呂當(dāng)振，陳 珣，曾 俊，伍奕涵，胡 臻,冷爾唯

(1.高效清潔發(fā)電技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院)，湖南 長(zhǎng)沙 410007;2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

在“碳中和、碳達(dá)峰”的目標(biāo)指引下，可再生能源電力占比逐年攀升[1]，《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中指出，到2025年，我國(guó)非化石能源消費(fèi)占比20%左右，預(yù)計(jì)到2030年比重將達(dá)到25%左右，其中風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。然而可再生能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性導(dǎo)致傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的變工況(包括啟停、變負(fù)荷和最低負(fù)荷運(yùn)行)頻率顯著增加[2-4]，使得機(jī)組發(fā)電成本增加?？紤]到電力現(xiàn)貨市場(chǎng)改革穩(wěn)步推進(jìn)，科學(xué)透明的燃煤機(jī)組發(fā)電成本計(jì)算方法的建立迫在眉睫，在啟停、變負(fù)荷和最低負(fù)荷運(yùn)行三種主要的變工況中，機(jī)組啟停帶來(lái)的成本增加最為顯著，需要開展針對(duì)性的研究[2,5]。

燃煤機(jī)組啟動(dòng)費(fèi)用隨機(jī)組溫度狀態(tài)變動(dòng)，根據(jù)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)將機(jī)組啟動(dòng)工況分為三類：冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)、熱態(tài)啟動(dòng)。機(jī)組啟動(dòng)費(fèi)用主要由燃料費(fèi)用等短期啟動(dòng)成本與機(jī)組維修費(fèi)等中長(zhǎng)期啟動(dòng)成本構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)從停機(jī)狀態(tài)開機(jī)到并網(wǎng)產(chǎn)生的燃料費(fèi)、材料費(fèi)和廠用電費(fèi)，以及啟動(dòng)過程中設(shè)備損傷造成的維修等中長(zhǎng)期費(fèi)用[6-8]。隨著可再生能源占比快速增長(zhǎng)，燃煤機(jī)組啟停等變工況頻率顯著增加，相應(yīng)的維修成本也相應(yīng)增大[4]。然而，燃煤發(fā)電廠維修費(fèi)是由啟動(dòng)和基荷運(yùn)行等多工況耦合作用的結(jié)果，這導(dǎo)致單獨(dú)對(duì)啟動(dòng)工況的維修費(fèi)等中長(zhǎng)期成本計(jì)算難度大。

目前啟動(dòng)工況的中長(zhǎng)期成本計(jì)算方法主要包括以下幾種。第一種方法[9]是在啟動(dòng)成本中添加一個(gè)固定的中長(zhǎng)期成本項(xiàng)，但該項(xiàng)成本較難確定，無(wú)法有效反映啟動(dòng)中長(zhǎng)期成本。第二種方法[10]采用一個(gè)固定的單次啟動(dòng)小時(shí)成本項(xiàng)，中長(zhǎng)期成本只和啟動(dòng)時(shí)間相關(guān)，該方法是對(duì)啟動(dòng)工況中長(zhǎng)期成本的一種簡(jiǎn)單線性化處理，但是同上一種方法一樣，依然沒有解決成本如何確定的難題。第三種方法[6]將中長(zhǎng)期成本交給設(shè)備制造商確定，在制造商和發(fā)電廠所有者之間的長(zhǎng)期服務(wù)協(xié)議中規(guī)定一個(gè)函數(shù)關(guān)系式，以發(fā)電廠的運(yùn)行狀態(tài)(包括啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間)作為自變量，總維修費(fèi)作為因變量，這使得啟動(dòng)和基荷運(yùn)行的中長(zhǎng)期成本將由長(zhǎng)期服務(wù)協(xié)議直接決定，而與實(shí)際損傷狀況無(wú)關(guān)。第四種方法是一種基于大數(shù)據(jù)的方法[5]，英國(guó)Intertek公司依托美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開展的西部風(fēng)光可再生能源整合研究項(xiàng)目(WWSIS)，通過對(duì)全球400多個(gè)電廠開展為期20多年的特征數(shù)據(jù)綜合分析，獲得了不同類型機(jī)組在不同運(yùn)行工況下的中長(zhǎng)期成本，其中啟動(dòng)工況的中長(zhǎng)期成本主要包括啟動(dòng)導(dǎo)致的維修費(fèi)和等效強(qiáng)迫停運(yùn)率(EFOR)升高的費(fèi)用，比變負(fù)荷和最低負(fù)荷的中長(zhǎng)期成本高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這顯示了啟動(dòng)工況在變工況中的重要性。該項(xiàng)研究成果被廣泛用于火電機(jī)組度電成本計(jì)算和電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中[2,11-14]，然而其計(jì)算成本屬于全球范圍內(nèi)眾多電廠的平均水平，無(wú)法實(shí)時(shí)精確反映特定區(qū)域電廠的啟動(dòng)成本動(dòng)態(tài)變化。

