王 皚，許涌平，宋述勇

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.中國能建山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

山西省燃氣發(fā)電建議

王 皚1，許涌平2，宋述勇3

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.中國能建山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001；3.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001）

在分析山西省煤層氣資源情況的基礎上，結合電力系統(tǒng)負荷特性，燃氣電廠的運行特點，新能源發(fā)電的發(fā)展和電網(wǎng)調(diào)峰需求，提出了電網(wǎng)對燃氣電廠發(fā)展的相關要求，圍繞新能源發(fā)電的協(xié)調(diào)發(fā)展提出相應建議和措施。

燃氣電廠；調(diào)峰；經(jīng)濟性

0 引言

2006年我國新一輪煤層氣評價顯示：中國埋深在2 000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量為36.8 Tm3，1 500m以淺煤層氣可采儲量為10.9 Tm3，中國煤層氣資源量與常規(guī)天然氣地質(zhì)資源量38 Tm3基本相當。按照美國成熟地區(qū)煤層氣采收率估計，一般煤層氣可采系數(shù)在10%~50%，中值為30%。據(jù)此推算，我國煤層氣可采資源量為10 Tm3，約占世界總量的13%。我國煤層氣資源分布共劃分為東部、中部、西部、南方四大區(qū)域。

我國中東部地區(qū)煤層氣資源占總量的59%，其中鄂爾多斯和沁水盆地是煤層氣資源量最大的兩大盆地。山西省是全國煤層氣資源最為富集的地區(qū)之一，2 000m以淺煤層氣資源量為10 Tm3，約占全國的1/3。其中沁水煤田和河東煤田煤層氣資源量最大。2012年煤層氣地面產(chǎn)量為3 550Mm3，地面煤層氣利用量2 250Mm3?！笆晃濉逼陂g省內(nèi)建成16條省級輸氣管道，全長1 153 km，氣化覆蓋率52.1%；建成11條省內(nèi)支線，全長335 km。

1 山西電網(wǎng)負荷特性

1.1 負荷曲線

山西省地處內(nèi)陸地區(qū)，主要特征是四季分明，溫差較大，1年之中冬季12月到次年1月最冷，夏季7月—8月最熱，因此，受到夏季降溫負荷和冬季采暖負荷的雙重影響，山西電網(wǎng)的年負荷曲線一般表現(xiàn)為冬、夏兩個高峰，且冬季高峰負荷高于夏季高峰負荷，在2005年—2012年間，最大負荷月有7 a出現(xiàn)在12月，只有2008年因完成節(jié)能減排指標，最大負荷出現(xiàn)在夏季。

進入“十一五”以來，隨著居民生活水平的不斷提高，以及夏季高溫、悶熱天氣的頻繁出現(xiàn)，夏季降溫負荷增長速度很快，使得電網(wǎng)的夏季高峰負荷與冬季高峰負荷差距逐步縮小，電網(wǎng)年最小負荷一般出現(xiàn)在每年的春節(jié)前后，但受金融危機和節(jié)能減排影響，2008年、2010年最小負荷分別出現(xiàn)在10月和11月。

1.2 峰谷差

近10年來，山西電網(wǎng)峰谷差率一般在25%~30%之間，2012年山西電網(wǎng)最大峰谷差9 164MW，最大峰谷差率達到27.9%。從2005年至今，峰谷差及峰谷差率逐年呈現(xiàn)增大趨勢，不計非正常方式，從整體上看較為平穩(wěn)，逐年峰谷差及峰谷差率見表1。

表1 年峰谷差及峰谷差率

2 山西電網(wǎng)調(diào)峰現(xiàn)狀及調(diào)峰需求

山西省電源結構以火電為主，其中火電機組約占全省裝機的92%，火電機組中供熱機組比例偏高，目前占火電機組裝機的40%左右；水電機組占4.46%（其中西龍池抽水蓄能電站因多種因素無法全額承擔調(diào)峰任務），電網(wǎng)調(diào)峰基本由火電機組承擔。目前，在非供熱期調(diào)度安排約1 000MW的上旋備用，山西電網(wǎng)主力電廠調(diào)峰能力滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，但調(diào)峰機組調(diào)峰深度已達到40%～45%；在供熱期，電網(wǎng)調(diào)峰能力不足。

