一种新的发电设备利用水平评价指标及方法

安洪光，靳坤坤，吴立强，董博，刘志强，李艺

(中国电力企业联合会，北京 100761)

0 引言

高质量发展，应该也必须是高效率的发展[1-2]。电力的高效率发展包含2个方面：高的能量转换效率和高的设备利用率水平。发电设备利用小时（以下简称：利用小时），即机组毛实际发电量折合成毛最大容量（一般取铭牌额定容量）时的运行小时数[3]，在发电（供给）侧直接反映设备的利用率水平，在用电（需求）侧间接反映电力市场的需求程度。供需两旺则发电利用小时高，反之利用小时低。因此，利用小时是能源电力行业的一项重要技术经济指标，也成为反映宏观经济的重要相关指标。

影响利用小时的因素很多，在科学层面上，不同发电类型所用能源的能量密度及其转换效率不同[4-8]，其机组设计或可达到的利用小时就不同。一般而言，中国各类发电类型的年利用小时由高到低依次为核电、煤电、水电、风电、光伏发电；风电和光伏发电的利用小时因所处资源区的不同而异。由于各个发电类型的利用小时不同，对于分类型和全口径利用小时来说，各发电类型的容量比例结构就成为影响其高低的重要因素。如分类型中的“火电利用小时”是煤电、气电和生物质发电等其他火电机组合计的利用小时，近年火电利用小时的降低，有煤电利用小时变化的因素，也有燃气机组比例增加的因素[7]；“全口径发电设备利用小时”是由各类型发电机组的电量之和与对应机组的装机容量之和计算的，随着风电、光伏发电等低利用小时发电机组的大比例投入运行，总发电设备装机容量大幅增加，而全口径发电利用小时显著下降，这种现象还会随着发电结构的清洁化转型而持续[8-10]。这种装机容量结构变化导致的利用小时变化，造成当前的火电利用小时和全口径利用小时，不能像以往以煤电为主时期那样直观反映电力供需状况。因此，需要研究开发考虑发电装机结构变化、客观反映发电设备利用率水平的新指标。

本文首先提出发电设备利用率指数这一新的发电设备利用水平评价指标，并给出其科学定义；其次，研究分析各发电类型基准利用小时的合理取值；进而给出分类型和全口径基准利用小时及相应的指数计算模型。通过不同地区、不同企业的利用小时与利用率指数的比较分析，验证了利用率指数能够在充分考虑发电类型容量结构的前提下，真实反映发电设备利用率水平。这一评价指标可为电力规划分析、企业项目管理提供决策参考。

1 利用小时的类型及其计算

1.1 利用小时的种类及计算

利用小时按不同的统计口径，可分为单台（机组）利用小时、单类型利用小时（如燃煤发电、燃气发电、核电、风电、光伏发电等）、分类型利用小时（如火电包括了燃煤发电、燃气发电、生物质发电等；可再生能源发电包括水力发电、风力发电、光伏发电等）和全口径利用小时。

统计上，利用小时是发电机组在报告期（或统计期）内发电量按铭牌容量计算的设备利用程度[11]，即

式 中 ：tGH为设备利用小 时，h；Q为发电 量，kW·h；W为设备铭牌容量，kW。

而国家、省份（区域）或公司的利用小时tGHt，是国家、省份（区域）和公司的发电量之和与对应的发电设备容量之和的比值，即

式中：i=1,2,···,n可表示各个省区、省区或发电集团的各个公司、公司的各台（套）机组，还可以表示国家、省份、发电集团各分类型发电设备。这里的发电设备容量是计算利用小时的平均容量，而不是（统计期的）期末容量。

式（2）是计算单类型、分类型和全口径利用小时的通式。利用小时的计算公式中有发电量、发电设备容量和利用小时3个量，知道其中2个，可以计算出第3个。因此，可以在已知装机容量的情况下，通过设定利用小时预测发电量，也可以在已知发电量（需求）的情况下，利用已有的发电设备容量测算利用小时，还可以设定发电量和利用小时推算发电设备容量。

1.2 不同维度利用小时计算结果

（1）发电设备装机容量与发电量。在一个统计期内，分类型和全口径的发电装机结构和发电量结构随时间变化。2015—2019年各类型发电设备的装机容量及发电量统计数据如表1所示[12-16]。

表1 2015—2019年各类型发电设备的装机容量及发电量数据Table 1 The installed capacity and electricity generation of different generating equipment from 2015 to 2019

（2）分类型利用小时的计算。根据表1的装机容量和发电量数据，可以计算出2015—2019年各单类型、分类型和全口径的利用小时，如表2所示。

表2 2015—2019年各类型利用小时Table 2 The availability hours of different generating equipment from 2015 to 2019 h

