火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)策略研究

劉 鵬

(遼寧大唐國(guó)際沈東熱電有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

隨著我國(guó)電力供應(yīng)規(guī)模不斷發(fā)展，風(fēng)電等可再生能源裝機(jī)比例不斷提高，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力被嚴(yán)重削弱[1]，電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)的需求日益增加。為了促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，必須保證風(fēng)電等可再生能源并入后其波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)的調(diào)峰需求得到滿足。作為調(diào)峰輔助服務(wù)的主要承擔(dān)者，火電機(jī)組的調(diào)峰能力能否充分發(fā)揮作用直接關(guān)系到電力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電等可再生能源的實(shí)際消納量。

截止2015年底，東北電網(wǎng)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量約1.2 TW。其中火電85.73 GW，占比70%(熱電機(jī)組占全部火電裝機(jī)的64%)；風(fēng)電24.67 GW，占比20%；水電8.04 GW，占比6.56%；核電3.36 GW，占比2.7%[2]。東北電力調(diào)峰市場(chǎng)于2014年10月1日啟動(dòng)以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，挖掘火電調(diào)峰潛力超過(guò)1 000 MW，有效緩解了系統(tǒng)調(diào)峰困難。東北地區(qū)冬季供熱期長(zhǎng)，供熱機(jī)組占火電容量大，供熱期調(diào)峰能力有限。東北風(fēng)電、核電發(fā)展迅猛，但風(fēng)電有反調(diào)節(jié)性，核電的靈活性差，使電力系統(tǒng)運(yùn)行困難加??；而水電比例小，抽水蓄能等可調(diào)峰電源嚴(yán)重不足。以上因素的共同影響，導(dǎo)致目前東北電力調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，尤其是冬季供熱期電力系統(tǒng)調(diào)峰難問(wèn)題突出，直接威脅到電力系統(tǒng)的安全和可靠供熱[3]。

在電源結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的變化的前提下，東北電力系統(tǒng)的調(diào)峰需求仍然需要挖掘火電機(jī)組調(diào)峰能力來(lái)滿足。如何在保障經(jīng)濟(jì)效益的前提下，更深入挖掘火電機(jī)組調(diào)峰潛力，并保障電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行是火電廠現(xiàn)階段面臨的首要問(wèn)題。

1 調(diào)峰輔助服務(wù)政策分析

1.1 《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》分析

為保障東北區(qū)域電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，規(guī)范輔助服務(wù)管理，國(guó)家能源局東北監(jiān)管局制定了《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，并于2011年1月1日開始執(zhí)行。

細(xì)則明確了火電供熱和非供熱機(jī)組常規(guī)調(diào)峰與非常規(guī)調(diào)峰的界限，提出了具體的非常規(guī)調(diào)峰費(fèi)用及啟停調(diào)峰費(fèi)用的補(bǔ)償和結(jié)算辦法，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰服務(wù)起到了推動(dòng)作用。但隨著近幾年風(fēng)電等可再生能源裝機(jī)比例不斷提高，該細(xì)則已不能滿足其為電力系統(tǒng)帶來(lái)的巨大調(diào)峰需求。首先，該細(xì)則對(duì)火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰率的設(shè)置偏低，導(dǎo)致調(diào)峰容量調(diào)用成本較高，火電機(jī)組的調(diào)峰潛力沒(méi)有得到充分挖掘，不能適應(yīng)大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)后的調(diào)峰需求；其次，調(diào)峰服務(wù)的補(bǔ)償及分?jǐn)傎M(fèi)用主要在各火電廠的火電機(jī)組之間結(jié)算，增加了火電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，不能有效調(diào)動(dòng)火電機(jī)組的調(diào)峰積極性；最后，燃煤機(jī)組啟停調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用偏低，并且沒(méi)有考慮機(jī)組停機(jī)期間的電量損失補(bǔ)償問(wèn)題，影響了各火電機(jī)組參與啟停調(diào)峰的積極性[4]。該細(xì)則實(shí)施以來(lái)切實(shí)為東北電力系統(tǒng)調(diào)峰輔助服務(wù)提供了有力支持，但也暴露出諸多不足之處。

1.2 《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》分析

2016年11月，國(guó)家能源局東北監(jiān)管局出臺(tái)了《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》，規(guī)則明確指出：東北電力調(diào)峰輔助服務(wù)分為基礎(chǔ)義務(wù)調(diào)峰輔助服務(wù)和有償調(diào)峰輔助服務(wù)。其中有償調(diào)峰輔助服務(wù)暫時(shí)包含實(shí)時(shí)深度調(diào)峰、火電應(yīng)急啟停調(diào)峰、黑啟動(dòng)等。深度調(diào)峰有償服務(wù)采用“階梯式”報(bào)價(jià)方式和價(jià)格機(jī)制。根據(jù)調(diào)峰率不同，各發(fā)電企業(yè)可在不同供熱時(shí)期、不同機(jī)組限價(jià)區(qū)間內(nèi)自愿浮動(dòng)報(bào)價(jià)。

