CN106446404A - 一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法，该方法根据火电机组的铭牌参数及机组性能试验，确定其不同调峰阶段的出力门槛值。基于火电机组的运行状态和能耗特性，将火电机组调峰过程分为三个阶段。针对火电机组在不同调峰阶段的运行状态差异，从火电厂效益角度，在考虑燃煤耗量特性基础上，计及火电机组损耗成本、环境附加成本及投油成本，构造火电机组调峰能耗成本分段函数，进而得到火电机组调峰能耗成本曲线。专利成果将为火电厂经济运行提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，特别涉及一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法。
背景技术
由于风能具有随机性、间歇性、不稳定性的特点，大规模风电并网会加大系统等效负荷峰谷差，目前现有调峰资源不足，且风电并网后新增的调峰任务主要是由火电机组承担，火电调峰机组的调峰能力已经不能满足风电并网容量的日益增长，造成我国电网出现大规模的弃风限电问题。在日益严重的弃风限电背景下，社会要求火电机组深度调峰的呼声越来越高。但是火电机组深度调峰使机组出力长时间偏离经济运行区，将增加机组寿命损耗及污染物排放成本。同时火电机组在不同调峰状态运行时，其能耗成本构成也不尽相同，而目前还未见相关火电机组调峰能耗成本的计算方法。据此，为探究深度调峰对火电机组能耗成本的影响，研究并寻求计及机组损耗和环境成本的火电机组调峰能耗成本计算方法具有重要应用价值和学术意义。
目前，在电网经济调度中通常只计及火电机组常规调峰阶段的、采用燃煤耗量特性来表示的能耗。从火电厂效益角度，火电机组深度调峰能耗成本不仅与其自身的煤耗成本、机组投油成本、机组损耗成本有关，还与污染物排放成本等附加经济成本相关。当前对能耗成本的研究多为定量计算机组不投油稳燃深度调峰的节油经济效益，但是并未计及机组损耗成本及环境成本；同时当前未见有研究火电机组投油深度调峰阶段的能耗成本。由此可见，目前对火电机组调峰能耗成本的分段定量计算鲜有研究成果。
本发明根据火电机组的运行状态和能耗特性，将机组的调峰过程分为常规调峰、不投油深度调峰和投油深度调峰三个阶段，提出一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法。
发明内容
为了克服现有研究的不足，本发明提供了一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法。
本发明内容说明如下。
步骤一：根据火电机组的铭牌参数及机组性能试验，确定其不同调峰阶段的出力门槛值：
（1）基于火电机组的锅炉铭牌参数，确定机组最大出力；
（2）基于火电机组的锅炉铭牌参数，确定机组常规调峰最小技术出力；
（3）基于机组性能试验中的锅炉不投油最低稳燃负荷试验结果，确定深度调峰不投油最低稳燃出力；
（4）综合考虑火电厂锅炉安全运行经验及机组性能试验，确定深度调峰投油稳燃极限出力。
步骤二：基于火电机组的运行状态和能耗特性，将火电机组调峰过程分为三个阶段：
根据火电机组的运行状态和能耗特性，将其调峰过程分为常规调峰、不投油深度调峰、投油深度调峰三个阶段，其分段示意图如图2所示。
步骤三：计算基于燃煤耗量特性的火电机组运行煤耗成本：
火电机组的运行煤耗成本通常采用耗量特性进行计算，因此火电机组的运行煤耗成本为：
(1)
其中,为机组负荷，分别为运行煤耗成本函数的系数，其取值与机组类型、锅炉型号和煤质有关，为当季煤炭价格。
步骤四：计算由转子低周疲劳损耗引起的火电机组损耗成本：
机组变负荷使得机组转子轴系的热应力过大，过大的交变热应力作用会引起低周疲劳寿命损耗和蠕变损耗，可导致机组本体发生严重的变形和断裂，减少机组寿命。由于汽轮机的转子寿命计算是一个非常复杂的问题，在当前研究中尚无公认的计算公式可以解决，本专利按照转子材料的低周疲劳特性关系对应变循环进行低周疲劳寿命损耗计算：
（1）计算转子合成应力；
