安洪光，靳坤坤，吳立強，董博，劉志強，李藝

(中國電力企業(yè)聯(lián)合會，北京 100761)

0 引言

高質(zhì)量發(fā)展，應該也必須是高效率的發(fā)展[1-2]。電力的高效率發(fā)展包含2個方面：高的能量轉(zhuǎn)換效率和高的設備利用率水平。發(fā)電設備利用小時（以下簡稱：利用小時），即機組毛實際發(fā)電量折合成毛最大容量（一般取銘牌額定容量）時的運行小時數(shù)[3]，在發(fā)電（供給）側(cè)直接反映設備的利用率水平，在用電（需求）側(cè)間接反映電力市場的需求程度。供需兩旺則發(fā)電利用小時高，反之利用小時低。因此，利用小時是能源電力行業(yè)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟指標，也成為反映宏觀經(jīng)濟的重要相關(guān)指標。

影響利用小時的因素很多，在科學層面上，不同發(fā)電類型所用能源的能量密度及其轉(zhuǎn)換效率不同[4-8]，其機組設計或可達到的利用小時就不同。一般而言，中國各類發(fā)電類型的年利用小時由高到低依次為核電、煤電、水電、風電、光伏發(fā)電；風電和光伏發(fā)電的利用小時因所處資源區(qū)的不同而異。由于各個發(fā)電類型的利用小時不同，對于分類型和全口徑利用小時來說，各發(fā)電類型的容量比例結(jié)構(gòu)就成為影響其高低的重要因素。如分類型中的“火電利用小時”是煤電、氣電和生物質(zhì)發(fā)電等其他火電機組合計的利用小時，近年火電利用小時的降低，有煤電利用小時變化的因素，也有燃氣機組比例增加的因素[7]；“全口徑發(fā)電設備利用小時”是由各類型發(fā)電機組的電量之和與對應機組的裝機容量之和計算的，隨著風電、光伏發(fā)電等低利用小時發(fā)電機組的大比例投入運行，總發(fā)電設備裝機容量大幅增加，而全口徑發(fā)電利用小時顯著下降，這種現(xiàn)象還會隨著發(fā)電結(jié)構(gòu)的清潔化轉(zhuǎn)型而持續(xù)[8-10]。這種裝機容量結(jié)構(gòu)變化導致的利用小時變化，造成當前的火電利用小時和全口徑利用小時，不能像以往以煤電為主時期那樣直觀反映電力供需狀況。因此，需要研究開發(fā)考慮發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)變化、客觀反映發(fā)電設備利用率水平的新指標。

本文首先提出發(fā)電設備利用率指數(shù)這一新的發(fā)電設備利用水平評價指標，并給出其科學定義；其次，研究分析各發(fā)電類型基準利用小時的合理取值；進而給出分類型和全口徑基準利用小時及相應的指數(shù)計算模型。通過不同地區(qū)、不同企業(yè)的利用小時與利用率指數(shù)的比較分析，驗證了利用率指數(shù)能夠在充分考慮發(fā)電類型容量結(jié)構(gòu)的前提下，真實反映發(fā)電設備利用率水平。這一評價指標可為電力規(guī)劃分析、企業(yè)項目管理提供決策參考。

1 利用小時的類型及其計算

1.1 利用小時的種類及計算

利用小時按不同的統(tǒng)計口徑，可分為單臺（機組）利用小時、單類型利用小時（如燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電、核電、風電、光伏發(fā)電等）、分類型利用小時（如火電包括了燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等；可再生能源發(fā)電包括水力發(fā)電、風力發(fā)電、光伏發(fā)電等）和全口徑利用小時。