在供熱期內(nèi)火電機(jī)組按照電力調(diào)度指令，在核定的最小運(yùn)行方式以下通過(guò)應(yīng)急啟停為電網(wǎng)提供火電應(yīng)急啟停調(diào)峰輔助服務(wù)。該規(guī)定對(duì)不同機(jī)組的應(yīng)急啟停調(diào)峰輔助服務(wù)報(bào)價(jià)區(qū)間進(jìn)行了規(guī)定。各發(fā)電企業(yè)可根據(jù)機(jī)組額定容量對(duì)應(yīng)的報(bào)價(jià)區(qū)間自愿浮動(dòng)報(bào)價(jià)。以300 MW火電機(jī)組為例，其火電應(yīng)急啟停調(diào)峰輔助服務(wù)的報(bào)價(jià)上限為120萬(wàn)元/次，火電企業(yè)可以在120萬(wàn)元下自愿下浮報(bào)價(jià)，電網(wǎng)調(diào)度可根據(jù)日前報(bào)價(jià)由低到高依次安排調(diào)用。

電力系統(tǒng)大面積停電后，在無(wú)外界電源支持情況下，有具備自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組提供恢復(fù)系統(tǒng)供電的黑啟動(dòng)輔助服務(wù)。對(duì)于火電機(jī)組黑啟動(dòng)輔助服務(wù)費(fèi)用分別為能力費(fèi)10萬(wàn)元/月、使用費(fèi)500萬(wàn)元/臺(tái)次。通過(guò)引入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)手段，深入挖掘火電機(jī)組調(diào)峰潛力。《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》充分考慮市場(chǎng)在資源配置中的決定作用，在保證電網(wǎng)安全運(yùn)行和電力供應(yīng)質(zhì)量的前提下，以市場(chǎng)機(jī)制促進(jìn)風(fēng)電等消納，落實(shí)國(guó)家可再生能源消納政策，兼顧各方利益，充分利用經(jīng)濟(jì)手段調(diào)動(dòng)發(fā)電企業(yè)參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)的積極性，是更好接納風(fēng)電等可再生資源的有益嘗試。

2 發(fā)電機(jī)組參與調(diào)峰輔助服務(wù)效益分析

根據(jù)火電機(jī)組的基本調(diào)峰能力研究系統(tǒng)的調(diào)峰效益[5]，較少涉及火電機(jī)組深度調(diào)峰的定性分析。而關(guān)于火電機(jī)組的調(diào)峰成本，大多是基于火電機(jī)組基本調(diào)峰階段的耗量特性，而在整個(gè)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型中一般不考慮不同深度調(diào)峰下機(jī)組的變負(fù)荷損耗成本和投油成本[6]。

2.1 火電機(jī)組調(diào)峰能力

火電機(jī)組的調(diào)峰能力是指火電機(jī)組跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷變化的能力?；痣姍C(jī)組調(diào)峰通常可分為正?；菊{(diào)峰、深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰，深度調(diào)峰又分為不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰[7]。如圖1所示，其中Pmax為機(jī)組最大出力；Pmin為給定的機(jī)組最小運(yùn)行方式出力，即火電機(jī)組有償調(diào)峰基準(zhǔn)負(fù)荷值。當(dāng)火電機(jī)組平均負(fù)荷率在Pmax、Pmin之間時(shí)提供基本調(diào)峰輔助服務(wù)，火電機(jī)組平均負(fù)荷率小于或等于Pmin時(shí)提供有償深度調(diào)峰輔助服務(wù)。Pa為機(jī)組不投油深度調(diào)峰穩(wěn)燃負(fù)荷值?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰交易采用“階梯式” 報(bào)價(jià)方式和價(jià)格機(jī)制，即不投油深度調(diào)峰報(bào)價(jià)區(qū)間為0～0.4元/kWh，投油深度調(diào)峰報(bào)價(jià)區(qū)間為0.4～1元/kWh。