首先进行转子热应力计算，一般采用有限元计算软件ANSYS 对机组负荷为P时转子的温度场、应力场进行计算，得到转子热应力和离心切向应力，则合成应力为：
(2)
（2）计算转子总应变幅；
转子总应变幅：
(3)
其中，为弹塑性应变集中系数，为工作温度下的弹性模量；
（3）应用Manson-Coffin公式，通过转子总应变幅确定转子致裂循环周次；
Manson-Coffin公式可体现总应变幅与转子致裂循环周次的关系，其函数关系为：
(4)
其中为材料的疲劳强度系数，为材料的疲劳延性系数，为材料的疲劳强度指数，为材料的疲劳延性指数，为转子致裂循环周次；
（4）计算机组寿命损耗率；
机组深度调峰降负荷至P时，其机组寿命损耗率可表示为：
(5)
（5）计算机组损耗成本；
综上所述，计算机组变负荷后转子的总应力及总应变幅后，应用Manson-Coffin公式，变负荷调峰下的机组损耗成本为：
(6)
其中，为火电厂实际运行损耗系数，常规调峰阶段为，不投油深度调峰阶段为，投油深度调峰阶段为，，为机组购机成本。
步骤五：计算投油深度调峰阶段的投油成本及环境附加成本：
（1）计算投油成本；
在投油深度调峰阶段，锅炉的燃烧稳定性、水动力工况安全性都迅速下降，会出现无法稳定燃烧的情况，机组需要投油助燃以保证机组安全运行。投油油耗成本为：
(7)
其中，为机组深度调峰投油稳燃时单位时间内投入的油耗量，为当季的油价；
（2）计算环境附加成本；
在投油深度调峰过程中，机组燃油会增加氮氧化物、二氧化硫等污染物质的排放，导致火电厂废气排污费增加；燃煤锅炉污染物排放项目分为烟尘、汞及其化合物、氮氧化物和二氧化硫四项，过量的污染物质排放将会违反火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2011）导致政府罚款。因此，环境附加成本为：
(8)
其中为单位时间内燃油产生的废气排污费，为污染物排放量超标的罚款函数，其中烟尘超标罚款，汞及其化合物超标罚款，氮氧化物超标罚款，二氧化硫超标罚款，为各类污染物超标量，则。
步骤六：构造火电机组调峰能耗成本分段函数，进而得到火电机组调峰能耗成本曲线：
（1）构造火电机组调峰能耗成本分段函数；
本专利认为火电机组调峰的能耗成本可以分段表示。在常规调峰阶段，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本和机组损耗成本构成；在不投油深度调峰阶段，机组运行的安全性降低，机组磨损程度加大，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本和机组损耗成本构成；在投油深度调峰阶段，锅炉需投油助燃才可稳定燃烧，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本、机组损耗成本、投油油耗成本以及环境附加成本构成。因此火电机组调峰能耗成本为：
(9)
（2）得到火电机组调峰能耗成本曲线；
根据火电机组调峰能耗成本的分段函数，火电机组调峰能耗成本曲线如图3所示。
本发明提出了一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法，其特点和效果是：本发明建立的模型是基于火电机组运行状态的；本发明在燃煤耗量特性基础上，计及火电机组损耗成本、环境附加成本及投油成本，提出了火电机组调峰能耗成本分段计算方法。
附图说明
图1为本发明中火电机组调峰能耗成本分段计算方法的基本步骤框图。
图2为本发明中火电机组调峰过程示意图。
图3为本发明中火电机组调峰能耗成本曲线示意图。
图4为优选实例应用本发明所得的300MW火电机组调峰能耗成本曲线。
图5为优选实例应用本发明所得的600MW火电机组调峰能耗成本曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1为本发明提供的火电机组调峰能耗成本分段计算方法的基本步骤框图。图1中所述方法，其特征包括下列步骤：
步骤一：根据火电机组的铭牌参数及机组性能试验，确定其不同调峰阶段的出力门槛值：
（1）基于火电机组的锅炉铭牌参数，确定机组最大出力；
（2）基于火电机组的锅炉铭牌参数，确定机组常规调峰最小技术出力；
