火电灵活性改造专题研究：火电转型正当时，灵活性改造迎机遇

1.“双碳”战略提高新能源占比，大规模并网造成消纳难题
1.1.新能源装机快速增长，风光发电量持续走高
新能源发电装机占比快速增高，高比例新能源并网成必然趋势。随着 “双碳”战略目标的推进，电力系统处于高速清洁化变革的关键阶段， 风电、太阳能等可再生能源迎来了高速发展，使得以火电为主的传统电 源系统正向以风电、光伏发电等为主的清洁电源系统转变。受技术更新、 成本降低及政策影响，2015 年以来中国可再生能源发电进入高速增长通 道。根据 Wind 数据，截至 2021 年末，风电、光伏装机容量占比分别达 到 13.82%、12.90%，而火电装机容量占比已由 2009 年的 74.49%下降 至 54.56%，呈现逐年下降的趋势。2022 年前 8 月累计新增发电装机中， 太阳能发电和风电合计占比高达 63.28%，可再生能源装机占比维持高 位。2021 年 9 月 22 日发布的《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻 新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》报告中提出，到 2030 年， 风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上。截至 2021 年末， 我国电源总装机容量约为 23.77 亿千瓦，由此可见，高比例新能源将 成为未来我国电力系统的必然发展趋势和重要特征。
2022 年风光发电量占比有望超 12%。根据 Wind 数据，截至 2022 年 8 月，风光装机累计达 6.94 亿千瓦，占全部电源装机的 28.18%。随着装 机量的快速增长，风光发电量同样大幅增长，2022 年前 8 月风光发电量 累计达 5908.90 亿千瓦时，占全国发电量 10.56%，同比增长 1.55pct。 据国家能源局发布的《2022 年能源工作指导意见》预估，今年全国风光 发电量占全国用电量比重有望超 12%。
1.2.风光特性带来消纳难题，电力系统亟需加速转型
风光间歇性波动性特征，新能源装机带来消纳难题。相比于传统化石 能源，风电和光伏具有间歇性、波动性及对天气依赖性较大的特征， 对电网安全稳定运行有危害性，目前无技术可解决。“十三五”期间 我国新能源消纳水平较好，然而随着新能源高速新能源发展，消纳问 题也随之凸显，“十四五”期间，国内新能源将继续保持年均约 1 亿 千瓦的高速发展势头，是“十三五”计划的 1.4 倍。风电具有反调峰 特性，如风电在 21 时至次日 5 时出力处于相对高位，而此时用电负 荷却是一天中的最低位。当新能源发电量占比达到一定程度，电源和 负荷的曲线差异将对电网的安全性和稳定性造成冲击，或导致大量弃 风弃光现象。我国新能源消纳基础薄弱，新能源并网同时引发电源侧 和电网侧难题，可以导致在负荷高峰期的容量充足性不足、系统灵活 性不足等问题。据丹麦能源署测算，对于一个风电装机容量超过 5GW 的电力系统来说，1m/s 的风速变化可能造成超过 500MW 的发电装 机变化。因此，如果电力系统不够灵活，这种巨大的发电量变化就可 能导致弃风、电网拥塞和不平衡。
新场景下电力系统发生了明显变化，平衡电力供需难度加大。新场景具 有新能源种类丰富、可再生能源接入占比较高和系统不确定性较大等典型特征。旧场景下的原始负荷曲线较为平稳，其灵活性调节能力可以完 全支撑电力系统的灵活性需求，而在新场景下，电力系统主要发生了以 下四点变化：1）与原始负荷曲线相比，新场景下净负荷曲线的峰谷差和 波动性都大幅提升；2）随着可再生能源接入比例的提升，电力系统的灵 活性需求大幅度增加；3）可再生能源替代了传统电源，常规灵活性资源 的容量因此而大幅度降低；4）传统的电力供需平衡方式不再能实现对净 负荷的全时段包络，部分时段电力系统开始出现灵活性资源供不应求的 现象。
1.3.丹麦经验值得参考，电力市场是灵活性的关键驱动力
丹麦可再生能源发电占比超 50%，电力安全依旧保持极高水平。过去 20 余年，丹麦的可再生能源发电占比由 12%提升至 50%，一举成为电 力系统中可再生能源所占比重最高的国家。同时，过去 10 年间丹麦的 电力供应安全性平均值为 99.996%，能够在可再生能源占比如此之高的 情况下保持电力供应安全，丹麦成功转型的经验值得参考。在电力系统 从基于热电厂转变为大幅依赖可再生能源发电的过程中会遇到很多挑战 和障碍，其中的核心难题就是灵活性需求的不断增长，如何能够以合理 的成本，在维持高供电安全性的同时应对发电量的不确定性和可变性， 是我国建立新型电力系统过程中必须要解决的难题。
纵观过去 20 年的发展，整体可以分为四个阶段：
（1）2000-2009，可再生能源发电占比 12%-20%：电力系统中可再生 能源比例尚且不高，通过现有热电厂灵活性运营以及与邻近国家的联网 线路就可以满足灵活性需求。自 2005 年起，热电联产厂从提供基础负 荷转变为成为关键的灵活性来源。在电力市场方面，热电联产厂的收入 从依赖传统的三段式电价制度转变为参与能形成每小时电价的电力市场 推动了其运营灵活性的发展。
（2）2010-2015，可再生能源发电占比 22%-44%：随着可再生能源发 电占比快速提升，对灵活性措施的投资也大幅提升。此时热电联产厂必须进行深度的灵活性改造以适应当前的需求。在电力市场方面，在原有 的与邻国联网线路的基础上，推动了欧洲统一的日前市场建立，提供了 接入更广泛的平衡区域以及更便宜的灵活性来源的途径。
