中国燃气发展目标与展望

中国燃气发展目标与展望 系列报告 《推动燃气发电发展支持碳中和目标实现》《鄂尔多斯低碳转型及案例研究》《走向公正转型的未来：绿色转型对中国不同区域的影响》《湖南省风光储蓄融合发展的策略方案》《江苏省电力灵活性调节资源发展优先级级路径分析》《华东四省一市电力清洁转型与安全保供路径与方案研究》《促进西北地区产业转型升级和新能源就地消纳协同发展》《碳达峰碳中和下西北“西电东送”重塑研究》《青岛市微电网发展研究-基于典型示范项目的调查》《陕西省微电网发展研究-基于典型示范项目的调查》《绿证绿电市场与可再生能源电力消纳的协同研究》《中国散煤综合治理研究报告2024》《双碳背景下湖南省电力系统灵活能力优化分析研究》《福建省双碳目标与行动路线图研究报告》《中国散煤综合治理研究报告2023》《山东省中小燃煤电厂低碳高质量发展路径分析》《走向公正转型的未来：中国绿色转型对就业的影响》《“十四五”推动能源转型实现碳排放达峰》《中国散煤综合治理研究报告2022》《中国散煤综合治理研究报告2021》《中国石化行业碳达峰碳减排路径研究报告》《中国塑料行业绿色低碳发展研究报告》《中国可持续航空燃料发展研究报告》《湖南省电力行业碳达峰时间与路径研究》《中国典型五省煤电发展现状与转型优化潜力研究》《碳达峰与碳中和背景下山东电力行业低碳转型路径研究》《以新能源为主体的新型电力系统的内涵与展望》《中国煤电发展之路辨析系列沙龙报告汇编》《电力部门碳排放达峰路径与政策研究》 气候变化与能源转型项目 北京大学能源研究院于2021年3月启动了气候变化与能源转型项目，旨在助力中国应对气候变化和推动能源转型，实现2030年前碳达峰和2060年前碳中和的目标。该项目通过科学研究，设立有雄心的目标，制定清晰的路线图和有效的行动计划，为政府决策提供建议和支持。 该项目积极推动能源安全、高效、绿色和低碳发展，加速化石能源消费的减量化直至退出。该项目具体的研究领域涵盖宏观的能源与环境、经济和社会的协调综合发展；化石能源消费总量控制；能源开发利用技术创新；电力部门向可再生能源为主体的系统转型；推动电气化；高耗能部门的低碳绿色发展；可持续交通模式；区域、省、市碳中和模式的示范推广；散煤和塑料污染治理；碳中和与碳汇；碳市场；社会公正转型等。 中国燃气发展目标与展望 作者：陶文娣、郑平 目录 ◎第一章 燃气发电的特点和零碳路径..........................................1 （一）燃气发电的特点...........................................................1（二）燃气发电的零碳路径...................................................5 ◎第二章 全球燃气发电的现状和展望..........................................8 （一）全球燃气发电现状.......................................................8（二）国外燃气发电政策......................................................11（三）全球燃气发电展望......................................................14 ◎第三章 中国燃气发电的现状和展望........................................17 （一）中国燃气发电现状......................................................17（二）中国燃气发电的政策..................................................18（三）双碳目标下的燃气发电展望.......................................23 ◎第四章 中国燃气发电的挑战和建议........................................29 （一）燃气发电的主要障碍.................................................29（二）支持中国燃气发电发展...............................................31 摘要 燃气发电是重要的发电形式，在电力系统减少污染物排放、实现碳中和，以及保障电力系统安全稳定方面发挥着重要作用；2023年，全球燃气发电占比22%，部分发达国家燃气发电占比超过30%-40%，是电力系统重要的支撑电源和调节电源。燃气发电也是欧美日等发达国家和地区减少空气污染、降低碳排放，替代燃煤发电、保障电力系统安全稳定和低碳的重要途径。 2023年中国燃气发电装机量12562万千瓦，发电量3016亿千瓦时；相较2011年，燃气发电装机年均增长23.7%，发电量年均增长14.8%；相较同期全国发电装机年均增长14.7%，发电量年均增长8.4%，显示出较快增速。但截止2023年底，燃气发电在全国发电装机中的占比仅4.3%，发电量占比仅3.2%。同时燃气发电主要集中在经济条件好、天然气供应较为充足的京津冀、长三角和珠三角等区域。 在实现碳中和过程中，燃气发电的环保、低碳、安全、灵活的特点，不仅是电力体系实现碳中和的重要组成，也将带动天然气产业的发展，对整个能源体系的碳中和目标实现有突出贡献。一方面燃气热电联产和分布式将为城市能源电力冷热供应提供清洁高效的选择，助力清洁空气和低碳目标；另一方面，燃气发电以其优越的调峰性能和安全可靠性，在以可再生能源为主体的新型电力系统建设中可以发挥其独特作用。中长期来看，中国需要大力支持燃气发电的持续发展和增长，为新型电力系统建设和实现碳中和提供支撑。 然而目前中国燃气发电的发展仍受长期发展目标不清晰、缺乏统筹、天然气供应不足和价格过高、电价机制不完善等多方面因素制约，面临挑战。为支持中国燃气发电的发展和碳中和目标的实现，需立足国情并借鉴国际经验：明确燃气发电的定位和长期目标；加大环保低碳政策激励；保障天然气供应和降低用气价格、继续完善燃气发电的价格机制；因地制宜差别化促进不同区域燃气发电发展；中央和地方协同支持和促进燃气发电和可再生能源发电的结合、特别是绿氢储能和燃气发电的结合，在支持可再生能源基地建设的同时，保障能源安全。使得燃气发电作为重要的发电形式可以发挥其历史作用，为中国的能源安全和能源转型做出其贡献。 第一章燃气发电的特点和零碳路径 （一）燃气发电的特点 燃气发电机组采用燃气（如天然气、生物气、氢气等）作为燃料，通过燃烧产生高温高压气体，进而驱动燃气轮机或内燃机工作，带动发电机发电。整个过程中，燃气发电机组实现了能量的高效转换，将燃气中的化学能转化为电能。20世纪以来，燃气发电的技术不断进步，从最初的小型发电机到现在的大型发电站，发电能力和发电效率不断提高。燃机发电分为简单循环燃气发电和燃气-蒸汽联合循环发电。燃气—蒸汽联合燃机发电是在简单循环的基础上，利用燃气轮机排气余热在余热锅炉中将水加热变成过热蒸汽，再将蒸汽引入汽轮机膨胀做功。按照燃烧温度可将燃机定义为B级、E级、F级、H级。燃烧温度不同，发电机组出力也有所不同。目前“H”级燃气轮机是世界上初温最高、功率最高、效率最高的燃气轮机。燃气轮机可以用于发电、工业热电联供、分布式以及备用电源。在全球环境污染控制和应对气候变化的背景下，燃气发电以其环保、低碳、高效和灵活的优势，取得了迅速发展，其主要燃料为天然气，以下展开介绍一下燃气发电的几个特点。 首先，更环保。燃气发电相比较煤电，更为清洁环保，主要表现在综合污染物排放水平，重金属排放和其他环境影响方面。燃煤电厂排放的大气污染物主要有氮氧化物、二氧化硫、烟尘等。