能源转型条件下煤电机组延寿经济性及环保性分析

年红玉　尹海涛

摘 要：燃煤发电在相当长时期内占据我国电力能源结构的主导地位。我国目前的电力供应存在短时缺口问题，部分地区迎峰度夏尖峰资源不足，但是总体供应相对富足。相比新建大型煤电机组，对现役煤电机组的延寿和升级改造是一个更加经济友好和环境友好的选择。我国现役燃煤机组在设计过程、选用材料、加工制造、安装检修等方面与国外水平相当，延续运行的技术空间很大，可以通过机组延寿改造，让现役机组继续承担调峰调频功能。这样，既能平衡局部短期负荷激增的供需，又能为新能源腾出一席之地，同时还避免了新建煤电机组大量投资导致的资本和能源浪费。

关键词：煤电机组延寿；度电经济成本；度电环境成本；能源转型

中图分类号：X 196; F 062.2

文献标志码：A

The Economic and Environmental Benefits from the Life Extension ofCoal Power Unit during the Energy Transformaiton

NIANG Hongyu YIN Haitao

（Antai College of Economics & Management， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030， China）

Abstract：Coal-fired power generation has dominated China’s power energy for a long time. In recent years， there has been a short-term gap in power supply in China. Electricity supply is in short during peak usage time， while the overall supply is relatively abundant. Compared with the new and large coal generating units， life extension and upgrading of existing coal generating units is a more economical and environmentally friendly choice. As a matter of fact， China’s active coal-fired units are as well-designed as those in developed countries in terms of their design process， material selection， installation， and maintenance， which implies that there is a large technical space for the continuous operation. The active coal-fired units can continue to bear the function of peak and frequency modulation through the life-extending transformation of units. In this way， it can not only balance the supply and demand of local short-term load surge， but also make room for new energy， and avoid the capital and energy waste caused by a large amount of investment in new coal power units.

Key words：life extension of coal power unit; economic cost per kilowatt hour; environmental cost per kilowatt hour; energy structural transition

在相當长的一段时期内，我国发电行业“煤炭当家”的格局不会改变。目前问题出在电力供应存在短时缺口，部分地区迎峰度夏尖峰资源不足，但是总体供应相对富足。

首先，我国存量煤电机组潜能尚未得到充分发挥，机组服役年限较短且利用效率低。2018年，我国煤电平均利用小时数4361小时，远低于机组设定标准利用小时数5300～5500小时。世界主要以煤电为主力电源的国家——韩国、澳大利亚、德国的年平均利用小时数为5877小时，我国仅为该水平的74%。可见我国煤电机组利用效率低，仍处于过剩状态。其次，选择新建煤电机组是浪费资产的行为。中电联发布的《2018—2019年度全国电力供需形势分析预测报告》显示，2018年煤电企业亏损面超过50%，装机容量充裕，设备利用效率下降。2019年7月，多家煤电企业资不抵债，五大发电集团2018年火电板块亏损额在140亿元左右。倘若新煤电项目启动，加上高煤价、低利用效率，煤电企业长期亏损和资不抵债的局面将进一步恶化。

我们应该寻找一个更优的选择，现役煤电机组的延寿和升级改造就是其中一个。它既能缓解尖峰负荷电力缺口，又能减少新建煤电投资与存量煤电资产搁浅。我国现存燃煤机组在设计过程、选用材料、加工制造、安装检修等方面与国外水平相当，延续运行的技术空间很大，可以通过机组延寿改造，让现役机组继续承担调峰调频功能。这样，既能平衡局部短期负荷激增的供需，又能为新能源腾出一席之地，同时还避免了新建煤电机组大量投资导致的资源浪费。

因此，对现役旧机组进行延寿改造，还是选择新建大型机组来解决局部地区局部时段供电不足问题，成为当前能源发展中一个绕不过、同时又存在激烈争论的重要政策问题。这既涉及经济和能源环境问题，又涉及技术层面的问题。本文主要侧重于经济和能源环境层面的分析，具体安排如下：首先，比较中国和美国现有煤电机组的服役时间；其次，比较延寿机组和新建机组的经济成本和环境成本；最后，在能源转型的背景下，讨论延寿煤电机组的经济性和环保性。