（3）2016-2020，可再生能源发电占比超 50%：此时电力系统中可再 生能源发电占主导地位，仅仅依靠热电联产厂和联网线路已无法满足灵 活性需求，此时依靠聚合商机制推动了需求侧灵活性的释放，让消费者 从被动消费转变为主动消费，电力系统灵活性资源由电源侧侧向用户侧 过渡。在电力市场方面，启动的欧洲跨境日内市场，改善了可再生能源 自行平衡日内发电量偏差的能力，因为大量的买方和卖方推动了竞争， 提高了市场流动性，推动了整个欧洲范围内日内交易的效率提升。
（4）2020-2030，可再生能源发电占比计划达 100%：整体上朝着提高 终端能源消费部门耦合和推动需求侧灵活性发展的方向转移，手段包括 采用新技术、创新性地使用现有技术、数字化和数据驱动的经营模式等。 预计电力市场交易依然会是灵活性的主要驱动力，而市场设计将不断演 进，从而推动灵活性水平的提升，并最终于 2030 年之前，实现丹麦电 力系统的 100%可再生能源化。
随着风光发电占比不断提升，灵活性资源由电源侧向用户侧转移。丹麦 和欧洲整体上都通过市场调度运行推动灵活性措施的发展的，方式就是 通过经济激励反映市场的需求，让市场通过价格信号展示需求，进而引 导电力运营商优先部署成本最低的措施。在可再生能源占比不高的阶段， 依托于成本优势，灵活热电厂是最重要的灵活性来源，除此之外发展完 善的联网线路在这个阶段同样发挥了重要作用。随着可再生能源比重的继续提高，电力系统对灵活性的需求也随之增长，此时需要引入更加先 进的预测和调度系统，以应对更加频繁的灵活性需求。随着传统的热电 联产厂逐步淘汰，必须通过电气化等手段拥有其他的灵活性来源。此时 仅凭电力供应端预计无法提供足够的灵活性，还须进一步推动电力、供 热、交通和天然气系统之间的部门耦合。最后当可再生能源比重超 50% 后，灵活性资源的重心向需求侧偏移，以中大型公司和聚合商为主的电 力消费者将广泛积极参与。
2.电力系统灵活性需求提升，火电或将率先发挥作用
2.1.电力系统调节需求丰富，调节方向及时间尺度是重要指标
新型电力系统对灵活性要求明显增加。通常来说，电能不易于大规模、 长时间储存，因此无论是以化石能源为主的传统电力系统还是新能源占 比逐渐提高的新型电力系统，电力供需平衡都是电力系统的核心。我国 火电机组为电源的主力机组，其相对来说较为稳定可控，并方便协调规 划，因此电力系统中对灵活性需求较弱。新能源的波动性、不确定性以 及需求侧用电特性的显著变化都加大了保障电力平衡的难度，对电力供 需调节速率及调节幅度的要求明显增加，体现为各类资源需要更为灵活地调节发电出力或用电需求以满足供需平衡。
电力系统调节需兼顾向上与向下调节场景。根据电力供给与需求的关系 可分为两个应用场景，分别对应电源侧和用户侧在动态平衡中的调整方 向。若供给向上灵活性和需求向下灵活性总和不足，系统电力安全和电 能质量难以保障，严重时会导致失负荷情况，影响社会生产生活。若供 给向下灵活性和需求向上灵活性总和不足，会导致弃风、弃光或弃水等 资源浪费情况，损害电力系统发电经济性，一定程度上限制新能源发展 的积极性。
电力系统调节可分为短、中、长三种时间尺度。按照系统供需起始状态 所跨的时间尺度和调节持续时间不同，将灵活性需求划分为短时间尺度、 中时间尺度和长时间尺度三种类型。系统灵活性在时间尺度上与电力系 统安全性和容量充裕度存在耦合关系，短时间尺度的灵活性包含电力系 统抗瞬时扰动保障电力质量的能力，长时间尺度灵活性中的向上长时间 尺度灵活性体现电力系统满足容量充裕度的能力。从短时的秒级至长时 间尺度的跨季节乃至年度灵活性具有连续性，短、中、长时间尺度灵活 性不是割裂存在的，更长时间尺度的灵活性部分隐含了更短时间尺度的 灵活性。
不同时间尺度灵活性对应不同需求。高比例风光发电的随机波动性影响 下，电力系统短时功率波动的频度和幅度都更为复杂且剧烈，短时间尺 度灵活性能够更好地调整供需功率波动，保证系统频率稳定，发挥功率 价值。风光发电的反调峰特性使得风光发电电量消纳难题突出，中时间 尺度灵活性主要解决小时级的有功功率平衡问题，其中供给（需求）向 下（上）灵活性通过跨小时的持续作用能够促进风光消纳，提高电力系 统发电经济性，发挥功率和能量双重价值。新能源发电占比不断提高， 但其对于传统稳定电源主要是电量替代作用，缺少容量替代效益，使 得负荷高峰时段容量充裕性短缺问题凸显。而长时间尺度灵活性，尤 其是供给向上和需求向下长时间尺度灵活性，是经济地满足电力跨月、 跨季节乃至跨年供应安全的有效手段，主要体现容量价值。
2.2.电力系统各环节均可提供灵活性，电源侧率先参与具备成本优势
电力系统中灵活性资源：电源侧、电网侧、用户侧、储能。电源侧灵活 性资源包括可控的传统电源水电、核电、火电和相对可控可调度的可再 生能源（光热、生物质、地热等）等，其中火电又分为燃气、燃油和燃 煤机组。传统的可控电源装机容量大、输出稳定，但同时调节能力较弱、 启动时间较长，其灵活性调节能力有限。电网是输送电力的载体，也是 实现电力系统灵活性的关键，目前主要可以通过灵活交流输电系统、互 联互济以及微电网等技术和方式来提供灵活性调节。用户侧电力需求管 理是电力系统灵活性的重要提供源，通过采取措施引导用户优化用电方 式，不仅可以平抑用电负荷的波动性、减小负荷的峰谷差、提高电网利 用效率，还能够通过调动负荷侧的响应资源来满足系统灵活性需求，保 障系统的安全可靠运行促进更多可再生能源的消纳。需求侧灵活性资源 包括负荷需求响应、电动汽车和虚拟电厂等。储能技术作为一种新型技 术，在负荷低谷时存储电量，在高峰时释放电量。储能通过对电能供需 时间上的平移提供灵活性，实现削峰填谷、平衡供需，提高系统稳定性。 储能技术与可再生能源结合利用时，可以平抑可再生能源发电的间歇性 和波动性，促进可再生能源的消纳。
