林 俐, 田欣雨, 蔡雪瑄

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)), 北京市 102206)

0 引言

由于新能源出力的隨機(jī)不確定性及源荷分布不平衡,區(qū)域電力系統(tǒng)的調(diào)峰壓力日益加大[1-2]。國內(nèi)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)主要由火電機(jī)組承擔(dān),系統(tǒng)自身的快速調(diào)節(jié)電源比例較低。在新能源并網(wǎng)比例大的電網(wǎng),火電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)已逐年降低,2016年僅為3 785 h,機(jī)組已長期工作在較低負(fù)荷狀態(tài),向下調(diào)節(jié)功率的空間大幅下降,嚴(yán)重限制了新能源消納。

對燃煤機(jī)組進(jìn)行改造,利用燃煤機(jī)組深度調(diào)峰是解決該問題一個(gè)思路。但是燃煤機(jī)組變負(fù)荷靈活性不足,長期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的能耗較高、經(jīng)濟(jì)性較差,排放的污染物遠(yuǎn)高于基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的排放量,環(huán)境污染嚴(yán)重。面對今后越來越嚴(yán)峻的環(huán)保形勢和不斷增長的調(diào)峰需求,燃煤機(jī)組調(diào)峰已受到質(zhì)疑。

燃?xì)鈾C(jī)組建設(shè)周期短、啟停速度快、調(diào)節(jié)范圍廣,排放污染少、效率高,理論上是十分理想的調(diào)峰電源[3]。但由于現(xiàn)階段燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電成本較高[4],特別是在北京、上海等環(huán)保要求高的大城市,燃?xì)鈾C(jī)組多承擔(dān)調(diào)節(jié)性發(fā)電任務(wù),燃?xì)鈾C(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰后系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性尚不明確。因此,有必要研究燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力、調(diào)峰成本,以及燃?xì)鈾C(jī)組參與電力系統(tǒng)深度調(diào)峰的可行性與經(jīng)濟(jì)性,為提升電力系統(tǒng)調(diào)峰能力,促進(jìn)可再生能源消納,提高電力系統(tǒng)能源效率提供理論參考。

目前,與燃煤機(jī)組類似,燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電成本可用常規(guī)氣耗成本表示,且燃?xì)鈾C(jī)組一般不參與深調(diào)。文獻(xiàn)[5]從燃?xì)鈾C(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行技術(shù)性能的角度,明確了燃?xì)鈾C(jī)組有償、無償調(diào)峰的界限,分析了天然氣發(fā)電的環(huán)境價(jià)值;文獻(xiàn)[6]從發(fā)電企業(yè)成本分析角度,提出了調(diào)峰運(yùn)行時(shí)燃?xì)怆姀S常規(guī)氣耗成本的計(jì)算方法,分析了燃?xì)怆姀S調(diào)峰運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前相關(guān)文獻(xiàn)大都從單一企業(yè)角度進(jìn)行燃?xì)饨?jīng)濟(jì)成本分析,沒有考慮燃?xì)鈾C(jī)組的深度調(diào)峰服務(wù)和燃?xì)鈾C(jī)組參與深度調(diào)峰時(shí)的附加成本,也較少涉及燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及環(huán)境效益的綜合分析。

關(guān)于燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰能力,文獻(xiàn)[7]以內(nèi)蒙古蘇里格燃?xì)夤镜?套150 MW級9E型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組為例,分析了該燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的基本特性,從安全性角度探討和比較了燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰方式;文獻(xiàn)[8]研究了燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰性能,從技術(shù)性能與污染物排放水平兩方面分析了燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力。目前的文獻(xiàn)大多關(guān)注燃?xì)鈾C(jī)組的啟停調(diào)峰方式,較少涉及燃?xì)鈾C(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰的研究。

本文分析了國內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力,研究了燃?xì)鈾C(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰過程中的附加成本,提出其參與系統(tǒng)調(diào)峰控制的全過程調(diào)峰成本。在全額接納風(fēng)電基礎(chǔ)上,以系統(tǒng)發(fā)電成本最小為目標(biāo),建立了考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。采用能源效率指標(biāo),從經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境角度,評估燃?xì)鈪⑴c機(jī)組深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性與可行性。

