在新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，新能源大量并網(wǎng)引起系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力不足，為了應對這一挑戰(zhàn)，一方面儲能、抽蓄、充電樁等硬件技術(shù)飛速發(fā)展，另一方面虛擬電廠和負荷聚合商等一系列新型經(jīng)濟形態(tài)也應運而生。這些新技術(shù)的確進一步提升了電力系統(tǒng)的靈活性和響應速度，為系統(tǒng)的動態(tài)平衡和高效運行提供了有力支撐；但是我們也應認識到，這類調(diào)節(jié)資源的成本十分高昂。在明確確立并執(zhí)行碳中和目標的國家中，雖然我國經(jīng)濟總量龐大，但經(jīng)濟水平相對于一些發(fā)達國家仍有一定差距。國外電價水平較高，用戶抵御電價波動的能力較強，可以通過市場化培育的方式發(fā)展高成本的電化學儲能等技術(shù)；而我國必須探索更加符合我國國情的發(fā)展模式，更加經(jīng)濟地實現(xiàn)“雙碳”目標，盡量減少能源價格上漲對整體經(jīng)濟發(fā)展的影響。

（來源：電聯(lián)新媒 作者：閆鑫 劉春陽）

中國煤電還有多少調(diào)節(jié)潛力？

我國傳統(tǒng)化石能源資源稟賦呈現(xiàn)“富煤、貧油、少氣”的特點。煤炭資源儲量豐富，煤電長期作為我國電源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其技術(shù)相對成熟，存量機組多。所以經(jīng)濟地開發(fā)調(diào)節(jié)性資源可以從煤電入手。雖然目前煤電機組的啟停通常被認為是異?；蛐「怕尸F(xiàn)象，但如果煤電具備多次啟停的能力，其隱藏的調(diào)節(jié)潛力將十分巨大。

火電根據(jù)停機時長不等，可以分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動等多種不同啟動工況。一般來說，燃煤機組停機時間一小時以內(nèi)為極熱態(tài)啟動，停機時間1小時至10小時為熱態(tài)啟動，停機時間10小時至72小時為溫態(tài)啟動，停機時間72小時以上為冷態(tài)啟動。在全國范圍內(nèi)多省份現(xiàn)貨運行的情況來看，現(xiàn)貨價格出現(xiàn)地板價的時段通常為中午2-4個小時，也即真正需要火電進行啟停調(diào)節(jié)的停機時間為2-4小時左右，此時對應的機組狀態(tài)為熱態(tài)或極熱態(tài)。

處于極熱態(tài)、熱態(tài)工況下的機組有以下特點。一是能夠快速啟動：由于停機時間短，設備溫度尚未大幅下降，啟動速度快，減少了啟動準備時間；二是啟動成本低：停機后設備內(nèi)的熱量仍然較高，充分利用熱力系統(tǒng)蓄熱，可以減少鍋爐燃料消耗；三是相較于其他工況，啟停更為安全：避免了長時間冷卻和加熱的循環(huán)過程，減少了金屬材料的熱應力，有利于提高機組壽命。

如果通過技術(shù)攻關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)燃煤機組極熱態(tài)、熱態(tài)啟停常態(tài)化，我國燃煤機組又能挖掘出多大的調(diào)節(jié)能力呢？據(jù)國家能源局發(fā)布的全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2024年4月底，全國累計發(fā)電裝機容量約29.9億千瓦。另據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會30日發(fā)布的《2023—2024年度全國電力供需形勢分析預測報告》，截至2023年底，煤電裝機占比為39.9%，大致可計算出煤電裝機容量約為11.65億千瓦?？鄢欢ǖ睦鋫溆?，并網(wǎng)的煤電容量約10億千瓦左右。假設電網(wǎng)最小運行方式下火電開機比例為50%，經(jīng)過靈活性改造后均滿足《國家發(fā)展改革委國家能源局關(guān)于加強電網(wǎng)調(diào)峰儲能和智能化調(diào)度能力建設的指導意見》的要求，最小技術(shù)出力壓至額定負荷的30%，在此基礎上，保留1/5的容量用作電力系統(tǒng)基本調(diào)頻調(diào)壓需要，其余進行啟停調(diào)節(jié)，則新增調(diào)節(jié)能力可以達到1.2億千瓦。如果這些調(diào)節(jié)能力全部用于消納光伏，按光伏同步率為60%（實際無法達到60%）進行保守估計，相當于在不需要額外發(fā)展其他調(diào)節(jié)資源的條件下，可以新增2億千瓦的光伏消納量。且隨著用電負荷不斷上漲，煤電裝機也會相應增加，這個消納量也會隨之上升。這說明，我國煤電依然具有海量調(diào)節(jié)潛力可以開發(fā)。