統(tǒng)計上，利用小時是發(fā)電機組在報告期（或統(tǒng)計期）內(nèi)發(fā)電量按銘牌容量計算的設備利用程度[11]，即

式 中 ：tGH為設備利用小 時，h；Q為發(fā)電 量，kW·h；W為設備銘牌容量，kW。

而國家、省份（區(qū)域）或公司的利用小時tGHt，是國家、省份（區(qū)域）和公司的發(fā)電量之和與對應的發(fā)電設備容量之和的比值，即

式中：i=1,2,···,n可表示各個省區(qū)、省區(qū)或發(fā)電集團的各個公司、公司的各臺（套）機組，還可以表示國家、省份、發(fā)電集團各分類型發(fā)電設備。這里的發(fā)電設備容量是計算利用小時的平均容量，而不是（統(tǒng)計期的）期末容量。

式（2）是計算單類型、分類型和全口徑利用小時的通式。利用小時的計算公式中有發(fā)電量、發(fā)電設備容量和利用小時3個量，知道其中2個，可以計算出第3個。因此，可以在已知裝機容量的情況下，通過設定利用小時預測發(fā)電量，也可以在已知發(fā)電量（需求）的情況下，利用已有的發(fā)電設備容量測算利用小時，還可以設定發(fā)電量和利用小時推算發(fā)電設備容量。

1.2 不同維度利用小時計算結(jié)果

（1）發(fā)電設備裝機容量與發(fā)電量。在一個統(tǒng)計期內(nèi)，分類型和全口徑的發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)和發(fā)電量結(jié)構(gòu)隨時間變化。2015—2019年各類型發(fā)電設備的裝機容量及發(fā)電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示[12-16]。

表1 2015—2019年各類型發(fā)電設備的裝機容量及發(fā)電量數(shù)據(jù)Table 1 The installed capacity and electricity generation of different generating equipment from 2015 to 2019

（2）分類型利用小時的計算。根據(jù)表1的裝機容量和發(fā)電量數(shù)據(jù)，可以計算出2015—2019年各單類型、分類型和全口徑的利用小時，如表2所示。

表2 2015—2019年各類型利用小時Table 2 The availability hours of different generating equipment from 2015 to 2019 h

同理，利用各省份各類型發(fā)電設備的裝機容量和發(fā)電量數(shù)據(jù)，可以計算出各省份單類型、分類型和全口徑利用小時。

（3）發(fā)電集團公司利用小時的計算。利用發(fā)電集團公司的各類型發(fā)電設備的裝機容量和發(fā)電量數(shù)據(jù)，可以計算出發(fā)電集團公司單類型、分類型和全口徑利用小時，2019年部分計算結(jié)果如表3所示。

表3 2019年部分發(fā)電集團公司的利用小時Table 3 The availability hours of different generating equipment for some power generation companies in 2019 h

2 發(fā)電設備利用率指數(shù)的設計與計算

2.1 發(fā)電設備利用率指數(shù)的定義與意義

“發(fā)電設備利用率指數(shù)（以下簡稱：利用率指數(shù)或指數(shù)）”定義為：發(fā)電設備利用小時占基準利用小時的百分比。這里的“基準利用小時”定義為：技術(shù)上可以達到、經(jīng)濟上合理、實踐上具有普遍性的發(fā)電利用小時（標準值）?；鶞世眯r可以分為設計利用小時和可比利用小時2個系列，由此，設計出2個系列的利用率指數(shù)，2個指數(shù)的設計機理和計算方法相同?；谠O計利用小時的利用率指數(shù)，用于內(nèi)部（國內(nèi)、省內(nèi)或公司內(nèi)）發(fā)電設備利用率水平的分析，反映實際水平與設計水平的差別；基于可比利用小時的利用率指數(shù)，用于內(nèi)外部（國家間、省域間、公司間）發(fā)電設備利用率水平的對比分析，反映在可比條件下不同國家、省區(qū)或發(fā)電公司之間的差別。2個指數(shù)之間的差別，則反映國家、省份或公司發(fā)電項目的資源稟賦。正常的邏輯是，資源稟賦越好的項目，設計利用小時越高，因此，設計利用小時高于可比利用小時，說明項目的資源稟賦高于可比值，反之則低于可比值。2個指數(shù)的比較，直接反映區(qū)域的資源優(yōu)劣、發(fā)電項目的起跑線或公司選擇電源點的戰(zhàn)略地位。

