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2.5 单位电量成本长期预测
火力发电的单位电量成本,可以按照常用的平准化发电成本(LCOE)计算。火力发电的成本主要来自于建设、燃料、运输、运行、维护等部分,并且兼顾折现率、残值率等经济性因素,发电量则受规模、效率、利用小时数等因素影响。
以供电煤耗300g/(kW•h)的常规燃煤发电为例,燃煤价格为600元/t时单位电量成本中燃料成本部分为0.18元/(kW•h)。按照建设成本为5000元/kW、年利用小时数为4000h、寿命为40年计算,建设成本对单位电量成本的贡献,不考虑经济性因素时约为0.03元/(kW•h),考虑经济性因素时约为0.06元/ (kW•h)。计算其他部分成本并综合经济性因素,就可以得到单位电量成本。
参考火力发电前沿技术的技术指标和应用情况,估算当前或初始应用时的单位电量成本,并结合对建设成本、供电效率、燃料价格等关键因素的走势判断,分析主要前沿技术形式的单位电量成本在“十三五”期间和未来长期的趋势,如图2所示。为便于对比,图2以600℃超超临界发电技术为例,分析预测了当前主流技术形式的单位电量成本的未来长期趋势。
600℃超超临界燃煤发电等主流技术的技术经济性未来提升空间有限,单位电量成本中建设成本
占25%左右,燃料成本占65%左右,这两部分成本稳定的情况下,单位电量成本预计将随着环保费用提高而缓慢上升。
如果在2025年前后700℃超超临界技术中的镍基高温合金等关键问题得到解决,700℃超超临界技术将在效率、环保等方面具备较强竞争力。700℃超超临界机组的过热器/再热器、主蒸汽/再热蒸汽管道和集箱、汽轮机高温段等需要采用镍基合金材料,占机组高温段合金材料的29%左右[25]。
600℃超超临界机组的建设成本中,设备成本占40%左右,约为2000元/kW,安装、建筑和其他成本占60%左右。设备成本中,采用铁素体合金钢(80%)和奥氏体合金钢(20%)材料的高温段设备制造成本约占50%,折合1000元/kW。
700℃超超临界机组的高温段合金材料替换为铁素体合金钢(56%)、镍基高温合金(29%)和奥氏体合金钢(15%)后,由于镍基合金材料部分的相关成本将上升10倍以上,高温段设备成本将上升至 3700元/kW以上,建设成本也将相应上升至7700元/kW以上。
结合经济性因素,建设成本对单位电量成本的贡献将上升至0.10元/(kW•h)以上,示范工程阶段的700℃超超临界机组的单位电量成本将达到0.30~ 0.40元/(kW•h)水平。未来随着镍基合金材料成本的降低,以及700℃超超临界技术在燃料成本和环保费用等方面的优势的发挥,700℃超超临界技术预计将成为火力发电前沿技术中单位电量成本最低的技术形式之一。
600℃煤基超临界CO2布雷顿循环技术,预计将在2025年前后走向成熟并开始示范应用。图2中S-CO2布雷顿循环技术的单位电量成本趋势,预计也将随着效率优势发挥和部件规模化生产而逐步降低。考虑到我国以煤炭为主的资源国情,IGCC技术应用前景良好,建设成本将随着技术进步和规模化应用而逐步下降,单位电量成本也将逐步接近或低于燃气发电。
以微燃机为代表的分布式发电技术,单位电量成本将随着技术成熟和产业化应用而稳步下降,但仍将属于成本较高的发电形式。NGCC技术由于效率较高,将保持为燃气发电中单位电量成本最低的技术形式。
采用有机朗肯循环或斯特林循环的中低温余热发电前沿技术,在2025年前还有待于进一步成熟,未来将以辅助和分布式用途为主,经济性有望逐步接近燃气发电水平。
3 火力发电前沿技术路线
“十三五”后期和未来长期,我国需要从集中式发电和分布式发电的产业发展角度,归纳火力发电前沿技术并提出前沿技术路线,从而明确火力发电的技术研究和产业发展的战略方向。
3.1 集中式技术路线
本研究提出的集中式火力发电技术路线,可以分为集中式高效清洁发电路线、集中式联合循环与多联产路线和集中式非常规燃料与用途路线。
集中式高效清洁发电路线,是将常规化石燃料利用高参数、高效率的前沿发电技术,配合先进燃烧技术、污染物控制技术和CCUS技术,实现高效清洁发电。这一技术路线的代表性技术组合是700℃超超临界或煤基超临界CO2布雷顿循环技术,配合化学链燃烧或富氧燃烧、一体化脱除技术、CCUS技术等,实现供电效率提高和排放绩效降低。
集中式联合循环与多联产路线,是将常规化石燃料利用IGCC、NGCC、ISCC等联合循环技术,配合热电联产、冷热电联供、制氢技术等多联产技术,实现在较高综合效率下同时提供电能、供暖、制冷、氢气等多种产品的技术路线。
集中式非常规燃料与用途路线,是将非常规燃料(煤矸石、劣质煤、煤层气、页岩气、生物质、垃圾等)采用CFB、超临界CO2布雷顿循环、燃机燃料适应等技术,配合先进燃烧技术和减排技术,实现较高效率、较少污染和废弃物资源化发电。
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