1 中美现有煤电机组服役时间的比较分析

中国和美国都是煤电大国，中国很多机组也采用美国的技术。经过30年的发展，我国煤电的建设和运营达到世界先进水平，在这样的情况下，比较我国和美国煤电机组的服役时间，可以起到他山之石的作用。图1和图2分别展示了2017年中国和美国运行机组的服役年限。

首先，美国煤电机组的服役年限远远超过中国。从图1和图2的比较可以看出，美国服役时间在35年以上的煤电机组共602个，占机组总数的75%，而中国服役时间在30年以上的煤电机组只有66个，占机组总数的3%。自20世纪80年代以来，美国、日本等发达国家在火电厂逐步开展针对主蒸汽管道、锅筒、汽轮机转子等主要部件的机组整体寿命评估和技术提升研究，充分挖掘现役煤电机组的潜力，完全能够使煤电机组实际运行寿命远大于30年。如图3所示，2010年以来，美国退役煤电机组的平均服役年限在50年以上。

其次，在未来十年的时间里，我国有414台机组会面临30年的门槛，这意味着，到2030年我国将有大约1.35亿千瓦煤电机组退役。2050年基本上是现有煤电机组运行寿命的终结期，因此2050年左右将是中国电力结构进入新一轮调整的关键时期。是否应该用新的煤电机组来满足电力需求，这样做的经济性如何？这又如何与新能源电力的发展相匹配？不仅如此，现有机组的退役还会带来一个地区电力不平衡的问题。据统计，2003年以来，我国煤电装机进入快速发展期，其中65%以上集中在东中部地区。按照原设计30年经济寿命推算，如不对煤电机组进行延寿改造，东中部地区在2030年以后将有大量煤电机组退役，而新增煤电项目主要集中在西部、北部地区，电力供应“总体供应过剩”和“局部短时缺口”的现象将进一步加剧。

目前我国的煤电机组设计寿命为30年，如果可以将其寿命延长10年（即按机组40年寿命推算），到2050年末，我国退役机组数量可减少323个，可保留机组容量182265MW（如图4所示）。按新建1000MW机组平均每个投资39亿元估算，扣除机组延寿技改投资平均每个4亿元，可节省新建机组总投资6379亿元左右；如果可以将其寿命延长20年（即按机组50年寿命推算），到2050年末，我国退役机组数量可减少1461个，可保留机组容量679700MW，如上推算，可节省新建机组总投资23790亿元左右。若直接把运行30年（甚至不到30年）的机组直接淘汰，可以说是资源的极大浪费。

2 研究方法

2.1 经济性分析

本文关注的两个指标是度电成本和度电污染强度。前者主要用来分析发电成本；后者主要用来分析发电的环境成本。

度电成本是衡量发电成本的常用指標，其计算方法如下：

其中，CAPEX代表发电设备每年的投资成本，OPEX代表发电设备运营和维修的成本，包括燃料、保险和人工成本等，r是贴现率，N是电厂运营年限，C是装机容量，H是年利用小时数，o是厂用电率。LCOE是国际上通用的估算单位发电成本的财务方法，不仅被广泛用于学术建模分析，也常见于政策讨论等领域。

2.2 环保性分析

即使从现有的技术经济性来看，常规污染物的控制已不构成对煤电发展的关键性约束条件。燃煤电厂大气污染物控制技术将逐步由先除尘再脱硫再脱硝的单元式、渐进式控制向常规污染物加脱除重金属及气溶胶等深度一体化协同控制技术发展，逐步使大气污染物排放接近于零。电厂产生的废水及固体废物也将参与到循环经济体系之中或进行无害化处理。影响煤电机组环保性的主要因素是碳排放。

按照LCOE公式的构造思路，我们构造如下的度电污染强度指标：

其中，SE、NE、PM和CE代表二氧化硫、氮化物、粉尘和二氧化碳的排放成本。我们采用了排污税衡量二氧化硫、氮化物和粉尘排放的经济成本。至于二氧化碳的成本，我们使用的是上海市环境和能源交易所碳额度的当期价格45元。