利用率指數(shù)是個百分數(shù)，比利用小時更直觀地反映設備的利用率水平，然而更主要的是體現(xiàn)在分類型和全口徑發(fā)電設備的比較分析上。對于單機組或單類型發(fā)電設備而言，盡管利用小時（小時數(shù)）不如利用率指數(shù)（百分數(shù)）那么直觀，但還是可以大致判斷發(fā)電設備利用水平高低；而在不知道發(fā)電類型構(gòu)成的情況下，無法直接從分類型和全口徑利用小時的高低判斷發(fā)電設備利用水平高低，直接比較分類型或全口徑利用小時就沒有意義。由于利用率指數(shù)對應的是基準利用小時而非統(tǒng)計期小時，不同發(fā)電類型設備的基準利用小時不同，因此引入基準利用小時后，分類型和全口徑的利用率指數(shù)就體現(xiàn)了不同發(fā)電類型構(gòu)成權(quán)重對發(fā)電設備利用水平的影響。

2.2 設計利用小時的設定

設計利用小時是設計單位給出的。每一臺（套）發(fā)電機組，都有一個根據(jù)電力電量平衡，綜合技術(shù)因素和經(jīng)濟因素確定的設計利用小時數(shù)。國內(nèi)一般而言，核電為7 008 h（不低于80% 的利用率），煤電為 5 500～5 000 h，氣電為4 000～3 000 h，水電因項目水資源情況而異，豐水年與枯水年也有差別，通常在 4 500～3 500 h，風電和光伏發(fā)電則因所處“資源區(qū)”的不同而異。風電分為海上風電和陸上風電，國內(nèi)將陸上風電資源區(qū)分為4類，依據(jù)有效風能密度的大小和全年有效累積小時數(shù)劃分；光伏發(fā)電分為3個資源區(qū)，分類依據(jù)為年（季、生產(chǎn)季或月）總輻射量、光合有效輻射總量和日照時數(shù)等參數(shù)。各類資源區(qū)都對應各自的設計發(fā)電利用小時區(qū)間，各個項目根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)作為設計依據(jù)。相關(guān)資料顯示，同一風資源區(qū)內(nèi)部的資源情況差別較大，因此并不意味著資源區(qū)等級的利用小時平均值與功率密度嚴格一一對應，國內(nèi)各類資源區(qū)的風、光發(fā)電平均利用小時參考值如表4所示，其中，加權(quán)平均值依據(jù)大陸不同資源區(qū)面積比例估算。

表4 風電、光伏發(fā)電資源區(qū)及其對應的平均發(fā)電利用小時Table 4 The resource zones of wind and photovoltaic power and corresponding average generating availability hours

用于指數(shù)計算的設計利用小時，最直接也是最可靠的做法，是直接采用各個機組實際的設計利用小時。

2.3 可比利用小時的設定

關(guān)于各類型發(fā)電設備“合理”利用小時的研究與討論很多[17-25]，因為從“應然”或“實然”出發(fā)的角度不同、研究的方向和重點不同，所以有不同的觀點。本文從研究設備利用率評價方法的角度出發(fā)，參照設計利用小時的確立原則，在相對合理的范圍內(nèi)設定各類型發(fā)電設備的可比利用小時，用于國際間、省份間以及公司間的分析比較；風電和光伏發(fā)電還可以再按各省份資源區(qū)的實際情況，分別設定本省的風電和光伏發(fā)電的可比利用小時，用于省內(nèi)市縣間或發(fā)電公司間的分析比較。對于評價方法來說，只要設定的可比利用小時標準是統(tǒng)一的，就可以進行客觀比較。筆者根據(jù)多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)的規(guī)律（普遍、現(xiàn)實可行性），綜合各種因素（技術(shù)、經(jīng)濟可行性）給出典型發(fā)電類型的可比利用小時的建議取值范圍及本文采用的可比利用小時(標準值)，如表5所示。