圖1 火電機(jī)組調(diào)峰深度

在《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》實(shí)施前，根據(jù)以往實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，600 MW機(jī)組最大調(diào)峰率為52%，300 MW及200 MW機(jī)組最大調(diào)峰率為47%，僅600 MW機(jī)組能夠達(dá)到有償調(diào)峰要求[4]。為滿足規(guī)則要求，各火電企業(yè)都對(duì)火電機(jī)組進(jìn)行了改造。以燕山湖發(fā)電公司為例，600 MW火電機(jī)組2臺(tái)，總?cè)萘? 200 MW。在規(guī)則實(shí)施后，機(jī)組調(diào)峰負(fù)荷下限210 MW，即調(diào)峰負(fù)荷率下限為35%，最大調(diào)峰率為65%，滿足規(guī)則報(bào)價(jià)第2檔要求。為進(jìn)一步提高機(jī)組提供有償調(diào)峰服務(wù)能力，燕山湖發(fā)電公司于2017年4月成功攻破600 MW超臨界機(jī)組“深度調(diào)峰”課題，機(jī)組由調(diào)峰負(fù)荷下限210 MW下調(diào)至180 MW，即調(diào)峰負(fù)荷率下限下調(diào)至30%，最大調(diào)峰率提高到70%。

2.2 火電機(jī)組調(diào)峰成本分析

調(diào)峰輔助服務(wù)的成本包括：投資成本、運(yùn)行成本(包括投油費(fèi)用)、由于調(diào)峰而導(dǎo)致的設(shè)備部件損壞或壽命減少、增加維修費(fèi)用、人員成本、機(jī)組啟停費(fèi)用、由于承擔(dān)調(diào)峰而導(dǎo)致的發(fā)電量不足部分等。

通?；痣姍C(jī)組運(yùn)行煤耗成本為

f(P)=(aP2+bP+c)Scoal

(1)

式中：P為火電機(jī)組發(fā)電出力；a、b、c取值與機(jī)組類型、鍋爐型號(hào)和煤質(zhì)有關(guān)；Scoal為當(dāng)季的煤炭?jī)r(jià)格。

在不投油深度調(diào)峰階段，受交變應(yīng)力作用，轉(zhuǎn)子金屬低周疲勞損耗以及高溫和持續(xù)載荷力蠕變損耗，導(dǎo)致機(jī)組壽命減少，機(jī)組損耗成本為

ωcost(P)=βSunit/2Nf(P)

(2)

式中：β為機(jī)組運(yùn)行影響系數(shù)；Nf(P)為轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次；Sunit為機(jī)組購(gòu)機(jī)成本。

在投油深度調(diào)峰階段，投油成本為

Coil=CconSoil

(3)

式中：Ccon為機(jī)組投油穩(wěn)燃時(shí)的耗油量；Soil為當(dāng)季的油價(jià)。

綜上，在不同運(yùn)行狀態(tài)下火電機(jī)組的運(yùn)行成本C(P)為以下分段函數(shù)，Pb為機(jī)組投油深度調(diào)峰穩(wěn)燃極限負(fù)荷值，其特性如圖2所示。

(4)

火電機(jī)組應(yīng)急啟停調(diào)峰費(fèi)用包括由于啟停而引起的機(jī)組壽命損耗和煤耗增加費(fèi)。例如，上海外高橋電廠300 MW機(jī)組大約每啟動(dòng)1次壽命減少15 h，煤耗增加50 g/kWh。

圖2 火電機(jī)組運(yùn)行成本

研究表明：部分火電機(jī)組參與深度調(diào)峰輔助服務(wù)可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，但其調(diào)峰效益并不是隨調(diào)峰深度的增加而單調(diào)增加。部分機(jī)組的調(diào)峰深度達(dá)到55%PN時(shí)，獲得的調(diào)峰效益最高；隨著調(diào)峰深度的進(jìn)一步增加，系統(tǒng)的調(diào)峰效益會(huì)逐漸減小，并且在調(diào)峰深度大于65%PN以后，調(diào)峰效益較基本調(diào)峰還低。而煤價(jià)越升高，調(diào)峰深度對(duì)調(diào)峰效益的影響越大。隨著系統(tǒng)火電機(jī)組的調(diào)峰深度增加，系統(tǒng)的煤耗成本變化并不顯著，而對(duì)系統(tǒng)成本的變化趨勢(shì)起主要作用的是機(jī)組啟停成本和投油深度調(diào)峰機(jī)組的投油成本與變負(fù)荷磨損成本。

2.3 調(diào)峰服務(wù)收益計(jì)算

根據(jù)東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》及《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則補(bǔ)充規(guī)定》(東北監(jiān)能市場(chǎng)[2017]147號(hào))，火電廠提供深度調(diào)峰輔助服務(wù)，獲得調(diào)峰補(bǔ)償費(fèi)用為

(5)

式中：CR為火電廠供熱期獲得調(diào)峰補(bǔ)償金額；Er為第i檔有償調(diào)峰電量；qi為第i檔實(shí)際出清電價(jià)；n為火電廠機(jī)組數(shù)量；k為修正系數(shù)；供熱期k=1，非供熱期k=0.5。