2.1 電網(wǎng)調(diào)峰能力分析

山西省已開展前期工作的電源（已核準和已獲得“核準”部門出具“路條”的電源）總裝機容量為23 563.6MW，其中，已核準電源裝機容量為9 942.6MW（不含低熱值煤發(fā)電項目），占開展前期工作電源總裝機容量的42.19%；已獲得“路條”（已獲得“核準”部門出具“路條”的電源）電源裝機容量為13 621.0MW（低熱值煤裝機容量為2 510MW），占開展前期工作電源總裝機容量的57.81%。開展前期工作的電源中火電機組為11 229.0MW，供熱機組比例達到75%；煤層氣機組為6 071.2MW，供熱機組比例達到89.01%；風電機組為5 250MW。隨著系統(tǒng)風電裝機所占比例逐步增加，系統(tǒng)調(diào)峰需求也逐步增大。而承擔調(diào)峰的機組中供熱機組所占比例逐步增加，在冬季供熱期系統(tǒng)調(diào)峰能力不足?！笆濉焙笃诤汀笆濉背跗?，即使考慮西龍池抽水蓄能電站系統(tǒng)調(diào)峰缺額仍達到3 000～4 500MW。

2.2 山西省風電運行情況

2012年，全省風電裝機達到1 975MW，全年累計收購風電發(fā)電量達到3 614 PW·h，占全社會用電量2.0%，是2009年的18倍。最大發(fā)電負荷1 498MW（12月5日），占風電裝機的75.8%，占當時全省發(fā)電負荷（2 619.7MW）的5.72%，占當時全網(wǎng)用電負荷的7.50%，占風電所在區(qū)域電網(wǎng)用電負荷的45.40%。

2009年—2012年，風電發(fā)電量年均增長105%。山西電網(wǎng)風電最大逆調(diào)峰幅度為804MW（發(fā)生在2012年12月23日，當日凌晨低谷期風電達950MW，高峰期只有146MW），使全網(wǎng)的調(diào)峰幅度增加了15.98%，對電網(wǎng)調(diào)峰造成了不利影響。

分析山西省風電場分月發(fā)電出力、發(fā)電量比例可知：風電發(fā)電出力及發(fā)電量在1月—5月、10月—12月較高，平均發(fā)電出力比例在25%～35%、最大發(fā)電出力比例在75%左右。夏季8月份最低，最大出力僅為32%，平均出力僅為10.79%。

2.3 山西電網(wǎng)峰谷差

根據(jù)負荷預測，至2015年，山西負荷水平約36 000MW，峰谷差率按30%（保守值）測算，可以得到電網(wǎng)峰谷差可達11 000MW左右。按照風電發(fā)展規(guī)模6 000～10 000MW考慮，山西電網(wǎng)調(diào)峰需求進一步加大。

3 燃氣機組調(diào)峰特性

隨著新能源規(guī)模的不斷增加，第三產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，山西電網(wǎng)調(diào)峰需求不斷加大。燃氣電廠接入電網(wǎng)對山西電網(wǎng)夏季調(diào)峰具有積極作用，但由于省內(nèi)燃氣機組多選用供熱機組，且為“9F”級、二拖一聯(lián)合循環(huán)機組，冬季受“以熱定電”方式影響，燃氣機組運行的靈活性與夏季相比較差，調(diào)峰能力明顯下降。

3.1 燃氣機組運行特點

3.1.1 效率高

山西省內(nèi)核準在建和正在開展前期工作的燃氣發(fā)電項目多為燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，與常規(guī)燃煤發(fā)電機組相比，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組具有以下特點：一是效率高、排放低，聯(lián)合循環(huán)的效率已經(jīng)達到或突破60%，且不排放二氧化硫和灰渣。二是節(jié)水，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組以燃氣輪機發(fā)電為主，燃氣輪機功率占總容量的70%，燃氣輪機發(fā)電可不用或少用水，聯(lián)合循環(huán)機組用水量只占常規(guī)火電機組的1/3。三是省地，聯(lián)合循環(huán)機組占地僅為加脫硫裝置的常規(guī)電廠的1/3。聯(lián)合循環(huán)機組的效率雖然隨著出力的減少而降低，但是在中等負荷條件下仍高于燃煤機組的效率，調(diào)峰運行經(jīng)濟性好。