（3）基于机组性能试验中的锅炉不投油最低稳燃负荷试验结果，确定深度调峰不投油最低稳燃出力；
（4）综合考虑火电厂锅炉安全运行经验及机组性能试验，确定深度调峰投油稳燃极限出力。
步骤二：基于火电机组的运行状态和能耗特性，将火电机组调峰过程分为三个阶段：
根据火电机组的运行状态和能耗特性，将其调峰过程分为常规调峰、不投油深度调峰、投油深度调峰三个阶段，其分段示意图如图2所示。
步骤三：计算基于燃煤耗量特性的火电机组运行煤耗成本：
火电机组的运行煤耗成本通常采用耗量特性进行计算，因此火电机组的运行煤耗成本为：
(1)
其中,为机组负荷，分别为运行煤耗成本函数的系数，其取值与机组类型、锅炉型号和煤质有关，为当季煤炭价格。
步骤四：计算由转子低周疲劳损耗引起的火电机组损耗成本：
（1）计算转子合成应力；
首先进行转子热应力计算，一般采用有限元计算软件ANSYS 对机组负荷为P时转子的温度场、应力场进行计算得到转子热应力和离心切向应力。则合成应力为：
(2)
其中为合成应力，为热应力，为计算部位的离心切向应力；
（2）计算转子总应变幅；
转子总应变幅：
(3)
其中为弹塑性应变集中系数， 为工作温度下的弹性模量；
（3）应用Manson-Coffin公式，通过转子总应变幅确定转子致裂循环周次。
Manson-Coffin公式可体现总应变幅与转子致裂循环周次的关系，其函数关系为：
(4)
其中为材料的疲劳强度系数，为材料的疲劳延性系数，为材料的疲劳强度指数，为材料的疲劳延性指数，为转子致裂循环周次；
（4）计算机组寿命损耗率；
机组深度调峰降负荷至P时，其机组寿命损耗率可表示为：
(5)
（5）计算机组损耗成本；
综上所述，计算机组变负荷后转子的总应力及总应变幅后，应用Manson-Coffin公式，变负荷调峰下的机组损耗成本计算可采用如下公式：
(6)
其中，为火电厂实际运行损耗系数，常规调峰阶段为，不投油深度调峰阶段为，投油深度调峰阶段为，，为机组购机成本。
步骤五：计算投油深度调峰阶段的投油成本及环境附加成本：
（1）计算投油成本；
在投油深度调峰阶段，锅炉的燃烧稳定性、水动力工况安全性都迅速下降，会出现无法稳定燃烧的情况，机组需要投油助燃以保证机组安全运行。投油油耗成本为：
(7)
其中，为机组深度调峰投油稳燃时单位时间内投入的油耗量，为当季的油价；
（2）计算环境附加成本；
在投油深度调峰过程中，机组燃油会增加氮氧化物、二氧化硫等污染物质的排放，导致火电厂废气排污费增加；燃煤锅炉污染物排放项目分为烟尘、汞及其化合物、氮氧化物和二氧化硫四项，过量的污染物质排放将会违反火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2011）导致政府罚款。因此，环境附加成本为：
(8)
其中为单位时间内燃油产生的废气排污费，为污染物排放量超标的罚款函数，其中烟尘超标罚款，汞及其化合物超标罚款，氮氧化物超标罚款，二氧化硫超标罚款，为各类污染物超标量，则。
步骤六：构造火电机组调峰能耗成本分段函数，进而得到火电机组调峰能耗成本曲线：
（1）构造火电机组调峰能耗成本分段函数；
本专利认为火电机组调峰的能耗成本可以分段表示。在常规调峰阶段，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本和机组损耗成本构成；在不投油深度调峰阶段，机组运行的安全性降低，机组磨损程度加大，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本和机组损耗成本构成；在投油深度调峰阶段，锅炉需投油助燃才可稳定燃烧，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本、机组损耗成本、投油油耗成本以及环境附加成本构成。因此火电机组调峰能耗成本为：
(9)
（2）火电机组调峰能耗成本曲线；
根据火电机组调峰能耗成本的分段函数，火电机组调峰能耗成本曲线如图3所示。
下面通过两个实际火电机组来说明本发明提出的火电机组不同阶段的调峰能耗成本计算方法。
步骤一：确定不同调峰阶段的出力门槛值，将火电机组调峰过程分为三个阶段：