1 燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力分析

1.1 燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰性能

燃?xì)鈾C(jī)組啟停速度快。單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)從啟動到滿負(fù)荷一般需要15～20 min,停機(jī)約需30 min;受到蒸汽輪機(jī)設(shè)備的性能制約,聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的啟停時(shí)間略長,但仍遠(yuǎn)快于一般的汽輪發(fā)電機(jī)[9]。以北京某燃?xì)鉄犭姀S700 MW燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組為例,其冷態(tài)啟動26 min后即可并網(wǎng),升至滿負(fù)荷僅需2～3 h,停機(jī)時(shí)間約50 min。而300 MW的燃煤機(jī)組從冷態(tài)啟動至滿負(fù)荷大約需要6～10 h。

燃?xì)鈾C(jī)組變負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行靈活。簡單循環(huán)燃機(jī)可在12 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷穩(wěn)定升降,可調(diào)比例100%。與燃煤機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃受限的情況不同,聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在深度調(diào)峰階段運(yùn)行時(shí)仍能保持穩(wěn)定狀態(tài),因此原則上同樣可實(shí)現(xiàn)0～100%出力的靈活變動。但在出力過低時(shí),機(jī)組運(yùn)行效率顯著降低。例如:GE的109FA型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)效率約為52%～60%,在出力降至20%額定出力時(shí),效率降為32.4%,在10%額定出力時(shí)效率為21.1%,實(shí)際運(yùn)行中,考慮鍋爐與水循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,出力一般最小不低于機(jī)組深度調(diào)峰極限負(fù)荷值。

燃?xì)鈾C(jī)組污染物排放少、環(huán)境友好。出力大于50%額定負(fù)荷時(shí),燃?xì)鈾C(jī)組排放的污染物中僅有少量的氮氧化物及CO,基本沒有硫化物和煙塵排放。以中國主流的F級燃?xì)鈾C(jī)組為例,其氮氧化物和CO排放量分別能保持在50 mg/m3和20 mg/m3以下,遠(yuǎn)小于對應(yīng)100 mg/m3和35 mg/m3的國家標(biāo)準(zhǔn)[10]。

燃?xì)鈾C(jī)組在供熱期承擔(dān)著供熱任務(wù),相對于普通的燃煤供熱機(jī)組,燃?xì)鈾C(jī)組需要3倍于燃煤機(jī)組的容量才能提供相同的供熱量,給電網(wǎng)的冬季調(diào)峰運(yùn)行帶來了困難[11]。隨著熱負(fù)荷的增加,燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力逐漸減小,附錄A圖A1給出了某F級燃?xì)鈾C(jī)組供熱期負(fù)荷調(diào)峰范圍與熱負(fù)荷的關(guān)系。

燃?xì)鈾C(jī)組的最小出力受燃燒模式和環(huán)保指標(biāo)影響很大。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),燃?xì)鈾C(jī)組工作在擴(kuò)散燃燒模式,此時(shí)機(jī)組排出煙氣中的氮氧化物將嚴(yán)重超標(biāo)(北京市DB11 847—2011《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定氮氧化物最高允許排放值為30 mg/m3)。當(dāng)負(fù)荷升至燃燒模式切換點(diǎn)時(shí),燃?xì)鈾C(jī)組由擴(kuò)散燃燒模式切換為預(yù)混燃燒模式,此時(shí)機(jī)組排出煙氣中的氮氧化物大大降低,但仍可能超出排放標(biāo)準(zhǔn)要求,需要投入脫硝裝置以滿足環(huán)保要求。目前按常規(guī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的燃?xì)鈾C(jī)組通常不加裝高規(guī)格脫硝裝置,如果燃?xì)鈾C(jī)組頻繁低負(fù)荷運(yùn)行,則可加裝脫硝裝置,但同時(shí)也會增加投資成本。

1.2 燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰方式

根據(jù)系統(tǒng)需要及發(fā)電經(jīng)濟(jì)性差異,燃?xì)鈾C(jī)組參與調(diào)峰的時(shí)機(jī)與深度取決于地區(qū)電源結(jié)構(gòu)、各類型機(jī)組發(fā)電成本及調(diào)峰能力。以京津冀電網(wǎng)為例,在冬季燃?xì)鈾C(jī)組主要承擔(dān)供熱任務(wù),實(shí)行以熱定電原則,向電網(wǎng)提供基本調(diào)峰。在非供熱期,燃?xì)鈾C(jī)組需要與燃煤機(jī)組一樣參與系統(tǒng)調(diào)峰,其調(diào)峰范圍通常小于燃煤機(jī)組的范圍,附錄A表A1為北京電網(wǎng)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組出力調(diào)整范圍。實(shí)際上,燃?xì)鈾C(jī)組本身具有啟停速度快、調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn),可在電網(wǎng)需求緊張時(shí)發(fā)揮作用,參與高峰調(diào)峰運(yùn)行。

