“雙碳”目標(biāo)下我國(guó)天然氣發(fā)電的展望

天然氣發(fā)電是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要技術(shù)途徑之一，低碳、清潔、可調(diào)度性強(qiáng)的特性使其成為社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家清潔低碳、安全高效電力能源保障的重要組成部分。從天然氣發(fā)電的技術(shù)特性和經(jīng)濟(jì)成本分析角度出發(fā)，利用多方數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并展望了氣電行業(yè)在碳達(dá)峰、碳中和事業(yè)中將發(fā)揮的作用。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)電 碳達(dá)峰 清潔能源

在我國(guó)“十三五”期初，天然氣占一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的6%。國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》和國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，均要求積極發(fā)展天然氣等清潔能源，提出了天然氣在一次能源消費(fèi)中的比重，到2020年力爭(zhēng)達(dá)到10%左右的目標(biāo);同時(shí)要求降低煤炭消費(fèi)占比，提高天然氣發(fā)電利用比重，鼓勵(lì)發(fā)展天然氣分布式多聯(lián)供項(xiàng)目，支持發(fā)展燃?xì)庹{(diào)峰電站，并結(jié)合熱負(fù)荷需求適度發(fā)展燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)項(xiàng)目。

在已經(jīng)發(fā)布的“十四五”規(guī)劃中，天然氣發(fā)展并沒有獲得明確的數(shù)字目標(biāo)。但隨著“雙碳”目標(biāo)的確立，天然氣發(fā)電借助其碳排放強(qiáng)度低、可調(diào)度能力強(qiáng)、清潔環(huán)保污染少的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在未來較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)填補(bǔ)由于碳達(dá)峰削減燃煤發(fā)電量所產(chǎn)生的可調(diào)度電力缺口，為建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系和提高能源供給保障能力，貢獻(xiàn)更大的力量。

本文將從天然氣作為火力發(fā)電清潔燃料的角度，對(duì)我國(guó)天然氣發(fā)電（以下亦稱“燃?xì)獍l(fā)電”或“氣電”）行業(yè)的現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并對(duì)行業(yè)未來發(fā)展情況進(jìn)行分析。

1 天然氣發(fā)電的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

天然氣是一種無色、無味、密度比空氣輕的燃?xì)猓诔籂顟B(tài)下的沸點(diǎn)是-161℃，主要成分為甲烷，通常情況下會(huì)同時(shí)含有氮?dú)夂投趸嫉榷栊詺怏w，并可能含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和更高碳原子數(shù)的碳?xì)浠衔铮赏ㄟ^對(duì)氣田、頁巖和煤層的開采過程獲得，也可通過生物質(zhì)的分解過程獲得。根據(jù)國(guó)家能源局、國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心、自然資源部聯(lián)合發(fā)布的《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告（2020）》數(shù)據(jù)，2019年，全球天然氣消費(fèi)量為3.93萬億標(biāo)準(zhǔn)立方米（以下簡(jiǎn)稱立方米），在一次能源消費(fèi)中占比為24.2%，其中亞太地區(qū)天然氣消費(fèi)量為8699億立方米，北美地區(qū)為10576億立方米，歐亞地區(qū)為11278億立方米;2019年，我國(guó)天然氣表觀消費(fèi)量為3064億立方米，折合標(biāo)煤約3.6億噸，同比增長(zhǎng)8.6%，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比達(dá)8.1%，同比上升0.3個(gè)百分點(diǎn)。

與我國(guó)一次能源主力的煤炭相比，天然氣具有明顯的碳排放強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)。根據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心發(fā)布的《中國(guó)氣體清潔能源發(fā)展報(bào)告》，并結(jié)合政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）和美國(guó)能源信息署（EIA）等機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)計(jì)算，每燃燒1公斤標(biāo)煤能夠釋放7000千卡熱量，產(chǎn)生二氧化碳約為2.7噸;而釋放同樣的熱量只需要燃燒約0.85立方米天然氣，燃料重量下降至約0.65公斤，產(chǎn)生二氧化碳僅為1.58公斤左右。從度電碳排放量的角度分析，若使用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)保守計(jì)算度電燃料耗用率，燃煤發(fā)電需消耗約300克標(biāo)煤，產(chǎn)生二氧化碳約為810克;而燃?xì)獍l(fā)電則需消耗約0.2立方米天然氣，燃料重量約為155克，產(chǎn)生二氧化碳僅約370克。由此可見，在產(chǎn)生同等熱量的情況下，天然氣燃燒后所產(chǎn)生的二氧化碳排放量只有煤炭燃燒后所產(chǎn)生二氧化碳排放量的59%。而在產(chǎn)生同等電量的情況下，該比值則降至45%，碳減排效果明顯。