3.1.2 啟停時間短

有煙氣旁路的聯(lián)合循環(huán)機組運行方式靈活，可以以單循環(huán)方式運行或以聯(lián)合循環(huán)方式運行。單循環(huán)燃氣輪機只要30min即可具備并網(wǎng)條件，負荷調(diào)節(jié)可達到5MW/min，在電網(wǎng)事故狀態(tài)時，燃氣輪機加載速率可達到額定負荷10%/min。10min左右即可加到滿出力。無煙氣旁路聯(lián)合循環(huán)的調(diào)節(jié)性能基本取決于余熱鍋爐以及蒸汽輪機等常規(guī)機組，而燃氣輪機快速靈活的調(diào)節(jié)性能無法得到充分發(fā)揮。其調(diào)節(jié)性能比燃氣輪機慢。

以300MW燃煤機組為例，理論上從冷態(tài)啟動到并網(wǎng)至少需要4 h，帶滿負荷至少需要6 h，在實際中一般需要6~10 h。而燃氣輪機從冷態(tài)啟動，一般30min左右可以實現(xiàn)并網(wǎng)，整個機組從啟動到并網(wǎng)滿負荷運行只需要2~3 h。聯(lián)合循環(huán)機組這種快速啟停的運行特點，使其可以作為緊急事件或極端峰谷工況時首選的調(diào)峰手段。

3.1.3 負荷變動快

聯(lián)合循環(huán)機組能適應頻繁大幅度變工況運行，且負荷升降速度快，表2給出了不同型式機組允許的負荷變化率，可以看到簡單循環(huán)燃氣輪機的負荷變化率可達到10%，遠高于燃煤機組的變化率[1]。目前燃煤機組的調(diào)峰深度一般為30%～50%，正常情況下300MW燃煤機組從50%負荷升至100%負荷至少需要30min，而簡單循環(huán)燃氣輪機可以在12min內(nèi)實現(xiàn)100%全負荷的升降。日本三菱公司的M701F，美國GE公司的9FA等單軸機組，其最低穩(wěn)態(tài)負荷均可達到額定負荷的30%，三菱公司的M701F聯(lián)合循環(huán)機組，從50%～90%負荷，其負荷變化速率最大可達到額定負荷4.5%/min，對電網(wǎng)調(diào)峰非常有利。

表2 不同機組允許的負荷變化率

通過發(fā)電效率、啟停速度、負荷允許變化率等方面的比較，可以看到，聯(lián)合循環(huán)機組啟停時間明顯小于燃煤機組，即使在中低負荷運行時仍能保持較高的效率，且允許的負荷升降速度也高于燃煤機組，非常適用于電網(wǎng)調(diào)峰運行。

3.2 燃氣機組調(diào)峰的制約因素

3.2.1 以熱定電限制機組調(diào)峰能力

根據(jù)山西省供熱規(guī)劃，至2015年，在省內(nèi)所有電廠基本上都要參與供熱情況下仍有較大的供熱缺口。根據(jù)最新研究結果，在非供熱期機組應具備滿負荷時功率因素為0.85（滯相） ～0.95（進相）運行的能力[2]；調(diào)峰能力不小于其額定出力的70%；每分鐘有功功率變化值不低于其額定出力的5%。山西省開展前期工作的燃氣電廠一般采用“以熱定電”的運行方式，一定程度上必然會降低燃氣電廠運行的靈活性，根據(jù)相關資料顯示，和非供熱期相比，供熱期機組調(diào)峰能力大約會降低40%～50%，影響燃氣電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力。

3.2.2 燃氣電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰經(jīng)驗不足

目前，山西國際電力投資的太原嘉節(jié)燃氣電廠預計2014年年底投運，該項目為省內(nèi)首套“9F”級聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組。根據(jù)投資方提供的技術資料分析，受到環(huán)保指標的制約，機組調(diào)峰范圍在75%～100%，變負荷速率為每分鐘0.25%～0.5%額定容量。因為山西沒有在運的該類型機組，所以沒有相關運行經(jīng)驗。

3.2.3 氣源保障可靠性不足

燃氣電廠氣源能否保持穩(wěn)定是影響機組調(diào)峰能力的關鍵因素。從目前國內(nèi)天然氣供應情況看，燃氣供應不足問題在一定范圍內(nèi)存在，需要引起重視。2005年，國內(nèi)僅華東地區(qū)就有4 000MW新建天然氣發(fā)電機組因燃氣供應不能保證而無法投入生產(chǎn)運行，而去年這一數(shù)字將增加到6 000MW。山西省內(nèi)開展前期工作的嘉節(jié)、汾東、太一、太二和東山燃氣電廠氣源均來自西氣東輸管道?！按髿馕廴绢A防治理行動計劃”發(fā)布后，京津地區(qū)將改造燃煤機組為燃氣機組，對用氣量也有較大需求；另外，京津地區(qū)民用氣的時段同天然氣發(fā)電的腰荷運行時間基本類似，在西氣東輸氣量供應的調(diào)峰手段尚不完備的情況下，這些電廠供氣的可靠性存在較大風險。