在國外,由于污染小、運(yùn)行效率高、啟停較慢,大型燃?xì)鈾C(jī)組多是連續(xù)運(yùn)行,即使參與調(diào)峰也大多采用周調(diào)峰的運(yùn)行方式,而中小型燃?xì)鈾C(jī)組一般是啟停調(diào)峰。一些區(qū)域電網(wǎng)為了保證調(diào)度上的安全,通常配置8%～12%的燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電容量,用于系統(tǒng)調(diào)峰[12]。而一些大型生產(chǎn)廠家開始對燃?xì)鈾C(jī)組帶基本負(fù)荷和中間負(fù)荷進(jìn)行研究,以充分發(fā)揮燃?xì)鈾C(jī)組高性能、大功率、低污染的技術(shù)優(yōu)勢。

在中國,大容量的9F級燃?xì)鈾C(jī)組大多以啟停運(yùn)行方式參與系統(tǒng)調(diào)峰,一些小容量的E級機(jī)組因?yàn)榱㈨?xiàng)時(shí)采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式而連續(xù)運(yùn)行,總體上也取得很好的調(diào)峰效果。如上海地區(qū)的燃?xì)鈾C(jī)組在電網(wǎng)供電高峰段提供了峰負(fù)荷,調(diào)峰作用明顯[13]。深圳福華德發(fā)電有限公司的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為深圳電力的啟停調(diào)峰機(jī)組,主要用于高峰時(shí)段承擔(dān)負(fù)荷,根據(jù)電力調(diào)度需求在規(guī)定時(shí)間內(nèi),快速啟動機(jī)組、帶滿負(fù)荷,保證電網(wǎng)對負(fù)荷的要求。

綜上,并網(wǎng)運(yùn)行的燃?xì)鈾C(jī)組參與系統(tǒng)深度調(diào)峰方式可以分為兩種:深度變負(fù)荷調(diào)峰與啟停調(diào)峰。

基于深度變負(fù)荷調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組,調(diào)峰過程可分為基本調(diào)峰和深度調(diào)峰兩個(gè)階段,見圖1。圖中:Pmax為機(jī)組最大技術(shù)出力;Pdmin為機(jī)組基本調(diào)峰的最小技術(shù)出力;Pa為機(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰極限出力。

圖1 基于深度變負(fù)荷調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰過程Fig.1 Deep variable-load peak regulation process of gas units

基于啟停調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰過程示意見圖2。圖中:Psmin為機(jī)組啟停調(diào)峰的最小技術(shù)出力。

圖2 基于啟停調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰過程Fig.2 Start-stop peak regulation process of gas units

2 參與系統(tǒng)調(diào)峰控制的燃?xì)鈾C(jī)組全過程調(diào)峰成本

2.1 基于深度變負(fù)荷調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組成本特性

與火力發(fā)電機(jī)組耗量特性類似,燃?xì)鈾C(jī)組氣耗量隨出力增加而下降,其氣耗量特性是機(jī)組出力的三次函數(shù)。燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行氣耗成本(CGC)為:

f(P)=(aP3+bP2+cP+d)Sgas

(1)

式中:P為燃?xì)鈾C(jī)組出力;a,b,c,d為機(jī)組氣耗特性函數(shù)的系數(shù);Sgas為當(dāng)季的天然氣價(jià)格。

燃?xì)鈾C(jī)組在發(fā)電過程中的主要排放物為有害氣體氮氧化物、SO2與溫室氣體CO2等[14]。與同等容量燃煤機(jī)組相比,燃?xì)鈾C(jī)組的CO2排放量約為燃煤機(jī)組的一半,氮氧化物排放量更是遠(yuǎn)小于燃煤機(jī)組。在基本調(diào)峰階段中,燃?xì)鈾C(jī)組的污染物排放一般符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),環(huán)境損失成本基本可忽略。但在深度變負(fù)荷調(diào)峰階段,機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行,污染物排放量急劇上升,以F級燃?xì)鈾C(jī)組為例,環(huán)境損失成本大大增加,附錄A圖A2為某F級燃?xì)鈾C(jī)組負(fù)荷率與氣體污染物排放關(guān)系示意圖。這里假設(shè)排放物收取標(biāo)準(zhǔn)能夠完全補(bǔ)償環(huán)境損失,則環(huán)境損失成本為:

Wpollute=∑wjSj

(2)

式中:wj為第j種污染物的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn);Sj為第j種污染物的排放量。

