论燃气轮机发电站的发电成本问题.docx

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论燃气轮机发电站的发电成本问题

论燃气轮机发电站的发电成本问题

StudyontheCostofElectricityofGasTurbinePowerPlant

焦树建

JiaoShujian

（清华大学）

（QinghuaUniversite）

[摘要]用等额支付折算法和年限平均法分别来估算燃气轮机及其联合循环的发电成本，并预估各种主要因素对发电成本的影响关系。

在此基础上进一步讨论了燃料品种的变化对于燃气轮机发电设备经济性的影响。

[关键词]燃气轮机发电成本测算

Abstract:

Inthispaper,CostofElectricity（COE）ofgasturbinepowerplantwasestimatedseparatelybytwomethods,Conversionmethodofegualguantitydrawingandmeanconversionmethodoflifelimitation,andsomeimportantfactorsaffectingonCOEwerevalued,then,effectofvariationinfuelsusedingasturbinepowerplantonCOEwasdiscussedindetail.

KeyWords:

GasTurbineCostofElectricityEstimation

0 前言

   一般来说，发电站的经济评价方法已经是非常完备和成熟了，就其评价的实质而言，就是为了估算出发电成本和上网电价这两个经济指标而已。

通常，上网电价是试算求得的，它与发电成本之间的差额可以在财务评价中，用来进行盈利能力分析和清偿能力分析，即计算财务内部收益率、投资回收期。

借款偿还期、投资利润率、投资利税率和净现值率等一些主要的评价指标。

换句话说，当发电成本己定时，为了满足内部收益率、投资回收期、借款偿还期等这些评价指标的要求，必然对应地有一个最低的上网电价。

因而在电站的经济评价中，正确地确定发电成本和上网电价是关键所在。

   本文就燃气轮机发电站的经济评价中发电成本的估算，各种因素的影响程度，特别是在燃用不同燃料时发电成本的变化进行了探讨，它将有助于人们

弄清降低发电成本的主要方向。

1 估算燃气轮机发电站发电成本的简化方法[1]