4 發(fā)揮燃氣電廠調(diào)峰作用的相關建議

a）燃氣電廠規(guī)劃。根據(jù)《山西省“十二五”新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》，山西省在“十二五”期間煤層氣機組裝機容量將達到6 000MW，氣源主要為省內(nèi)天然氣管網(wǎng)和呂梁、陽泉、晉城抽采的煤層氣。在規(guī)劃期內(nèi)，應與相應的天然氣輸送量、煤層氣抽采量規(guī)劃相銜接，力求燃氣電廠的氣源有基本保證。

b）政策上鼓勵燃氣電廠參與調(diào)峰。燃氣電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰，對于天然氣輸氣管網(wǎng)、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行均有積極意義，建議政府應在政策上充分考慮燃氣電廠調(diào)峰的積極意義，給予一定的優(yōu)惠政策、財稅補貼，提高燃氣電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰的積極性，促進燃氣機組在設計時不僅考慮供熱因素，還要考慮調(diào)峰因素，尤其是應提高冬季大負荷時期的調(diào)峰能力。

c）建設一定容量的調(diào)峰電廠。為了彌補山西電網(wǎng)調(diào)峰能力的不足，建議建設一定容量的調(diào)峰專用電廠，增加山西電網(wǎng)調(diào)峰能力。目前，發(fā)改委規(guī)劃建設的嘉節(jié)、汾東、太一、太二和東山燃氣電廠均為供熱機組，在冬季供熱期調(diào)峰能力不足。燃氣調(diào)峰專用機組的建設可以充分發(fā)揮燃氣機組啟停時間短、響應速度快、效率高的優(yōu)勢。調(diào)峰專用機組的上網(wǎng)電價、輔助服務補償費用可以參考現(xiàn)行的《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則（試行）》或者由省政府出臺配套相關扶持政策。

d）逐步積累燃氣電廠調(diào)峰運行經(jīng)驗。目前，山西省內(nèi)燃氣電廠參與電網(wǎng)調(diào)峰運行沒有實際經(jīng)驗，國內(nèi)其他城市雖有運行的先例，但各省電網(wǎng)結構、電源結構不同，機組運行特性不同，如何在冬季供熱期發(fā)揮燃氣電廠啟停時間短、負荷變動速率高的優(yōu)勢還需要摸索，建議由政府協(xié)調(diào)并組織電網(wǎng)企業(yè)和發(fā)電投資方在國內(nèi)燃氣電廠發(fā)展比較成熟的地區(qū)開展調(diào)研，積累經(jīng)驗。

［1］ 張賁，張毅威，梁旭，等.燃氣機組發(fā)電特性及其在電網(wǎng)中運行方式的研究［J］.燃氣輪機技術，2009，22（2）：14-18.

［2］ 黃志堅.燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組參與電網(wǎng)調(diào)峰運行［J］.上海電力，2006（1）：39-42.

Proposals on Gas Fired Power Plants in Shanxi Province

WANG Ai1，XU Yong-ping2，SONG Shu-yong3
（1.State Grid Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China;2.Shanxi Electric Power Exploration&Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China;3.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Based on the analysis of coal bed methane in Shanxi，and combining with load characteristics of power system，the operating characteristicsofgas fired powerplant，the development trend ofnew energy for powergeneration and powergrid peak regulation demand，the requirements of power grid on gas-fired power plant's development are proposed.Besides，corresponding suggestions and measures to coordinate thedevelopmentofnew energyand powergeneration are put forward.

gas fired power plant；peak load regulation；economicalefficiency

TM611.23

A

1671-0320（2014）03-0001-04

2014-02-20，

2014-04-15

王 皚（1969-），女，山西太原人，1991年畢業(yè)于西安交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，注冊咨詢師、注冊電氣師，投資處處長，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃計劃管理工作；

許涌平（1969-），男，福建邵武人，1991年畢業(yè)于西安交通大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，項目經(jīng)理，從事電力規(guī)劃設計工作；

宋述勇（1971-），男，山西交城人，1995年畢業(yè)于武漢大學電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護試驗及研究工作。