同理，利用各省份各类型发电设备的装机容量和发电量数据，可以计算出各省份单类型、分类型和全口径利用小时。

（3）发电集团公司利用小时的计算。利用发电集团公司的各类型发电设备的装机容量和发电量数据，可以计算出发电集团公司单类型、分类型和全口径利用小时，2019年部分计算结果如表3所示。

表3 2019年部分发电集团公司的利用小时Table 3 The availability hours of different generating equipment for some power generation companies in 2019 h

2 发电设备利用率指数的设计与计算

2.1 发电设备利用率指数的定义与意义

“发电设备利用率指数（以下简称：利用率指数或指数）”定义为：发电设备利用小时占基准利用小时的百分比。这里的“基准利用小时”定义为：技术上可以达到、经济上合理、实践上具有普遍性的发电利用小时（标准值）。基准利用小时可以分为设计利用小时和可比利用小时2个系列，由此，设计出2个系列的利用率指数，2个指数的设计机理和计算方法相同。基于设计利用小时的利用率指数，用于内部（国内、省内或公司内）发电设备利用率水平的分析，反映实际水平与设计水平的差别；基于可比利用小时的利用率指数，用于内外部（国家间、省域间、公司间）发电设备利用率水平的对比分析，反映在可比条件下不同国家、省区或发电公司之间的差别。2个指数之间的差别，则反映国家、省份或公司发电项目的资源禀赋。正常的逻辑是，资源禀赋越好的项目，设计利用小时越高，因此，设计利用小时高于可比利用小时，说明项目的资源禀赋高于可比值，反之则低于可比值。2个指数的比较，直接反映区域的资源优劣、发电项目的起跑线或公司选择电源点的战略地位。

利用率指数是个百分数，比利用小时更直观地反映设备的利用率水平，然而更主要的是体现在分类型和全口径发电设备的比较分析上。对于单机组或单类型发电设备而言，尽管利用小时（小时数）不如利用率指数（百分数）那么直观，但还是可以大致判断发电设备利用水平高低；而在不知道发电类型构成的情况下，无法直接从分类型和全口径利用小时的高低判断发电设备利用水平高低，直接比较分类型或全口径利用小时就没有意义。由于利用率指数对应的是基准利用小时而非统计期小时，不同发电类型设备的基准利用小时不同，因此引入基准利用小时后，分类型和全口径的利用率指数就体现了不同发电类型构成权重对发电设备利用水平的影响。

2.2 设计利用小时的设定

设计利用小时是设计单位给出的。每一台（套）发电机组，都有一个根据电力电量平衡，综合技术因素和经济因素确定的设计利用小时数。国内一般而言，核电为7 008 h（不低于80% 的利用率），煤电为 5 500～5 000 h，气电为4 000～3 000 h，水电因项目水资源情况而异，丰水年与枯水年也有差别，通常在 4 500～3 500 h，风电和光伏发电则因所处“资源区”的不同而异。风电分为海上风电和陆上风电，国内将陆上风电资源区分为4类，依据有效风能密度的大小和全年有效累积小时数划分；光伏发电分为3个资源区，分类依据为年（季、生产季或月）总辐射量、光合有效辐射总量和日照时数等参数。各类资源区都对应各自的设计发电利用小时区间，各个项目根据实际测量的数据作为设计依据。相关资料显示，同一风资源区内部的资源情况差别较大，因此并不意味着资源区等级的利用小时平均值与功率密度严格一一对应，国内各类资源区的风、光发电平均利用小时参考值如表4所示，其中，加权平均值依据大陆不同资源区面积比例估算。

表4 风电、光伏发电资源区及其对应的平均发电利用小时Table 4 The resource zones of wind and photovoltaic power and corresponding average generating availability hours

用于指数计算的设计利用小时，最直接也是最可靠的做法，是直接采用各个机组实际的设计利用小时。

2.3 可比利用小时的设定

关于各类型发电设备“合理”利用小时的研究与讨论很多[17-25]，因为从“应然”或“实然”出发的角度不同、研究的方向和重点不同，所以有不同的观点。本文从研究设备利用率评价方法的角度出发，参照设计利用小时的确立原则，在相对合理的范围内设定各类型发电设备的可比利用小时，用于国际间、省份间以及公司间的分析比较；风电和光伏发电还可以再按各省份资源区的实际情况，分别设定本省的风电和光伏发电的可比利用小时，用于省内市县间或发电公司间的分析比较。对于评价方法来说，只要设定的可比利用小时标准是统一的，就可以进行客观比较。笔者根据多年统计数据的规律（普遍、现实可行性），综合各种因素（技术、经济可行性）给出典型发电类型的可比利用小时的建议取值范围及本文采用的可比利用小时(标准值)，如表5所示。