   就发电站而言，发电成本是由以下三部分组成的，即：

（1）总投资费用的折旧成本（COD）；

（2）燃料成本（COF）；（3）运行维护成本（COM）。

1．1如文献[1]所述，目前有两种计算总投资费用折旧成本的方法，它们是：

（1）国外广泛采用的等额支付折算法；

（2）我国普遍采用的年限平均折算法。

   按等额支付折算法计算的折旧成本可写为：

   COD1=TCR×¢/P×τ （1-S）=SIC×¢/ τ （1-S）（元/MWh）<1>                    

式中TCR——电站总投资费用的动态现值，其中包括建设期内的贷款利息和价差预备费等，元；

   P——电站的净功率，MW；

   τ——发电设备的年运行利用小时数，h；

   s——发电机终端到售电结算点之间的线损率，一般取3％～7％，倘若售电结算点以电站的围墙为界，则S≈0％～0．5％；

   SIC=TCR/P——相对于电站净功率折算的动态比投资费用，元／MW；

   ¢=i/1-（1+i）¯ª ——资金回收系数

   式中i——贴现率，国外一般取i=10％，我国以往取作12％；

        a——电站的经济使用寿命，也就是电站的折旧年限，国外一般取a＝25～30年，我国取20～30年。

   按年限平均折算法计算的折旧成本可写为：

       COD2=TCR/P×τ×（1-S）×a=SIC/τ×a×（1-S）（元/MWh）<2> 

   显然，COD1＝COD2×a×¢ <3>

   即：

国外按等额支付折算法计得的折旧成本COD1要比我国按年限平均折算法计得的折旧成本COD2大a×¢倍。

   由式<1>和<2>可知：

为了降低发电成本中的折旧成本，应力求减少电站的动态比投资费用SIC和线损率S，同时应尽量增长发电设备的年利用时数τ和折旧年限a。

   由于式<1>和<2>中没有考虑电站设备折旧后的残值，因而计算获得的折旧成本会略高一些。

1．2燃料成本可以按下式计之：

   COF=3.6×CF

（1）/ēN（1-S） （元/MWh）<4>        

或

   COF=3600×CF

（2）/ēN（1-S）×Qªd （元/MWh）<5>

式中CF

（1）——以元／GJ单位表示的燃料价格；

   CF

（2）——以元／t单位表示的燃料价格。

显然，

   CF

（1）=CF

（2）×10³/Qªd          （元/GJ）<6>

式中

   Qªd——燃料的低位发热量，KJ／kg

   ēN——机组每年的平均净效率

由此可见，为了降低发电成本中的燃料成本，应力求降低燃料的价格，即尽可能选用劣质燃料，如渣油、重油和高炉煤气等，同时应提高机组的净效率，即尽可能使机组处于高效率条件下运行。

1．3运行维护成本（COM）

    运行维护成本与每年内电站所耗的水费、材料费、职工工资与福利基金，大修基金、流动资金的贷款利息和其他费用等有关。

但据统计，这项成本在发电成本中所占的份额是比较小的，在国外，当折旧成本按等额支付折算法计算时，

   COM1≈（9％～12％）COE1元／MWh  <7>

   但在我国当折旧成本按年限平均折算法计算时，由于COD2和COE2的减小,COM2在COE2中所占的份额将略有增大，即

   COM2＝（11.47％～15．36％）COE2   元／MWh  <8>

1．4计算燃气轮机及其联合循环电站发电成本的简化公式：

   COE=COD+COF+COM               <9>

即：

（1）按等额支付折算法计算折旧成本时

COE1=（1．099～1.136）[SIC×¢/τ×（1-S）+ 3.6×CF

（1）/ēN（1-S）]元／MWh<10>

或

COE1＝（1．099～1.136）[SIC×¢/τ×（1-S）+ 3.6×CF

（1）/ēN（1-S）Qªd]

元／MWh<11>

（2）按年限平均折算法计算折旧成本时

COE2=（1.130～1.182）[SIC/τ ×a×（1-S）+ 3.6×CF

（1）/ēN（1-S）]元／MWh

<12>

或

COE2=（1.130～1.182）[SIC/τ ×a×（1-S）+ 3600×CF

（2）/ēN（1-S）Qªd]   元／MWh<13>

1．5发电成本敏感性分析

   当我们对以上诸式作偏微分处理后，就可以对影响电站发电成本的主要因素进行敏感性分析，由此可得：

ρCOE1=dCOE1/COE1=（1.099～1.136）×SIC×¢（ρSIC+ρ¢-ρτ）/τ（1-S）×COE1-3.6×（1.099

～1.136）CF

（1）ρēN/ēN（1-S）×COE1+3.6（1.099～1.136）×CF

（1）ρCF

（1）/ēN（1-S）×COE1

-S{（1.099～1.136）×SIC×¢/τ+3.6×[（1.099～1.136）×CF

（1）]/ēN}ρS/（1-S）²×COE1

=ASIC1ρSIC+A¢ρ¢+Aτ1ρτ+AēN1ρēN+ACF

（1）1ρCF

（1）+AS1ρS           <14>

d¢={1/1-（1+i）¯ª-ia/[1-（1+i）¯ª]²（1+i）（1+i）ª}di- 

iln（1+i）da/[1-（1+i）¯ª]²（1+i）ª                                                                     <15>

