一種適應調峰需求的機組實時成本分析系統應用

河北邯峰發電有限責任公司 李 鋼 丁 威 汪詠泉 西安廣林匯智能源科技公司 耿慶慶

大唐寶雞發電公司 呂建平

隨著我國電網市場化不斷推進，火電企業利潤空間不斷受到新能源增長的擠壓，根據中國電力企業聯合會公布的數據顯示，截至2020年年底，我國煤電裝機容量年利用小時數108000萬kW，同比增長3.7%，同期風電和太陽能發電裝機容量分別上升34.7%和24.1%。全國煤電發電量46296億kWh，同比上升1.7%，同期風電和太陽能發電機組發電量同比上升15.1%和16.6%。但基于火電與風電發電存在重要不確定性的事實，為了保證電網供需平衡和電壓穩定，火電機組“壓艙石”的作用還不可動搖，大量火電機組退出電網的模式短時間內不可能出現，因此在特定不利市場環境中如何更好地生存，最大限度地適應和參與新的市場類型和形式，準確預測短期未來的機組發電成本，對火電企業市場地位提升和經濟效益提升有著重要意義。

某發電公司安裝兩臺亞臨界進口型660MW機組。鍋爐采用了美國福斯特惠勒能源公司生產的FW-2026/17.29-540.8型亞臨界壓力，一次中間再熱，平衡通風，單爐膛，П型布置，固態排渣，單汽包自然循環，半露天煤粉爐。汽輪機采用德國西門子公司生產的亞臨界，一次中間再熱，單軸四缸四排汽凝汽式反動汽輪機，汽輪機型號：HMN，高壓缸：H30-100-2中壓缸：M30-63，低壓缸：N30-2×10，該型機組在國內同級別機組中應用較少，工程總投資78.8億元，實際單位投資5975元/kW，比概算批準的單位投資降低了487元/kW。1、2號機組分別于2001年3月26日和2001年9月1日先后投入商業運營。

1 成本分析系統是兩個市場的需求

1.1 電量市場[1-5]

受電力市場化推動影響，同時為了有效引導電力市場由化石能源為主向可再生能源為主轉換，促進電力市場資源配置，目前電量市場已經逐步脫離以計劃為主的體系，因此除基礎電量外的其他主要電量獲取途徑都是基于發電成本測算才能實現，同時所獲取電量又反過來對發電成本形成較大的影響。

電網基礎電量。為了保證系統穩定性和并網發電廠基礎收益，電網公司根據年度負荷預測，拿出一部分電量進行現存容量分配，即所謂基礎電量，同時配合給予政府批準的基礎電價，作為并網火電機組的收益保障。

中長期交易電量。在當前“廠網分開，競價上網”的思路下，給予在網上注冊的重點用電客戶以優先權，通過大用戶談判達成基礎交易電量，電價通過磋商獲得，一定時間段內有效。此部分電量電網公司僅收取過網費和一定比例的管理費用，受當前電量市場上供大于求（全國火電企業近年來年利用小時數持續下滑）影響，交易電價一般略低于基礎電價。市場主體分時段申報電量、電價（不含暫不實行峰谷分時電價的用戶），交易申報時段具體為“尖、峰、平、谷”多段。發電廠分時段曲線由與之成交的用戶側分時段曲線對應形成。發電企業將同一發電企業下所有機組打包參與交易，結算時按照機組上網電量比例將交易電量拆分至機組。

電力現貨市場。為了實現調度運行和市場交易有機銜接，促進電力系統安全運行、市場有效運行；形成體現時間和位置特性的電能量商品價格，為市場主體提供反映市場供需和生產成本的價格信號。有利于應用市場化手段改變計劃調度方式，發現電力商品價格，形成市場化的電力電量平衡機制。根據交易時間可分為日前現貨市場和日內現貨市場。日前現貨市場是當前主要交易平臺，提前一天開展交易，向交易中心申報第二天預計的發電能力和用電需求；調度部門生成比較符合實際情況的、可執行的交易計劃。在充分考慮次日電網運行邊界條件以及物理約束的基礎上，通過集中優化，以發電費用最低為優化目標，決策次日的機組開機組合以及發電出力曲線，實現電力電量平衡、電網安全管理和資源優化配置。日內市場就是在日前市場關閉后，為市場成員提供微調發用電計劃的交易平臺，交易規模較小，建設初期可先不建設日內市場。

輔助調峰市場。2021年，河北電網新納入風電項目9個、140萬kW，光伏發電項目20個、401.8萬kW，影響區域內新能源容量占比繼續上升。火電機組深度調峰進行市場輔助服務是不可避免的趨勢，也是調節能力較強的機組新的盈利增長點。