除了碳排放強(qiáng)度方面的優(yōu)勢(shì)，天然氣與煤炭相比還具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。根據(jù)供應(yīng)商提供的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，天然氣成分中幾乎不含硫分和灰分，其燃燒后所產(chǎn)生的二氧化硫、飛灰等污染物明顯少于燃燒煤炭，從而基本上消除了燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)脫硫、除塵、除灰等環(huán)節(jié)的投資成本和運(yùn)行成本，更不會(huì)產(chǎn)生汞等重金屬污染物。同時(shí)，目前主流燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)商所提供的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，均采用干式低排放技術(shù)（DLE），能夠顯著降低機(jī)組的氮氧化物排放水平，在不使用SCR等額外脫硝技術(shù)的情況下，即已可滿足氮氧化物排放國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求;根據(jù)江蘇省《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》征求意見稿的結(jié)論，投運(yùn)SCR后的氮氧化物排放強(qiáng)度甚至可降至每立方米15毫克以內(nèi)。

天然氣發(fā)電在能耗方面也處于領(lǐng)先地位。根據(jù)《發(fā)電雜志》（POWER Magazine）的報(bào)道，當(dāng)前最先進(jìn)的H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，熱效率已經(jīng)可以達(dá)到63%～64%。如果使用主流的F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，度電氣耗約為0.18立方米，折合標(biāo)煤為210克，約是燃煤發(fā)電當(dāng)前平均度電煤耗的2/3。再者，度電燃料重量的顯著降低也會(huì)減少電力燃料通過海運(yùn)或陸運(yùn)時(shí)的能耗水平，同樣達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 我國(guó)天然氣發(fā)電的現(xiàn)狀和展望

2021年1月，東莞深能樟洋電力公司擴(kuò)建項(xiàng)目首套機(jī)組168小時(shí)滿負(fù)荷試運(yùn)的順利結(jié)束，標(biāo)志著我國(guó)燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量突破1億千瓦，在我國(guó)總裝機(jī)容量中占比約為4.5%。根據(jù)中電聯(lián)《2020年全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)數(shù)據(jù)一覽表》的統(tǒng)計(jì)，2020年年末，我國(guó)燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量為9802萬千瓦，占火電裝機(jī)容量124517萬千瓦的7.9%，占總裝機(jī)容量220058萬千瓦的4.45%。2020年，我國(guó)氣電發(fā)電量為2485億千瓦時(shí)，占火電發(fā)電量51743億千瓦時(shí)的4.8%，占總發(fā)電量76236億千瓦時(shí)的3.3%。以上數(shù)據(jù)與國(guó)家發(fā)展改革委《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中的“2020 年氣電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.1億千瓦”相比，雖然未實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，但與“十二五”末我國(guó)燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量5700萬千瓦相比，容量增幅達(dá)到了72%。

但是，度電燃料成本依舊是制約我國(guó)氣電發(fā)展的重要因素。2020年，火電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的56.6%，但火電發(fā)電量占總發(fā)電量的占比達(dá)到67.9%;與之形成對(duì)比的是，燃?xì)獍l(fā)電4.45%的裝機(jī)容量占比，對(duì)應(yīng)的發(fā)電量占比只有3.3%，說明相較火電整體而言，燃?xì)獍l(fā)電利用率偏低。通過實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，天然氣價(jià)格折算出的標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)達(dá)到了動(dòng)力煤標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)的2倍，與當(dāng)前JKM天然氣現(xiàn)貨價(jià)格和動(dòng)力煤價(jià)格的比例基本相符，意味著燃?xì)獍l(fā)電度電燃料成本相較燃煤發(fā)電高出近30%。

即便如此，電力行業(yè)內(nèi)部對(duì)于天然氣發(fā)電的前景還是樂觀的。在2021年經(jīng)濟(jì)形勢(shì)與電力發(fā)展分析預(yù)測(cè)會(huì)上，中電聯(lián)提出要加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，積極推進(jìn)氣電電源的開發(fā)，預(yù)計(jì)2025年、2030年、2035年，全國(guó)氣電裝機(jī)分別達(dá)到1.5億、2.35億、3億千瓦。

總體來看，天然氣發(fā)電在十年內(nèi)的主要發(fā)展驅(qū)動(dòng)力有以下幾個(gè)方面：

一是在“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，必須找到一種安全可靠的低碳清潔電源來支撐逐年增長(zhǎng)的電力需求量。天然氣發(fā)電具有前文所述的碳排放強(qiáng)度低、燃燒效率高、燃燒后污染物少等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備了新能源電源無法比擬的可調(diào)度性，即可用于基本負(fù)荷，也可利用其高爬坡率進(jìn)行調(diào)峰，是最適合的選擇之一。