參與有償調(diào)峰補(bǔ)償分?jǐn)偟幕痣姀S根據(jù)實(shí)際負(fù)荷率的不同，分3檔依次加大分?jǐn)偙壤M(jìn)行“ 階梯式”分?jǐn)偅?/p>

(6)

式中：CT為火電廠分?jǐn)傉{(diào)峰補(bǔ)償金額；ET1為火電廠修正后發(fā)電量；ET為省區(qū)內(nèi)參與分?jǐn)偟乃谢痣姀S總修正后發(fā)電量；EW為省區(qū)內(nèi)所有風(fēng)電場(chǎng)總修正后發(fā)電量；EN為省區(qū)內(nèi)核電廠總修正后發(fā)電量；Cz為調(diào)峰補(bǔ)償總金額。

(7)

式中：Ei為第i檔實(shí)際發(fā)電量，負(fù)荷率小于70%為第1檔，負(fù)荷率在70%～80%為第2檔，負(fù)荷率高于80%為第3檔，修正系數(shù)k1=1，k2=1.5，k3=2。

火電廠參與有償調(diào)峰收益為

CH=CR-CT

(8)

2.4 調(diào)峰服務(wù)收益效果

自2016年11月《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》實(shí)施，火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)收益有所增加。遼寧省某些火電廠2016年、2017年參與調(diào)峰輔助服務(wù)收益情況對(duì)比見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 2016年1—7月火電廠輔助服務(wù)收益曲線

圖4 2017年1—7月火電廠輔助服務(wù)收益曲線

通過(guò)圖3、圖4對(duì)比可以看出，調(diào)峰輔助服務(wù)政策調(diào)整后火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)收益有所增加，并可大致看出發(fā)電廠在不同季節(jié)的收益變化趨勢(shì)。

3 火電廠參與輔助服務(wù)策略

由于大容量火電機(jī)組具有較好的調(diào)峰能力，根據(jù)《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則(試行)》，火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)時(shí)，針對(duì)電網(wǎng)不同的調(diào)峰要求，給出火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)的策略，為火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)爭(zhēng)取更多效益?；痣姀S參與調(diào)峰輔助服務(wù)的策略如下。

a. 積極參與深度調(diào)峰，尤其是300 MW和600 MW等級(jí)機(jī)組，一定要通過(guò)合理競(jìng)價(jià)得到調(diào)峰補(bǔ)償。

b. 低谷時(shí)段積極參與深度調(diào)峰，尖峰及平峰時(shí)段積極爭(zhēng)搶電量，爭(zhēng)取企業(yè)利益最大化。

c. 投油調(diào)峰成本較高，為降低投油調(diào)峰成本，可以通過(guò)摻燒和等離子點(diǎn)火系統(tǒng)的配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的深度調(diào)峰。

d. 在非供熱期小風(fēng)天，僅需要火電機(jī)組參與基本調(diào)峰的階段，火電機(jī)組盡量在系統(tǒng)收益最大的調(diào)峰深度下運(yùn)行。

e. 在非供熱期，參與深度調(diào)峰輔助服務(wù)報(bào)價(jià)根據(jù)深度調(diào)峰市場(chǎng)“階梯式”報(bào)價(jià)的同時(shí)，使小容量機(jī)組報(bào)價(jià)稍小于大容量機(jī)組報(bào)價(jià)。由此，在調(diào)峰需求較小時(shí)，調(diào)度機(jī)構(gòu)優(yōu)先調(diào)用小容量機(jī)組，保障發(fā)電廠的發(fā)電量。

f. 在供熱期，利用供暖系統(tǒng)的熱慣性，供熱機(jī)組在低谷或系統(tǒng)調(diào)峰最困難時(shí)間即調(diào)峰補(bǔ)償價(jià)格和分?jǐn)們r(jià)格很高之前提前供熱，而在低谷到來(lái)之時(shí)不供熱或少供熱，以便最大限度參與系統(tǒng)調(diào)峰，獲得最大調(diào)峰收益。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了東北地區(qū)調(diào)峰輔助服務(wù)開展以來(lái)最新的政策，并對(duì)火電機(jī)組參與調(diào)峰輔助服務(wù)的能力和成本進(jìn)行了分析，并給出了火電機(jī)組參與調(diào)峰輔助服務(wù)收益計(jì)算方法，并對(duì)新政策執(zhí)行前后火電廠參與輔助服務(wù)收益情況進(jìn)行了對(duì)比。針對(duì)調(diào)峰輔助服務(wù)政策要求、火電機(jī)組調(diào)峰能力和火電機(jī)組調(diào)峰成本，給出了火電廠參與調(diào)峰輔助服務(wù)策略，為火電廠爭(zhēng)取更大的調(diào)峰收益提供參考。

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