特高压输电线路与超高压输电线路的技术经济比较

特高压输电线路与超高压输电线路的技术经济比较

0特高压输电的经济性分析2005年，国家能源开发部明确表示，“建设以特高压为核心的强大电网”。建设特高压电网已成为中国能源行业可持续发展的重要战略之一。这对提高中国能源开发的利用效率、中国的国际能源市场以及我国能源系统的效率具有重要意义。未来中国经济的平衡发展将有助于解决能源分配不均的问题。估计到2020年我国电力装机容量将达到1100～1200GW,但我国发电资源和能源需求的地理分布极不均衡,2/3的水资源在西南,2/3的煤炭资源在西北,石油和天然气资源主要分布在黑龙江、新疆和黄河下游,而2/3以上的电力需求则来自发电资源相对匮乏的东部沿海地区。这种发电资源与电力负荷的不平衡状况使得建设大型发电基地和实现大容量远距离输电成为我国下阶段电力建设的一项重要任务。我国电源发展规划中提出建设特大容量机组的构想,水电规划预计在2020年前金沙江的4大梯级水电站的总装机容量将达到38.50GW,外送华中和华东;四川省也将有12GW水电送往华中和华东。火电方面已经具备了建设大规模火电基地的条件,根据我国火电基地规划方案,呼盟、锡盟、蒙西、宁夏灵武、陕北、晋东南煤电基地装机容量将分别达到21.6、12、30、13.2、14.4和20GW。随着我国经济的发展和上述发电项目的建成,建设全国能源传输通道将成为实现电力工业发展目标的关键,而我国目前的超高压输电线路存在一定的约束,发展特高压输电已经势在必行。特高压输电示范工程的开工建设引起了广泛的关注,特高压输电是否具有经济性更是关注的焦点。为此,本文着重讨论特高压输电的经济性比较。考虑到超高压线路在输电距离和输送容量方面存在一定约束,当输电距离和输送容量超过一定范围时,超高压与特高压线路不具有可比性。因此更合理的比较方法是将特高压输电方案与其它远距离能源输送方式进行经济性比较。本文将重点放在特高压输电与其他大规模、远距离能源输送方式的比较上,分别从资源使用效率、可比发电成本以及外部成本3方面进行研究。1燃煤电厂特高压输电方式的经济性分析目前我国远距离、大容量能源输送方式主要有运煤、输油、输气3种,而由于石油资源稀缺,我国燃油电厂数量极少,因此本文主要比较特高压输电方式与运煤方案和输气方案的经济性。运煤方案和输气方案指将发电能源通过铁路等交通工具运输到负荷中心地区再发电的方式;特高压输电方案则是指建设坑口电厂,电能经过特高压输电线路输送到负荷中心的方式,见图1。2资源利用率的比较2.1运煤及输气方案资源使用效率的比较是将各种方案生产单位电量消耗的热值进行比较,当某一方案的单位电量消耗热值较低时,认为该方案具有相对较高的资源使用效率。2种替代方案度电消耗热值可以表示为:式中:h为2种替代方案的度电消耗热值(kJ/kWh);H为燃料的单位发热量(kJ/kg或kJ/m3);w为运输损耗率,%;c为每千米运输耗能,kJ/km·kg;L为运距,km;f为单位供电量燃料消耗,kg/kWh或m3/kWh;指发电厂向系统供电1kWh电力消耗的燃料数量,含发电厂的厂用电因素,上述符号分别用下角标c及g表示运煤及输气方案。两种替代方案的具体数据根据我国实际情况选取,详见表1。特高压输电方案的度电消耗热值为式中:he为特高压输电方案的度电消耗热值,kJ/kWh;r为特高压输电方案的线路损耗,%;H的取值与运煤方案相同,为统一比较,f的取值也与运煤方案相同。2.2特高压输电方案资源使用效率特高压输电与运煤方案的效率比为上式中的Hc、wc和cc是已知的,fc并不产生影响,因此二者的资源效率优劣取决于r和L。如果he/hc>1,特高压输电方案的资源使用效率低于运煤方案;如果he/hc<1,特高压输电方案的资源使用效率高于运煤方案。令he/hc=1可以得出图2所示的可比燃料成本临界经济曲线图2中的曲线接近直线,在其下方特高压输电方案资源使用效率较高,曲线上方运煤方案资源使用效率较高。当运输距离是500km时,特高压输电的线路损耗若能控制在2.35%,则特高压输电方案具有相对较高的资源使用效率。通常情况下r是输电距离的函数,可以表示为:式中r0为单位距离输电线路损耗。有的文献按照每千米输电线路损耗0.0036%计算,本文分别按照每千米输电线路损耗0.003%、0.004%和0.005%计算,并对电煤发热量进行敏感性分析(改变Hc),可得到表2所示的效率临界距离,在临界距离以内特高压输电方案具有相对较高的资源使用效率。从表2可以看出当每千米输电线路损耗0.003%、电煤发热量≤14644kJ时,特高压输电方案的资源使用效率都高于运煤方案。