京西熱電聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱季運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

魏建青

（京能集團(tuán)北京京西燃?xì)鉄犭娪邢薰荆?/p>

1 機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本分析

發(fā)電企業(yè)越來越重視利潤回報(bào)量的大小，因此建立發(fā)電廠運(yùn)行成本模型，需確定的兩個(gè)關(guān)鍵因素是上網(wǎng)電價(jià)和發(fā)電（供熱）成本，首先建立機(jī)組運(yùn)行成本模型，通過對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的發(fā)電成本進(jìn)行估算，分析機(jī)組經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的主要影響因素，以便制定相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性措施來降低機(jī)組運(yùn)行成本［1］。本文采用目前國內(nèi)計(jì)算固定資產(chǎn)使用成本時(shí)最廣泛使用的年限平均法來建立機(jī)組運(yùn)行成本模型。年限平均法是按固定資產(chǎn)的使用年限平均地提折舊的方法［2］，按此計(jì)算方法所計(jì)算的每年折舊額是相同的，模型中將發(fā)電廠建廠至投產(chǎn)過程中所有投資費(fèi)用總額，平均分?jǐn)偟桨l(fā)電廠n年的運(yùn)行折舊年限中。

因此，發(fā)電廠運(yùn)行成本模型可建立如下：

式中，COE為發(fā)電成本，元／（MWh）；COD為折舊成本，元／（MWh）；COF為燃料成本，元／（MWh）；COM為運(yùn)行維護(hù)成本，元／（MWh）。

其中，折舊成本COD在原始設(shè)計(jì)中應(yīng)降低動(dòng)態(tài)比投資費(fèi)用和電網(wǎng)線損率，同時(shí)在運(yùn)行中應(yīng)盡可能增加年度平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)和折舊年限；降低燃料成本COF的手段是降低氣耗率或降低燃料價(jià)格；運(yùn)行維護(hù)成本COM一般只占據(jù)總發(fā)電成本的10%～15%［3］。因此，燃料成本主要影響了全廠運(yùn)行成本，而降低氣耗率是降低燃料成本的最關(guān)鍵因素。

2 供熱季運(yùn)行工況

為方便分析供熱負(fù)荷需求上下限及不同時(shí)段的變化，收集了京西熱電2016～2017年供熱季、2017～2018年供熱季、2018～2019年供熱季的熱力調(diào)度日計(jì)劃數(shù)據(jù)見圖1，可得出以下結(jié)論：

圖1 京西熱電歷年供熱季供熱計(jì)劃

1）供熱季供熱量隨冬季氣溫的變化而變化，三段曲線趨勢(shì)一致；

2）供熱季中供熱需求上下限最高達(dá)到3000GJ／h，最低為1000GJ／h，相差較大；

3）近年受寒潮、暖冬和霧霾等極端天氣因素影響，短時(shí)間內(nèi)供熱需求波動(dòng)較大。在供熱季初期和末期，當(dāng)蒸汽輪機(jī)的最大抽汽能力可以滿足供熱負(fù)荷需求時(shí)，汽輪機(jī)以抽凝方式運(yùn)行；在供熱季中期較長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)汽輪機(jī)最大抽汽能力已經(jīng)無法滿足供熱負(fù)荷需求時(shí)，低壓缸解列，汽輪機(jī)背壓方式運(yùn)行，中壓缸排汽和低壓補(bǔ)汽全部用于熱網(wǎng)加熱器加熱。當(dāng)供熱季內(nèi)蒸汽輪機(jī)發(fā)生事故狀況或極端天氣等情況時(shí)，可以考慮蒸汽輪機(jī)切換至全切方式運(yùn)行，此時(shí)余熱鍋爐中產(chǎn)生的全部蒸汽均經(jīng)過減溫減壓，進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器加熱，從而實(shí)現(xiàn)最大供熱輸出能力。因此，選擇最佳供熱工況以滿足供熱需求，是保證機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要手段。

3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化分配方案

由第一章得出，燃料成本主要影響了全廠運(yùn)行成本，而降低氣耗率是降低燃料成本的最關(guān)鍵因素。由第二章得出，在供熱季供熱負(fù)荷隨環(huán)境氣溫產(chǎn)生較大變化，選擇合理的機(jī)組方式可以降低運(yùn)行成本。在一套“二拖一”和一套“一拖一”的機(jī)組組合中，選擇最優(yōu)化的機(jī)組組合運(yùn)行方式和熱負(fù)荷分配方案，可以降低氣耗率，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