电源侧各类资源仍将长期发挥关键作用。在电源侧，气电和水电是优质 的灵活调节电源，我国煤电拥有存量装机容量高、灵活性挖潜空间大的 天然优势，结合调峰补偿机制的完善今后势必会成为重要的灵活性资源。 电网侧灵活性资源更多的承担统筹送受端调峰安排，制定更加灵活的电 网运行方式，有利于实现跨省、跨区共享调峰与备用资源。在负荷侧， 可大力发展需求响应，设计合理的激励资金保障机制，优化峰谷电价和 尖峰电价机制，结合现货市场建设探索实时电价，优化电力市场的供需 平衡。储能侧也是优质的灵活性资源，然而目前主要面临着投资成本过 高的不足，其盈利模式有待持续探索。据《源网荷储协调发展下我国电 力系统灵活性资源展望》基于我国电力发展展望预估，从全国整体来看， 源、网、荷、储四个环节灵活性资源比重将由当前的以电源调节为主逐 步演变为 2035 年的 61%∶12%∶10%∶17%，电源侧各类资源仍将长 期发挥关键作用。
2.3.我国资源禀赋下煤电必将成为重要灵活性资源，设备改造空间较大
我国资源禀赋特性决定了煤电必将成为提升电力系统灵活性的重要手 段。我国电力系统中灵活调节电源配比较低，与可再生能源装机世界第 一的现状不匹配，煤电机组灵活性改造仍有较大空间。可控传统电源装 机容量大、输出稳定，但同时调节能力较弱、启动时间较长，其灵活性 调节能力有限。在主要的灵活性电源中，传统煤电由于其调控幅度小、 机组爬坡速率低不适合直接参与深度调峰，但基于我国“富煤缺油少气” 的资源禀赋决定了燃煤机组的主导地位，因此各省尤其是抽水蓄能电站 较少的省份和热电联产机组居多的“三北”地区，均采用燃煤机组和热 电联产机组调峰作为提升电力系统灵活性的必要手段。
煤电机组实现深度调峰必须经过相应的灵活性改造。一般煤电机组最小 出力为额定出力的 70%，燃气电厂最小出力为额定出力的 50%。系统的 调峰是调频之外的向上与向下的出力变化（15 分钟到小时级），以保持 系统的实时平衡。而深度调峰就是受电网负荷峰谷差较大影响而导致各 发电厂降出力、发电机组超过基本调峰范围进行调峰的一种运行方式。 深度调峰的负荷范围通常低于电厂锅炉的最低稳燃负荷。通过热电解耦、 低压稳燃等技术改造，煤电机组的最小稳定出力可以降至 20%-30%的 额定容量，电力系统的向下调节能力有所提升。
我国煤电机组改造空间较大。灵活性改造后煤电机组能够显著提高运行 灵活性，即适应出力大幅波动、快速响应各类变化的能力。目前，国内 煤电灵活性改造的核心目标是降低最小出力、快速启停、快速升降负荷 等，其中降低最小出力即增加调峰能力，是目前最为广泛和主要的改造 目标。煤电机组的最小稳定出力在通过热电解耦、低压稳燃等技术改造 后，在纯凝工况下可以降至 20%-30%的额定容量，供热工况下也能降 至 50%左右，有效避免通过增加启停次数的方式消纳新能源，能显著减 少排放、降低成本。未改造前的煤电机组爬坡速率一般为 1-2%额定容 量/分钟，经过改造后部分新机组的爬坡速度可达到3-6%额定容量/分钟。 煤电机组的热态启动一般为 3-5 小时，通过技术改造目前国际最先进燃 煤机组的热态启动时间可短至 1.5-2.5 小时左右，而冷态启动需要 10 小 时。新能源渗透率较低的阶段，系统短时调频需求靠抽蓄、气电和优质 煤电能够满足，而数小时级的调节能力是电力系统所亟需的，故而从技 术上看，当前煤电灵活性改造是我国电力系统调节能力提升的关键手段 和最主要的调节能力增量来源。
“三北”地区热电联产机组改造需求强。我国集中供暖需求与全社会用 电量需求增长呈正比关系，随着城镇发展而上升，其中北方地区城市集 中供热占比 80%。目前北方供热以燃煤为主，地位稳定，城镇热电联产 面积占总供暖面积 45%，其中锅炉占比 32%。全国供热面积保持增长， 热力供应总量增速稍缓，据《2021 年中国城市建设状况公报》数据显示， 截至 2021 年末，我国集中供热面积 106.03 亿平方米，同比增长 7.30%； 热力供应总量 2020 年超过 40 亿吉焦，2021 年达到 42.88 亿吉焦，同 比增长 4.58%。热电厂在蒸汽集中供热和热水供热方面的供热能力和总 量中均有绝对优势，未来燃煤锅炉将会逐步淘汰，热电联产供热占比将 稳定增长。冬季在保证供热的基础上，热电机组调峰能力往往仅为发电 装机容量的 10%左右，因此热需求很大程度上限制着常规机组电出力的 调节能力，要提升这部分机组的运行灵活性，必须通过灵活性改造在满 足热需求基础上实现热电解耦。
3.火电灵活性改造旨在降低最小负荷率和提升爬坡速率
3.1.火力发电厂包含多个分系统，燃烧系统是改造的核心
火力发电厂的主要设备系统包括：燃料供给系统、给水系统、蒸汽系统、 冷却系统、电气系统及其他辅助处理设备。火力发电一般是指利用石油、 煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压 水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式的总称。以煤、石油 或天然气作为燃料的发电厂统称为火电厂。火力发电系统主要由燃烧系 统、汽水系统、电气系统、控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽； 电气系统实现由热能、机械能到电能的转变；控制系统保证各系统安全、 合理、经济运行。
燃烧系统由输煤、磨煤、燃烧、风烟、灰渣等各部分构成。目前，国内 新建成的电厂主要配套 300MW 及以上的机组，采用强制循环或自然循 环汽包炉，蒸发量为 1000t/h。锅炉四壁均匀分布喷燃器，向炉膛内喷 入煤粉，使其以螺旋方式向上燃烧。锅炉顶端装有储水和蒸汽汽包，内 部有一套汽水分离设备，炉膛内高温火焰将水加热成汽水混合物，再由 炉外下降管降压。风烟装臵通过送风机将冷风加热分两部分方式进入炉 膛，再经引风机将炉膛内产生高温烟气沿烟道送入烟囱排出。