如上所述，針對(duì)燃煤機(jī)組啟動(dòng)成本的計(jì)算，尤其是中長(zhǎng)期成本的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外仍缺乏一個(gè)簡(jiǎn)潔有效的廣適性方法，以應(yīng)對(duì)高比例可再生能源的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)需求?；诖?，本文在提出了一種燃煤機(jī)組啟動(dòng)成本計(jì)算方法，綜合考慮燃料等短期啟動(dòng)成本與機(jī)組維修費(fèi)等中長(zhǎng)期啟動(dòng)成本，重點(diǎn)開展中長(zhǎng)期啟動(dòng)成本計(jì)算研究，并結(jié)合300MW機(jī)組分別開展冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)三種狀態(tài)下機(jī)組啟動(dòng)成本計(jì)算工作，用于指導(dǎo)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)組參數(shù)申報(bào)、發(fā)電補(bǔ)償、市場(chǎng)力檢測(cè)與緩解等工作。

1 燃煤機(jī)組啟動(dòng)成本分析和計(jì)算方法

1.1 啟動(dòng)成本構(gòu)成分析

啟動(dòng)成本可分為短期成本和中長(zhǎng)期成本，其中短期成本主要包括燃料費(fèi)、材料費(fèi)和廠用電費(fèi)等，而中長(zhǎng)期成本主要由機(jī)組啟動(dòng)帶來(lái)的關(guān)鍵部件損傷和等效強(qiáng)迫停運(yùn)率(EFOR)提升產(chǎn)生的費(fèi)用，這部分成本隨著啟動(dòng)次數(shù)的增加呈現(xiàn)加速遞增特性[5]。因此需要對(duì)維修費(fèi)進(jìn)行合理的拆分，以分配到啟動(dòng)成本中。

燃煤電廠不同工況對(duì)不同設(shè)備和部件的損傷機(jī)理較為復(fù)雜[15-16]，主要損傷機(jī)制包括由熱應(yīng)力引起的蠕變損傷和由連續(xù)運(yùn)行引起的腐蝕損傷，兩者同疲勞損傷發(fā)生協(xié)同耦合，共同導(dǎo)致維修費(fèi)的產(chǎn)生[5,17]。蠕變疲勞損傷主要發(fā)生在啟停等變工況中，而腐蝕疲勞損傷則在運(yùn)行過程中普遍存在，兩類損傷顯著依賴于機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)(包括但不限于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、出力、循環(huán)類型和頻率等)，并對(duì)總維修費(fèi)造成決定性的影響。本方法通過對(duì)機(jī)組維修費(fèi)進(jìn)行簡(jiǎn)潔有效的分拆并分配到啟動(dòng)工況中，從而獲得更加科學(xué)的啟動(dòng)成本費(fèi)用。

1.2 啟動(dòng)成本計(jì)算方法

(1)短期成本計(jì)算模型

短期成本即啟動(dòng)燃料消耗費(fèi)用(Cfps)，計(jì)算方法參考主流的電力現(xiàn)貨市場(chǎng)成本計(jì)算方法[8]，等于燃料消耗量(Fps)乘以對(duì)應(yīng)價(jià)格，此處燃料泛指煤、油、氣、電等，燃油價(jià)格參考0號(hào)柴油價(jià)格?？紤]到CECI沿海指數(shù)綜合價(jià)能夠反應(yīng)北方港平倉(cāng)綜合采購(gòu)價(jià)格水平，標(biāo)煤價(jià)格Pcw計(jì)算方法以此價(jià)格指數(shù)(PCECI，23 022 kJ)為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上加上沿海沿江煤炭運(yùn)費(fèi)(Pw)和內(nèi)陸煤炭運(yùn)費(fèi)(Pt)獲得標(biāo)煤到廠價(jià)格

Cfps=Fps×Pcw

(1)

(2)

(2)中長(zhǎng)期成本計(jì)算模型

長(zhǎng)期成本計(jì)算模型對(duì)啟動(dòng)相關(guān)的維修費(fèi)和EFOR升高導(dǎo)致的機(jī)會(huì)成本的增加進(jìn)行計(jì)算。

啟動(dòng)維修費(fèi)計(jì)算：如上所述，WWSIS項(xiàng)目[5]獲取了全球幾類火電機(jī)組的啟動(dòng)和基荷運(yùn)行平均維修費(fèi)，但考慮到不同時(shí)期和不同地區(qū)物價(jià)水平的差異，數(shù)據(jù)不能被直接用來(lái)衡量我國(guó)的火電機(jī)組維修費(fèi)水平。因此，本文采用其中單次啟動(dòng)維修費(fèi)和基荷運(yùn)行維修費(fèi)的比例用于總維修費(fèi)的分?jǐn)偂?/p>

假定單位有效利用小時(shí)內(nèi)維修費(fèi)(Cmph)一定，分拆步驟如下

(3)

Cmph=Cm/Heu

(4)

Cmps,i=Esi×Cmph

(5)

Cnlph=Cmph

(6)

式中Heu——折合有效利用小時(shí)數(shù);

Hu——上一個(gè)大修周期年平均有效利用小時(shí)數(shù);