天然气中基本不含硫，所以燃气电厂排放的大气污染物主要为氮氧化物，同时，天然气都有脱硫和除尘等工艺，所以一般燃机排烟中的硫化物和烟尘接近为零。而煤电即使使用除尘和脱硫工艺，依然有一定的残余，如二氧化硫依然有40毫克/度电以上。燃煤电厂经过超低排放改造，污染物排放水平得到显著降低，但燃气发电的综合污染物排放水平仍然明显优于实施超低排放改造的燃煤机组。以下以燃气发电H级机组与660MW超超临界燃煤电厂为例进行比较，可见高效的燃气电厂多种污染物排放水平显著降低。 在氮氧化物排放方面，燃气电厂相比较燃煤电厂排放标准更高。从排放标准上来说：2016年环境保护部下发的《火电行业排污许可证申请与核发技术规范》中，要求火电机组排污量按照机组装机容量和年利用小时数，采用排放绩效法测算。据测算，在装机容量和年利用小时数一致的情况下，燃煤电厂的氮氧化物允许排放量是燃气电厂1.6倍。 从实际排放来看，燃煤电厂的超低排放改造大大降低了燃煤电厂包括氮氧化物在内的污染物排放水平。但超低排放燃煤电厂脱硝后的氮氧化物排放量仍是天然气电厂的三倍左右。如所述，由于煤炭的成分，煤电超低排放改造后的综合污染物排放水平仍然明显高于燃气发电。同时，煤电在实现超低排放改造中还会产生污水，重金属等二次污染，同时氨逃逸、SO3产生量增加、脱氮废弃催化剂处理等也将对环境带来影响。其实，为实现更严格的氮氧化物排放，燃机也可以进行改造或加装脱硝装置，同样采用脱硝，气电的氮氧化物排放可比煤电减少60%4。 此外，燃煤电厂还有重金属排放。重金属污染主要来自煤的燃烧。燃煤烧的过程中，一些容易挥发的重金属如Hg（汞）、Pb（铅）、As、Zn、Ni、Cd、Cu等汽化后以气态的形式停留在烟气中。随着烟气流经炉膛,经过换热面,烟气温度逐渐下降。在此过程中,经过物理吸附、化学吸附和化学反应等作用,一部分重金属逐渐被飞灰颗粒吸附而留于飞灰中,未被吸附的部分随着烟气一起流动。另一些在高温燃烧时难以汽化的重金属元素,在燃烧过程中被飞灰和底渣所吸附,存留于飞灰和底渣中。因此煤中重金属在燃烧过程中以炉渣、飞灰、石膏、烟气等形式排放。在这一过程中灰渣中部分可溶的重金属微量元素可以转入水中，如果冲灰渣水外排至江河，则可能对环境水体造成污染并对生态系统和人类健康造成严重威胁。与美国、欧盟等发达国家和区域相较，我国燃煤电厂的痕量元素排放标准限值较为宽松，且限定物种较为单一（仅规定了烟气汞及其化合物排放限值）。此外，未从燃煤煤质，新建机组和现役机组以及规模大小等角度进行细化和区分，在污染管控方面还需要更进一步6。 此外，煤炭存储和运输中可能产生粉尘污染。洗煤会产生废水污染。煤炭破碎，带来粉尘污染和噪声污染。燃烧下来的炉渣处置不当会带来固废污染 其次，可靠性。燃气发电机具备更高的灵活性和响应速度，它们能够快速启动和停机，适应电网负荷的变化。这使得燃气发电在电力需求高峰时可以迅速介入，平衡电网负荷，保障电力供应的稳定性。它们可以根据电力的供需在一天中、一周或一个月的时间内以及季节性（无论何时需要）的变化来提供更多或更少的电力。当部署更多不可调度的风能和太阳能时，这种灵活性对于保持电网稳定性尤其重要。无论什么时间、什么天气状况，需要多少时间，燃气电厂都可以运行并根据需求提供可靠的电力。而风能和太阳能的可用性并不总是与需求一致。比如风场装机100MW，但电网在需要时其由于风力较弱只能发20MW，那么可靠容量系数只有20%。下表介绍了不同的形式的可靠系数。燃气发电的可靠性是最高的。 第三，低碳。天然气主要成分是甲烷，也是含碳量最小，含氢量最大的烃。据世界核能协会报告，燃气发电在化石燃料发电的碳排放方面只有煤电的50%不到，只有燃油发电的68%。高效的H级联合循环燃气机组，其每度电的CO2排放值低于320g/kWh，远低于煤炭和石油的碳排放。 第四，快速调节能力。燃机具有启停方便、响应速度快的特点，调峰能力和跟踪负荷的性能更高。燃气-蒸汽联合循环机组从冷态启动开始26min后，燃机