以东北地区某火电厂的300MW机组和600MW机组为例进行分析。根据其锅炉参数及机组性能试验结果，其不同调峰阶段的出力门槛值如表1所示。
表 1 火电机组不同调峰阶段的出力门槛值
| 机组容量/MW | /MW | /MW | /MW | /MW |
| 300 | 300 | 165 | 120 | 60 |
| 600 | 600 | 300 | 210 | 120 |
根据表1中的不同调峰阶段的出力门槛值，将火电机组调峰过程分为三个阶段，随后机组运行煤耗成本、机组损耗成本、投油成本以及环境附加成本。
步骤二：计算机组运行煤耗成本：
本优选实例中300MW和600MW机组的锅炉燃料选用焦煤，其价格为685元/t。运行煤耗成本计算模型中耗量特性系数取值如表2所示，将上述数据代入式（1）可计算机组运行煤耗成本。
表 2 耗量特性系数取值
步骤三：计算机组损耗成本：
采用有限元计算软件ANSYS对300MW、600MW机组不同变负荷幅度下的热应力、离心切向应力进行计算，代入式（2）（3）得到转子的总应力及总应变幅。优选实例中的锅炉转子所用材料为30Cr2MoV钢，其总应变幅与转子致裂循环周次的关系方程为：
由上式可得到不同变负荷幅度下的转子致裂循环周次，代入式（5）得到机组寿命损耗率，如表3所示。
表 3不同变负荷幅度下机组寿命损耗率
300MW、600MW机组单位造价成本分别为4394元/kW、3646元/kW。火电厂实际运行损耗系数在常规调峰阶段取0.5，不投油深度调峰阶段取1.2，投油深度调峰阶段取1.5。将上述数据代入式（6）可得到机组损耗成本。
步骤四：计算机组投油成本和环境附加成本：
不同类型锅炉的单位投油量是不同的，本实例中300MW机组的锅炉投油量为3t/h，600MW机组的锅炉投油量为4.8t/h。锅炉投油助燃燃料选用柴油，其价格为6130元/t。将上述数据代入式（7）可得到机组投油成本。
环境附加成本中分为两部分。第一部分的燃油排污成本，燃油会产生一氧化碳，二氧化硫及氮氧化物等废气，其燃油排污费为25.22元/t。第二部分为政府罚款，根据机组污染物排放监控结果，在投油调峰阶段，300MW机组存在烟尘排放超标15%情况，600MW机组存在二氧化硫排放超标10%以及氮氧化物排放超标12%情况。本实例中罚款金额设定为烟尘超标罚款2400 ，氮氧化物超标罚款842 ，二氧化硫超标罚款667 。因此300MW机组罚款10800元，600MW机组罚款23433元。将上述数据代入式（8）可得到环境附加成本。
步骤五：计算得出火电机组调峰能耗成本曲线：
分析机组运行煤耗成本、机组损耗成本、投油成本以及环境附加成本后，根据式（9）得到300MW与600MW火电机组调峰能耗成本曲线如图4所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种火电机组调峰能耗成本分段计算方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤一：根据火电机组的铭牌参数及机组性能试验，确定不同调峰阶段的出力门槛值；
步骤二：基于火电机组的运行状态和能耗状态，将火电机组调峰过程分为三个阶段；
步骤三：计算基于燃煤耗量特性的火电机组运行煤耗成本；
步骤四：应用Manson-Coffin公式，计算由转子低周疲劳损耗引起的火电机组损耗成本；
步骤五：计算投油深度调峰阶段的投油成本及环境附加成本；
步骤六：构造火电机组调峰能耗成本分段函数，进而得到火电机组调峰能耗成本曲线。
2.根据权利要求1所述的机组调峰能耗成本分段计算方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤是：
S1：基于火电机组的锅炉铭牌参数，确定机组最大出力；
S2：基于火电机组的锅炉铭牌参数，确定机组常规调峰最小技术出力；
S3：基于机组性能试验中的锅炉不投油最低稳燃负荷试验结果，确定深度调峰不投油最低稳燃出力；
S4：综合考虑火电厂锅炉安全运行经验及机组性能试验，确定深度调峰投油稳燃极限出。