而

ρCOE2=dCOE2/COE2=（1.130～1.182）×SIC（ρSIC-ρa-ρτ）/a×τ（1-S）×COE2-3.6×（1.130

～1.182）CF

（1）ρēN/ēN（1-S）×COE2+3.6（1.130～1.182）×CF

（1）ρCF

（1）/ēN（1-S）×COE2

-S{（1.130～1.182）×SIC/a×τ+3.6×[（1.130～1.182）×CF

（1）]/ēN}ρS/（1-S）²×COE2

=ASIC2ρSIC+Aaρa+Aτ2ρτ+AēN2ρēN+ACF

（1）2ρCF

（1）+AS2ρS           <16>

　   对于按年限平均折算法计算的发电成本COE2而言，从式〈15〉中可以看出：

（1）SIC、a和τ的相对变化ρSIC、ρa、ρτ对发电成本COE2相对变化ρCOE2的影响程度是等量的，但ρa和ρτ的影响方向刚好与ρSIC的影响方向相反。

（2）燃料价格和平均净效率的相对变化ρCF

（1）、ρēN、对COE2相对变化ρCOE2的影响程度也是彼此等量的，当然，两者的影响方向则彼此相反。

   （3）在采用比投资费用比较低的燃气轮机及其联合循环的电站中，由于按年限平均折旧法计算时ACF

（1）2＝AēN2］＞[ASIC2＝Aa＝Aτ2]

即

   3.6×CF

（1）/ēN（1-S）×COE2 ＞SIC/a×τ（1-S）×COE2

   因而燃料价格CF

（1）与平均净效率ēN对发电成本COE2的影响将大于电站比投资费用SIC、年利用时数τ以及电站折旧年限a对发电成本的影响。

只是当电站的比投资费用SIC提高到转戾点式<17>后，影响的方向才得以反过来。

   SICL2>=3.6×a×τ×CF

（1）/ēN                 元／MW   <17>

   对于折旧成本按等额支付折算法计算的国外电站来说，其转戾点则为

   SICL1>=3.6×τ×CF

（1）/ēN×¢                 元／MW   <18>

   显然

   SICL2＝a×¢×SICL1                                   <19>

   鉴于a×¢＞1，因而SICL2＞SICL1。

由此可见：

在我国的燃气轮机及其联合循环电站中，影响发电成本的主要因素一般总是燃料价格和电站的年平均净效率。

但是对于燃烧高炉煤气的燃气-蒸汽联合循环电站来说，由于这种机组的比投资费用比较高（一般情况下SIC=1000美元／kW左右），而高炉煤气的价格相对地较低廉，因而在这种特定情况下，影响发电成本的主要因素有可能是SIC、a和τ。

   应该指出，上面所谓的机组年运行利用时数了是按该电站的年发电总兆瓦·时（MWh）数，相对于机组的额定净功率所折算得到的年运行利用小时数；年平均净效率ēN则是一个比额定的净效率略低一些的年平均值，它与机组在一年内所处的负荷工况水平有关。

2计算实例

   当我们具备了以上关系式后，就可以对燃气轮机及其联合循环电站的发电成本问题作具体的分析。

2．1烧天然气的燃气-蒸汽联合循环电站的发电成本

   计算中选择一台S-109FA联合循环机组作为研究对象。

根据文献[2]得知：

其基本设备的比投资费为356美元／kW。

假如考虑到建厂的其他费用，可以按动态的SIC=500美元／kW、550美元／kW和600美元／kW（即：

4250元／kW、4675元／kW和5100元／kW）进行计算。

机组的年利用时数τ分别取为6000h、5000h、4000h。

天然气的价格则分别假定为20．4元／GJ（相当于0．73元／m³或2．4美元／GJ）、28无／GJ（相当于1．0元／m³）35．7元／GJ（相当于1．275元／m³或4．2美元／GJ）、39．2元／GJ（相当于1．4元／m³）、44.8元／GJ（相当于1．6元／m³）和51元／GJ（相当于6美元／GJ）。