3.2.降低最小稳定出力和提升爬坡速率是关键目标
灵活性改造目标：运行灵活性主要是指深度调峰能力、快速爬坡能力和 快速启停能力，其中深度调峰能力是指火电机组具有较大的变负荷范围， 对于热电机组是指通过热电解耦减少高峰热负荷时机组出力的能力。提 高火电灵活性主要是指增加火电机组的出力变化范围，响应负荷变化或 调度指令的能力，多数情况下是指增加火电机组在低负荷时的稳定、清 洁、高效运行能力。常见的火电机组可分为纯凝机组和热电联产机组， 二者工作原理不同改造的方式也不同。
纯凝机组灵活性改造：纯凝机组具有低负荷运行能力强，负荷调节灵活 的优势。纯凝工况灵活性提升技术路线主要包括深度调峰和快速响应。 其中深度调峰包括四方面的改造路径：锅炉侧、汽机侧、环保侧和控制 侧。锅炉侧主要包含稳燃技术、制粉系统改造和风机改造等部分；汽机 侧包含滑压曲线优化、末级叶片安全校核、阀门升级改造、寿命检测和 评估等部分；环保侧主要实现宽负荷脱硝；控制侧包括 AGC 协调系统 优化、过热和再热汽温优化、锅炉燃烧优化控制。快速响应除主汽节流 调节外还包括凝结水节流调节、给水旁路调节。为进一步提升纯凝机组 的灵活性就需要解决制煤、锅炉、汽机、辅机、控制、排放系统的低负 荷运行适应性问题。重点需要关注低负荷运行下的排放和机组寿命问题。
快速启停/爬坡改造路径：改善纯凝机组爬坡率、快速响应负荷变化，具 体改造路径包括：燃烧煤种预处理、优化制供粉系统、新型材料减薄壁 厚、和优化运行操作流程等方式。目前通常采用凝结水截流技术优化汽 轮机凝气汽出口阀门或者提高燃料热值的办法，其中燃料热值越高，机 组爬坡能力越强，但经济性较差，采用快速改变凝结水至除氧器调整门 开度来改变凝结水流量，可使整个机组效率提高，经济性明显提高。
热电联产机组灵活性改造：对于热电联产机组来说，“以热定电”方式导 致机组出力难以降低，特别是在弃风弃光严重的三北地区热需求大，热 电机组占比高，供热季调峰十分困难。改变供热地区电力发展现状的关 键在于对机组进行热电解耦改造，而热电解耦改造主要包括：储热水罐/ 熔盐罐、电极锅炉/固体电储热锅炉、切除低压缸、高背压改造、汽轮机 旁路供热、余热供热等技术路线。
4.辅助服务市场加速建设，火电灵活性运行具备经济性
4.1.辅助服务调节电力供需，火电参与深度调峰获得补偿
辅助服务实现调节电力供需偏差。电力供需的平衡调节同样需要完善的 电力市场交易机制，合理的市场交易机制可以让市场通过价格传递灵活 性价值信号，引导系统中已有的灵活性释放或激励灵活资源投资建设。 在计划体制下，“源随荷动”的思路以及“三公调度”方式使得电源发电 计划人为确定且不易更改，这也使得我国的电力系统机制较为僵化，尤 其是在风光发电份额快速提升的当下，电力市场机制需要改革，一方面 激活电力系统的灵活性，另一方面可对电力供需进行优化调度进而提高 买卖双方的经济性。随着新能源渗透率提高和负荷需求复杂多变，电力 供需预测无法完全准确，实时运行中的偏差需要辅助服务市场中的资源 平衡，例如提供调峰、二次调频、爬坡、稳定切机、稳定切负荷等辅助 服务。
电力市场建设不断推进，火电深度调峰发挥重要作用。我国的电力市场 建设稳中有进，辅助服务市场建设方面，在过去电力现货市场尚未建立 的背景下，部分区域市场为增强电力系统灵活性，减小峰谷负荷差，推 出了调峰辅助服务产品。当电力系统出现供需不平衡时，火电机组在接 受电网调度指令后开始调峰，减小出力提供深度调峰服务，当出力水平 低于深度调峰基准线后，可以获得调峰补偿。东北、华北、华东和西北等辅助服务市场均包含调峰产品，其中深度调峰辅助服务有效的激励了 燃煤热电联产机组灵活运行。以东北区域为例，2016 年东北区域将火电 深度调峰（即火电出力调节到额定出力 50%以下）定义为“有偿调峰服 务”，2017 年东北地区在装机仅增长 2%的基础上，新能源发电量增长 了 22%，体现了当时深度调峰辅助服务市场机制释放了中时间尺度灵活 性，有效促进新能源电量的消纳。2018 年，东北区域常态新挖掘火电调 峰潜力 400 万千瓦以上，全网风电受益电量共计 179 亿千瓦时，缓解了 东北电力系统低谷调峰困难局面，保障了电力系统安全稳定经济运行。
4.2.我国辅助服务市场高速发展，深度调峰依旧为稀缺资源
我国辅助服务市场以调峰、调频和备用为主。据国家能源局综合司通报 2019 年上半年电力辅助服务有关情况显示，全国除西藏外 31 个省（区、 市、地区）参与电力辅助服务补偿的发电企业共 4566 家，装机容量共 13.70 亿千瓦，补偿费用共 130.31 亿元，占上网电费总额的 1.47%。从 电力辅助服务补偿总费用来看，补偿费用最高的三个区域依次为南方、 东北和西北区域，西北区域电力辅助服务补偿费用占上网电费总额比重 最高，为 3.27%，华中区域占比最低，为 0.36%。从电力辅助服务补偿 费用的结构上看，调峰补偿费用总额 50.09 亿元，占总补偿费用的 38.44%；调频（西北区域调频为 AGC 加一次调频，其他区域调频为 AGC） 补偿费用总额 27.01 亿元，占总补偿费用的 20.73%；备用补偿费用总 额 47.41 亿元，占比 36.38%。