煤電常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)需要哪些技術(shù)支撐？

與常見的機組冷態(tài)溫態(tài)啟停不同的是，常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)需要機組在停機后鍋爐依然維持兩臺左右的磨煤機運行，將汽溫汽壓維持在一定參數(shù)范圍，同時汽輪機保持一定轉(zhuǎn)速。這樣才能確保當系統(tǒng)需要的時候，機組能以盡可能快的速度并網(wǎng)。若想真正實現(xiàn)常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)，必須從全方位的角度進行深入考量，并有針對性地開展一系列技術(shù)攻關(guān)。

從煤電機組的角度考慮，頻繁啟停下機組運行工況發(fā)生巨大變化，需要發(fā)展新材料技術(shù)并進行機組系統(tǒng)邏輯優(yōu)化，解決或減少溫度變化帶來的以應力增加為主的各類問題。

對于汽輪機來說，首先，短時啟停過程中高中壓缸汽缸轉(zhuǎn)子保持較高溫度，要避免上下汽缸溫差過大，防止大軸旋轉(zhuǎn)時與汽封磨擦造成轉(zhuǎn)子彎曲；第二，需要防止由于汽輪機軸封供汽的汽源頻繁切換、軸封處溫度劇烈波動而引發(fā)的轉(zhuǎn)子或軸封片變形，進而引起動靜間隙消失，產(chǎn)生動靜碰摩、振動爬升；第三，需要考慮在低流量條件下，蒸汽與低壓缸末級葉片間的摩擦及蒸汽流動產(chǎn)生的鼓風效應等因素帶來的排氣溫度過高造成設備損傷；第四，機組頻繁啟停會導致進汽閥門閥桿持續(xù)動作以及進汽溫度的波動，需要解決由此引發(fā)的氧化皮增厚并從閥桿表面剝落，卡在閥桿與閥套之間環(huán)縫中形成的閥門卡澀問題。對于發(fā)電機來說，機組調(diào)節(jié)幅度和啟停頻次的增加，加速了發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈熱脹冷縮效應，交變應力顯著增加，應從材料技術(shù)入手，減緩線圈底下滑移層材料的老化和損壞，預防發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈軸向膨脹受阻故障，避免大負荷工況下發(fā)電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)明顯熱彎曲和振動。對鍋爐來說，頻繁啟停需要考慮鍋爐汽包等受壓部件的應力集中區(qū)發(fā)生低周疲勞損壞的問題。汽包內(nèi)飽和蒸汽壓力和溫度有較大幅度的變動，而且由于汽、水導熱率不同以及汽包結(jié)構(gòu)因素影響，汽包壁不同部位存在溫差，并產(chǎn)生熱應力。啟動引起的周期性熱應力同樣也作用于省煤器、水冷壁、過熱器上，容易引起這些設備低周疲勞并萌生裂紋。應通過改進汽包等設備的結(jié)構(gòu)、采用交變應力下耐久性良好的材料、加強維護等方式減少此類問題發(fā)生。

從電力系統(tǒng)的角度考慮，需要增加基礎調(diào)頻機組的性能、提升系統(tǒng)慣量來抑制煤機啟停時的頻率波動問題。

從小時級的時間尺度上來說，煤電機組可以通過啟停增強自身的調(diào)節(jié)能力。但在分鐘級的時間尺度上來說，某臺煤電機組在“啟”或“停”的過程中，其調(diào)節(jié)能力較差。由于實際出力與啟停機曲線存在偏差，煤機啟停過程中甚至需要消耗系統(tǒng)的一部分調(diào)節(jié)能力。不參與啟停調(diào)節(jié)的其他機組必須承擔起基礎調(diào)頻的責任，這對基礎調(diào)頻機組的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)能力帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，煤電機組通過啟停來消納更多的新能源，此時系統(tǒng)整體的慣量會隨之下降，頻率的波動程度相應提升。必須通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、增加電機外部附件、發(fā)展虛擬慣量技術(shù)等方式增加系統(tǒng)慣量，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