理論上燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰范圍為額定容量的0～100%,但從電量損失及自身經(jīng)濟(jì)利益考慮,燃?xì)怆姀S不愿意提供深度調(diào)峰服務(wù),其中一個(gè)原因是深度變負(fù)荷調(diào)峰階段的機(jī)組磨損成本和風(fēng)險(xiǎn)成本大幅提高,而這部分成本在常規(guī)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度中往往被忽略不計(jì),現(xiàn)有的燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰成本計(jì)算方法已不能真實(shí)反映機(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰的實(shí)際運(yùn)行成本。

在深度變負(fù)荷調(diào)峰階段,機(jī)組頻繁變負(fù)荷,受到交變應(yīng)力、高溫和持續(xù)載荷力的影響,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子會因低周疲勞和蠕變產(chǎn)生一定的損耗,使得機(jī)組壽命下降。為表征轉(zhuǎn)子金屬材料的疲勞壽命,可以通過Langer式計(jì)算轉(zhuǎn)子的致裂周次[15],即

(3)

式中:E為材料的彈性模量;φ為材料的斷面收縮系數(shù),與溫度及材料有關(guān),對于轉(zhuǎn)子鋼可取為0.6;σω為材料的疲勞強(qiáng)度極限值;σa為計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力,即

(4)

式中:α為轉(zhuǎn)子材料膨脹系數(shù);λ為泊松比;ΔTm為計(jì)算點(diǎn)與轉(zhuǎn)子平均溫度之差,估算公式為

(5)

式中:a為材料導(dǎo)溫系數(shù);η為溫升率;R為轉(zhuǎn)子半徑的金屬厚度。

由式(3)至式(5)可以估算出轉(zhuǎn)子的致裂周次,而每次載荷調(diào)節(jié)對機(jī)組造成的壽命損耗率dc為:

(6)

算出一臺給定的200 MW機(jī)組每次調(diào)節(jié)會造成0.000 6%的壽命損耗[15]。進(jìn)而可估算機(jī)組參加一次深度變負(fù)荷調(diào)節(jié)造成的機(jī)組壽命損失成本為:

Closs=dcSunit

(7)

式中:Sunit為機(jī)組價(jià)格。

基于深度變負(fù)荷調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組成本特性可表達(dá)為分段函數(shù),曲線見圖3,其中機(jī)組壽命損失成本和環(huán)境損失成本可統(tǒng)稱為機(jī)組附加成本(UAC),即

(8)

圖3 基于深度變負(fù)荷調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組成本曲線Fig.3 Cost curve for deep variable-load peak regulation of gas units

2.2 基于啟停調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組成本特性

對于啟停機(jī)組,在基本調(diào)峰階段運(yùn)行成本與變負(fù)荷調(diào)峰機(jī)組相同,燃?xì)鈾C(jī)組一般能在1 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)啟停機(jī),每次需要消耗一定的燃?xì)饬縑,則每次啟停調(diào)峰成本為:

Cud=VSgas

(9)

因此啟停調(diào)峰機(jī)組的調(diào)峰成本為:

(10)

2.3 燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償

為彌補(bǔ)機(jī)組提供輔助服務(wù)的損失,需對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償,《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》中規(guī)定,對機(jī)組因提供深度調(diào)峰服務(wù)造成的比基本調(diào)峰少發(fā)的電量,按50元/(MW·h)補(bǔ)償。燃?xì)鈾C(jī)組啟停調(diào)峰一次,按260元/MW補(bǔ)償。

3 考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

為了進(jìn)一步研究燃?xì)鈾C(jī)組參與電力系統(tǒng)深度調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性,這里借鑒常規(guī)經(jīng)濟(jì)調(diào)度思想[16]。設(shè)所有并網(wǎng)機(jī)組均參與基本調(diào)峰,部分燃?xì)鈾C(jī)組參與深度調(diào)峰,以全額接納風(fēng)電,調(diào)度周期內(nèi)總發(fā)電成本F最小為目標(biāo)建立經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,即

Ucj,t-1(1-Ucj,t)Sjdown]

(11)