3 新建机组与延寿机组比较分析

3.1 新建机组与延寿机组度电成本比较

我们首先比较度电成本。我们选取了两个代表性的机组：汉川1号和汉川5号。前者是35年达到退役年龄的机组；后者是新建的机组。表1比较了汉川1号和汉川5号两个煤电机组的度电成本。计算的两个情景是：汉川1号机组延寿10年，汉川5号是新建机组，运营10年。从年平均发电总量上看，新建机组汉川5号是延寿机组汉川1号的3.6倍。汉川5号作为大容量的新建机组，在基础性供电环节发挥着重要作用，但是，从度电成本的分析结果来看，延寿机组汉川1号的度电成本是0.23091元/千瓦时，低于新建机组汉川5号的0.23689元/千瓦时。这一成本上的差异主要来自发电煤耗、机组延寿技改投资和新建投资。另外，运维费用、人工成本也是这一差异的主要原因。

3.2 新建机组与延寿机组环境影响比较

如表1所示，汉川1号机组的度电环境成本比新建机组略高，这主要是因为新建机组的发电效率比较高，所以单位发电量的煤耗和污染比较低。但有两点值得注意。首先，我们使用的是汉川1号改造前的数据。因此，如果延寿改造过程中能引进低碳低污染技术，那么不仅可以强化延寿机组的经济优势，还可以弥补其在度电环境成本方面的劣势。其次，汉川5号在度电环境成本上的优势，不足以弥补其在度电成本上的劣势。所以综合来看，老机组延寿的经济性比较好。

3.3 敏感性分析

敏感性分析是为了检验度电成本和度电环境成本对其他关键参数的反应程度。分析的关键参数包括年发电总量、环保税费、新建机组的服役年限等。若某参数的小幅度变化能导致经济效果指标的较大变化，则称此参数为敏感性因素，反之则称其为非敏感性因素。

图5的结果显示，新建机组汉川5号的度电成本对年发电总量的变化非常敏感。如，年发电总量提高10%，度电成本会下降9.1%，但如果年发电总量降低的话，度电成本则会有明显的提升。如果用大机组代替小机组，并考虑未来新能源发电大发展的预期，新建大机组的利用小时数很难保证。如果年发电总量降低，则根据我们的敏感性分析，新建大机组来替代30年小机组的做法，经济性较差。

在表1的分析中，我们看到新建机组与30年小机组相比，在环保成本上有一些优势。一个自然的问题是，这个优势如何受未来环保税费提升的影响。图6和图7的分析告诉我们，环保税和碳排放价格是机组环保成本的敏感性因素。如，当环保税费水平提高的时候，汉川5号，也就是新机组的环保成本优势会更为凸显。但是我们看到，即使税费水平提高20%，度电环保成本在新旧机组之间的差距，在量上也非常小，不足以弥补新机组在度电经济成本上的劣势。

在前面章节中，我们的计算基于汉川5号新建机组只使用十年，那么如果汉川5号也能使用40年的话，是否会使它的经济性變得更好呢？图7的结果显示，新建机组汉川5号延长服役年限对度电成本也会产生影响，但敏感程度随着服役年限的增加逐步减弱。如果服役年限再延长10年，度电成本会降低1.8%。在此基础上，如果服役年限再延长10年，度电成本会降低2%。新建机组延长到30年以后，度电成本会逐渐上涨，这是因为人工成本按照每年平均上涨8.78%（国家统计局近5年平均值）计算，但毫无疑问的是，机组延寿必然会降低度电的平均固定成本。比较而言，新建机组的度电成本一直略高于老机组30年延寿的选项。

由表1可知，燃煤成本是度电成本最重要的组成部分，约占可变成本的98.5%。图9的敏感性分析表明，煤炭价格是度电成本的敏感性因素，以新建机组汉川5号为例，煤炭价格若上升10%，度电成本将会上升约9.4%。图10是2014—2019年全国电煤价格指数的变化趋势，2019年7月较2016年1月电煤价格上升了49%，价格波动剧烈。显然，度电成本会受到电煤市场的影响。由表2可知，若每小时需发电30万千瓦时，60万机组的发电煤耗是313.1克/千瓦时，30万机组的发电煤耗是306.9克/千瓦时，在煤炭价格大幅上升的情况下，30万的小型机组经济优势更加明显。