從規(guī)劃設計的角度考慮，需要洞察能源轉(zhuǎn)型背景下煤電角色演變的大趨勢，精準把握并優(yōu)化煤電設計思路。

對于存量燃煤機組來說，在保證機組安全穩(wěn)定運行的前提下以降低最小技術(shù)出力下限、提高爬坡速率、快速啟停為目標進行靈活性改造，同時提升運行人員技術(shù)水平，重點提高機組啟停操作能力以及變化工況下參數(shù)的調(diào)節(jié)能力。而對于增量火電機組，應該改變目前一味追求煤耗經(jīng)濟性的思路。隨著“雙碳”目標穩(wěn)步推進，新能源發(fā)電大量并網(wǎng)以及煤電容量電價機制的出臺，煤電在電力市場中的定位已經(jīng)從傳統(tǒng)的主體能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹涡?、調(diào)節(jié)性電源。這就意味著煤電無法保證利用小時數(shù)，大型機組大部分時間下都無法達到額定負荷，煤耗經(jīng)濟性已經(jīng)不再是優(yōu)先考慮的指標。增量機組的研究方向應該是降低最小技術(shù)出力下限、提高爬坡速率、提升快速啟停能力。具體表現(xiàn)為提升汽輪機汽缸轉(zhuǎn)子、發(fā)電機線圈、鍋爐管道等金屬材料對于溫度變化的耐受性，同時在機組設計過程中優(yōu)化啟停機邏輯，簡化操作，實現(xiàn)煤電日內(nèi)兜底調(diào)節(jié)功能等。

煤電啟停調(diào)節(jié)經(jīng)濟性如何？

因機組啟停時間集中在光伏大發(fā)、電力供應嚴重過剩的時段，此時電力現(xiàn)貨價格極低甚至為負（考慮到綠電的環(huán)境溢價），目前山東、浙江等省份在新能源大發(fā)時段已經(jīng)出現(xiàn)負價，未來隨著新能源裝機的增加，新能源出力時段現(xiàn)貨負價將更加頻繁。假設啟停時間內(nèi)現(xiàn)貨價格全部為-0.1元/千瓦時，算一筆經(jīng)濟賬。

（一）機組成本分析

（一）機組成本分析

機組進行啟停調(diào)節(jié)的成本分為兩部分：停機后維持短時間可并網(wǎng)狀態(tài)所需的成本以及啟動成本。以600兆瓦機組為例，機組維持短時間可并網(wǎng)狀態(tài)的成本主要包括煤耗、汽耗成本?？紤]到停機后為了能快速并網(wǎng)，相應輔機設備均需要投運。此種狀態(tài)下機組所需熱蒸汽的汽耗約為30噸/小時，低位發(fā)熱量20000千焦/千克的煤耗約為70噸/小時。將蒸汽、煤折合成標煤，取標煤煤價900元/噸，經(jīng)過計算此費用約為137770.2元。

機組啟動成本則需綜合考慮機組煤耗、耗水，以及為維持鍋爐燃燒穩(wěn)定的油耗等費用。從沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)再到機組恢復至30%額定容量（最小技術(shù)出力）總用時約為1小時，約消耗燃油1噸，煤耗從約70噸/小時變至約100噸/小時，同時考慮汽耗、電耗等，經(jīng)折算，啟動成本約為100000元，總費用約為237770.2元。

機組在30%額定負荷工況下的運行成本：由于機組在低負荷運行下煤耗會顯著增加，取煤耗為330克/千瓦時，同時變動成本僅考慮燃煤成本，機組運行四小時變動成本約為213840元。