1.2 電煤市場

近年來，煤炭市場整體進入景氣周期，雖然短期內有一定波動，長期來看，基本呈上揚趨勢。以2021年河北省5500大卡優質動力煤價格分析，年初煤價818.75元/t，3月底略降至750.75元/t，6月末上升到978.75元/t，10月中旬上升到近十年來最高值1710元/t，其后在政策干預下，動力煤價格逐漸回落至2021年年底的822.5元/t。按河北省發展和改革委員會2022年4月發布的《關于進一步完善煤炭市場價格形成機制的實施意見》，其中“完善煤電價格市場化傳導機制”要求，當煤炭中長期交易價格在合理區間內運行時，燃煤發電企業可在電力中長期交易中通過市場化方式充分傳導燃料成本變化，即在基準價（河北南網0.3644元/kWh）基礎上上下浮動20%區間內形成合理電價。根據中電聯發布的2021年度全國660MW機組平均供電煤耗312.89g/kWh計算，燃煤成本分別占到發電成本的70.30%、64.64%、84.04%、146.83%、70.62%，可見燃煤成本占發電總成本的比例受煤價因素影響波動比例最高達76.53%。

2 主要成本結構及計算方式選擇

火電廠主要生產成本分項包括燃料費、購入電力費、水費、材料費、工資及福利費、折舊費、管理費用、財務費用、銷售費用、修理費、環保費用、其他費用。

2.1 固定成本

指與發電生產過程不直接相關費用綜合，包括上述工資福利費用、土地租賃費用、折舊費用、修理費用管理費用、財務費用、銷售費用以及其他費用。

一是按時間攤銷的固定成本。對于工資福利費用、土地租賃費用、折舊費用、管理費用、財務費用、銷售費用其他費用等只要企業存續就已經產生，不會與機組運行與否等直接相關，一般由公司財務取得年化數據，針對日發電成本分析也可以進一步按日進行分攤。如某公司兩臺機組總投資78.8億元，按25年年度折舊法、殘值5%計算，年折舊率為3.8%，單臺機組年折舊額為1.5億元，日折舊額為41.02萬元，小時折舊額1.71萬元。

二是按運行時間攤銷的固定成本。主要是修理費用，因為設備的單獨使用和檢修費用都是隨運行時間消耗，所以不論采用計劃檢修模式還是狀態檢修模式，與修理費相關性較大的還是機組運行時間。如輥式磨煤機設備廠家規定大修周期為累計運行時間3000h，大修費用140萬元，但磨煤機運行時間與機組實際負荷率和安裝位置有關，只能按實際運行時間進行分攤，小時分攤修理費0.0467萬元。其他與主機強相關性的輔助設備則是按主機運行時間進行攤銷。

2.2 變動成本

指與機組發電量直接線性相關的費用。包括燃料費、購入電力費、耗水費、環保耗材費，等等。一般情況下，機組正常運行中自帶廠用電量，不產生外部購電費用，其余費用主要計算方法：

一是燃料費。燃料費包含了電廠內部用能（包括用煤耗量、燃油耗量、廠用電量）的綜合值，按照DL904-2015《火力發電廠技術經濟指標計算方法》，取綜合供電煤耗為管控指標，其值等于發電煤耗疊加綜合廠用電率損失來計算。同樣，按照行業標準，可以采用正平衡計算方法和反平衡計算方法來進行燃料單耗計算。

正平衡計算。發電煤耗=消耗標煤量/發電量。發電標煤量包括入爐煤量和入爐燃油量，再折算為29307KJ/kg的標準煤量。發電量可以直接取用發電機出口功率進行計算。其優點是采集數據少，計算簡單，大型火力發電機組一般采用電子皮帶秤給煤設備進行實時計量，按國家計量標準計量的電子皮帶秤能滿足進度0.5%的稱重精度，可以滿足實時計量的需求。存在問題是入爐煤實時低位發熱量難于獲得，目前無源在線熱值監測裝置存在準確度和穩定性不高的問題。

其中，CC、CC分別表示燃煤、燃油成本，GC、GC分別表示燃煤、燃油耗量，PC、PO分別表示標煤單價、燃油價格。所有變量僅入爐煤低位發熱量Qcar較難直接取得，基于鍋爐效率在主要負荷段內變動幅度較小，可使用負荷率對應出力燃煤比與理論燃煤比修正取得，簡要計算式：