Tsi——上一個(gè)大修周期某種啟動(dòng)(i取冷態(tài)、溫態(tài)或熱態(tài)啟動(dòng))年平均次數(shù);

Esi——單次某種啟動(dòng)(i)折合有效利用小時(shí)數(shù)，即將單次啟動(dòng)導(dǎo)致的損傷折合成特定有效利用小時(shí)數(shù)導(dǎo)致的損傷，取值則參考西部風(fēng)光可再生能源整合研究項(xiàng)目的研究結(jié)果[5]中基荷運(yùn)行和啟動(dòng)維修成本中位數(shù)，如表1所示。

表1 單次啟動(dòng)折合有效利用小時(shí)數(shù)Esi5

Cm——上一個(gè)大修周期年平均維修費(fèi);

Cmps,i——單次某種啟動(dòng)維修費(fèi);

Cnlph——單位小時(shí)空載維修費(fèi)。需要說明的是，非變運(yùn)行工況的維修費(fèi)不考慮負(fù)荷變化的影響，因此在公式6中，單位有效利用小時(shí)內(nèi)維修費(fèi)被歸入空載成本中作為單位小時(shí)空載維修費(fèi)，以避免機(jī)組邊際成本曲線非單調(diào)性的出現(xiàn)[18]。

EFOR升高導(dǎo)致的機(jī)會(huì)成本：WWSIS項(xiàng)目中規(guī)定EFOR指單次啟動(dòng)后下一年發(fā)電機(jī)組由于強(qiáng)迫停運(yùn)和強(qiáng)迫降出力引起的可能損失電量與總的可能發(fā)電量之比，因此本文僅對(duì)啟動(dòng)后一年的機(jī)會(huì)成本上升進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程如下。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中Fmax——機(jī)組額定出力的供電燃料消耗量;

Fmin——機(jī)組最小技術(shù)出力的供電燃料消耗量;

Gmax——機(jī)組額定容量;

Gmin——機(jī)組最小技術(shù)出力;

Fnl——空載燃料消耗量;

Hr——上一個(gè)大修周期年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù);

XEFOR——單次啟動(dòng)對(duì)EFOR的促進(jìn)量，取值參考文獻(xiàn)[5]，見表2。

表2 單次啟動(dòng)對(duì)機(jī)組EFOR的促進(jìn)量XEFOR/‰[5]

2 啟動(dòng)成本計(jì)算方法試算和分析

選取某300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)成本計(jì)算，標(biāo)煤價(jià)格計(jì)算模型采用CECI第213期23 022 kJ綜合價(jià)，機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)見表3～表5，通過計(jì)算獲得該機(jī)組啟動(dòng)相關(guān)成本項(xiàng)。

表3 燃料價(jià)格計(jì)算

表4 機(jī)組設(shè)計(jì)和帶負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)

表5 機(jī)組啟動(dòng)和維修相關(guān)參數(shù)

表6所示為機(jī)組單次啟動(dòng)成本，其中燃料費(fèi)用、維修費(fèi)用和EFOR升高導(dǎo)致的機(jī)會(huì)成本均遵循冷態(tài)>溫態(tài)>熱態(tài)的順序，單次冷態(tài)啟動(dòng)總費(fèi)用分別約為溫態(tài)、熱態(tài)的1.5倍和2倍。從圖1可以明顯看出，啟動(dòng)成本主要構(gòu)成為燃料費(fèi)，維修費(fèi)和EFOR提升帶來(lái)的機(jī)會(huì)成本等中長(zhǎng)期成本對(duì)啟動(dòng)成本貢獻(xiàn)占比達(dá)13%～15%，因此合理有效地將中長(zhǎng)期成本引入啟動(dòng)成本計(jì)算是十分必要的。

表6 機(jī)組單次啟動(dòng)成本

圖1 單次啟動(dòng)成本中不同組成百分比

3 結(jié)論

基于高比例可再生能源電力系統(tǒng)中燃煤機(jī)組啟動(dòng)頻率顯著升高的現(xiàn)狀，本文選取燃煤機(jī)組啟動(dòng)成本作為研究對(duì)象，建立了電力現(xiàn)貨市場(chǎng)環(huán)境下啟動(dòng)成本計(jì)算方法，用于評(píng)估啟動(dòng)成本中燃料費(fèi)用等短期成本和維修費(fèi)等中長(zhǎng)期成本。本方法著重建立了中長(zhǎng)期成本計(jì)算模型，將多工況耦合下的機(jī)組損傷導(dǎo)致的維修費(fèi)和等效強(qiáng)迫停運(yùn)率升高等中長(zhǎng)期成本進(jìn)行有效剝離，并分配到啟動(dòng)工況的中長(zhǎng)期成本中。

成本計(jì)算結(jié)果表明，單次冷態(tài)啟動(dòng)總費(fèi)用分別約為溫態(tài)、熱態(tài)的1.5倍和2倍，維修費(fèi)和EFOR提升帶來(lái)的機(jī)會(huì)成本等中長(zhǎng)期成本對(duì)啟動(dòng)成本的貢獻(xiàn)率達(dá)13%～15%。