辅助服务中调峰市场份额大，火电机组发挥重要作用。从分项电力辅助 服务补偿费用来看，调峰、调频和备用补偿费用占总补偿费用的 90%以 上。其中，东北区域调峰补偿力度最大，西北区域调频补偿力度最大，南方区域备用补偿力度最大。总体来看，南方区域整体电力辅助服务补 偿力度最大。火电参与辅助服务获得的补偿最高，2019H1 达 120.62 亿 元，远高于其他类型电源。补偿费用主要来自发电机组分摊费用，合计 114.29 亿元，占比为 87.71%，个别省份的外来电也参与了辅助服务费 用的分摊。随着各地区辅助服务交易制度逐步细化，未来将有越来越多 的用户侧也将参与分摊，共同助力电力交易市场有序发展。
深度调峰仍为稀缺资源，率先完成改造的火电机组有望获益更多。合理 的交易政策可以促进灵活性资源的释放，随着各区域能监局、地方能监 办陆续推出电力辅助服务市场运营细则，火电机组参与调峰可根据出力 情况得到不同的标准的补偿。调峰档位的细化以及深度调峰补偿标准的 提高均刺激火电机组进行灵活性改造，以增强调峰能力。补偿是市场调 节的重要手段，当前深度调峰资源仍较为稀缺，因此可以看到各地区都 给予了较高的补偿水平，因此越早完成灵活性改造的基础有望受益更多， 待大部分机组完成灵活性改造后或市场上灵活性资源丰富后，调峰机组 的补偿价格也会趋于平稳。
4.3.火电灵活性改造试点项目加速推进，“十四五”规划改造 2 亿千瓦
火电灵活性改造试点项目陆续完成，热储能改造较多。2016 年，国家 能源局下发了两批次煤电灵活性改造试点项目清单，共计 22 个，总规 模为 1699 万千瓦，其中 15 个项目位于东北三省，其余分布在内蒙古、 甘肃、广西和河北。22 个火电项目中有 2 个涉及纯凝机组改造，其余均 为供热机组灵活性改造。在这 22 个火电厂灵活性改造试点项目中，采 用最多的是热储能技术，占比达到其中采用单罐热水储能技术的电厂有 7 个，采用电热固体储热和电极锅炉项目的电厂有 6 个，采用低压缸零 出力技改的电厂有 2 个，采用汽轮机低压缸高背压改造的电厂有 1 个， 涉及制煤和稳燃脱硝系统改造的电厂有 4 个。截至 2020 年 10 月，22 个项目中的 8 个火电项目已经改造完成。
存量机组应改尽改，“十四五”规划改造 2 亿千瓦。“十三五”期间，由 于缺乏有效的刺激政策以及灵活的市场机制，改造进度大幅低于预期。 据《国家电网 2021 年服务新能源发展报告》统计数据，“十三五”期间 国家电网经营区内累计完成火电机组改造 1.62 亿千瓦，其中“三北”地 区完成火电机组容量改造 8241 万千瓦，增加调节能力 1501 万千瓦。国 家发展改革委和国家能源局于 2021 年 10 月 29 日共同发布《全国煤电 机组改造升级实施方案》，针对灵活性改造制造，存量煤电机组灵活性改 造应改尽改，“十四五”期间完成 2 亿千瓦，增加系统调节能力 3000-4000万千瓦，以促进清洁能源消纳。“十四五”期间，实现煤电机组灵活制造 规模 1.5 亿千瓦。推动具备条件的纯凝机组开展热电联产改造，优化已 投产热电联产机组运行，继续实施煤电机组灵活性制造和灵活性改造， 综合考虑技术可行性、经济性和运行安全性，现役机组灵活性改造后， 最小发电出力达到 30%左右额定负荷。
新版两个细则颁布，补偿费用分担将向用户侧转移。2021 年 12 月发布 修订版《电力并网运行管理规定》和《电力辅助服务管理办法》（简称新 版“两个细则”）提出辅助服务费用按照“谁提供、谁获利；谁受益、谁 承担”原则确定补偿方式和分摊机制，按照“补偿成本、合理收益”的 原则确定补偿力度，补偿费用由发电企业、市场化电力用户等所有并网 主体共同分摊。
4.4.火电灵活性改造成本较低，灵活性改造运行已具有经济效益
电力系统灵活性的成本构成。电力系统灵活性的成本可分为显性成本和 隐性成本，显性成本包括前期投资建设成本和灵活运行带来的成本增量 等，隐性成本则包括常规机组提供灵活性后产生的设备加速损耗或寿命 加速缩减。成本构成分为四个部分：资源投资建设或改造的固定资产投 入、灵活性资源在运行时提供灵活性导致的可变成本增量、参与灵活运 行相对于正常发电运行的设备额外损耗、放弃发电而选择提供灵活性调 节能力造成的发电收益损失机会成本。
改造火电提供灵活性具有明显的成本优势。煤电灵活性改造的重点是降 低最小稳定出力，由于机组间改造投资差异明显，不同机组特征、改造 目标、燃料特性等条件都将带来改造投资的巨大差别，根据《电力系统 灵活性提升：技术路径、经济性与政策建议》报告估算，30 万千瓦和 60 万千瓦纯凝汽机组最小稳定出力由 50%降至 30%的单位千瓦改造成 本在125 元/千瓦左右，按单位千瓦灵活性调节容量折算为 625元/千瓦； 对于 30~60 万千瓦的大型热电厂，热电解耦需配臵 2 万~7 万立方米的 储热罐，投资成本一般为 4000~8000 万元，按热电解耦后机组供热工况 下最小出力由 80%降为 50%折算，提升供给向下灵活性空间的改造成本 为 444 元/千瓦。低负载运行状态下，机组供电煤耗和污染物排放明显增 加，由此生产相同电量产生的额外燃料成本和排放成本应计入煤电灵活 性成本。根据《煤电机组改造应注意什么》报告研究显示，超超临界机 组负荷从 50%下调到 40%额定负荷运行，供电煤耗将增加约 14 克/千瓦 时，从 40%降低到 30%额定负荷运行，供电煤耗将增加 20 克/千瓦时左右。气电则受限于燃料成本占比较高，叠加初始建设成本较高，相对来 说经济性不及火电改造。储能侧抽水蓄能投资成本远高于电源侧的灵活 性资源，并且建设周期长。电化学储能同样面临着投资建设成本高、寿 命较短、存在退役处臵成本等弊端，其经济性相对来说也不及火电改造。
煤电机组灵活性改造后深度调峰运行经济性测算：
