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主義現(xiàn)代化國家清潔低碳、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)對我國天然氣發(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“十三五”期初，天然氣占一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的6%。國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計(jì)劃（2014—2020年）》和國家發(fā)展改革委、國家能源局發(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，將會在未來較長的一段時(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，對我國天然氣發(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

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?，可通過對氣田、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)國家能源局、國務(wù)院發(fā)展研究中心、自然資源部聯(lián)合發(fā)布的《中國天然氣發(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。根據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心發(fā)布的《中國氣體清潔能源發(fā)展報(bào)告》，并結(jié)合政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和美國能源信息署（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，天然氣與煤炭相比還具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。根據(jù)供應(yīng)商提供的實(shí)際檢測數(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)志著我國燃?xì)獍l(fā)電裝機(jī)容量突破1億千瓦，在我國總裝機(jī)容量中占比約為4.5%。根據(jù)中電聯(lián)《2020年全國電力工業(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%;與之形成對比的是，燃?xì)獍l(fā)電4.45%的裝機(jī)容量占比，對應(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)煤單價(jià)達(dá)到了動力煤標(biāo)煤單價(jià)的2倍，與當(dāng)前JKM天然氣現(xiàn)貨價(jià)格和動力煤價(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)部對于天然氣發(fā)電的前景還是樂觀的。在2021年經(jīng)濟(jì)形勢與電力發(fā)展分析預(yù)測會上，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)動力有以下幾個(gè)方面：

一是在“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動下，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。

二是我國天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)正在快速發(fā)展，有助于提高國內(nèi)天然氣燃料保供控價(jià)的能力。隨著國家管網(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、下游銷售市場充分競爭的“X+1+X”油氣市場體系逐步形成，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?，最終降低終端用戶的運(yùn)輸成本。此外，根據(jù)國際天然氣聯(lián)盟（IGU）《全球液化天然氣報(bào)告（2021）》（World LNG Report）的數(shù)據(jù)，我國液化天然氣的年接收能力已超過8300萬噸，相當(dāng)于全國天然氣年消費(fèi)量的近1/3，年增長率接近10%。進(jìn)口液化天然氣與國產(chǎn)氣、進(jìn)口管道氣共同構(gòu)建了我國氣源的多樣性，能夠有效加強(qiáng)國內(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目前向市場提供的H級燃?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

我國近7成的發(fā)電量來自燃煤發(fā)電，利用燃?xì)獍l(fā)電對燃煤發(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，但國家生態(tài)環(huán)境部《2019—2020年全國碳排放權(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)格將會有效降低兩者之間的差距。這些都將進(jìn)一步推動天然氣發(fā)電在我國的發(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)社會主義現(xiàn)代化國家提供清潔低碳、安全高效的電力能源保障。

（作者張一瑄工作單位為中國大唐集團(tuán)有限公司燃料事業(yè)部）