從兩種情況成本對比可以發(fā)現(xiàn)，停機方式相較維持最小出力，成本略有上漲，但考慮到機組啟停補償，具有一定經(jīng)濟優(yōu)勢。

（二）機組電能量收益分析

從電力市場收益對比，假設中長期簽約比例為機組容量的80%，即停機時段中長期合同量為480兆瓦*4小時，中長期交易價格設為0.4元/千瓦時，分別計算兩種情況下機組收益。采用結(jié)算方式二計算，機組停機時，電能量費用為：

480000*4*0.4+（0-480000）*4*（-0.1）=960000（元）

而機組維持30%額定負荷工況時，機組出力為180兆瓦，此時費用為：

480*4*0.4+（180-480）*（-0.1）*4=888000（元）

從兩種情況收益對比，停機的方式通過中長期合約賺取了更多利潤，整體收益增加，更加具有經(jīng)濟優(yōu)勢。

另外，當前部分火電機組作為供熱機組，為了保證穩(wěn)定供熱不能進行啟停調(diào)節(jié)。但可以轉(zhuǎn)變思路：通過在用戶側(cè)安裝電鍋爐的方式進行供熱，發(fā)電機組便能按需進行啟停，不僅提升了機組自身的靈活性，并且使用電鍋爐供熱的方式增加了電力需求，進一步增加了系統(tǒng)消納能力。用此時段的低價電供暖，可以對其經(jīng)濟性簡要分析。取供熱面積熱指標為40瓦/平方米，則每平方米每小時耗熱量為144千焦/小時。鍋爐熱效率取75%，燃煤的低位發(fā)熱值按7000千卡/千克計，則供暖每平米每小時耗標煤量約0.00655千克/平方米。如果是500萬平方米供暖面積，則每小時總耗煤量約為32.756噸/小時。如果在負荷側(cè)安裝電鍋爐，由于燃煤機組啟停時段現(xiàn)貨價格為負，再疊加輸配等其他費用，所以啟停調(diào)節(jié)時段，綜合成本近似為0。僅針對供熱需求來說，用戶側(cè)加裝電鍋爐方式在啟停調(diào)節(jié)時段每小時可節(jié)省成本約29480.4元。

綜合新能源大發(fā)時期對比機組停運與維持最小出力的兩種情況，機組停機為新能源消納騰出了更多的空間，有利于能源結(jié)構(gòu)綠色化轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標的實現(xiàn)，同時煤電參與啟停調(diào)節(jié)成本可控，且在現(xiàn)貨市場環(huán)境下具有經(jīng)濟性優(yōu)勢。但多次啟停也伴隨著巨大的操作量和安全風險，在一定程度上影響機組壽命，需要從啟停機補償?shù)慕嵌却碳っ弘姍C組積極參與，具備條件時，實現(xiàn)一日兩次啟停。

煤電在保障我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，盡管經(jīng)歷過一段時間的污名削減產(chǎn)能，但事后依然證明了煤電是整個電力系統(tǒng)不可或缺的支撐。從技術(shù)水平上講，中國的煤機就是歐洲的燃機。歐美等國家燃氣供應充足穩(wěn)定且已適應高用能成本，因此選擇發(fā)展燃氣機組進行調(diào)節(jié)。而我國的煤機通過技術(shù)升級也完全能以燃機方式運行，替代國外燃機的地位，同時為我國能源安全和經(jīng)濟發(fā)展保駕護航。從未來潛力上講，燃煤機組仍有海量調(diào)節(jié)潛力。不論是技術(shù)上還是經(jīng)濟上，煤機短時啟停調(diào)節(jié)均具備可行性。且煤機調(diào)節(jié)能力還會隨著負荷增加和煤機裝機容量的增加繼續(xù)上升。從戰(zhàn)略需求上講，“雙碳”目標的實現(xiàn)離不開煤電完成兜底調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)型。電力行業(yè)必須提前實現(xiàn)碳中和，才能幫助我國順利完成“雙碳”目標，而這必然要求煤電從主要電源轉(zhuǎn)型成為支撐性、調(diào)節(jié)性電源，真正發(fā)揮兜底調(diào)節(jié)作用。未來煤電必然要在極低利用小時下，提升爬坡速率，實現(xiàn)常態(tài)化啟停調(diào)節(jié)，在確保能源供應穩(wěn)定的同時，推動能源領域向更清潔低碳的方向發(fā)展。