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)湖南省重點實驗室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院)，湖南 長沙 410007;2.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

在“碳中和、碳達峰”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，我國非化石能源消費占比20%左右，預(yù)計到2030年比重將達到25%左右，其中風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上。然而可再生能源發(fā)電的間歇性和波動性導(dǎo)致傳統(tǒng)燃煤機組的變工況(包括啟停、變負(fù)荷和最低負(fù)荷運行)頻率顯著增加[2-4]，使得機組發(fā)電成本增加。考慮到電力現(xiàn)貨市場改革穩(wěn)步推進，科學(xué)透明的燃煤機組發(fā)電成本計算方法的建立迫在眉睫，在啟停、變負(fù)荷和最低負(fù)荷運行三種主要的變工況中，機組啟停帶來的成本增加最為顯著，需要開展針對性的研究[2,5]。

燃煤機組啟動費用隨機組溫度狀態(tài)變動，根據(jù)停機時長將機組啟動工況分為三類：冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動。機組啟動費用主要由燃料費用等短期啟動成本與機組維修費等中長期啟動成本構(gòu)成，分別對應(yīng)發(fā)電機從停機狀態(tài)開機到并網(wǎng)產(chǎn)生的燃料費、材料費和廠用電費，以及啟動過程中設(shè)備損傷造成的維修等中長期費用[6-8]。隨著可再生能源占比快速增長，燃煤機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)電廠維修費是由啟動和基荷運行等多工況耦合作用的結(jié)果，這導(dǎo)致單獨對啟動工況的維修費等中長期成本計算難度大。

目前啟動工況的中長期成本計算方法主要包括以下幾種。第一種方法[9]是在啟動成本中添加一個固定的中長期成本項，但該項成本較難確定，無法有效反映啟動中長期成本。第二種方法[10]采用一個固定的單次啟動小時成本項，中長期成本只和啟動時間相關(guān)，該方法是對啟動工況中長期成本的一種簡單線性化處理，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期服務(wù)協(xié)議中規(guī)定一個函數(shù)關(guān)系式，以發(fā)電廠的運行狀態(tài)(包括啟動次數(shù)和運行時間)作為自變量，總維修費作為因變量，這使得啟動和基荷運行的中長期成本將由長期服務(wù)協(xié)議直接決定，而與實際損傷狀況無關(guān)。第四種方法是一種基于大數(shù)據(jù)的方法[5]，英國Intertek公司依托美國國家可再生能源實驗室開展的西部風(fēng)光可再生能源整合研究項目(WWSIS)，通過對全球400多個電廠開展為期20多年的特征數(shù)據(jù)綜合分析，獲得了不同類型機組在不同運行工況下的中長期成本，其中啟動工況的中長期成本主要包括啟動導(dǎo)致的維修費和等效強迫停運率(EFOR)升高的費用，比變負(fù)荷和最低負(fù)荷的中長期成本高一個數(shù)量級，這顯示了啟動工況在變工況中的重要性。該項研究成果被廣泛用于火電機組度電成本計算和電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中[2,11-14]，然而其計算成本屬于全球范圍內(nèi)眾多電廠的平均水平，無法實時精確反映特定區(qū)域電廠的啟動成本動態(tài)變化。

如上所述，針對燃煤機組啟動成本的計算，尤其是中長期成本的計算，國內(nèi)外仍缺乏一個簡潔有效的廣適性方法，以應(yīng)對高比例可再生能源的電力現(xiàn)貨市場需求?；诖耍疚脑谔岢隽艘环N燃煤機組啟動成本計算方法，綜合考慮燃料等短期啟動成本與機組維修費等中長期啟動成本，重點開展中長期啟動成本計算研究，并結(jié)合300MW機組分別開展冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)三種狀態(tài)下機組啟動成本計算工作，用于指導(dǎo)電力現(xiàn)貨市場運行機組參數(shù)申報、發(fā)電補償、市場力檢測與緩解等工作。

1 燃煤機組啟動成本分析和計算方法

1.1 啟動成本構(gòu)成分析

啟動成本可分為短期成本和中長期成本，其中短期成本主要包括燃料費、材料費和廠用電費等，而中長期成本主要由機組啟動帶來的關(guān)鍵部件損傷和等效強迫停運率(EFOR)提升產(chǎn)生的費用，這部分成本隨著啟動次數(shù)的增加呈現(xiàn)加速遞增特性[5]。因此需要對維修費進行合理的拆分，以分配到啟動成本中。

燃煤電廠不同工況對不同設(shè)備和部件的損傷機理較為復(fù)雜[15-16]，主要損傷機制包括由熱應(yīng)力引起的蠕變損傷和由連續(xù)運行引起的腐蝕損傷，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行過程中普遍存在，兩類損傷顯著依賴于機組的運行參數(shù)(包括但不限于機組運行時間、出力、循環(huán)類型和頻率等)，并對總維修費造成決定性的影響。本方法通過對機組維修費進行簡潔有效的分拆并分配到啟動工況中，從而獲得更加科學(xué)的啟動成本費用。