因此,对于发热量低的煤炭资源应尽量在坑口地区实现向电能的转化,以提高其资源使用效率。同时,随着线路损耗和电煤发热量的增加,临界距离变小。也就是说电煤发热量越低、线路损耗越小,采取特高压输电方式进行能源输送的资源使用效率越高。电煤发热量越高、线路损耗越大,采取运煤的方式进行能源输送的资源使用效率越高。2.3组的资源使用效率特高压输电与输气方案的效率比为式中Hc、fc、Hg、gw和fg是已知的,因此二者的资源效率优劣取决于r。如果he/hg>1,则特高压输电方案的资源使用效率低于输气方案;若he/hg<1,则特高压输电方案的资源使用效率高于输气方案。但不存在正值的r满足he/hg<1,所以特高压输电方案的资源使用效率低于输气方案。3燃料成本的比较3.1《特高压输电方案》的测算特高压输电方案是否具有经济性的关键是其与其它2种方案相比的度电燃料成本是否具有竞争性。本文比较其它2种方案的燃料成本和特高压输电方案的可比燃料成本,即燃料成本与输电电价之和。运煤和输气方案的燃料成本可以表示为式中C为替代方案度电燃料成本,元/kWh;为统一论述,P取燃料到厂价格,元/t或元/m3,在运煤方案中指到厂标煤价,因此fc相应取0.374×10-3t标煤/kWh。设cP为坑口煤价与两地区标煤价差之和式中Pc1为坑口标煤价,元/t。我国目前坑口标煤价大概在150-350元/t左右,因此Pc1的取值范围为150-350元/t。Pc2为某一地区与坑口地区的标煤价差,元/t,主要包括车板运费、铁路运费、各项税费以及装卸费用等,由于目前煤炭产地与负荷中心的标煤价差大多在200～500元/t,所以Pc2取值范围为200～500元/t。特高压输电方案的可比燃料成本可以表示为燃料成本+输电电价,数据取值与表1相同。式中Ce为特高压输电方案的可比燃料成本,元/kWh;q为特高压输电方案的输电电价,元/kWh;fc和Pc1的取值与运煤方案相同。3.2输电方案比选为计算eC需对特高压的输电电价q进行估算,假设输送容量为6GW,输电距离在400～2100km之间,采用1000kV交流输电方案,随着输电距离的增长,每300km加装一个开关站,其投资及经济指标见表3。利用直线折旧法进行折旧,并通过平均成本法估算出输电电价见表4,其中还列出了按照上网电价为0.25元/kWh、特高压输电线损0.004%/km计算出的线损电价以及含线损的输电电价计算结果。3.3高压供电和通风系统的等效燃料成本比较3.3.1特高压输电方案的经济性分析输电与运煤的可比燃料成本比为二者的可比燃料成本的经济性取决于Pc2和q。若Ce/Cc>1,运煤方案更具有经济性;若Ce/Cc<1,特高压输电方案更具有经济性。令Ce/Cc=1可以得出如图3所示的可比燃料成本临界经济曲线:在图3直线下方特高压输电方案可比燃料成本较低,直线的上方运煤方案燃料成本较低。当标煤差价为200元/t、输电电价在0.0748元/kWh以下时,特高压输电方案具有可比燃料成本的经济性。3.3.2不同标煤造价情况下特高压输电方案的经济性分析上述结论是在fc为0.374kg/kWh的情况下得出的,可以看出fc的取值对计算结果的影响很大,这里对供电标煤耗进行敏感性分析,分别取0.290kg/kWh、0.300kg/kWh、0.320kg/kWh、0.350kg/kWh、0.374kg/kWh进行计算,同时将计算出的临界经济曲线与表4数据采用插值法进行比较,可以得出不同标煤价差情况下的特高压输电的可比燃料成本经济性临界距离,见表5。在临界距离以内,特高压输电方案的可比燃料成本更具有优势。由表5可以看出随着标煤价差的加大,临界距离是变大的,即两地的标煤价差越大,特高压输电方案的经济优势越明显。同时随着供电煤耗的增大,临界距离是增大的,如果发电厂在负荷中心和煤电基地的供电煤耗相同,则供电煤耗越大,特高压输电方案的经济优势越明显。3.3.3特高压输电方案的经济性分析下面应用上述结论考察在煤电基地到负荷中心建设特高压方案是否具有经济性。各煤电基地到华中东部、长三角地区的实际输电距离以及目前的标煤价差情况见表6、表7。不同的供电标煤耗下输电距离是否在表5所示的临界距离以内的输电经济性判断结论见表8和表9。以蒙东煤电为例,目前到华中东部的标煤价差为200元/t,表5中给出供电标煤耗为0.290kg/kWh时其临界距离是700km,小于输电距离2290km,因此该方案不具有经济性。