在新型電力系統的建構過程中，新能源大量并網引起系統調節能力不足，為了應對這一挑戰，一方面儲能、抽蓄、充電樁等硬體技術飛速發展，另一方面虛拟電廠和負荷聚合商等一系列新型經濟形态也應運而生。這些新技術的确進一步提升了電力系統的靈活性和響應速度，為系統的動态平衡和高效運作提供了有力支撐；但是我們也應認識到，這類調節資源的成本十分高昂。在明确确立并執行碳中和目标的國家中，雖然大陸經濟總量龐大，但經濟水準相對于一些發達國家仍有一定差距。國外電價水準較高，使用者抵禦電價波動的能力較強，可以通過市場化培育的方式發展高成本的電化學儲能等技術；而大陸必須探索更加符合大陸國情的發展模式，更加經濟地實作“雙碳”目标，盡量減少能源價格上漲對整體經濟發展的影響。
中國煤電還有多少調節潛力？
大陸傳統化石能源資源禀賦呈現“富煤、貧油、少氣”的特點。煤炭資源儲量豐富，煤電長期作為大陸電源結構的重要組成部分，其技術相對成熟，存量機組多。是以經濟地開發調節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常或小機率現象，但如果煤電具備多次啟停的能力，其隐藏的調節潛力将十分巨大。
火電根據停機時長不等，可以分為冷态啟動、溫态啟動、熱态啟動、極熱态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内為極熱态啟動，停機時間1小時至10小時為熱态啟動，停機時間10小時至72小時為溫态啟動，停機時間72小時以上為冷态啟動。在全國範圍内多省份現貨運作的情況來看，現貨價格出現地闆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節的停機時間為2-4小時左右，此時對應的機組狀态為熱态或極熱态。
處于極熱态、熱态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，裝置溫度尚未大幅下降，啟動速度快，減少了啟動準備時間；二是啟動成本低：停機後裝置内的熱量仍然較高，充分利用熱力系統蓄熱，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。
如果通過技術攻關，能夠實作燃煤機組極熱态、熱态啟停常态化，大陸燃煤機組又能挖掘出多大的調節能力呢？據國家能源局釋出的全國電力工業統計資料顯示，截至2024年4月底，全國累計發電裝機容量約29.9億千瓦。另據中國電力企業聯合會30日釋出的《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%，大緻可計算出煤電裝機容量約為11.65億千瓦。扣除一定的冷備用，并網的煤電容量約10億千瓦左右。假設電網最小運作方式下火電開機比例為50%，經過靈活性改造後均滿足《國家發展改革委國家能源局關于加強電網調峰儲能和智能化排程能力建設的指導意見》的要求，最小技術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基本調頻調壓需要，其餘進行啟停調節，則新增調節能力可以達到1.2億千瓦。如果這些調節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展其他調節資源的條件下，可以新增2億千瓦的光伏消納量。且随着用電負荷不斷上漲，煤電裝機也會相應增加，這個消納量也會随之上升。這說明，大陸煤電依然具有海量調節潛力可以開發。
煤電常态化啟停調節需要哪些技術支撐？
與常見的機組冷态溫态啟停不同的是，常态化啟停調節需要機組在停機後鍋爐依然維持兩台左右的磨煤機運作，将汽溫汽壓維持在一定參數範圍，同時汽輪機保持一定轉速。這樣才能確定當系統需要的時候，機組能以盡可能快的速度并網。若想真正實作常态化啟停調節，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攻關。
從煤電機組的角度考慮，頻繁啟停下機組運作工況發生巨大變化，需要發展新材料技術并進行機組系統邏輯優化，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子保持較高溫度，要避免上下汽缸溫差過大，防止大軸旋轉時與汽封磨擦造成轉子彎曲；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的轉子或軸封片變形，進而引起動靜間隙消失，産生動靜碰摩、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産生的鼓風效應等因素帶來的排氣溫度過高造成裝置損傷；第四，機組頻繁啟停會導緻進汽閥門閥杆持續動作以及進汽溫度的波動，需要解決由此引發的氧化皮增厚并從閥杆表面剝落，卡在閥杆與閥套之間環縫中形成的閥門卡澀問題。對于發電機來說，機組調節幅度和啟停頻次的增加，加速了發電機轉子線圈熱脹冷縮效應，交變應力顯著增加，應從材料技術入手，減緩線圈底下滑移層材料的老化和損壞，預防發電機轉子線圈軸向膨脹受阻故障，避免大負荷工況下發電機轉子出現明顯熱彎曲和振動。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發生低周疲勞損壞的問題。汽包内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構因素影響，汽包壁不同部位存在溫差，并産生熱應力。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，容易引起這些裝置低周疲勞并萌生裂紋。應通過改進汽包等裝置的結構、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生。
