張文超，劉　洲，杜利鵬

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳 518000)

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AP1000平準(zhǔn)化發(fā)電成本計(jì)算及影響因素分析

張文超1，劉洲2，杜利鵬1

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳 518000)

摘要：采用平準(zhǔn)化發(fā)電成本(EGC)的計(jì)算方法來(lái)研究AP1000核電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，并運(yùn)用兩種不同計(jì)算方法分別計(jì)算三門核電及其他堆型核電站的EGC。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析AP1000核電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，并定量計(jì)算核電站建設(shè)周期、經(jīng)濟(jì)壽期、負(fù)荷因子對(duì)AP1000核電站EGC的影響。分析結(jié)果表明，目前AP1000技術(shù)平準(zhǔn)化發(fā)電成本與已運(yùn)行核電站相比偏高，這是由國(guó)產(chǎn)化率較低、規(guī)模效應(yīng)與學(xué)習(xí)效應(yīng)不明顯導(dǎo)致。另外，建設(shè)周期、經(jīng)濟(jì)壽期、負(fù)荷因子等因素均會(huì)直接影響到發(fā)電成本，相關(guān)研究可以為提高核電經(jīng)濟(jì)性提供參考。

關(guān)鍵詞：AP1000；平準(zhǔn)化發(fā)電成本；經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

我國(guó)核電發(fā)展實(shí)踐證明，核電對(duì)滿足電力需求，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效途徑[1]。在世界新一輪核電復(fù)興的背景下，中國(guó)引進(jìn)AP1000技術(shù)，將其應(yīng)用到浙江三門和山東海陽(yáng)核電站中。一種技術(shù)能否成為行業(yè)主流、在新的裝機(jī)容量中獲得多大份額，很大程度上取決于該技術(shù)的各種經(jīng)濟(jì)要求。這就需要我們對(duì)核電技術(shù)進(jìn)行理論上的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，來(lái)評(píng)價(jià)其競(jìng)爭(zhēng)力。因此具體分析AP1000的經(jīng)濟(jì)性就顯得非常具有價(jià)值。

關(guān)于核電經(jīng)濟(jì)性研究分析方面，王益華[2]和張圓圓[3]等介紹了AP1000簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，模塊化建造，長(zhǎng)壽等經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)，另外從投資經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性以及行業(yè)影響經(jīng)濟(jì)性三方面對(duì)AP1000經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行描述；楊光[4]和Bob van der Zwaan[5]引入碳排放成本分析核電成本的經(jīng)濟(jì)性；田里等[6]介紹了國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)推薦的平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本計(jì)算方法，用來(lái)計(jì)算事先不知道未來(lái)收益流的投標(biāo)經(jīng)濟(jì)方案。陳襯蘭[7]、馮斌[8]和劉宏[9]等人對(duì)AP1000分別與M310+、CPR1000和高效環(huán)保火電進(jìn)行了方案經(jīng)濟(jì)性比較分析，但缺乏對(duì)發(fā)電成本影響因素的研究。

本文采用考慮了資金時(shí)間價(jià)值的計(jì)算運(yùn)營(yíng)期平準(zhǔn)化發(fā)電平均成本(EGC)來(lái)分析AP1000的經(jīng)濟(jì)性，所得到的一些計(jì)算結(jié)果可作為AP1000經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)的參考。

1平準(zhǔn)化成本與影響因素計(jì)算方法

總的來(lái)說(shuō)，核電發(fā)電成本由總建設(shè)投資、運(yùn)營(yíng)期燃料費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)期的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)費(fèi)用三部分構(gòu)成。一般有兩種計(jì)算方法：一是計(jì)算運(yùn)營(yíng)期發(fā)電平均成本(PGC)，另一種是計(jì)算運(yùn)營(yíng)期平準(zhǔn)化發(fā)電平均成本(EGC)。PGC表達(dá)的是靜態(tài)的平均成本，并沒(méi)有考慮資金的時(shí)間價(jià)值，由此計(jì)算的結(jié)果很難真實(shí)反映核電經(jīng)濟(jì)性水平。EGC通過(guò)使用貼現(xiàn)率考慮了資金的時(shí)間價(jià)值，其計(jì)算結(jié)果對(duì)反映核電經(jīng)濟(jì)性水平更具說(shuō)服力，因此本文采用EGC計(jì)算方法。