1.2 啟動成本計算方法

(1)短期成本計算模型

短期成本即啟動燃料消耗費用(Cfps)，計算方法參考主流的電力現(xiàn)貨市場成本計算方法[8]，等于燃料消耗量(Fps)乘以對應(yīng)價格，此處燃料泛指煤、油、氣、電等，燃油價格參考0號柴油價格?？紤]到CECI沿海指數(shù)綜合價能夠反應(yīng)北方港平倉綜合采購價格水平，標(biāo)煤價格Pcw計算方法以此價格指數(shù)(PCECI，23 022 kJ)為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上加上沿海沿江煤炭運費(Pw)和內(nèi)陸煤炭運費(Pt)獲得標(biāo)煤到廠價格

Cfps=Fps×Pcw

(1)

(2)

(2)中長期成本計算模型

長期成本計算模型對啟動相關(guān)的維修費和EFOR升高導(dǎo)致的機會成本的增加進行計算。

啟動維修費計算：如上所述，WWSIS項目[5]獲取了全球幾類火電機組的啟動和基荷運行平均維修費，但考慮到不同時期和不同地區(qū)物價水平的差異，數(shù)據(jù)不能被直接用來衡量我國的火電機組維修費水平。因此，本文采用其中單次啟動維修費和基荷運行維修費的比例用于總維修費的分?jǐn)偂?/p>

假定單位有效利用小時內(nèi)維修費(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——折合有效利用小時數(shù);

Hu——上一個大修周期年平均有效利用小時數(shù);

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

Esi——單次某種啟動(i)折合有效利用小時數(shù)，即將單次啟動導(dǎo)致的損傷折合成特定有效利用小時數(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目的研究結(jié)果[5]中基荷運行和啟動維修成本中位數(shù)，如表1所示。

表1 單次啟動折合有效利用小時數(shù)Esi5

Cm——上一個大修周期年平均維修費;

Cmps,i——單次某種啟動維修費;

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

EFOR升高導(dǎo)致的機會成本：WWSIS項目中規(guī)定EFOR指單次啟動后下一年發(fā)電機組由于強迫停運和強迫降出力引起的可能損失電量與總的可能發(fā)電量之比，因此本文僅對啟動后一年的機會成本上升進行計算，計算過程如下。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中Fmax——機組額定出力的供電燃料消耗量;

Fmin——機組最小技術(shù)出力的供電燃料消耗量;

Gmax——機組額定容量;

Gmin——機組最小技術(shù)出力;

Fnl——空載燃料消耗量;

Hr——上一個大修周期年平均運行小時數(shù);

XEFOR——單次啟動對EFOR的促進量，取值參考文獻[5]，見表2。

表2 單次啟動對機組EFOR的促進量XEFOR/‰[5]

2 啟動成本計算方法試算和分析

選取某300 MW燃煤發(fā)電機組進行啟動成本計算，標(biāo)煤價格計算模型采用CECI第213期23 022 kJ綜合價，機組相關(guān)數(shù)據(jù)見表3～表5，通過計算獲得該機組啟動相關(guān)成本項。

表3 燃料價格計算

表4 機組設(shè)計和帶負(fù)荷運行參數(shù)

表5 機組啟動和維修相關(guān)參數(shù)

表6所示為機組單次啟動成本，其中燃料費用、維修費用和EFOR升高導(dǎo)致的機會成本均遵循冷態(tài)>溫態(tài)>熱態(tài)的順序，單次冷態(tài)啟動總費用分別約為溫態(tài)、熱態(tài)的1.5倍和2倍。從圖1可以明顯看出，啟動成本主要構(gòu)成為燃料費，維修費和EFOR提升帶來的機會成本等中長期成本對啟動成本貢獻占比達13%～15%，因此合理有效地將中長期成本引入啟動成本計算是十分必要的。

表6 機組單次啟動成本

圖1 單次啟動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)中燃煤機組啟動頻率顯著升高的現(xiàn)狀，本文選取燃煤機組啟動成本作為研究對象，建立了電力現(xiàn)貨市場環(huán)境下啟動成本計算方法，用于評估啟動成本中燃料費用等短期成本和維修費等中長期成本。本方法著重建立了中長期成本計算模型，將多工況耦合下的機組損傷導(dǎo)致的維修費和等效強迫停運率升高等中長期成本進行有效剝離，并分配到啟動工況的中長期成本中。

成本計算結(jié)果表明，單次冷態(tài)啟動總費用分別約為溫態(tài)、熱態(tài)的1.5倍和2倍，維修費和EFOR提升帶來的機會成本等中長期成本對啟動成本的貢獻率達13%～15%。