其中20．4元／GJ价格就是国外目前管道天然气的价格。

35．7元／GJ则是国外目前液化天然气的价格。

51元／GJ是我国液化天然气可能的销售价格。

其他的数据则是我国管道天然气可能销售的价格，它们将因地区而异。

计算中根据国外的经验取运行维护成本为4．2美元／MWh（即35．7元／MWh）。

通常，COM=3．0～4．2美元／MWh左右。

此外，计算中假定：

a＝25年ēN＝52％S=0．03 i＝10%，即¢＝0．11017。

计算结果如表1所示。

表1 COD1、COD2、COF以及COM计算值

SIC=4250元/Kw

SIC=4675元/Kw

SIC=5100元/Kw

COD1元/kWh

COD2元/kWh

COD1元/kWh

COD2元/kWh

COD1元/kWh

COD2元/kWh

τ小时

6000

0.0805

0.0292

0.0885

0.0321

0.0964

0.0351

5000

0.0965

0.0350

0.1062

0.0385

0.1157

0.0421

4000

0.1207

0.0438

0.1327

0.0482

0.1446

0.0526

CF

（1）元/GJ

COF元/kWh

COF元/kWh

COF元/kWh

20.4

0.1456

0.1456

0.1456

28.0

0.1998

0.1998

0.1998

35.7

0.2548

0.2548

0.2548

39.2

0.2798

0.2798

0.2798

44.8

0.3197

0.3197

0.3197

51.0

0.3640

0.3640

0.3640

COM元/kWh

0.0357

0.0357

0.0357

   由两种方法计得的联合循环电站的发电成本COE1和COE2如表2所示。

SIC=4250元/Kw

SIC=4675元/Kw

SIC=5100元/Kw

COE1元/kWh

COE2元/kWh

COE1元/kWh

COE2元/kWh

COE1元/kWh

COE2元/kWh

τ=6000h

CF

（1）元/GJ*20.4

0.2618

0.2105

0.2698

0.2134

0.2727

0.2164

28.0

0.3160

0.2647

0.3240

0.2676

0.3319

0.2706

**35.7

0.3710

0.3197

0.3790

0.3226

0.3869

0.3256

39.2

0.3960

0.3447

0.4040

0.3476

0.4119

0.3506

44.8

0.4359

0.3846

0.4439

0.3875

0.4518

0.3905

51.0

0.4802

0.4289

0.4882

0.4318

0.4961

0.4348

τ=5000h

CF

（1）元/GJ*20.4

0.2778

0.2163

0.2875

0.2198

0.2970

0.2234

28.0

0.3320

0.2705

0.3417

0.2740

0.3512

0.2776

**35.7

0.3870

0.3255

0.3967

0.3290

0.4062

0.3326

39.2

0.4120

0.3505

0.4217

0.3540

0.4312

0.3576

44.8

0.4519

0.3904

0.4616

0.3939

0.4711

0.3976

51.0

0.4962

0.4347

0.5059

0.4382

0.5154

0.4418

τ=4000h

CF

（1）元/GJ*20.4

0.3020

0.2251

0.3140

0.2295

0.3259

0.2339

28.0

0.3562

0.2793

0.3682

0.2837

0.3801

0.2881

**35.7

0.4112

0.3343

0.4232

0.3387

0.4351

0.3431

39.2

0.4362

0.3593

0.4482

0.3637

0.4601

0.3681

44.8

0.4761

0.3992

0.4881

0.4036

0.5000

0.4081

51.0

0.5204

0.4435

0.5324

0.4479

0.5443

0.4523

   显然，COE1=f1（SIC），COE2=f2（SIC），以及COE1=f1[CF

（1）],COE2=f2[CF

（1）]均为直线变化规律，但

         dCOE1/dSIC>dCOE2/dSIC 

这一点在分析关系式<10>、<12>时很容易得到证明。

   从表1和表2的计算结果中可以看出：

（1）按等额支付折算法计得的发电成本确实要比按年限平均折算法计算计得的发电成本大。

在我们的示例中，前者约比后者大0.05～0．09元／kWh。

它们的差值可按下式计之，即

   ΔCOE=COE1-COE2＝SIC（¢-1/a）/τ（1-S）                      <20>

（2）在国外，当使用管道天然气时，假如燃气。

蒸汽联合循环电站的动态比投资费用为600美元／kW，那么，其发电成本大约为3～3．5美分／kWh，即折合人民币为0．255～0．298元／kWh，它与我们计算的结果很接近。