1.1全壽期平準(zhǔn)化的成本計(jì)算法

全壽期平準(zhǔn)化的成本計(jì)算法是通過(guò)使用貼現(xiàn)率將未來(lái)各個(gè)時(shí)段的支出折算成在某一選定日期(通常是電廠投產(chǎn)日期)的現(xiàn)值。對(duì)未來(lái)各個(gè)時(shí)間的發(fā)電量也進(jìn)行同樣的貼現(xiàn)計(jì)算。支出的現(xiàn)值按照類型(投資、燃料、運(yùn)行和維護(hù))增加。對(duì)發(fā)電量現(xiàn)值采用類似的方法累加到一個(gè)單一的數(shù)值。每千瓦時(shí)發(fā)電量的平準(zhǔn)化壽期成本是壽期總支出的現(xiàn)值與總發(fā)電量現(xiàn)值的比值。平準(zhǔn)化成本計(jì)算式為[3]

(1)

式中：EGC為全壽期平準(zhǔn)化貼現(xiàn)發(fā)電成本；Mt為第t年運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)；Ft為第t年燃料成本；It為第t年資本投資費(fèi)；Et為第t年供電量；r為折現(xiàn)率。

(1)燃料成本計(jì)算Ft

(2)

式中：F為單位核燃料成本；K為機(jī)組額定容量；t為時(shí)間；L為負(fù)荷因子；電站熱效率為η；所用核燃料235U俘獲裂變比為α；核燃料富集度為ε1；卸載后核燃料剩余235U富集度ε2；一次裂變放出能量Ef；MUO2為原子量；N0為阿伏伽德羅常數(shù)。

(2)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)

運(yùn)行和管理費(fèi)主要分為人工費(fèi)和材料費(fèi)兩部分，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這兩部分在運(yùn)行管理總費(fèi)用中約各占一半[10]。

假設(shè)電站共有正式員工x人，平均每人每月工資f，則年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)

Mt=24xf.

(3)

(3)年投資成本費(fèi)計(jì)算

每年的投資成本為

It=P/nb，

(4)

式中：nb為建設(shè)周期，年投資成本只在建設(shè)期內(nèi)產(chǎn)生，建設(shè)完成后不產(chǎn)生該項(xiàng)費(fèi)用。

(4)發(fā)電量計(jì)算

第t年供電量

Et=K×L×24×365，

(5)

運(yùn)行維護(hù)、燃料循環(huán)費(fèi)和資本投資費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本分別用EGCM、EGCF、EGCI表示。

1.2平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本計(jì)算方法

平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本計(jì)算方法就是用核電站總費(fèi)用的最小值除以總發(fā)電量的現(xiàn)值，從而得到以單位產(chǎn)能量成本表示的平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本。表示平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本的公式為[6]

(6)

資本投資費(fèi)A用由貨款償還方式?jīng)Q定，平準(zhǔn)化方法的資本投資費(fèi)用采用經(jīng)濟(jì)壽期內(nèi)等額本息回收總投資而得到年投資費(fèi)用，它已經(jīng)考慮了資金的時(shí)間價(jià)值。等額本息回收的計(jì)算公式為[5]

(7)

式中：A為每年的資本費(fèi)用(包括本金支付和利息支付，其中的本金支付和利息支付的數(shù)值是變化的)；P為總投資(包括建設(shè)期利息)；i為貼現(xiàn)率；n是經(jīng)濟(jì)壽期。

各年燃料循環(huán)費(fèi)和各年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的計(jì)算方法與上述計(jì)算方法相同，得到平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本：

(8)

其中，公式(8)右端的三項(xiàng)分別為運(yùn)行維護(hù)、燃料循環(huán)費(fèi)和資本投資費(fèi)的平準(zhǔn)化貼現(xiàn)發(fā)電成本。