表5 典型發(fā)電類型的可比利用小時建議取值范圍Table 5 The recommended comparable availability ranges of typical power generation types

必要時，可以分別給出所有發(fā)電類型的可比利用小時，用于詳細計算和分析。在國內(nèi)，生物質(zhì)發(fā)電等其他類型的火電裝機容量和發(fā)電量占比小于5%，一般情況是生物質(zhì)發(fā)電的利用小時大于煤電的，而余溫余壓發(fā)電小于煤電，二者合計與煤電相當，按煤電計算對火電和全口徑的可比利用小時影響不大，本文予以簡化。

2.4 基準利用小時計算模型

如前所述，分類型和全口徑基準利用小時是發(fā)電設備“容量結(jié)構(gòu)”的函數(shù)，隨著各類型發(fā)電容量結(jié)構(gòu)的變化而變化。分類型和全口徑的基準利用小時tDH，由其對應的各單類型發(fā)電設備的基準利用小時及其容量權(quán)重進行計算。其計算式為

式中：tDHi為第i種發(fā)電類型的基準利用小時，h。

例如，計算火電的基準利用小時tDHf，按煤電、氣電及其他火電的裝機容量加權(quán)計算，即

式中：下標1代表煤電；下標2代表氣電；下標3代表其他火電。

以可比利用小時計算為例，根據(jù)表1給出的裝機容量數(shù)據(jù)和表5給出的單類型可比利用小時，利用式（3）可以計算出分類型（火電）和全口徑的可比利用小時，如表6所示。

表6 2015—2019年火電和全口徑的可比利用小時Table 6 The comparable availability hours of thermal power and all power from 2015 to 2019

以此類推，在已知發(fā)電設備容量結(jié)構(gòu)的條件下，可以計算任何國家、省份或發(fā)電集團的任意分類型和全口徑發(fā)電設備基準利用小時，作為計算利用率指數(shù)的依據(jù)。

2.5 發(fā)電設備利用率指數(shù)設計

（1）單類型發(fā)電設備利用率指數(shù)Gl，為該類型發(fā)電設備實際利用小時對應基準利用小時的百分比，即

（2）分類型和全口徑發(fā)電設備利用率指數(shù)Glt，為分類型或全口徑實際利用小時對應基準利用小時的百分比，即

3 發(fā)電設備利用率指數(shù)的分析與應用

3.1 不同年度利用小時與利用率指數(shù)比較

依據(jù)可比利用小時的標準值（見表5）及其分類型和全口徑的基準利用小時計算結(jié)果（見表6），利用式（4）和式（5），可以得出對應表2利用小時的利用率指數(shù)，如表7所示。

表7 2015—2019年各類型發(fā)電設備可比利用率指數(shù)Table 7 The comparable availability indexes of different power generation types from 2015 to 2019

利用表2和表7數(shù)據(jù)，可以形成不同年度的發(fā)電設備利用小時與利用率指數(shù)走勢圖，如圖1所示。

圖1 2015—2019年分類型和全口徑指標比較Fig.1 Comparison between generating equipment availability hours and availability indexes from 2015 to 2019