（1）基本参数：选取 300MW 的煤电机组，假设未改造时最低稳定负荷 率为 50%；根据中电联数据，假设年利用小时数与 2021 年全国平均水 平一致为 4586 小时；根据国家能源局统计数据，假设煤电机组煤耗与 2021 年全国平均水平一致为 0.3025kg/kWh；煤价取秦皇岛港下水煤 （5500 千卡）中长期交易价格上限 0.77 元/kg；上网电价按平均燃煤标 杆 0.37 元/kWh 上浮 20%取 0.45 元/kWh。
（2）改造参数：根据《电力系统灵活性提升：技术路径、经济性与政 策建议》报告调峰容量改造造价取中枢值 0.65 元/W；拟改造最低负荷 率为 30%；每日深度调峰时长为 1h；假设机组负荷率由 50%下降至 30% 煤耗增加为中枢值34g/kWh，即负荷率每降低1%，煤耗增加1.7g/kWh； 调峰补偿标准假设负荷率 50%~30%区间均为 0.4 元/kWh；根据《中国 煤电成本分析与风险评估》研究表明，我国煤电机组平均服役年限约为 12 年，按照设计寿命 30 年，假设完成改造后折旧年限为 20 年。此外， 假设改造使用自有资金进行，忽略机组负荷率高时产生的分摊费用。
（3）煤电灵活运行经济性：基于以上基本参数和改造假设，对于 300MW 的煤电机组来说，改造需要的总投资为 3900 万元，参与调峰每年补偿 收入为 775.22 万元，因调峰引起的发电量减少的收入为 974.67 万元。 由于机组负荷率下降煤耗减少价值 504.50 万元，参与深度调峰增加的煤 耗价值 85.06 万元，因此调峰期间总煤耗减少价值 419.44 万元。折旧为 195 万元，最终计算得到税前利润增加 25.00 万元。在当前的假设下， 调峰补偿标准达 0.4 元/kWh 时，火电灵活性运行具有经济性。
敏感性测算：对火电灵活性改造参与深度调峰运行的税前利润变动受补 偿标准、每日参与调峰时间、改造最低负荷、煤价、改造单价和折旧年 限等因素的影响进行敏感性分析。
偿标准：补偿标准是影响参与调峰盈利与否的最直接因素，通过对比 不同补偿标准可以看出，在上网电费在 0.45 元/kWh 的假设下，调峰补 偿标准 0.25 元/kWh 时，参与调峰不具备经济性，出现了随调峰时长增 加净利润持续恶化的情况。当补偿标准在 0.3 元/kWh 及以上时，随着参 与调峰的时长增加均存在盈利的可能，当补偿标准达 0.4 元/kWh 时，每 天参与调峰 1 小时即可实现正收益。详细计算结果表明，补偿标准 0.29 元/kWh 时为灵活性运行的盈亏平衡点。
西北、东北、南网地区补贴力度较大，有望率先激活灵活性改造市场。 通过对比各地区补贴正常可以看出，风光并网进展较快的甘肃、青海、 宁夏、陕西地区深度调峰补偿报价上限较高，参与调峰获得收益的机会越大。此外东北地区受供热需求影响，供暖季低于 40%负荷率的报价上 限达 1 元/kWh，具有较好的经济性。南网地区补偿标准普遍较高，除广 西省外补偿上限均超过 0.9 元/kWh，高额补偿或将大幅提升运营商的灵 活性改造意愿，引导煤电机组加速转型。
调峰时长：调峰时长直接影响调峰补偿和煤耗，对税前利润有较大的影 响。调峰时间的增长可以使调峰补偿明显增加，同时由于补偿期间减少 煤耗，也使得燃料成本大幅减少，共同推动盈利水平大幅提升。当补贴 标准超过盈亏平衡点后，煤电机组越多参与深度调峰，其盈利水平越高。
改造最低负荷：改造最低负荷直接影响改造成本、发电煤耗和补偿，为 了方便对比，假设改造的单位成本不受负荷率的影响，依旧为 0.65/W， 同时假设调峰补偿各负荷率下保持一致。可以看出平稳运行的最低负荷 越低以及补偿标准越高，其灵活性运行的经济性越好。当机组可以实现 20%时，补偿标准略高于 0.35 元/W 时即可实现盈亏平衡，而实际情况 下，负荷率越低时，其对应的阶梯补贴更高，因此具有深度调峰能力的 机组经济性非常优异。
煤价：煤价直接影响机组运行的成本，对税前利润有较大影响。从测算 模型可以看出，煤价的增加会大幅提升机组在深度调峰时负荷率降低带 来的燃料成本的节省，因此也使得在煤价维持高位的状态下参与调峰的经济性凸显。当煤价在 770 元/吨的基础上浮 20%时，即使补贴电价为 0.35 元/kWh，年税前利润也为正。对于中小型规模的煤电运营商来说， 若煤价成本较高，可考虑更多参与深度调峰服务以获得超额收益。
调峰容量改造造价：调峰容量改造造价直接影响投资成本进而影响折旧， 对税前利润有一定的影响。在当前的测算结果中，当调峰补偿标准为 0.4 元/kWh 时，在最高改造造价 0.75 元/W 时可接近实现盈利，而若补偿标 准降为 0.35 元/kWh，则需改造造价低于 0.45 元/W 时方可接近盈利。
折旧年限：折旧年限影响每年分摊费用进而影响税前利润。折旧年限越 长，平均每年的折旧费用越少，税前利润水平越高。在当前的测算结果 中，对于折旧年限为 10 年的煤电机组，需要平均调峰补偿为 0.5 元/kWh 时方可实现正收益。因此对于运营商来说，投运年限较少的机组进行灵 活性改造收益更高。
5.投资分析
5.1.华光环能：煤粉预热燃烧技术降低煤电机组负荷率
锅炉制造业务起家，能源与环保并行发展。公司前身无锡锅炉厂，自 1958 年成立以来深耕锅炉的设计与制造领域，先后开发了煤粉燃烧、流化床 燃烧、炉排燃烧等具备多种燃烧方式并适应不同煤种的燃煤锅炉。2017 年公司向国联集团发行股份吸收合并国联环保，开启环保主线。2021 年，公司控股收购了中设国联无锡新能源发展有限公司 58.25%的股权， 拓展进入光伏发电运营领域，优化调整了自身能源结构，巩固自身行业 地位。据 2022 年半年报披露，公司目前拥有 37 个成熟光伏运营项目， 装机容量 277.45MW，在运营及在建的燃机装机量为 594MW。公司热 电运营项目较为优质，现金流水平较好，助力公司不断完善业务细分板 块，实现能源与环保多层级业务全覆盖。