式中:T為調(diào)度周期中的時(shí)段數(shù);N為燃?xì)鈾C(jī)組個(gè)數(shù);Pgi,t為燃?xì)鈾C(jī)組i在時(shí)段t的出力;C1(Pgi,t)為變負(fù)荷調(diào)峰燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰成本;R為參與啟停調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組集合;0-1變量Ugi,t表示機(jī)組i在t時(shí)段的狀態(tài)(1為運(yùn)行,0為停運(yùn));Cud為燃?xì)鈾C(jī)組單次啟停調(diào)峰成本;M為燃煤機(jī)組個(gè)數(shù);Pcj,t為燃煤機(jī)組j在時(shí)段t的出力,Fc(Pcj,t)為其發(fā)電成本[17];0-1變量Ucj,t表示機(jī)組j在時(shí)段t的狀態(tài)(1為運(yùn)行,0為停運(yùn));S為參與啟停調(diào)峰的燃煤機(jī)組集合;Scom為調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用;Sjup和Sjdown分別為燃煤機(jī)組j的啟動和停運(yùn)成本。

3.2 約束條件

(12)

3.3 模型求解方法

考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題屬于復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。通常燃?xì)鈾C(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰成本表示為連續(xù)的三次函數(shù),本文考慮了深度調(diào)峰過程中的附加成本,將燃?xì)鈾C(jī)組調(diào)峰成本函數(shù)表示為一個(gè)不連續(xù)的分段函數(shù),如圖3所示。因此在求解模型時(shí),需要處理成本函數(shù)在Pdmin處不連續(xù)的情況,對模型進(jìn)行線性化處理,將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。本文采用差分進(jìn)化算法,應(yīng)用GAMS軟件對模型進(jìn)行求解。

4 電力系統(tǒng)的能源效率

當(dāng)前國內(nèi)環(huán)保壓力逐漸增大,能源供應(yīng)日益緊張,在能源資源短缺逐步制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況下,傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)僅著眼于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投入,缺乏對電力系統(tǒng)產(chǎn)出、能源消耗及污染物排放等指標(biāo)的關(guān)注。相對于單一的經(jīng)濟(jì)成本,能源效率可從經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等多方面衡量電力系統(tǒng)整體能源優(yōu)化利用水平,更全面地評估現(xiàn)有能源優(yōu)化利用水平[18]。

目前,能源效率還沒有公認(rèn)的定義,比較為大家所接受的定義為能源效率是單位能源消耗所帶來的效益[19]。本文采用電力系統(tǒng)能源效率為系統(tǒng)能源產(chǎn)出與投入之比這一定義。下面分別給出經(jīng)濟(jì)層面、社會層面、環(huán)境層面的能源效率模型。

理論上燃?xì)鈾C(jī)組深度調(diào)峰將提升系統(tǒng)接納風(fēng)電等清潔能源的空間,這是一種技術(shù)的進(jìn)步,然而,一方面,在能源效率的演化過程中,技術(shù)進(jìn)步因素具有關(guān)鍵性影響,但在不同區(qū)域和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不同階段,這種影響具有差異性[20-21],使得能源效率在不同時(shí)空點(diǎn)上的變化具有異質(zhì)性特征;另一方面,技術(shù)進(jìn)步可能引發(fā)“能源反彈效應(yīng)”,即技術(shù)進(jìn)步提高電力系統(tǒng)能源效率,同時(shí)會促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長,但也將導(dǎo)致更多的電力能源消費(fèi),使其部分地抵消對能源的節(jié)約,這種效應(yīng)使得技術(shù)進(jìn)步與能源效率、能源消費(fèi)之間的關(guān)系變得復(fù)雜[22]。

因此,本文從電力系統(tǒng)整體出發(fā),考慮系統(tǒng)投入的運(yùn)行成本、燃?xì)鈾C(jī)組深度調(diào)峰成本和深度調(diào)峰補(bǔ)償,給出電力系統(tǒng)能源經(jīng)濟(jì)效率模型為:

(13)

式中:假設(shè)研究的電力系統(tǒng)電源由燃煤電廠、燃?xì)怆姀S、風(fēng)電場與水電廠組成,各類機(jī)組的發(fā)電量分別為Ec,Eg,Ew和Eh;Fg為燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行成本,Fg=C1(P)+C2-Scom;Fc為燃煤機(jī)組運(yùn)行成本。

在實(shí)際電力系統(tǒng)生產(chǎn)中,水火風(fēng)氣電源的購電電價(jià)有較大差異。假設(shè)給定商品的價(jià)格完全反映該類商品生產(chǎn)的實(shí)際價(jià)值,則價(jià)格代表生產(chǎn)該商品的投入和利潤,因而從經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)看,購電成本越高,表征使用該類型電源時(shí)社會付出的代價(jià)越多,能源消費(fèi)也就越多,能源反彈效應(yīng)越明顯。以風(fēng)電為例,隨著接納風(fēng)電比例增加,社會購買風(fēng)電的成本隨之增加,部分抵消了系統(tǒng)燃?xì)鈾C(jī)組深度調(diào)峰節(jié)約的能源,接納風(fēng)電對提高電力系統(tǒng)能源效率是否具有確定性、積極的促進(jìn)作用還有待研究。