圖1表明：單類型煤電的2個指標的走勢是一致的，單類型指標不受發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)的影響。分類型火電和全口徑的2個指標走勢有差別，而且全口徑的大于分類型的，因為全口徑的發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)變化更大。這說明，近年來全口徑利用小時的變化，并不都是發(fā)電設備利用率水平的變化，有時恰恰相反，如2017年比2016年的全口徑利用小時低7 h，但利用率指數(shù)卻高0.95%；2018年和2019年利用率指數(shù)都處在較高水平。對照表1和表2數(shù)據(jù)可以看出，全口徑利用小時下降，主要是由于結(jié)構(gòu)變化所導致。5年期間，低基準利用小時的可再生能源發(fā)電占比提高，煤電占比逐年下降，裝機容量由61.62%下降到54.89%，發(fā)電量由67.91%下降到63.47%。從分類型火電利用小時看，同樣是煤電占比下降，而氣電等低利用小時火電占比上升。2016—2019年，隨著棄風、棄光現(xiàn)象的緩解，風電和太陽能發(fā)電的利用率指數(shù)總體是上升的。綜合分析表明，受發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)變化的影響，總體上發(fā)電利用小時呈下降趨勢；在高質(zhì)量發(fā)展的推動下，新能源設備利用率水平提高，利用率指數(shù)上升。

3.2 不同省份利用小時與利用率指數(shù)比較

根據(jù)各省份利用小時數(shù)據(jù)和表1的裝機容量結(jié)構(gòu)比例，以2019年全口徑為例，可以分別計算出各省份基準利用小時及利用率指數(shù)，如表8所示。

表8 2019年各省份全口徑發(fā)電設備利用率指數(shù)Table 8 The all power availability indexes of different provinces in 2019

如前所述，同一省份2個利用率指數(shù)的不同，是由該省份資源稟賦決定的設計利用小時與可比利用小時的差別所導致的。

由表8可見，利用小時與利用率指數(shù)都位于前十名的只有4個省，S23、S5、S17和S14。2個指標都位于后十名的有6個省，S16、S9、S7、S8、S18、S22；省份S11的利用小時排在前十名之中，但利用率指數(shù)卻排在后十名中。省份S26和 S29的全口徑利用小時分別為 2 638 h和2 925 h，而可比利用率指數(shù)分別為104.19%和96.31%，原因是兩省的發(fā)電裝機主要是清潔能源，不能從利用小時低于3 000 h而斷言兩省的發(fā)電設備利用率水平低。不同省份間發(fā)電裝機結(jié)構(gòu)差異很大，導致兩個指標的計算結(jié)果不同。全口徑利用小時已經(jīng)不能直接用來比較不同省份發(fā)電設備利用率水平的高低，利用率指數(shù)才能反映設備利用水平的情況。需要指出的是，對于具體省份的情況要做具體分析，還有其他因素影響利用小時和利用率指數(shù)。

3.3 不同公司利用小時與利用率指數(shù)比較

類似地，利用表3數(shù)據(jù)，可以計算不同發(fā)電集團公司的利用率指數(shù)，如表9所示。

表9 2019年部分電力集團分類型發(fā)電設備可比利用率指數(shù)Table 9 The comparable availability indexes of different power companies in 2019%

表3顯示：5家公司全口徑利用小時從高到低排序為：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，按利用率指數(shù)從高到低排序為：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個指標反映的結(jié)果不同。與圖1類似，單類型的煤電，2個指標走勢一致。同時，由于5家公司的燃氣機組在火電中的占比接近，因此分類型火電的2個指標走勢大致相同。E公司相對低的利用小時和比較高的利用率指數(shù)，主要由于其清潔能源裝機占比及利用率均較高所致。

同樣方法，可以按年度、國家和省份以及發(fā)電公司，分析任何單類型、分類型及全口徑利用小時與利用率指數(shù)所反映的情況。

綜上，2個指標對比分析總體反映的規(guī)律是，對單機組或單類型發(fā)電設備，2個指標反映的趨勢是一致的，指數(shù)比利用小時更直觀；而對分類型和全口徑發(fā)電設備，2個指標反映的趨勢有差異，差異源于發(fā)電設備類型容量比例不同。分類型或全口徑利用小時不具可比性，但利用率指數(shù)卻能本質(zhì)反映發(fā)電設備的利用率水平。