从表6和表7可以看出,蒙东地区由于到负荷中心有较长的输电距离,建设特高压输电方案不具有经济上的可行性;长三角地区较高的标煤价使得建设特高压输电方案经济性增强;晋东南和蒙西两个煤电基地到华中东部、长三角地区的特高压输电方案都具有经济性;宁东和陕北两个煤电基地到长三角地区由于较高的煤价差的影响,建设特高压输电方案都具有经济性;而宁东和陕北两个煤电基地到华中地区建设特高压输电方案的经济性取决于供电标煤耗,如果华中地区发电厂能够实现较低的供电标煤耗,采取运煤方案也是会具有经济性的。3.4在高压输输系统和特高压输输的比燃料成本3.4.1在负荷中心建设燃气电厂与在负荷中心建设燃气电厂的方案比较的分析为更详细地比较特高压输电方案与输气方案的可比燃料成本,本节分2种情况进行比较,即建设煤电基地再通过特高压输电的方案与在负荷中心建设在燃气电厂的方案的比较和在油田建设燃气电厂再通过特高压输电与在负荷中心建设燃气电厂方案的比较。3.4.2临界经济曲线二者的可比燃料成本比为式中fc和fg已知,二者的经济性优劣决定于Pc1、q、Pg。如果Ce/Cg>1,输气方案具有燃料成本的经济性;如果Ce/Cg<1,特高压输电方案具有可比燃料成本的经济性。令Ce/Cg=1可以得出可比燃料成本临界经济曲线二者的临界经济平面见图4。在图4所示平面下方特高压输电方案可比燃料成本较低,平面上方输气方案燃料成本较低。以图中平面上的A点为例,它表示的是当天然气到厂价格为1.2元/m3、坑口标煤价为150元/t时,如果特高压输电方案的输电电价能够控制在0.2499元/kWh以内,它的可比燃料成本具有经济优势。A点符合我国目前的实际情况,结合表4可以看出,与在负荷中心建设燃气电厂相比,建设煤电基地再通过特高压输电的经济距离可以达到2100km。3.4.3特高压输电方案与天然气二者的可比燃料成本比为式中:Cge为在油田建设燃气电厂再通过特高压输电的方案的可比燃料成本;Pg1为天然气出厂价格。二者的经济性优劣决定于Pg1、q、Pg。若Cge/Cg>1,输气方案具有燃料成本的经济性;若Cge/Cg<1,特高压输电方案具有可比燃料成本的经济性。令Cge/Cg=1可以得出可比燃料成本临界经济曲线用Pg2=Pg-Pg1表示天然气的管输费用,式(14)可以表示为我国目前管输费仍需由政府根据投资者的经营成本和利润并考虑通胀因素来确定,目前在0.2～1元/m3之间。图5表示二者的临界经济线。在图5所示直线下方特高压输电方案可比燃料成本较低,直线的上方输气方案燃料成本较低。当管输费用为0.5元/m3、输电电价在0.1275元/kWh以下时,特高压输电方案具有可比燃料成本的经济性。结合表4数据进行比较,可以得到表10的临界距离,在临界距离以内特高压输电方案具有经济性。在管输费用高于0.5511元/kWh时,在2100km以内特高压输电方案都具有经济性。如目前“西气”到上海的平均管输费为0.88元/m3,在油田建设燃气电厂再通过特高压线路进行能源运输将比直接用管道输送天然气再发电更具有经济性。4燃料成本的非外部成本比较4.1燃煤电厂发电污染的外部成本为了量化比较发电厂的社会效益,本文吸收环境与经济综合核算的思想,利用含有外部成本的发电成本进行比较,其中外部成本主要指发电污染损失,体现的是对可持续发展的贡献。由于我国各地区经济发展水平、人口密度及环境容量的差异,发电污染造成的经济损失也不同,这就形成了不同地区的发电厂外部经济性的差异。根据世界银行和GlobalEnvironmentFacility《中国可再生能源发展项目》的报告估算,2010年我国不同区域的燃煤电厂发电污染的外部成本数值见图6。其中发电的外部成本主要计算了3种污染物的大气污染损失,包括SOx、NOx和烟尘。由图6可以看出西部地区各省份环境容量较大,人口密度小,发电污染损失较小,如新疆、西藏自治区的发电外部成本不到0.01元/kWh;东部地区和沿海地区省份环境污染严重,人口密度较大,发电污染损失较大。如社会经济发展水平较高的江苏、山东等省的发电外部成本接近0.08元/kWh。4.2负荷中心地区加入外部成本后运煤方案的燃料成本可以表示为式中:cC′为运煤方案的含有外部成本后的燃料成本,元/kWh;l为负荷中心地区的发电污染损失,元/kWh。特高压的可比燃料成本可以表示为:式中:eC′为特高压输电方案的含有外部成本后的可比燃料成本,元/kWh;l′为坑口地区的发电污染损失,元/kWh。设∆l表示两地区的发电污染损失之差,元/kWh,则:两地区发电经济性的优劣决定于cC、eC以及∆l。4.3特高压输电方案经济区域变结合图3可以得出图7所示含外部成本的临界经济曲线。由图7可以看出,随着两地区发电污染损失差值的加大,特高压输电方案的经济区域逐渐变大。根据表4的数据进行拟合,可以得出不同的供电煤耗下发电污染损失差值每增加0.01元/kWh,临界