4 能源转型下的讨论

4.1 新能源的发展

近年来，随着能源供给侧改革的不断深化，能源结构加快向高效、清洁、低碳转型升级，可再生能源发电规模快速增长，未来可再生能源有可能成为中国的主体能源。根据国务院发改委能源所发布的《中国可再生能源发展路线图2050》，到2050年，即使在基本情景下，我国风能发电也会达到2万亿千瓦时，太阳能发电会达到2.1万亿千瓦时。如果新建大容量的煤电站，在未来必然会面临在新能源电力大爆发下，煤电机组利用小时数不断缩小的局面。从上面的敏感性分析能够看出，如果利用小时数不断缩减，发电总量减少，必然会提高新建煤电厂的度电成本，使其经济性更差。虽然现役机组的容量小，但在煤电需求低的情况下，我们可以充分发挥现存小容量机组的潜能。比如采用两个30万瓦延寿机组取代一个60万瓦新机组，当煤电需求低时，可以关闭一个延寿机组，保证另一个在高工况下运行。比如需要每小时发电30万千瓦时，30万瓦机组可以在100%THA工况下运行，而60万机组只能在50%THA工况下运行。如表2所示，60万瓦机组比30万瓦机组的度电煤耗成本、度电CO排放成本分别高出2%，无论是经济角度还是环保角度，新建大容量的机组都不占优势。

4.2 新建煤电机组低负荷运行的经济成本

随着新能源和储能技术的发展，大型煤电机组低负荷运行将逐渐成为常态，从而带来额外的经济成本。

首先，我国的煤炭企业负债率普遍偏高，2018年末，全国规模以上煤炭企业资产负债率达到65.4%。而新建煤电机组又需要大量的初始投资，如果新建的煤电机组低负荷运行、利用小时数少，企业需要很长时间才能开始盈利，甚至会导致亏损，这将会给企业带来严重的融资问题和债务风险。

其次，当煤电机组的负荷率降至一定范围时，锅炉风机、磨煤机以及汽机凝结水泵、给水泵等主要辅机工作点会偏离最佳工作范围，脱硫、除尘、脱硝等重要辅助系统并不会随负荷降低而停运设备，导致低负荷运行的厂用电率和供电煤耗大幅增加（如图11所示）。

再次，相较于小型旧机组，新建大型机组在调峰时尤其不占优势。机组参与调峰必然带来设备的频繁启停和阀门的反复开关，会加速设备的损耗，增加设备的检修成本。大型机组辅助调峰时通常在低负荷下运行，对机组的损耗更大，维修成本也更高。

5 结论

从分析结果可以看出，30年机组延寿10年的度电成本要低于新建机组运行10年，但环境成本要高于新建机组运行10年的情形。综合考虑度电经济成本和环境成本，这两种方案难分伯仲。如果进一步考虑到新能源发电和储能技术日新月异，大型机组低负荷运行的额外成本，以及拆除30年机组和建设新机组工程过程中产生的污染等因素，我们更应当选择30年机组延寿。

在目前大量煤炭散烧的情况下，不应继续盲目提前关停煤电机组，尤其是关停供热煤电机组，而应从全社会的节能减排效果、电力系统的整体效率、电力系统的安全、煤电机组的全生命周期等方面进行综合性评价，在安全生产的前提下，充分挖掘现役煤电机组的潜力。

参考文献：

［1］CUI R Y， HULTMAN N， EDWARDS M R， et al. Quantifying operational lifetimes for coal power plants under the Paris goals［J］. Nature Communications， 2019， 10（1）：1-9.

［2］GARCÍA-GUSANO D， GARRAÍN D， DUFOUR J. Prospective life cycle assessment of the Spanish electricity production［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017（75）：21-34.

［3］GARCÍA-GUSANO D， IRIBARREN D， DUFOUR J. Is coal extension a sensible option for energy planning？ A combined energy systems modelling and life cycle assessment approach［J］. Energy Policy， 2018（114）：413-421.

［4］WANG J， WANG R， ZHU Y， et al. Life cycle assessment and environmental cost accounting of coal-fired power generation in China［J］. Energy Policy， 2018（115）：374-384.

［5］YU S， ZHANG J， CHENG J. Carbon reduction cost estimating of Chinese coal-fired power generation units：A perspective from national energy consumption standard［J］. Journal of Cleaner Production， 2016（139）：612-621.

［6］李凡生， 徐丽杰， 王玮. 试论火力发电厂动态成本分析［J］. 电网技术， 2001， 25（7）：4.

［7］潘军， 潘怡辰. 火力发电机组运行寿命研究及退役容量预测［J］. 电力勘测设计， 2014（5）：5.