因此,從社會層面看,可從全社會購買電力商品付出成本的角度評價(jià)電力系統(tǒng)能源效率。本文根據(jù)購電電價(jià)及各企業(yè)的發(fā)電量將購電成本折算為能源投入,將發(fā)電量視為系統(tǒng)的社會效益,則電力系統(tǒng)能源社會效率模型為:

(14)

式中:Msoc表示系統(tǒng)單位成本可以購買到的電量多少,即單位成本可以產(chǎn)生多少社會效益;cg為燃?xì)怆姀S發(fā)電的購電價(jià)格;cc為燃煤電廠發(fā)電的購電價(jià)格;cw為風(fēng)電場發(fā)電的購電價(jià)格;ch為水電廠發(fā)電的購電價(jià)格。

長期以來,中國缺少從環(huán)境保護(hù)的角度評估電力系統(tǒng)污染物排放水平的指標(biāo)。而電力系統(tǒng)能源環(huán)境效率可以用來表示電力系統(tǒng)在能源利用過程中的污染排放水平[23]。

電力系統(tǒng)能源環(huán)境效率模型為:

(15)

式中:QCO2為調(diào)度周期內(nèi)CO2的總排放量;QNOx為氮氧化物的總排放量;QSO2為調(diào)度周期內(nèi)SO2的總排放量。

5 算例分析

5.1 算例系統(tǒng)

本文以某實(shí)際電網(wǎng)為實(shí)例,該電網(wǎng)的機(jī)組構(gòu)成如附錄B表B1所示,其中風(fēng)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的15.5%,燃?xì)鈾C(jī)組裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的14.1%。采用某年6月—8月大負(fù)荷方式的數(shù)據(jù),典型日負(fù)荷曲線如附錄B圖B1所示,給定的日風(fēng)電出力預(yù)測曲線如附錄B圖B2所示。

為更加全面地分析燃?xì)鈾C(jī)組參與系統(tǒng)深度調(diào)峰的作用,本文采用以下3種調(diào)度策略,其中燃煤機(jī)組均全部參與基本調(diào)峰。

Case1:所有燃?xì)鈾C(jī)組只參與啟停調(diào)峰。

Case2:所有燃?xì)鈾C(jī)組參與深度變負(fù)荷調(diào)峰。

Case3:250 MW機(jī)組參與啟停調(diào)峰,400 MW機(jī)組參與深度變負(fù)荷調(diào)峰。

參與深度變負(fù)荷調(diào)峰的機(jī)組仍可進(jìn)行啟停調(diào)峰。設(shè)參與啟停調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組,每次啟停需消耗26 000 m3燃?xì)狻?/p>

5.2 考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度仿真

根據(jù)1.2.1節(jié)給出的參與深度變負(fù)荷調(diào)峰的燃?xì)鈾C(jī)組成本特性,考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案(以下簡稱UAC方案)成本如附錄C表C1所示,燃?xì)鈾C(jī)組啟停情況如附錄C圖C1所示。在全額接納風(fēng)電、考慮燃機(jī)機(jī)組附加成本的情況下,由表C1和圖C1可得以下結(jié)論。

1)由于3種調(diào)度策略下的燃煤機(jī)組出力均壓低到50%的額定功率PN附近,燃煤機(jī)組出力變化不大,因而煤耗成本基本持平。

2)燃?xì)鈾C(jī)組出力變化頻繁,其承擔(dān)了平抑風(fēng)電波動的主要任務(wù),3種調(diào)度策略下的燃?xì)鈾C(jī)組氣耗成本大致持平,但是調(diào)峰成本差異明顯。

3)燃?xì)鈾C(jī)組參與深度變負(fù)荷調(diào)峰后,機(jī)組調(diào)度方案差異明顯(見附錄C圖C1),調(diào)峰成本差異明顯(見附錄C表C1)。其中Case3中的燃?xì)鈾C(jī)組啟停最為頻繁,僅有少部分燃?xì)鈾C(jī)組參與深度變負(fù)荷調(diào)峰,且調(diào)峰深度均在40%PN左右;Case2中燃?xì)鈾C(jī)組啟停次數(shù)相對減少,且深度變負(fù)荷調(diào)峰機(jī)組數(shù)量多于Case3,調(diào)峰深度更低。