3.根据权利要求1所述的机组调峰能耗成本分段计算方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤是：
根据火电机组的运行状态和能耗特性，将其调峰过程分为常规调峰、不投油深度调峰、投油深度调峰三个阶段。
4.根据权利要求1所述的机组调峰能耗成本计算方法，其特征在于，所述步骤三的具体步骤是：
火电机组的运行煤耗成本通常采用耗量特性进行计算，因此火电机组的运行煤耗成本为：
(1)
其中,为机组负荷，分别为运行煤耗成本函数的系数，其取值与机组类型、锅炉型号和煤质有关，为当季煤炭价格。
5.根据权利要求1所述的机组调峰能耗成本计算方法，其特征在于，所述步骤四的具体步骤是：
机组变负荷使得机组转子轴系的热应力过大，过大的交变热应力作用会引起低周疲劳寿命损耗和蠕变损耗，可导致机组本体发生严重的变形和断裂，减少机组寿命；由于汽轮机的转子寿命计算是一个非常复杂的问题，在当前研究中尚无公认的计算公式可以解决，本专利按照转子材料的低周疲劳特性关系进行低周疲劳寿命损耗计算：
S1：计算转子合成应力；
首先进行转子热应力计算，一般采用有限元计算软件ANSYS 对机组负荷为P时转子的温度场、应力场进行计算，得到转子热应力和离心切向应力，则合成应力为：
(2)
S2：计算转子总应变幅；
转子总应变幅计算公式为：
(3)
其中，为弹塑性应变集中系数，为工作温度下的弹性模量；
S3：应用Manson-Coffin公式，通过转子总应变幅确定转子致裂循环周次；
Manson-Coffin公式可体现总应变幅与转子致裂循环周次的关系，其函数关系为：
(4)
其中为材料的疲劳强度系数，为材料的疲劳延性系数，为材料的疲劳强度指数，为材料的疲劳延性指数，为转子致裂循环周次；
S4：计算机组寿命损耗率；
机组深度调峰降负荷至P时，其机组寿命损耗率可表示为：
(5)
S5：计算机组损耗成本；
计算机组变负荷后转子的总应力及总应变幅后，应用Manson-Coffin公式，变负荷调峰下的机组损耗成本计算可采用如下公式：
(6)
其中，为火电厂实际运行损耗系数，常规调峰阶段为，不投油深度调峰阶段为，投油深度调峰阶段为，，为机组购机成本。
6.根据权利要求1所述的机组调峰能耗成本计算方法，其特征在于，所述步骤五的具体步骤是：
S1：计算投油成本；
在投油深度调峰阶段，锅炉的燃烧稳定性、水动力工况安全性都迅速下降，会出现无法稳定燃烧的情况，机组需要投油助燃以保证机组安全运行，投油油耗成本为：
(7)
其中，为机组深度调峰投油稳燃时单位时间内投入的油耗量，为当季的油价；
S2：计算环境附加成本；
在投油深度调峰过程中，机组燃油会增加氮氧化物、二氧化硫等污染物质的排放，导致火电厂废气排污费增加；燃煤锅炉污染物排放项目分为烟尘、汞及其化合物、氮氧化物和二氧化硫四项，过量的污染物质排放将会违反火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2011）导致政府罚款，因此，环境附加成本为：
(8)
其中为单位时间内燃油产生的废气排污费，为污染物排放量超标的罚款函数，其中烟尘超标罚款，汞及其化合物超标罚款，氮氧化物超标罚款，二氧化硫超标罚款，为各类污染物超标量，则。
7.根据权利要求1所述的机组调峰能耗成本计算方法，其特征在于，所述步骤六的具体步骤是：
S1：构造火电机组调峰能耗成本分段函数；
本专利认为火电机组调峰的能耗成本可以分段表示，在常规调峰阶段，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本和机组损耗成本构成；在不投油深度调峰阶段，机组运行的安全性降低，机组磨损程度加大，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本和机组损耗成本构成；在投油深度调峰阶段，锅炉需投油助燃才可稳定燃烧，火电机组调峰能耗成本由运行煤耗成本、机组损耗成本、投油油耗成本以及环境附加成本构成，因此火电机组调峰能耗成本为：
(9)
S2：得到火电机组调峰能耗成本曲线。
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