当改用液化天然气时，由于燃料费用激增为4～4．2美元／GJ，其发电成本将加大到0．38～0．40元／kWh左右。

   （3）在我国由于天然气的价格（无论是管道天然气还是液化天然气）要比国外的高很多，因而联合循环的发电成本将远远高于国外。

当天然气价格达到1．4～1．6元／m³时，发电成本将高达0．35～0．37元／kWh和0．39～0．41元／kWh。

当采用价格相当于6

美元／GJ的液化天然气时，发电成本将增至0．435～0．45）己／kWh。

   （4）由于在联合循环电站的发电成本中，燃料成本的份额高达55％～75％，尤其在我国燃料费用较高，而折旧成本计算得比较低，致使燃料成本的份额将比国外的更高，因而在我国设法降低天然气或是液体燃料的价格对于减少燃气轮机及其联合循环电站的发电成本是最关重要的。

否则这种发电方式将受到制约。

   （5）根据式〈14〉和〈16〉，我们可以计算出各种因素（ρSIC、ρa、ρτ、ρCF

（1）、ρēN、ρ¢），对于发电成本ρCOE的影响程度，如表3所示。

SIC=4250元/Kw

SIC=4675元/Kw

SIC=5100元/Kw

τ=6000h

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.307～0.168）

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.338～0.184）

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.364～0.201）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.139～0.068）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.153～0.075）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.169～0.082）

τ=5000h

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.348～0.195）

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.382～0.214）

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.459～0.257）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.162～0.081）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.178～0.089）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.195～0.097）

τ=4000h

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.400～0.232）

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.440～0.255）

ASIC1=A¢=Aτ1

=（1.099～1.136）×（0.528～0.306）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.195～0.099）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.214～0.109）

ASIC2=Aa=Aτ2

=（1.130～1.182）×（0.234～0.119）

τ=6000h

CF

（1）元/GJ

AēN1=ACF

（1）1

AēN2=ACF

（1）2

AēN1=ACF

（1）1

AēN2=ACF

（1）2

AēN1=ACF

（1）1

AēN2=ACF

（1）2

20.4

（1.099～1.136）×0.559

（1.130～1.182）×0.695

（1.099～1.136）×0.576

（1.130～1.182）×0.705

（1.099～1.136）×0.593

（1.130～1.182）×0.714

51.0

（1.099～1.136）×0.758

（1.130～1.182）×0.849

（1.099～1.136）×0.771

（1.130～1.182）×0.855

（1.099～1.136）×0.783

（1.130～1.182）×0.861

τ=5000h

20.4

（1.099～1.136）×0.527

（1.130～1.182）×0.676

（1.099～1.136）×0.545

（1.130～1.182）×0.687

（1.099～1.136）×0.563

（1.130～1.182）×0.698

51.0

（1.099～1.136）×0.734

（1.130～1.182）×0.837

（1.099～1.136）×0.748

（1.130～1.182）×0.844

（1.099～1.136）×0.762

（1.130～1.182）×0.851

τ=4000h

20.4

（1.099～1.136）×0.484

（1.130～1.182）×0.650

（1.099～1.136）×0.503

（1.130～1.182）×0.663

（1.099～1.136）×0.522

（1.130～1.182）×0.675

51.0

（1.099～1.136）×0.699

（1.130～1.182）×0.821

（1.099～1.136）×0.715

（1.130～1.182）×0.829

（1.099～1.136）×0.731

（1.130～1.182）×0.837

   由此可见：

在联合循环电站中影响燃料成本的因素CF

（1）和ēN2对发电成本的影响程度ACF

（1）和AēN2人要比影响折旧成本的因素（SIC、¢、τ、a