3.4 利用率指數(shù)與利用水平相關(guān)指標的關(guān)系

國際上，通常也用狹義的發(fā)電設備利用率表示發(fā)電設備利用水平的高低，它是利用小時占統(tǒng)計期小時的百分比，即：年發(fā)電設備利用率為100%×發(fā)電設備利用小時/8 760 h（或 8 784 h）。可見，發(fā)電設備利用率指標，本質(zhì)上與利用小時類似，不反映發(fā)電類型結(jié)構(gòu)對發(fā)電設備利用率的影響。實際上，在發(fā)電設備可靠性評價時，有多個反映發(fā)電設備利用率的指標，如可用系數(shù)、運行系數(shù)、等效可用系數(shù)、利用系數(shù)等。它們從可靠性的角度評價發(fā)電設備在不同狀態(tài)下的利用情況，其中，利用系數(shù)與通常理解的利用率是一致的。同樣，這些指標都是對應統(tǒng)計期的，不考慮不同類型發(fā)電設備的差異，用以反映設備在統(tǒng)計期內(nèi)處于相應狀態(tài)下的時間比例（概率）。不同的指標有不同的作用，利用小時等可靠性指標，仍然是電力行業(yè)的重要指標。

3.5 發(fā)電設備利用率指數(shù)的應用

在發(fā)電設備裝機結(jié)構(gòu)不斷變化的情況下，利用率指數(shù)可作為評價發(fā)電設備利用率水平的新指標，直接用于國家、省份（區(qū)域）和企業(yè)間的對標。同時，利用率指數(shù)的高低，可以作為國家、省區(qū)或發(fā)電企業(yè)審批、核準新上發(fā)電項目的參考依據(jù)。

國家、省份（區(qū)域）和企業(yè)的分類型和全口徑利用率指數(shù)，客觀反映國家、省份（區(qū)域）和發(fā)電企業(yè)電力、有效裝機容量與電量的關(guān)系，與國家、區(qū)域和企業(yè)的發(fā)用電量的增長率相關(guān)性更直觀，更直接反映發(fā)電生產(chǎn)與經(jīng)濟運行的情況。

利用率指數(shù)可以用于電力規(guī)劃，評價未來電力系統(tǒng)各發(fā)電類型結(jié)構(gòu)比例下的電力、容量和電量平衡及其發(fā)電設備利用率水平。

3.6 發(fā)電設備利用率指數(shù)的編制與發(fā)布

發(fā)電設備利用率指數(shù)，可以根據(jù)需要進行多種組合。以月度分類型發(fā)電設備利用率指數(shù)為例，可以發(fā)布月度利用率指數(shù)及其同比和環(huán)比的升降情況，如表10所示。

表10 2020年12月發(fā)電設備利用率指數(shù)（發(fā)布版）Table 10 The generating availability indexes in December, 2020 (published)

4 結(jié)語

利用率指數(shù)是利用小時的“定額完成率”，這個定額就是“基準利用小時數(shù)”，它好比數(shù)學中的輔助線或物理中的參照物，其本身并不改變設備的利用率水平，只是借助它，本質(zhì)反映設備利用率高低。就像國際通用標準煤的低位發(fā)熱量（標煤熱值）為 7 000 kcal/kg（29.3 MJ/kg）一樣，通過標煤熱值折算發(fā)電耗用天然煤量計算標準煤耗，只是給能耗分析提供一個比較的標準。有了這個標準，就將不可比的天然煤耗轉(zhuǎn)換成了可比的標準煤耗，而標煤熱值本身，既不改變天然煤的數(shù)量和質(zhì)量（熱值），也不改變發(fā)電單位燃料成本（價格）。研究計算國家、省份或發(fā)電集團的單類型、分類型和全口徑基準利用小時本身具有重要意義，建議將基準利用小時及其計算方法形成團體標準、行業(yè)標準、國家標準或國際標準，為科學分析發(fā)電設備利用率水平和有效裝機容量提供依據(jù)。發(fā)電設備利用率指數(shù)，更科學直觀地反映發(fā)電設備利用率水平，可作為分析宏觀經(jīng)濟形勢的重要參考指標。