新电源，将进一步加剧系统短路电流(一般1台300MW机组贡献2kA，1台600MW机组贡献4kA)，将此区域与全市增量需求分布预测叠加(如图10)，可以看出青浦区域附近无短路电流问题，其余金山、嘉定、浦东3个区域附近电网短路电流均超标，而500kV亭卫-远东线路正在加装串联电抗器，外高桥电厂120万kW煤机将异地置换，因此目前金山、浦东区域电网短路电流未来存在下降的趋势，新增燃机电源可视具体情况与电网开展同步协调。

图10 上海电网短路电流制约点

综合考虑以上影响因素，初步判断金山、青浦、嘉定、浦东4个区域适宜新增燃机电源替代燃煤机组，具体可根据区域实际情况开展相关落地方案。

4 结论

1）上海用电负荷峰谷差日益增大，市外来电规模日益增大，且受新能源优先消纳等因素影响，保障基本负荷需求，增加灵活调峰性能是未来上海市内电源装机建设的思路和方向。

2）燃机机组启动迅速、运行灵活、污染物排放指标优异，未来上海市内电源装机建设应以建设增加燃机机组，替代存量燃煤机组，提高灵活调峰性能为主。

3）上海缺口容量的燃机替代燃煤机组方案策略包括退役煤机原址建设燃机替代及城市外围新规划电源点建设燃机。现有小型燃煤机组中，石洞口发电厂具备原址燃机替代条件。金山、青浦、嘉定、浦东4个区域适宜新增燃机电源替代燃煤机组。

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Research on Optimization Strategy of Power Supply Structure in Shanghai

LI Xiucai1, CHEN Yonggang2, CAO Junbo1, XIA Liang3, HUANG Ping3

(1.China Huadian Corporation Shanghai Branch, Pudong District, Shanghai 200126, China; 2. Shanghai Huadian Fengxian Gas Turbine Power Generation Corporation LTD, Fengxian District, Shanghai 201403, China; 3.Shanghai Urban Plannning and Design Research Institute, Jing’an District, Shanghai 200040, China)

The increasing peak-valley load difference, the increasing scale of external power and the priority of new energy consumption in Shanghai required the flexibility of peak load regulation. In this paper, the characteristics of Shanghai power load were analyzed systematically, and the optimization strategy and implementation scheme of Shanghai power supply structure were analyzed in detail from the perspective of enhancing the flexibility of peak load regulation. The results show that the installation of power supply in Shanghai in the future should focus on increasing gas turbine generating unit and improving peak load regulation performance. The strategy of replacing coal-fired generating units with gas turbine for Shanghai's gap capacity consists of the construction of gas turbine at the original site of retired coal machine and the planning construction of gas turbine power points in the city's outskirts. Shidongkou power plant had the construction condition of gas turbine at the original site of existing small coal-fired power plants. Jinshan, Qingpu, Jiading, and Pudong are suitable for the new gas turbine construction.

power load characteristics;power structure; optimization strategy; gas turbine

10.12096/j.2096-4528.pgt.18248

2018-10-20。

李秀财(1962)，男，硕士，高级工程师，从事发电产业管理工作，xiucai-li@chd.com.cn。

李秀财

(责任编辑 车德竞)