3.1 組合分配數(shù)學(xué)模型

動(dòng)態(tài)規(guī)劃是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)分支，它是解決多階段決策過程最優(yōu)化的一種數(shù)學(xué)方法。其基本思想是把給定的原始問題分為多個(gè)階段，按照順序依次加以求解，最后一個(gè)階段的最優(yōu)解即是該原始問題的最優(yōu)解［4］。

定理：{ fk（xk） }，{uk*}分別是最優(yōu)值函數(shù)序列和最優(yōu)決策序列的充要條件是滿足下面的遞推方程：

以上是動(dòng)態(tài)規(guī)劃法后向算法的基本方程［5］，為解決組合分配問題提供了計(jì)算方法。計(jì)算方法是利用終端條件，從k＝n開始逆推，求得各區(qū)間的最優(yōu)方案后，最后一直算到k＝1時(shí)的最優(yōu)方案，xk∈Xk，k＝1，2，...，n}，再 按 照 狀 態(tài) 轉(zhuǎn)移方程＝T（xk，（xk）），從k＝1時(shí)從前到后確定，序列{，k＝1，2，...，n}即為最優(yōu)取值，{（xk），k＝1，2，...，n}即為最優(yōu)方案［6］。

3.2 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由于冬季供熱以“以熱定電”的方式運(yùn)行，機(jī)組電負(fù)荷及運(yùn)行工況隨熱負(fù)荷變化而適當(dāng)調(diào)整，通過SIS系統(tǒng)對(duì)機(jī)組近兩年內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和篩選，得出表1～表3分別為二拖一機(jī)組、二拖一機(jī)組一拖一方式及一拖一機(jī)組在背壓和最大抽凝方式時(shí)的綜合氣耗等主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

表1 二拖一機(jī)組背壓、最大抽凝方式主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

表3 一拖一機(jī)組背壓、最大抽凝方式主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

表2 二拖一機(jī)組一拖一方式運(yùn)行背壓、最大抽凝方式主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

由表1～表3可看出：①二拖一機(jī)組和一拖一機(jī)組各方式下供熱量區(qū)間不同；②各運(yùn)行方式下，綜合氣耗率均隨負(fù)荷和供熱量的增加而降低；③不同運(yùn)行方式熱電比不同，相同運(yùn)行方式內(nèi)不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的熱電比相差不大。

為了更加直觀對(duì)比各運(yùn)行方式下機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，首先做出實(shí)際運(yùn)行時(shí)的熱電關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行熱電關(guān)系曲線

由圖2可以看出：①供熱量500～800GJ／h，可選擇一拖一最大抽凝和二拖一機(jī)組（一拖一方式）最大抽凝；②供熱量800～1200GJ／h，可選擇一拖一背壓和二拖一機(jī)組（一拖一方式）背壓；③供熱量1300～1900GJ／h，可選擇二拖一背壓和二拖一機(jī)組最大抽凝。

在以上三個(gè)區(qū)間中，均存在兩種或多種機(jī)組及運(yùn)行方式選項(xiàng)，但各運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的機(jī)組負(fù)荷不同，因此綜合氣耗率也不相同。

為了對(duì)比各運(yùn)行工況下的綜合氣耗率，做出綜合氣耗率與負(fù)荷率的對(duì)應(yīng)曲線，見圖3。

圖3 各工況綜合氣耗率與負(fù)荷率對(duì)應(yīng)曲線

由圖3可看出：①二拖一機(jī)組背壓和一拖一機(jī)組背壓方式綜合氣耗率相近，但二拖一機(jī)組負(fù)荷率變化區(qū)間比較大，靈活性更好；②二拖一機(jī)組最大抽凝相比一拖一機(jī)組最大抽凝綜合氣耗率更低，經(jīng)濟(jì)性更好；③二拖一機(jī)組一拖一方式最大抽凝方式綜合氣耗率最高，因此基本不考慮此種運(yùn)行方式；二拖一機(jī)組一拖一方式背壓方式綜合氣耗率與一拖一最大抽凝相近，但負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍有限。