其中，x表示負荷率。

反平衡計算。發電煤耗=汽輪發電機組熱耗率/鍋爐效率/管道效率/29307。其中，汽輪發電機組熱耗率以鍋爐過熱器流量、過熱蒸汽溫度、過熱蒸汽壓力、給水壓力、給水溫度、再熱汽壓力、再熱汽溫度、高壓排氣壓力、高壓排汽溫度、高壓排汽流量、再熱減溫水流量等數據綜合計算取得，其中主要難點在于過熱汽流量和再熱汽流量獲取，實際上此位置壓力損失對于機組循環效率影響較大，所以現實一般不能安裝節流裝置進行流量測量，其獲取需要采集更多的熱力系統數據進行平衡計算獲取，經過各種數據反復計算得到熱耗率誤差比較大。

二是耗水費。發電耗水量包括原水和除鹽水兩部分，二者價值差距較大，一般分兩部分進行計算。

其中，Chs、Ccys、Cys分別表示耗水費用、除鹽水費用、原水費用；Pcys、Pys分別表示除鹽水單價、原水單價，Gcys、Gys分別表示除鹽水量、原水量。

除鹽水量按機組補除鹽水量測量值和測算價值分別在線讀取和定期測算修訂。原水消耗量包括工業水、消防水、生活水、水塔蒸發量和風吹損失量。其中，工業水、消防水、生活水等波動較小，正常按固定值測算。水塔蒸發量和風吹損失與機組負荷率有關。

其中，Ggys、Gshs、Gxfs、Gzfl、Gfcl分別表示工業水、消防水、生活水耗量；f（x）Gzfl+Gfcl表示用負荷率進行折算的循環水蒸發量與風吹損失量。

三是環保耗材費。當前，主要燃煤機組均已達到超凈排放標準，要求煙囪排放凈煙氣煙塵折算濃度不高于5mg/Nm3，二氧化硫折算濃度不高于30mg/Nm3，氮氧化物折算濃度不高于50mg/Nm3。

除塵耗材費用。主要除塵模式為干式電除塵器+布袋除塵器或干式電除塵器+濕式電除塵器方案，設備費用和修理費用一般隨主機修理費進行固定折算。隨工作消耗的可變耗材主要是直流變耗電量、陰陽極振打裝置耗電量、除塵器灰斗加熱器耗電量、流化風耗電量以及輸灰系統耗電量等，各種耗電量屬于機組自用電項目，包含在廠高變計量范圍之內，不產生直接附加耗材費用，不予計算。

脫硫耗材費用。煤粉鍋爐脫硫一般以濕法石灰石脫硫為主，其他方式基本與此類似。

其中，Psf、Bf、Pf、Sar/vy、λso分別表示石粉價格、入爐煤量、發電功率、硫分煙氣比、凈煙氣濃度等。

脫硝耗材費用。一般SCR脫硝裝置均以氨氣體為吸收介質，系統噴氨量有專門計量表計可直接使用。

其中，Paq、Gaq、kaq分別表示液氨（或尿素）價格、消耗量、反應系數。

3 成本預測系統基本特點

系統以云計算技術為基礎進行架構規劃，以微服務架構實現各功能模塊化規劃，實現動態成本分析系統項目的建設實施，圍繞基礎信息管理、系統管理、數據準備/監測、成本分析等模塊，滿足了電廠對動態成本分析系統平臺的功能需求。

一是在線數據滿足數據準確度要求。為保證信息安全，系統取數經實施管理系統獲取，并在指定頁面顯示，應做好與信息一區數據隔離。二是填報數據應提供報表型數據錄入交互接口，方便人員快速錄入數據。三是設置管理分級和用戶分級職能。價格敏感數據、財務管理費和人工費等數據專員應提供專用分級，瀏覽客戶根據工作需要賦權。四是分析系統軟件應該具有足夠的安全性，既能迅速、準確地進行在線分析、計算，又能為運行人員和營銷人員提供有效的根據和指導。五是克服非穩態數據離散問題，提升數據準確性。非穩態監測數據異常性大、一致性差、可靠性低，直接影響著建模的準確性。采用一種滑動窗口方法將電廠數據進行穩態篩選，剔除非穩態的數據，建立更加精確的預測曲線。

4 測試曲線實例

4.1 以某168小時連續數據擬合綜合供電煤耗曲線圖1所示

4.2 系統應用實景圖如圖2所示

5 結論

通過本系統的建立，對該公司燃煤成本、水耗成本、環保耗材等重點可變成本隨負荷率變化情況進行了深度分析，建立了顯示方案和優化模式，從運行人員操作和電量市場上基于成本價預測方案的實施方面發揮了指導作用，是該公司實現智慧電廠的重要一環。