二是我國(guó)天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)正在快速發(fā)展，有助于提高國(guó)內(nèi)天然氣燃料保供控價(jià)的能力。隨著國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)正式成立，一個(gè)上游油氣資源多主體多渠道供應(yīng)、中間統(tǒng)一管網(wǎng)高效集輸、下游銷售市場(chǎng)充分競(jìng)爭(zhēng)的“X+1+X”油氣市場(chǎng)體系逐步形成，將有助于提高天然氣管道運(yùn)輸?shù)母采w程度，擴(kuò)大新建燃?xì)怆姀S的選址范圍，同時(shí)增加管道運(yùn)輸?shù)墓叫裕罱K降低終端用戶的運(yùn)輸成本。此外，根據(jù)國(guó)際天然氣聯(lián)盟（IGU）《全球液化天然氣報(bào)告（2021）》（World LNG Report）的數(shù)據(jù)，我國(guó)液化天然氣的年接收能力已超過8300萬噸，相當(dāng)于全國(guó)天然氣年消費(fèi)量的近1/3，年增長(zhǎng)率接近10%。進(jìn)口液化天然氣與國(guó)產(chǎn)氣、進(jìn)口管道氣共同構(gòu)建了我國(guó)氣源的多樣性，能夠有效加強(qiáng)國(guó)內(nèi)天然氣供應(yīng)的保障能力，進(jìn)而穩(wěn)定天然氣價(jià)格。

三是天然氣發(fā)電技術(shù)尚存在減碳空間。根據(jù)《發(fā)電雜志》的報(bào)道，GE目前向市場(chǎng)提供的H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)能夠燃燒15%至20%體積比例的氫燃料，并且具備燃燒100%氫燃料的升級(jí)能力;而三菱已完成燃燒30%體積比例氫燃料的試驗(yàn)，透平進(jìn)口溫度達(dá)到1600℃，等效聯(lián)合循環(huán)出力達(dá)到700兆瓦，實(shí)現(xiàn)了10%的碳排放強(qiáng)度減少量。除了在傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)上摻燒氫燃料以外，天然氣發(fā)電領(lǐng)域還產(chǎn)生了一些更前沿的碳減排技術(shù)。例如，Allam循環(huán)是一種在高純度氧氣中燃燒天然氣，并以高壓二氧化碳流體作為工質(zhì)的近零排放天然氣發(fā)電方式。該技術(shù)路線通過空氣分離器提取空氣中的氧氣，與天然氣混合后燃燒加熱純二氧化碳進(jìn)氣至超臨界狀態(tài)，并用該流體驅(qū)動(dòng)透平進(jìn)行發(fā)電，在幾乎不產(chǎn)生氮氧化物等污染物的同時(shí)，排放的高純度二氧化碳還能極大降低碳捕集利用的難度。目前，全球有多個(gè)使用該技術(shù)路線的百兆瓦量級(jí)項(xiàng)目處于籌備狀態(tài)，預(yù)期系統(tǒng)效率將高于加裝碳捕集設(shè)備的傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。

3 結(jié)語

我國(guó)近7成的發(fā)電量來自燃煤發(fā)電，利用燃?xì)獍l(fā)電對(duì)燃煤發(fā)電進(jìn)行替代是碳達(dá)峰的一種可行路線。雖然從燃料成本上考慮，目前燃?xì)獍l(fā)電還無法和燃煤發(fā)電看齊，但國(guó)家生態(tài)環(huán)境部《2019—2020年全國(guó)碳排放權(quán)交易配額總量設(shè)定與分配實(shí)施方案（發(fā)電行業(yè)）》明確指出，“為鼓勵(lì)燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)展，在燃?xì)鈾C(jī)組配額清繳工作中，當(dāng)燃?xì)鈾C(jī)組經(jīng)核查排放量不低于核定的免費(fèi)配額量時(shí)，其配額清繳義務(wù)為已獲得的全部免費(fèi)配額量”，意味著碳排放權(quán)成本的引入將重新量化燃?xì)獍l(fā)電和燃煤發(fā)電變動(dòng)成本的比較關(guān)系，而當(dāng)前每噸二氧化碳50元左右的價(jià)格將會(huì)有效降低兩者之間的差距。這些都將進(jìn)一步推動(dòng)天然氣發(fā)電在我國(guó)的發(fā)展，提升其在“十四五”構(gòu)建現(xiàn)代能源體系工作中的作用，從而為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家提供清潔低碳、安全高效的電力能源保障。

（作者張一瑄工作單位為中國(guó)大唐集團(tuán)有限公司燃料事業(yè)部）