表5 典型发电类型的可比利用小时建议取值范围Table 5 The recommended comparable availability ranges of typical power generation types

必要时，可以分别给出所有发电类型的可比利用小时，用于详细计算和分析。在国内，生物质发电等其他类型的火电装机容量和发电量占比小于5%，一般情况是生物质发电的利用小时大于煤电的，而余温余压发电小于煤电，二者合计与煤电相当，按煤电计算对火电和全口径的可比利用小时影响不大，本文予以简化。

2.4 基准利用小时计算模型

如前所述，分类型和全口径基准利用小时是发电设备“容量结构”的函数，随着各类型发电容量结构的变化而变化。分类型和全口径的基准利用小时tDH，由其对应的各单类型发电设备的基准利用小时及其容量权重进行计算。其计算式为

式中：tDHi为第i种发电类型的基准利用小时，h。

例如，计算火电的基准利用小时tDHf，按煤电、气电及其他火电的装机容量加权计算，即

式中：下标1代表煤电；下标2代表气电；下标3代表其他火电。

以可比利用小时计算为例，根据表1给出的装机容量数据和表5给出的单类型可比利用小时，利用式（3）可以计算出分类型（火电）和全口径的可比利用小时，如表6所示。

表6 2015—2019年火电和全口径的可比利用小时Table 6 The comparable availability hours of thermal power and all power from 2015 to 2019

以此类推，在已知发电设备容量结构的条件下，可以计算任何国家、省份或发电集团的任意分类型和全口径发电设备基准利用小时，作为计算利用率指数的依据。

2.5 发电设备利用率指数设计

（1）单类型发电设备利用率指数Gl，为该类型发电设备实际利用小时对应基准利用小时的百分比，即

（2）分类型和全口径发电设备利用率指数Glt，为分类型或全口径实际利用小时对应基准利用小时的百分比，即

3 发电设备利用率指数的分析与应用

3.1 不同年度利用小时与利用率指数比较

依据可比利用小时的标准值（见表5）及其分类型和全口径的基准利用小时计算结果（见表6），利用式（4）和式（5），可以得出对应表2利用小时的利用率指数，如表7所示。

表7 2015—2019年各类型发电设备可比利用率指数Table 7 The comparable availability indexes of different power generation types from 2015 to 2019

利用表2和表7数据，可以形成不同年度的发电设备利用小时与利用率指数走势图，如图1所示。

图1 2015—2019年分类型和全口径指标比较Fig.1 Comparison between generating equipment availability hours and availability indexes from 2015 to 2019

图1表明：单类型煤电的2个指标的走势是一致的，单类型指标不受发电装机结构的影响。分类型火电和全口径的2个指标走势有差别，而且全口径的大于分类型的，因为全口径的发电装机结构变化更大。这说明，近年来全口径利用小时的变化，并不都是发电设备利用率水平的变化，有时恰恰相反，如2017年比2016年的全口径利用小时低7 h，但利用率指数却高0.95%；2018年和2019年利用率指数都处在较高水平。对照表1和表2数据可以看出，全口径利用小时下降，主要是由于结构变化所导致。5年期间，低基准利用小时的可再生能源发电占比提高，煤电占比逐年下降，装机容量由61.62%下降到54.89%，发电量由67.91%下降到63.47%。从分类型火电利用小时看，同样是煤电占比下降，而气电等低利用小时火电占比上升。2016—2019年，随着弃风、弃光现象的缓解，风电和太阳能发电的利用率指数总体是上升的。综合分析表明，受发电装机结构变化的影响，总体上发电利用小时呈下降趋势；在高质量发展的推动下，新能源设备利用率水平提高，利用率指数上升。

3.2 不同省份利用小时与利用率指数比较

根据各省份利用小时数据和表1的装机容量结构比例，以2019年全口径为例，可以分别计算出各省份基准利用小时及利用率指数，如表8所示。

表8 2019年各省份全口径发电设备利用率指数Table 8 The all power availability indexes of different provinces in 2019

如前所述，同一省份2个利用率指数的不同，是由该省份资源禀赋决定的设计利用小时与可比利用小时的差别所导致的。

由表8可见，利用小时与利用率指数都位于前十名的只有4个省，S23、S5、S17和S14。2个指标都位于后十名的有6个省，S16、S9、S7、S8、S18、S22；省份S11的利用小时排在前十名之中，但利用率指数却排在后十名中。省份S26和 S29的全口径利用小时分别为 2 638 h和2 925 h，而可比利用率指数分别为104.19%和96.31%，原因是两省的发电装机主要是清洁能源，不能从利用小时低于3 000 h而断言两省的发电设备利用率水平低。不同省份间发电装机结构差异很大，导致两个指标的计算结果不同。全口径利用小时已经不能直接用来比较不同省份发电设备利用率水平的高低，利用率指数才能反映设备利用水平的情况。需要指出的是，对于具体省份的情况要做具体分析，还有其他因素影响利用小时和利用率指数。