目前常規(guī)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中并不考慮燃?xì)鈾C(jī)組的附加成本,這里為進(jìn)一步研究燃?xì)鈾C(jī)組附加成本對系統(tǒng)總發(fā)電成本和調(diào)峰成本的影響,不計(jì)磨損成本及環(huán)境損失成本,僅考慮燃?xì)鈾C(jī)組常規(guī)氣耗成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案(以下簡稱CGC方案)成本如附錄C表C2所示,燃?xì)鈾C(jī)組啟停情況如圖C2所示。

可見,相對于UAC方案(附錄C圖C1),CGC方案中Case2與Case3的調(diào)度方案差異非常明顯,連續(xù)工作的機(jī)組數(shù)增多,機(jī)組啟停次數(shù)大幅減少,且更多的機(jī)組工作在深度變負(fù)荷調(diào)峰狀態(tài)。

可見3種調(diào)度策略下是否計(jì)及燃?xì)鈾C(jī)組附加成本,對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案,特別是燃?xì)鈾C(jī)組的深度調(diào)峰方式(啟停、深度變負(fù)荷)及調(diào)峰深度起決定作用,進(jìn)而也顯著影響系統(tǒng)的調(diào)峰成本和總發(fā)電成本。

5.3 燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電收益分析

由上可知,CGC方案是不考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案,而實(shí)際上附加成本是實(shí)際發(fā)生的成本。這里為了更好地分析附加成本對燃?xì)獍l(fā)電商收益的影響,本文以CGC方案為基礎(chǔ),保持其調(diào)度方案不變,補(bǔ)充其未計(jì)及的燃?xì)鈾C(jī)組附加成本(以下簡稱BCGC方案),結(jié)果如附錄C表C3所示。

采用CGC方案時(shí),由于未考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本,因而其出力更大、發(fā)電量更多,燃?xì)獍l(fā)電商可以獲得更多的電量收益,這部分電量收益是否可以彌補(bǔ)附加成本值得進(jìn)一步研究。以Case3為例,從燃?xì)獍l(fā)電商自身的發(fā)電收益角度,對比3種方案中燃?xì)獍l(fā)電商的收益進(jìn)行分析,如附錄C表C4所示。

可見,相對于BCGC方案,UAC方案中燃?xì)鈾C(jī)組深度調(diào)峰的機(jī)組數(shù)較少,調(diào)峰深度也較低,因而附加成本更低、利潤更高。也就是說,在同樣考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的情況下,BCGC方案獲得的電量收益不足以彌補(bǔ)附加成本帶來的損耗。

同樣,Case2也得到相同結(jié)論,在此不再贅述。

綜上,從燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電收益角度看,相對于UAC方案,采用不計(jì)及其附加成本的CGC方案時(shí),不能真實(shí)反映燃?xì)鈾C(jī)組自身成本與收益;同時(shí)其參與深度調(diào)峰的輔助服務(wù)補(bǔ)償不能補(bǔ)償其實(shí)際損失,因此從自身利益出發(fā),在現(xiàn)有調(diào)度和補(bǔ)償機(jī)制下,燃?xì)鈾C(jī)組不會具有參與深度調(diào)峰的意愿和動力。

5.4 燃?xì)鈾C(jī)組參與深度調(diào)峰的運(yùn)行方式分析

UAC方案中,當(dāng)所有燃?xì)鈾C(jī)組僅參與啟停調(diào)峰(Case1)時(shí),調(diào)峰成本和系統(tǒng)總成本均低于燃?xì)鈾C(jī)組具有深度變負(fù)荷調(diào)峰能力的策略(Case2與Case3),這是由于深度變負(fù)荷調(diào)峰階段的運(yùn)行成本過高,而啟停調(diào)峰的成本相對較低,為了使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值,燃?xì)鈾C(jī)組選擇啟停調(diào)峰,機(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰意愿明顯不足。顯然,單純從經(jīng)濟(jì)成本角度看啟停調(diào)峰方式更適合。

進(jìn)一步,改變機(jī)組基本調(diào)峰的最小技術(shù)出力Pdmin與機(jī)組啟停調(diào)峰的最小技術(shù)出力Psmin,仍可得到相同結(jié)論。

