4 天然气发电的经济性分析
天然气发电项目的顺利立项、建设和运转，除了保证有充足的天然气来源以外，还将取决于天然气发电的经济性。
天然气电站投资相对较小，运行成本较低，其运行经济性将很大程度上取决于天然气价格。
此外还与机组容量和循环热效率、运行方式、年利用小时数、建设资金构成及贷款利率等有关。
下面就上述因素建立天然气电站的成本和上网电价模型、燃料价格敏感性分析模型和电站运行小时数敏感性分析模型分析天然气发电项目的投资经济性。
4.1 天然气电站的成本构成分析
4.1.1 天然气电站的发电成本计算模型
天然气电站和传统的燃煤电站一样，直接的发电成本由以下几个部分构成：（1）总投资的折旧成本；（2）运行和维护成本；（3）燃料成本。
对于正常运行的天然气电站而言，总投资的折旧成本、运行和维护成本基本固定，变化因素较少，可视为固定成本。
燃料成本由于受天然气价格、天然气电站发电量等因素的影响，变动较大，故视为可变成本。
具体计算模型如下：
（1）天然气电站总投资费用
天然气电站的总投资费用主要包括天然气电站的静态投资费用、财务费用（主要是利息支出）以及运行与维护费用三个部分。
其中静态投资费用由电站的单位容量造价和装机容量得到。
为了体现出全生命周期的总投资费用，将其折算为现值。
具体可表示为：
()()
=⨯++⨯（1）
TCR UI K FC MC P A i n
/,,
其中，TCR 是天然气电站总投资费用的现值（元）；UI 是单位容
量造价费用（元/kW ）；K 是电站的装机容量（kW ），FC 是财务费用（元）；
MC 是运行与维护费用（元）；i 是折现率（%）；n 是电站投产运行期（年）。
（2）天然气电站总投资的折旧成本
根据天然气发电的特殊性，本研究采取按运行小时数分摊固定成本的策略。
则电站总投资的折旧成本可表示为：
()()()
111e TCR SUI COD n E n T ϕϕδ⨯-⨯-==⨯⨯⨯-（2） 其中，COD 是电站总投资的折旧成本（元/kWh ）；SUI 是电站单位动态投资费用（元/kW ）；ϕ是净残值率；δ是厂用电率（%）；T 是机组年运行小时数（h ）。
（3）天然气电站燃料费用
天然气电站燃料费用不仅与天然气价格有关，还与发电机组供电效率等因素有关。
根据1 kW ·h 输出电力=3.6 MJ ，天然气电站燃料费用可表示为：
()()()13600/4.1868//gas COF Q P η=⨯⨯（3）
其中，COF 是电站燃料成本（元/kWh ）；Q 是天然气发热量（kcal/m 3）；η是机组供热效率
（%）；gas P 是天然气市场价格（元/m 3）。
在天然气发电燃料费用中，除了大部分的发电原料天然气费用外，还包括少部分的水费和材料费。
根据相关工程数据资料显示，水费和材料费占燃料费比重极低，约为8元/MWh 。
所以结合式（1）～（3），天然气发电成本可表示为：
0.008COE COD COF =++（4）
其中，COE 是天然气发电成本（元/kWh ）。
4.1.2 天然气电站的上网电价计算模型
测算天然气电站的上网电价不仅是为了满足评价天然气发电竞争力强弱的需要，也是为了满足内部收益率、投资回收期、借款偿还期等其它经济评价指标的需要，所以，在发电成本已定的情况下，必然要测算一个最低的上网电价。
上网电价是在天然气发电成本的基础上，加上总资本回报构成。
其中总资本回报包括投资回报和负债回报。
具体计算模型如下所示：
grid P COE CR =+（5）
()/z I r L CR CRI CRL SUI Rate i Rate i T =+=⨯⨯+⨯（6）
其中，grid P 是上网电价（元/kWh ）；CR 是总资本回报（元/kWh ）；CRI 是投资回报（元/kWh ）；CRL 是负债回报（元/kWh ）；z Rate 是自有资金比
例；r Rate 是自融资比例；I i 是投资回报率；L i 是负债回报率，其中
()()111n
L n i i i i ⨯+=+-，i 是贷款年利率，n 是还款年限。
4.1.3 相关参数及指标值的确定
计算发电成本与上网电价涉及到众多的参数和指标，为了较为准确地计算这两个经济指标的数值，本文对相关参数和指标进行了如下确定：
表1 发电成本和上网电价计算的相关参数及指标值
注：数据来自《火电工程限额设计参考造价指标（2010年水平）》。