3.3 不同公司利用小时与利用率指数比较

类似地，利用表3数据，可以计算不同发电集团公司的利用率指数，如表9所示。

表9 2019年部分电力集团分类型发电设备可比利用率指数Table 9 The comparable availability indexes of different power companies in 2019%

表3显示：5家公司全口径利用小时从高到低排序为：D 公司（4 073 h）、A 公司（4 017 h）、B 公司（3 908 h）、E 公司（3 835 h）、C 公司（3 796 h）；而表9表明，按利用率指数从高到低排序为：E公司（87.39%）、A公司（85.30%）、D公司（84.76%）、B公司（84.07%）、C公司（83.14%），2个指标反映的结果不同。与图1类似，单类型的煤电，2个指标走势一致。同时，由于5家公司的燃气机组在火电中的占比接近，因此分类型火电的2个指标走势大致相同。E公司相对低的利用小时和比较高的利用率指数，主要由于其清洁能源装机占比及利用率均较高所致。

同样方法，可以按年度、国家和省份以及发电公司，分析任何单类型、分类型及全口径利用小时与利用率指数所反映的情况。

综上，2个指标对比分析总体反映的规律是，对单机组或单类型发电设备，2个指标反映的趋势是一致的，指数比利用小时更直观；而对分类型和全口径发电设备，2个指标反映的趋势有差异，差异源于发电设备类型容量比例不同。分类型或全口径利用小时不具可比性，但利用率指数却能本质反映发电设备的利用率水平。

3.4 利用率指数与利用水平相关指标的关系

国际上，通常也用狭义的发电设备利用率表示发电设备利用水平的高低，它是利用小时占统计期小时的百分比，即：年发电设备利用率为100%×发电设备利用小时/8 760 h（或 8 784 h）。可见，发电设备利用率指标，本质上与利用小时类似，不反映发电类型结构对发电设备利用率的影响。实际上，在发电设备可靠性评价时，有多个反映发电设备利用率的指标，如可用系数、运行系数、等效可用系数、利用系数等。它们从可靠性的角度评价发电设备在不同状态下的利用情况，其中，利用系数与通常理解的利用率是一致的。同样，这些指标都是对应统计期的，不考虑不同类型发电设备的差异，用以反映设备在统计期内处于相应状态下的时间比例（概率）。不同的指标有不同的作用，利用小时等可靠性指标，仍然是电力行业的重要指标。

3.5 发电设备利用率指数的应用

在发电设备装机结构不断变化的情况下，利用率指数可作为评价发电设备利用率水平的新指标，直接用于国家、省份（区域）和企业间的对标。同时，利用率指数的高低，可以作为国家、省区或发电企业审批、核准新上发电项目的参考依据。

国家、省份（区域）和企业的分类型和全口径利用率指数，客观反映国家、省份（区域）和发电企业电力、有效装机容量与电量的关系，与国家、区域和企业的发用电量的增长率相关性更直观，更直接反映发电生产与经济运行的情况。

利用率指数可以用于电力规划，评价未来电力系统各发电类型结构比例下的电力、容量和电量平衡及其发电设备利用率水平。

3.6 发电设备利用率指数的编制与发布

发电设备利用率指数，可以根据需要进行多种组合。以月度分类型发电设备利用率指数为例，可以发布月度利用率指数及其同比和环比的升降情况，如表10所示。

表10 2020年12月发电设备利用率指数（发布版）Table 10 The generating availability indexes in December, 2020 (published)

4 结语

利用率指数是利用小时的“定额完成率”，这个定额就是“基准利用小时数”，它好比数学中的辅助线或物理中的参照物，其本身并不改变设备的利用率水平，只是借助它，本质反映设备利用率高低。就像国际通用标准煤的低位发热量（标煤热值）为 7 000 kcal/kg（29.3 MJ/kg）一样，通过标煤热值折算发电耗用天然煤量计算标准煤耗，只是给能耗分析提供一个比较的标准。有了这个标准，就将不可比的天然煤耗转换成了可比的标准煤耗，而标煤热值本身，既不改变天然煤的数量和质量（热值），也不改变发电单位燃料成本（价格）。研究计算国家、省份或发电集团的单类型、分类型和全口径基准利用小时本身具有重要意义，建议将基准利用小时及其计算方法形成团体标准、行业标准、国家标准或国际标准，为科学分析发电设备利用率水平和有效装机容量提供依据。发电设备利用率指数，更科学直观地反映发电设备利用率水平，可作为分析宏观经济形势的重要参考指标。