5.5 燃?xì)鈾C(jī)組參與深度調(diào)峰情況下的電力系統(tǒng)能源效率分析

但單純從機(jī)組自身成本和系統(tǒng)成本出發(fā)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還應(yīng)考慮系統(tǒng)能源是否得到了最優(yōu)利用,下文將分析電力系統(tǒng)的能源效率。圖4所示為UAC和BCGC兩種方案的Meco,可以看出在燃?xì)鈾C(jī)組參與深度調(diào)峰服務(wù)后(Case2與Case3),UAC方案的能源經(jīng)濟(jì)效率高于BCGC方案,這表明從經(jīng)濟(jì)層面上看,考慮附加成本的方案中電力系統(tǒng)的單位能源產(chǎn)出較高。

圖4 電力系統(tǒng)能源經(jīng)濟(jì)效率Fig.4 Energy economic efficiency of power system

進(jìn)一步對社會層面的能源效率進(jìn)行分析。圖5所示為兩種方案的電力系統(tǒng)能源社會效率,可以看出,UAC方案的Msoc高于BCGC方案的Msoc。這是由于兩種方案中燃煤機(jī)組出力變化幅度不大,而BCGC方案中燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電量遠(yuǎn)高于UAC方案。燃?xì)怆姀S發(fā)電的購電價(jià)格較高,系統(tǒng)整體購電成本增加,導(dǎo)致BCGC方案的Msoc較低。這表明,從社會層面看,采用考慮附加成本的調(diào)度方案,相同電量產(chǎn)出下,社會付出的代價(jià)較少。

圖5 電力系統(tǒng)能源社會效率Fig.5 Energy social efficiency of power system

同理,附錄C圖C3給出了電力系統(tǒng)能源環(huán)境效率。可見,考慮附加成本的電力系統(tǒng)能源環(huán)境效率高于基于常規(guī)氣耗成本的能源環(huán)境效率,燃?xì)鈾C(jī)組深度調(diào)峰后,Case3中能源環(huán)境效率顯著提高,隨著深度調(diào)峰機(jī)組數(shù)量的增多,能源環(huán)境效率逐漸降低(Case2)。這表明對于燃?xì)鈾C(jī)組來說,以啟停調(diào)峰為主要調(diào)峰方式,適當(dāng)加深變負(fù)荷深度進(jìn)行深度變負(fù)荷調(diào)峰更利于環(huán)境保護(hù)?？紤]燃?xì)鈾C(jī)組附加成本后,電力系統(tǒng)對環(huán)境影響減小,排放污染降低。

6 結(jié)論

本文分析了中國現(xiàn)有燃?xì)鈾C(jī)組的調(diào)峰能力,針對燃?xì)鈾C(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰與啟停調(diào)峰這兩種深調(diào)方式,研究了燃?xì)鈾C(jī)組深度變負(fù)荷調(diào)峰過程中的附加成本,提出了參與系統(tǒng)調(diào)峰控制的全過程調(diào)峰成本。從經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境3個(gè)層面建立了電力系統(tǒng)能源效率模型。以某地區(qū)電網(wǎng)為算例,評估了燃?xì)鈾C(jī)組參與深度調(diào)峰后的可行性與經(jīng)濟(jì)性,結(jié)論如下。

1)在非供暖期,燃?xì)鈾C(jī)組具有參與電力系統(tǒng)深度調(diào)峰的能力,其深度調(diào)峰方式有深度變負(fù)荷調(diào)峰與啟停調(diào)峰兩種,從整個(gè)系統(tǒng)和燃?xì)鈾C(jī)組效益角度出發(fā),啟停調(diào)峰都是更為經(jīng)濟(jì)的深調(diào)方式。

2)當(dāng)燃?xì)鈾C(jī)組參與系統(tǒng)深度調(diào)峰時(shí),其深度調(diào)峰獲得的電量收益和補(bǔ)償收益不能彌補(bǔ)其附加成本帶來的損耗,因此需要建立考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)制。此外,為促進(jìn)風(fēng)電消納,激勵(lì)火電企業(yè)主動深度調(diào)峰,電網(wǎng)企業(yè)還需要建立一個(gè)合理的補(bǔ)償方案,這也是本文后續(xù)的一個(gè)研究方向。

3)從經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境3個(gè)層面來看,綜合考慮系統(tǒng)能源最優(yōu)利用與環(huán)境因素,在非供暖期采用燃?xì)鈾C(jī)組深度調(diào)峰,建立考慮燃?xì)鈾C(jī)組附加成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)制后，電力系統(tǒng)的整體能源效率要優(yōu)于現(xiàn)行常規(guī)經(jīng)濟(jì)調(diào)度機(jī)制。而如何平衡經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境3個(gè)層面的影響因素,建立一個(gè)綜合的能源效率指標(biāo)體系,值得進(jìn)一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

參 考 文 獻(xiàn)

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