煤粉预热燃烧技术进入中试阶段，五大优势完美适煤电配灵活性改造。 公司与中科院合作研发，基本完成了煤粉预热燃烧的关键技术和中试研 究。煤粉预热技术通过使用小型流态化装臵作为燃料预热装臵，将燃料 的预热和燃烧分开，燃料先在预热燃烧器中加热，再进炉膛燃烧。具备 如下优势：（1）可以通过燃料自身热量维持预热温度，无需外界热量的 加入。（2）预热至着火点以上再进入炉膛，着火容易，可燃烧多种燃料。 （3）预热将燃料改性，通过预热燃烧器实现粉状燃料改性，效率高，磨 损少。形成含有煤气和高活性半焦的高温气固混合燃料后再进入炉膛悬 浮燃烧，提高反应活性，提高燃尽率。（4）强缺氧气氛预热，实现源头 和多级脱氮，成功实现“煤氮定向转化+深度分级燃烧”技术路线，降 低 NOx 排放。（5）可以在 15~115%负荷范围内连续稳定运行，无需投 油助燃。
兼顾宽负荷率和低 NOx 排放，同时大幅降低环保开支经济性较好。煤 粉预热燃烧技术可以降低锅炉负荷率水平，提升火电机组的灵活性。相 比于其他改造路线，煤粉预热技术可以实现较为深度的改造，一方面可 以将机组最低负荷率降低至 15%左右，使机组可以在超低负荷率下稳定 运行；另一方面“煤氮定向转化+深度分级燃烧”技术可以大幅减少 NOx 的排放，据全俄热能研究所的研究表明，在实验平台上煤粉预热温度在 815℃时，NOx 生成量会下降 80%。因此煤粉燃烧预热技术可以大幅减 少脱硝环节氨水和 SCR 催化剂的使用，因此可以同时减少煤电机组环 保支出，无论是否参与调峰，其经济性都更好。并且改造不涉及锅炉本 体，因此改造周期短安全性高，改造机组可快速投产参与深度调峰，获得高额收益。
公司营收增长稳定，归母净利润受原材料上涨叠加疫情影响增长放缓。 公司聚焦环保+能源领域，主营业务包括环保设备、地方热电运营服务、 市政环保工程及服务、节能高效发电设备、电站工程及服务和环保运营 服务六项。2022 年上半年，公司的营业总收入为 41.75 亿元，同比增速 为 10.57%。受上游原材料涨价以及疫情散发带来的影响，公司的盈利 水平增速放缓，归属母公司股东的净利润为 3.98 亿元，同比持平。
毛利率稳步提升，管理费用率大幅下降。2022 年上半年，销售毛利率为 19.94%，较上年小幅度增加，延续了稳步上升的趋势。净利率为 11.04%， 较 2021 年末增长了 0.75%。公司的期间费用以管理费用为主，管理费 用率、财务费用率、销售费用率分别为 5.49%、1.34%、0.72%，其中， 管理费用率较 2021 年末大幅下降，销售费用率小幅下降，财务费用率 小幅上升。
锅炉制造行业二梯队前列，进行灵活性改造具备客户优势。公司为中大 型电站锅炉制造企业，在锅炉制造领域处于国内第二梯队前列。据公司 公告，在热电运营领域，公司为无锡地区龙头，占无锡市区热电联产供 热市场的 70%左右。同时，公司拥有国内供热距离最长的多热源、大规 模蒸汽集中供热系统，实现了燃煤燃气联合供应、跨区域供热的格局。 公司业务不断向省外、国外拓展，根据公告发布的合同公告，近年来先 后向惠州、陕西等地提供余热锅炉产品，除此之外，还通过与中国电力 顾问集团公司向越南提供余热锅炉设备。公司与一梯队大厂错位竞争， 深度覆盖 30 万千瓦以下机组，与客户维持良好的关系，为灵活性改造 提供先发客户优势。
5.2.青达环保：全负荷脱硝和蓄热器共同助力灵活性提升
火电节能环保装备龙头，全负荷脱硝系统保障低负荷率工况排放达标。 青达环保 2006 年成立于山东青岛，致力于节能降耗、环保减排设备的 设计、制造和销售，主营业务包括：1）炉渣节能环保处理；2）烟气节 能环保处理；3）清洁能源消纳；4）脱硫废水环保处理。其中全负荷脱 硝系统实现了燃煤电厂超低排放的环保要求且解决了锅炉低负荷运行时 烟温不达标问题。
全负荷脱销技术助力火电深度调峰。常规 SCR 脱销工艺的烟气温度在 300~420℃之间，不能达到深度调峰的要求。针对锅炉低负荷调峰运行 启动时 SCR 入口烟温低的情况，公司全负荷脱硝系统通过锅炉省煤器 水侧调节技术，减少锅炉省煤器内工质从烟气侧的吸热量，从而提高 SCR 装臵进口烟气温度，保证锅炉在全负荷区间脱硝烟温在 300℃及以 上，满足低负荷及深度调峰时脱硝系统正常运行的要求，降低污染物排 放，缓解空预器堵塞问题，确保锅炉长期的高负荷能力。与市场上的宽 负荷脱销改造技术对比，公司的脱销技术可以做到 0%负荷，完全满足 低负荷及深度调峰时脱硝系统运行要求。
布局三种技术路线方案，全面辅助优化全负荷脱硝。公司针对全负荷脱 销系统，有三种技术方案：给水旁路、热水再循环和复合热水再循环， 分别可达到 10~20℃、30~50℃、30~50℃的最佳加热温度。市场的主流 宽脱销技术路线主要是省煤器外部烟气旁路技术和省煤器给水旁路技术。 公司水旁路技术为核心技术，分为亚临界机组和超临界/超超临界机组， 公司水侧调节技术方案与其他技术方案相比：1）占用空间和现场施工量 较小；2）改造工期短、投资费用不高、后期维护较少；3）系统简单、 可动态调节 SCR 入口烟温；4）当锅炉在高负荷下 SCR 入口烟温满足 要求时，可关闭此系统，维持锅炉的整体效率不变。负荷热水再循环技 术属于水旁路和热水再循环分案结合的改进措施，对于不带启动炉水泵 的超临界或超超临界机组，从分离器出口引出的热水再循环系统可充当 锅炉启动系统用。
公司营收和归母净利润呈持续增长态势。2022 年上半年，公司的营业总 收入、营业利润分别为2.14亿元、0.12亿元，同比增速为23.67%、45.72%。 归属母公司股东的净利润为 0.06 亿元，同比增速为 70.41%。