三門一期采用了AP1000核電技術(shù)，以三門一期為例分別用全壽期平準(zhǔn)化成本計(jì)算方法和平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本計(jì)算方法計(jì)算平準(zhǔn)化發(fā)電成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，燃料循環(huán)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，資本投資費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，計(jì)算結(jié)果如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種平準(zhǔn)化總成本計(jì)算方法的結(jié)果相差為9.25%，差別不大，說(shuō)明了計(jì)算結(jié)果是可信的。

表1　三門核電EGC(美元/kW·h)

1.3平準(zhǔn)化成本影響因素計(jì)算

(1)規(guī)模效應(yīng)影響分析

規(guī)模效應(yīng)通常定義為機(jī)組大小的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。對(duì)于給定的工藝與技術(shù)類別，核電廠基礎(chǔ)比投資UC與機(jī)組大小S的關(guān)系在理論上可表述為[11]

UCM=UCN(SM/SN)X-1，

(9)

式中：UCM與UCN分別為機(jī)組M與機(jī)組N的比投資；SM/SN為機(jī)組M與機(jī)組N的規(guī)模比；X為規(guī)模指數(shù)；(SM/SN)X-1為關(guān)于比投資的規(guī)模因子(又可稱之為造價(jià)因子)。

(2)學(xué)習(xí)效應(yīng)影響分析

學(xué)習(xí)效應(yīng)導(dǎo)致的費(fèi)用減少可以用學(xué)習(xí)曲線來(lái)描述，數(shù)學(xué)表達(dá)式[11]

(10)

式中：n為第n臺(tái)機(jī)組；α、β為基本參量，通常由經(jīng)驗(yàn)與預(yù)測(cè)決定。

2計(jì)算結(jié)果及討論

2.1EGC及各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算方法可得其他核電技術(shù)發(fā)電成本指標(biāo)，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2　核電站發(fā)電成本(美元/kW·h)

表2中，EGC、EGCM、EGCF、EGCI分別為用全壽期平準(zhǔn)化成本計(jì)算方法得到的平準(zhǔn)化發(fā)電成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，燃料循環(huán)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，資本投資費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本。C、CM、CF、CA分別為平準(zhǔn)化貼現(xiàn)成本計(jì)算方法計(jì)算的平準(zhǔn)化發(fā)電成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，燃料循環(huán)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，資本投資費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果看出，核電機(jī)組平準(zhǔn)化計(jì)算成本大都在0.02美元/kW·h-0.03美元/kW·h。其中，秦山二期為CNP600技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化率55%，發(fā)電成本較低，這主要得益于建造和采購(gòu)自主化和成熟堆型規(guī)模效應(yīng)；嶺澳一期為CPR1000技術(shù)，實(shí)際上是大亞灣核電站的翻版加改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)化比例不到30%，因此造價(jià)較高，發(fā)電成本偏高；秦山三期為引進(jìn)的加拿大CANDU6 重水堆機(jī)組，是由加拿大原子能公司總承包的“交鑰匙”工程，因此引起的建設(shè)投資費(fèi)增加造成發(fā)電成本偏高。

在計(jì)算的這幾種核電站中，發(fā)電成本最高為三門AP1000技術(shù)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本為0.0255美元/kW·h和0.0281美元/kW·h；最低的為田灣的AES-91型壓水堆技術(shù)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本為0.0206美元/kW·h和0.0227美元/kW·h。造成三門一期核電發(fā)電成本偏高的原因有以下幾點(diǎn)：首先由于三門核電是世界上首臺(tái)AP1000機(jī)組，為首堆示范依托項(xiàng)目，在工程設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、建設(shè)、運(yùn)行、進(jìn)度等方面都具有工程驗(yàn)證的特殊性；其次由于是引進(jìn)技術(shù)原因，外方負(fù)責(zé)的核島設(shè)計(jì)和核島主設(shè)備及技術(shù)服務(wù)費(fèi)用高造成核島工程費(fèi)用偏高；另外依托項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備與材料絕大部分是境外采購(gòu)，即使是在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備其關(guān)鍵材料還不能國(guó)產(chǎn)化。不過(guò)隨著依托項(xiàng)目順利成功實(shí)施AP1000技術(shù)簡(jiǎn)化、工期減短和壽期延長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)將逐步釋放，后續(xù)AP1000項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性將越加顯著。