從電力系統的角度考慮，需要增加基礎調頻機組的性能、提升系統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節能力。但在分鐘級的時間尺度上來說，某台煤電機組在“啟”或“停”的過程中，其調節能力較差。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的一部分調節能力。不參與啟停調節的其他機組必須承擔起基礎調頻的責任，這對基礎調頻機組的穩定性和調節能力帶來了新的挑戰。此外，煤電機組通過啟停來消納更多的新能源，此時系統整體的慣量會随之下降，頻率的波動程度相應提升。必須通過優化轉子結構、增加電機外部附件、發展虛拟慣量技術等方式增加系統慣量，提升系統穩定性。
從規劃設計的角度考慮，需要洞察能源轉型背景下煤電角色演變的大趨勢，精準把握并優化煤電設計思路。
對于存量燃煤機組來說，在保證機組安全穩定運作的前提下以降低最小技術出力下限、提高爬坡速率、快速啟停為目标進行靈活性改造，同時提升運作人員技術水準，重點提高機組啟停操作能力以及變化工況下參數的調節能力。而對于增量火電機組，應該改變目前一味追求煤耗經濟性的思路。随着“雙碳”目标穩步推進，新能源發電大量并網以及煤電容量電價機制的出台，煤電在電力市場中的定位已經從傳統的主體能源轉變為支撐性、調節性電源。這就意味着煤電無法保證利用小時數，大型機組大部分時間下都無法達到額定負荷，煤耗經濟性已經不再是優先考慮的名額。增量機組的研究方向應該是降低最小技術出力下限、提高爬坡速率、提升快速啟停能力。具體表現為提升汽輪機汽缸轉子、發電機線圈、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化啟停機邏輯，簡化操作，實作煤電日内兜底調節功能等。
煤電啟停調節經濟性如何？
因機組啟停時間集中在光伏大發、電力供應嚴重過剩的時段，此時電力現貨價格極低甚至為負（考慮到綠電的環境溢價），目前山東、浙江等省份在新能源大發時段已經出現負價，未來随着新能源裝機的增加，新能源出力時段現貨負價将更加頻繁。假設啟停時間内現貨價格全部為-0.1元/千瓦時，算一筆經濟賬。
（一）機組成本分析
（一）機組成本分析
機組進行啟停調節的成本分為兩部分：停機後維持短時間可并網狀态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狀态的成本主要包括煤耗、汽耗成本。考慮到停機後為了能快速并網，相應輔機裝置均需要投運。此種狀态下機組所需熱蒸汽的汽耗約為30噸/小時，低位發熱量20000千焦/千克的煤耗約為70噸/小時。将蒸汽、煤折合成标煤，取标煤煤價900元/噸，經過計算此費用約為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定的油耗等費用。從沖轉到并網再到機組恢複至30%額定容量（最小技術出力）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作成本：由于機組在低負荷運作下煤耗會顯著增加，取煤耗為330克/千瓦時，同時變動成本僅考慮燃煤成本，機組運作四小時變動成本約為213840元。
從兩種情況成本對比可以發現，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，具有一定經濟優勢。
（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，分别計算兩種情況下機組收益。采用結算方式二計算，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，更加具有經濟優勢。
另外，目前部分火電機組作為供熱機組，為了保證穩定供熱不能進行啟停調節。但可以轉變思路：通過在使用者側安裝電鍋爐的方式進行供熱，發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，進一步增加了系統消納能力。用此時段的低價電供暖，可以對其經濟性簡要分析。取供熱面積熱名額為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%，燃煤的低位發熱值按7000千卡/千克計，則供暖每平米每小時耗标煤量約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。如果在負荷側安裝電鍋爐，由于燃煤機組啟停時段現貨價格為負，再疊加輸配等其他費用，是以啟停調節時段，綜合成本近似為0。僅針對供熱需求來說，使用者側加裝電鍋爐方式在啟停調節時段每小時可節省成本約29480.4元。
綜合新能源大發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，有利于能源結構綠色化轉型和“雙碳”目标的實作，同時煤電參與啟停調節成本可控，且在現貨市場環境下具有經濟性優勢。但多次啟停也伴随着巨大的操作量和安全風險，在一定程度上影響機組壽命，需要從啟停機補償的角度刺激煤電機組積極參與，具備條件時，實作一日兩次啟停。
煤電在保障大陸電力系統穩定運作方面發揮了至關重要的作用，盡管經曆過一段時間的污名削減産能，但事後依然證明了煤電是整個電力系統不可或缺的支撐。從技術水準上講，中國的煤機就是歐洲的燃機。歐美等國家瓦斯供應充足穩定且已适應高用能成本，是以選擇發展瓦斯機組進行調節。而大陸的煤機通過技術更新也完全能以燃機方式運作，替代國外燃機的地位，同時為大陸能源安全和經濟發展保駕護航。從未來潛力上講，燃煤機組仍有海量調節潛力。不論是技術上還是經濟上，煤機短時啟停調節均具備可行性。且煤機調節能力還會随着負荷增加和煤機裝機容量的增加繼續上升。從戰略需求上講，“雙碳”目标的實作離不開煤電完成兜底調節電源轉型。電力行業必須提前實作碳中和，才能幫助大陸順利完成“雙碳”目标，而這必然要求煤電從主要電源轉型成為支撐性、調節性電源，真正發揮兜底調節作用。未來煤電必然要在極低利用小時下，提升爬坡速率，實作常态化啟停調節，在確定能源供應穩定的同時，推動能源領域向更清潔低碳的方向發展。
編輯：翁爽 王馨垚
稽核：李麗萍
本文系《中國電力企業管理》獨家稿件。
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