毛利率水平较高，期间费用率有所增长。2022 年上半年，公司的毛利率、净利率分别为 35.24%、4.65%，毛利率较 2021 年末有较大幅度增长， 而净利率水平受原材料涨价及疫情影响出现较大幅度下降。公司期间费 用率较 2021 年末均有所上升，销售费用率、管理费用率、财务费用率 分别为 10.28%、11.68%、2.34%。
提前布局精准卡位，全负荷脱硝业务高速发展。公司在火电灵活性改造 领域布局清晰，产品主要包括全负荷脱硝系统（环保侧）和清洁能源消 纳系统（调峰侧）两大类。全负荷脱硝业务受益火电灵活性改造东风， 营收爆发性增长，毛利率保持较高水平。2018-2021 年公司全负荷脱硝 系统业务营收由 0.3 亿元迅速增至 1.3 亿元，整体业务呈现爆发态势， 由于全负荷脱硝改造技术壁垒较高，随着十四五火电灵活性改造需求的 爆发，该业务有望持续快速增长，毛利率水平较高盈利能力较好。
5.3.西子洁能：余热锅炉优势明显，熔盐储能同步受益
余热锅炉龙头，三大产业布局逐步完善。公司成立于 1955 年，2022 年 正式由杭锅集团更名为西子洁能。主要从事余热锅炉、清洁环保能源发 电装备等产品的咨询、研发、生产、销售、安装及工程总承包业务，为 客户提供节能环保设备和能源利用整体解决方案，是国内规模最大、品 质最全的余热锅炉研发基地，具有重要的行业地位。通过不断布局完善， 目前公司已经形成了新能源、新装备、新服务三大产业布局，涵盖环保 节能和能源利用领域核心业务。从产品结构来看，解决方案业务营收贡 献持续扩大，由 2020 年营收占比 18.02%大幅提升至 2022H1 营收占比 的 40.16%；其他业务方面，余热锅炉、清洁环保能源装备、备件及服 务业务营收占比分别为 34.66%、12.88%、12.29%。
公司营业收入持续增长，成本增长导致利润下降。随着公司销售业务扩 大，营业收入呈现高速增长态势。2022H1，营业收入达 35.11 亿元，同 比增长 25.85%。原材料涨价导致营业成本大幅增长 38.02%，超过营业 收入涨幅，归母净利润为 0.98 亿元，同比下降 61.43%。
锅炉业务营收上升，熔盐储能或将受益灵活性改造。2022H1，公司余热锅炉营业收入 11.92 亿元，同比上升 24.69%，充分发挥公司在余热 锅炉生产中的领先地位优势。据 2022 半年报披露，公司受让了赫普能 源环境科技股份有限公司 14%股权，未来将共同深入参与火电灵活性调 峰储能改造多种解决方案。另根据公司公告，2022 年 9 月 16 日，公司 受让深圳市恒鑫汇诚股权投资中心（有限合伙）持有的赫普能源 1.2% 股权。本次交易完成后，公司将持有 15.2%股权，进一步推动火电灵活 性调峰储能改造多种解决方案。公司主营业务将受益灵活性改造需求提 升，依托技术优势有望逐步打开市场。
5.4.东方电气：行业龙头火电业务强势反弹，抽水蓄能不断突破
全球最大的能源装备制造企业集团之一，受益火电投资提速和抽蓄建设。 公司是我国煤电三大主机厂之一，同时也是两大抽水蓄能水轮机供应商 之一，经过多年的发展，形成了“六电并举、六业协同”的完整产业格 局。公司积极拓展海外市场，积极参与共建“一带一路”，为全球 80 多 个国家和地区提供成套设备和工程承包业务，主要市场涵盖东南亚、南 亚、中亚、中东、欧洲、非洲、南美等地区，出口能源装备规模超过 8000 万千瓦，从 1994 年起连续入选 ENR 全球 250 家最大国际工程承包商之 列。
营收及归母净利润呈现同步稳增态势，盈利能力稳定提升。2018-2021年公司营业收入从 308 亿元增长至 478 亿元，实现了高速增长，2022H1 公司实现营业收入 279.1 亿元，同比增长 22.8%，主要受益于公司火电、 工程承包、国际贸易、风电等板块营收规模显著提升。2018-2021 年公 司从 11.3 亿元增长至 22.9 亿元，其中 2020 年实现了较高的增速， 2022H1 公司实现归母净利润 17.7 亿元，同比增加 31.6%，盈利能力保 持较高水平。
业务结构愈发均衡，火电业务逆势增长。公司经过重组后转型能源装备 制造商及服务供应商，营收结构愈发多样，业绩来源更加稳定。公司紧 跟行业发展趋势，快速切入可再生能源装备业务，公司因此也保证了营 收和净利润的高水平增速。传统业务清洁高效能源装备占比虽自 2020 年起便大幅下降，但公司的行业地位稳固，今年以来随着火电投资加速， 公司火电业务率先受益。根据公司公告，2022H1 公司火电业务营收达 62 亿元，同比增长 30.4%。
灵活性改造或继续打开市场空间，抽蓄长期来看有望实现突破。公司拥 有完整的能源装备研制体系，火电产品 100 万千瓦等级机组、大型循环 流化床锅炉等多方面处于行业领先地位；水电产品总体水平位居国内前 列，贯流式、混流式等水电技术达到国际领先水平，抽水蓄能机组研制达到世界一流水平，13 兆瓦等级海上风电机组处于亚洲领先水平。据机 械工业发电设备中心披露数据，2019-2021 年电站锅炉产量分别为 5341、 4556、5505 万千瓦，水电机组 1050、1770、2018 万千瓦，对应计算 得到公司电站锅炉市占率分别为 28.18%、36.01%、40.00%，水轮发电 机组 16.33%、31.66%、59.26%。市占率稳步提升，在能源保供和调峰 需求的刺激下，公司电站锅炉业务将持续受益。此外，抽水蓄能机组建 设也持续加快，公司市占率较高，长期来看有望充分受益。
（报告出品方/作者：中泰证券，汪磊、陈若西）
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）