2.2EGC的影響因素

由表2可知EGC由運(yùn)行維護(hù)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本EGCM，燃料循環(huán)費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本EGCF和資本投資費(fèi)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本EGCI三部分組成。以三門為例，定量計(jì)算討論建設(shè)周期、運(yùn)營(yíng)時(shí)間與負(fù)荷因子對(duì)EGC及各部分的影響。

(1)建設(shè)周期對(duì)發(fā)電成本的影響

通過(guò)改變建設(shè)周期對(duì)三門核電的EGC進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 建設(shè)周期對(duì)發(fā)電成本的影響圖2 運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)發(fā)電成本的影響

由圖1可知，建設(shè)周期越長(zhǎng)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本越高。改變建設(shè)周期對(duì)發(fā)電成本的影響主要體現(xiàn)在對(duì)資本投資費(fèi)的影響。核電項(xiàng)目建設(shè)投資本身很大，而建設(shè)周期越長(zhǎng)，建設(shè)期間貸款利息越多，從而使工程總投資費(fèi)大大增加，結(jié)果是建設(shè)周期越長(zhǎng)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本越高。由于三門核電是AP1000的首個(gè)示范電站，隨著學(xué)習(xí)效應(yīng)和規(guī)模效應(yīng)的積累，AP1000電站建設(shè)周期必將縮短，從而使發(fā)電成本下降。

(2)運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)發(fā)電成本的影響

通過(guò)改變運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)三門核電的EGC進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖可知，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。改變運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)發(fā)電成本的影響主要體現(xiàn)在對(duì)資本投資費(fèi)的影響。隨著經(jīng)濟(jì)壽期的延長(zhǎng)，電站投資成本不變條件下發(fā)電量增加，產(chǎn)生出更多的利潤(rùn)，從而使平準(zhǔn)化發(fā)電成本下降。燃料成本和運(yùn)行維護(hù)成本基本不變，這是由于這兩項(xiàng)成本隨時(shí)間是正比例關(guān)系，運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用增加，但發(fā)電量同時(shí)增加，所以但平均到運(yùn)營(yíng)期內(nèi)成本不變。AP1000技術(shù)的設(shè)計(jì)壽命為60年，比傳統(tǒng)的二代技術(shù)和二代加技術(shù)的設(shè)計(jì)壽命多了20年，便可產(chǎn)生更多的利潤(rùn)，如果可以考慮核電站延壽的話發(fā)電成本會(huì)進(jìn)一步下降。

(3)負(fù)荷因子對(duì)發(fā)電成本的影響

圖3　負(fù)荷因子對(duì)發(fā)電成本的影響

通過(guò)改變負(fù)荷因子對(duì)三門核電的EGC進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著電站負(fù)荷因子的增加，平準(zhǔn)化發(fā)電成本呈下降趨勢(shì)。改變負(fù)荷因子對(duì)發(fā)電成本的影響主要體現(xiàn)在對(duì)資本投資費(fèi)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的影響上。隨著負(fù)荷因子的增加，電廠在固定時(shí)間內(nèi)可以發(fā)出更多的電，而固定時(shí)間內(nèi)的資本投資費(fèi)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)是一定的，這樣平攤到每一度電上的成本就會(huì)下降，從而平準(zhǔn)化發(fā)電成本會(huì)下降。

除此之外，核燃料費(fèi)用的變化會(huì)直接影響核燃料平準(zhǔn)化發(fā)電成本，電站熱效率的變化會(huì)直接影響核燃料平準(zhǔn)化發(fā)電成本和發(fā)電量，貼現(xiàn)率的變化會(huì)直接影響到電站的平準(zhǔn)化發(fā)電成本，在研究降低發(fā)電成本方法時(shí)可以從上述方面來(lái)考慮。