4.2 天然气发电的经济性分析
不同天然气发电燃机设备的选择不仅直接影响到电站的总投资费用，还影响燃料成本，而这些因素又影响到发电成本和上网电价。
所以不同类型燃机设备的选择是进行天然气发电经济性分析必须考虑的一个重要因素。
目前我国的燃机主要机型有6B、6F、9E和9F四个等级。
4.2.1 上网电价对天然气价格的敏感性分析
本小节选用GE公司的9F级燃气蒸汽联合循环机组作为研究对象，进行上网电价对天然气价格的敏感性分析。
9F级燃气蒸汽联合循环机组供电效率 取55.4%，静态单位造价为3282元/kW。
参照华能厂燃气热电联产工程以及XX燃气电厂等工程的动态单位投资估算数据，选定动态单位投资SUI=3548元/kW来计算电站的发电成本和上网电价。
通过测算，可以分别得到天然气发电的发电成本和上网电价，如下表2和3所示：
以发电标准煤价为650元/t为例测算，燃煤电厂的单位燃料成本约0.22元/kWh。
当气价取1.2～1.5元/m3，年利用小时取3500h时，所对应的燃料成本为0.27～0.33元/ kWh。
显然，从燃料成本比较，天然气发电比燃煤发电高出0.05～0.11元/kWh。
由此可知在发电市场中，燃气电站和燃煤电站相互竞争上网，首要解决燃料成本的根本差距问题。
在发电成本的基础上，结合式（5）～（6），以及表1中的相关指
标，可以测算出天然气电站的上网电价，如下表3所示：
表3 上网电价
由此，天然气电站上网电价对天然气价格的敏感性可如下图3所示：
图3 上网电价对天然气价格的敏感性
取SUI=3548元/kW ，机组运行小时数为2500h 和4500h 所对应的等高曲线（下图4）来研究燃气价格对发电成本和上网电价的影响。
设ε为敏感系数；气价变化区间取1.1元/m 3～1.5元/m 3。
图4 年利用小时分别为2500h 和4500h 时天然气价格对上网电价的影
响
从而，可计算出
2500/0.072/0.420.47/0.4/1.1grid grid grid gas gas P P P P ε=
==4500/0.072/0.3250.61/0.4/1.1grid grid
grid gas gas P P P P ε==
=
通过计算可以发现，虽然在不同机组运行小时数下有不同的敏感性系数，但都有着较高的敏感系数，说明燃料成本的高低决定着上网电价的高低。
如在4500h 处，天然气价格每变动1%，就会带来其对应的上网电价61%的变动。
可见，燃气电厂的上网电价对天然气价格的变化十分敏感，主要原因在于燃料成本占电价构成比例较大，约为70%。
4.2.2 上网电价对年利用小时数的敏感性分析
天然气电站机组运行小时数的大小不仅影响着电站发电成本的高低，而且频繁的起动和停机会明显地缩短设备的使用寿命，相应的增加维修成本，降低机组运行可用率，从而影响电站的经济性。
所以，合理评估燃气电站的运行小时数不仅对电站运行的安全性有利，而且对增强电站的竞争力也有着重要的意义。
当SUI=3548元/kWh时，机组运行小时数在2500～5000h之间变化，气价从0.9～1.5元/m3变化，上网电价对机组运行小时数的敏感性如下图5所示。
图5 上网电价对机组运行小时数的敏感性根据上网电价计算公式：上网电价=发电成本+（投资回报+负债回报）/运行小时数，从图5可以看出，随着年运行小时数的提高，上网电价呈现下降的趋势。
如当天然气价格为1.3元/m3时，机组运行小时从2500h增加到4000h，上网电价减小了0.08元/kWh，其敏感系数为-0.29，表明机组运行小时数每变动1%，上网电价将逆向变动29%。
通过从上网电价对机组运行小时数的敏感性分析可知，保证燃气电站有一定的机组运行小时数是降低上网电价的重要途径。
4.2.3 天然气电站机组年平均热效率的影响
天然气电站的年平均热效率与电厂运行方式和联合循环热效率密切有关，提高年平均热效率是减少发电成本、提高运行经济性的关键之一。
一般地，“F”级联合循环热效率比“E”级联合循环高出5～6个百分点，热耗率为“E”级的91％。
参照公式（3），在同等发电量下，取天然气价格为1.3元/m3时，有0.13
=，再根据公式（4），
COFη
可测试出当燃气机组热效率提高5～6个百分点时，发电成本可以下降10％左右。
由于我国目前天然气价格较高，所以选用先进的大容量、高参数的燃气轮机技术显得更为重要。