通過插值法，求出不同供熱量下兩套機(jī)組不同運(yùn)行方式下的綜合氣耗率，見表4。

表4 不同供熱量下兩套機(jī)組各運(yùn)行方式綜合氣耗率

（續(xù)）

由表4中綜合氣耗率對(duì)比可看出：①供熱量500～800GJ／h，一拖一機(jī)組最大抽凝工況最經(jīng)濟(jì)；②供熱量900～1100GJ／h，一拖一機(jī)組背壓工況最經(jīng)濟(jì)；③供熱量1200～1600GJ／h，二拖一機(jī)組最大抽凝工況最經(jīng)濟(jì)；④供熱量1700～2100GJ／h，二拖一機(jī)組背壓工況最經(jīng)濟(jì)；⑤二拖一機(jī)組抽凝與背壓方式切換的節(jié)點(diǎn)供熱量為1600GJ／h；⑥一拖一機(jī)組抽凝與背壓方式切換的節(jié)點(diǎn)供熱量為800GJ／h。

因此，在對(duì)應(yīng)500～2100GJ／h供熱需求量區(qū)間內(nèi)，通過對(duì)比綜合氣耗便可選擇出相應(yīng)最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式。但由于本工程由兩套機(jī)組組成，可同時(shí)運(yùn)行進(jìn)行供熱，最大供熱量能達(dá)到3200GJ／h，因此在2200～3100GJ／h區(qū)間內(nèi)需要進(jìn)行負(fù)荷分配的計(jì)算和選取，兩套機(jī)組有多種組合可以選擇，再運(yùn)用加權(quán)平均法進(jìn)行綜合氣耗率的計(jì)算，最后通過對(duì)比綜合氣耗率選擇最經(jīng)濟(jì)的組合方式。

由表4可看出一拖一機(jī)組背壓方式供熱量900～1100GJ／h區(qū)間的綜合氣耗率介于二拖一機(jī)組背壓方式1700～2100GJ／h區(qū)間；一拖一機(jī)組最大抽凝方式供熱量700～800GJ／h區(qū)間綜合氣耗率介于二拖一機(jī)組背壓方式1400～1700GJ／h區(qū)間，最大抽凝方式供熱量600～800GJ／h區(qū)間綜合氣耗率介于二拖一機(jī)組最大抽凝方式1100～1700GJ／h區(qū)間，因此需要對(duì)比兩套機(jī)組不同組合時(shí)的綜合氣耗率來決定最優(yōu)選擇項(xiàng)。

由于在負(fù)荷和供熱量參數(shù)上二拖一機(jī)組始終要大于（等于）一拖一機(jī)組，若要求得最小綜合氣耗率，應(yīng)先選擇二拖一機(jī)組供熱量，挑選出一拖一機(jī)組可組合的供熱量，以二拖一機(jī)組對(duì)應(yīng)的綜合氣耗率為基準(zhǔn)，若一拖一機(jī)組綜合氣耗率低于此基準(zhǔn)，則降低氣耗率的目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行加權(quán)平均的計(jì)算，反之則去除此組合，得出表5為2200～3100GJ／h區(qū)間不同組合加權(quán)平均后的綜合氣耗率。

表5 2200～3100GJ／h區(qū)間不同組合加權(quán)平均綜合氣耗率

（續(xù)）

3.3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分配組合

通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃法將全廠供熱量在500～2100GJ／h區(qū)間、2200～3100GJ／h區(qū)間和3200GJ／h時(shí)的機(jī)組運(yùn)行方式和負(fù)荷分配進(jìn)行銜接，得出供熱季最優(yōu)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分配組合，見表6。

表6 供熱季運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分配組合

（續(xù)）

4 結(jié)束語

本文首先分析了燃料成本主要影響了燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的全廠運(yùn)行成本，而降低氣耗率是降低燃料成本的最關(guān)鍵因素。然后通過分析歷年供熱量，分析出在供熱季供熱負(fù)荷隨環(huán)境氣溫產(chǎn)生較大變化，選擇合理的機(jī)組方式可以降低運(yùn)行成本。最后在一套“二拖一”和一套“一拖一”的機(jī)組組合中，分別對(duì)兩套機(jī)組在供熱季運(yùn)行中不同運(yùn)行工況下的經(jīng)濟(jì)性做對(duì)比，通過收集以往運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算得出了不同負(fù)荷下對(duì)應(yīng)的供熱量、綜合氣耗率和熱電比等關(guān)鍵參數(shù)，利用分段對(duì)比和組合對(duì)比，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、插值法和加權(quán)平均法，得出了兩套機(jī)組供熱季運(yùn)行經(jīng)濟(jì)分配組合優(yōu)化方案，參照此方案對(duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行相關(guān)調(diào)整將有效降低全廠綜合氣耗率，使機(jī)組運(yùn)行達(dá)到最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。