(4)規(guī)模效應(yīng)對(duì)核電比投資的影響

圖4 規(guī)模效應(yīng)對(duì)比投資的影響圖5 學(xué)習(xí)效應(yīng)對(duì)比投資的影響

根據(jù)公式(9)計(jì)算核電的規(guī)模效應(yīng)對(duì)發(fā)電成本的影響，計(jì)算結(jié)果如圖4，由圖4可以看出，隨著核電機(jī)組規(guī)模的增加，核電的發(fā)電成本也隨之下降，AP1000的機(jī)組容量比二代堆大，因此，其經(jīng)濟(jì)性從規(guī)模效應(yīng)來(lái)看較高。

(5)學(xué)習(xí)效應(yīng)對(duì)核電比投資的影響

根據(jù)公式(10)計(jì)算核電的學(xué)習(xí)效應(yīng)對(duì)發(fā)電成本的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5，由圖5可以看出，隨著核電機(jī)組建設(shè)數(shù)目的增加，核電的發(fā)電成本也逐漸下降，其中第一座雙機(jī)組的發(fā)電成本最高，這就解釋了為什么三門核電項(xiàng)目的發(fā)電成本比較高的原因，隨著建設(shè)機(jī)組數(shù)目的增加，其發(fā)電成本由于學(xué)習(xí)效應(yīng)會(huì)逐漸降低。

3結(jié)論

本文通過(guò)EGC的計(jì)算方法研究了AP1000的經(jīng)濟(jì)性，并對(duì)影響平準(zhǔn)化發(fā)電成本的因素進(jìn)行了討論，結(jié)論如下：

(1)AP1000的EGC相對(duì)其他核電技術(shù)偏高，主要是由于電站的首堆效應(yīng)和設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度低。隨著我國(guó)核電自主化的推進(jìn)和裝備制造業(yè)能力的進(jìn)步，關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率提高，核電資本投資下降，AP1000核電的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)達(dá)到一個(gè)合理的水平。

(2)電站建設(shè)周期越長(zhǎng)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本越高；運(yùn)營(yíng)時(shí)間越長(zhǎng)，平準(zhǔn)化發(fā)電成本越低；負(fù)荷因子越高，平準(zhǔn)化發(fā)電成本越低。通過(guò)逐步提高機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷因子、縮短建設(shè)周期，以及合理的延壽都可使固定資產(chǎn)得以充分利用，發(fā)電量、收入與利潤(rùn)增加，從而提高核電經(jīng)濟(jì)性。

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Study on the Levelized Cost of Electricity of AP1000 Nuclear Power Technology and Influence Factors

ZHANG Wen-chao1，LIU Zhou2，DU Li-peng1

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012;2.China Nuclear Power Operations.Co,Ltd,Shenzhen Guangdong 518000)

Abstract：This paper used the calculation method of the levelized cost of electricity (EGC) to study the economic of AP1000 nuclear power technology.The EGC of Sanmen reactor power other reactor power stations were calculated by two methods.It also makes quantitative analysis on the economic characteristics of AP1000 nuclear power technology，and discusses the influence of construction period，economic life，load factor and other factors on the EGC of AP1000 nuclear power.The analysis result shows that the EGC of AP1000 technology is higher than other reactor power，because the localization rate is low，the scale effect and learning effect is not obvious.The construction cycle，economic life，load factor and other factors will directly affect the cost of electricity.Relevant research studies can provide a reference for improving the economics of nuclear power.

Key words：AP1000；The levelized cost of electricity；Economic evaluation

中圖分類號(hào)：TL9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2016)01-0091-06

作者簡(jiǎn)介：張文超(1984-)，男，山東省鄒城市人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：核反應(yīng)堆技術(shù).

基金項(xiàng)目：東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金(BSJXM-201312)；東北電力大學(xué)科研提升工程項(xiàng)目(201501)

收稿日期：2015-12-10