京西熱電聯合循環機組供熱季運行經濟性分析

魏建青

（京能集團北京京西燃氣熱電有限公司）

1 機組經濟運行成本分析

發電企業越來越重視利潤回報量的大小，因此建立發電廠運行成本模型，需確定的兩個關鍵因素是上網電價和發電（供熱）成本，首先建立機組運行成本模型，通過對電廠經濟評價指標中的發電成本進行估算，分析機組經濟性運行的主要影響因素，以便制定相應的經濟性措施來降低機組運行成本［1］。本文采用目前國內計算固定資產使用成本時最廣泛使用的年限平均法來建立機組運行成本模型。年限平均法是按固定資產的使用年限平均地提折舊的方法［2］，按此計算方法所計算的每年折舊額是相同的，模型中將發電廠建廠至投產過程中所有投資費用總額，平均分攤到發電廠n年的運行折舊年限中。

因此，發電廠運行成本模型可建立如下：

式中，COE為發電成本，元／（MWh）；COD為折舊成本，元／（MWh）；COF為燃料成本，元／（MWh）；COM為運行維護成本，元／（MWh）。

其中，折舊成本COD在原始設計中應降低動態比投資費用和電網線損率，同時在運行中應盡可能增加年度平均運行小時數和折舊年限；降低燃料成本COF的手段是降低氣耗率或降低燃料價格；運行維護成本COM一般只占據總發電成本的10%～15%［3］。因此，燃料成本主要影響了全廠運行成本，而降低氣耗率是降低燃料成本的最關鍵因素。

2 供熱季運行工況

為方便分析供熱負荷需求上下限及不同時段的變化，收集了京西熱電2016～2017年供熱季、2017～2018年供熱季、2018～2019年供熱季的熱力調度日計劃數據見圖1，可得出以下結論：

圖1 京西熱電歷年供熱季供熱計劃

1）供熱季供熱量隨冬季氣溫的變化而變化，三段曲線趨勢一致；

2）供熱季中供熱需求上下限最高達到3000GJ／h，最低為1000GJ／h，相差較大；

3）近年受寒潮、暖冬和霧霾等極端天氣因素影響，短時間內供熱需求波動較大。在供熱季初期和末期，當蒸汽輪機的最大抽汽能力可以滿足供熱負荷需求時，汽輪機以抽凝方式運行；在供熱季中期較長時間，當汽輪機最大抽汽能力已經無法滿足供熱負荷需求時，低壓缸解列，汽輪機背壓方式運行，中壓缸排汽和低壓補汽全部用于熱網加熱器加熱。當供熱季內蒸汽輪機發生事故狀況或極端天氣等情況時，可以考慮蒸汽輪機切換至全切方式運行，此時余熱鍋爐中產生的全部蒸汽均經過減溫減壓，進入熱網加熱器加熱，從而實現最大供熱輸出能力。因此，選擇最佳供熱工況以滿足供熱需求，是保證機組運行經濟性的重要手段。

3 運行經濟優化分配方案

由第一章得出，燃料成本主要影響了全廠運行成本，而降低氣耗率是降低燃料成本的最關鍵因素。由第二章得出，在供熱季供熱負荷隨環境氣溫產生較大變化，選擇合理的機組方式可以降低運行成本。在一套“二拖一”和一套“一拖一”的機組組合中，選擇最優化的機組組合運行方式和熱負荷分配方案，可以降低氣耗率，提高機組經濟性。

3.1 組合分配數學模型

動態規劃是運籌學的一個分支，它是解決多階段決策過程最優化的一種數學方法。其基本思想是把給定的原始問題分為多個階段，按照順序依次加以求解，最后一個階段的最優解即是該原始問題的最優解［4］。

定理：{ fk（xk） }，{uk*}分別是最優值函數序列和最優決策序列的充要條件是滿足下面的遞推方程：

以上是動態規劃法后向算法的基本方程［5］，為解決組合分配問題提供了計算方法。計算方法是利用終端條件，從k＝n開始逆推，求得各區間的最優方案后，最后一直算到k＝1時的最優方案，xk∈Xk，k＝1，2，...，n}，再 按 照 狀 態 轉移方程＝T（xk，（xk）），從k＝1時從前到后確定，序列{，k＝1，2，...，n}即為最優取值，{（xk），k＝1，2，...，n}即為最優方案［6］。

3.2 主要經濟指標對比

由于冬季供熱以“以熱定電”的方式運行，機組電負荷及運行工況隨熱負荷變化而適當調整，通過SIS系統對機組近兩年內關鍵節點數據進行統計和篩選，得出表1～表3分別為二拖一機組、二拖一機組一拖一方式及一拖一機組在背壓和最大抽凝方式時的綜合氣耗等主要經濟性指標。

表1 二拖一機組背壓、最大抽凝方式主要經濟性指標

表3 一拖一機組背壓、最大抽凝方式主要經濟性指標

表2 二拖一機組一拖一方式運行背壓、最大抽凝方式主要經濟性指標

由表1～表3可看出：①二拖一機組和一拖一機組各方式下供熱量區間不同；②各運行方式下，綜合氣耗率均隨負荷和供熱量的增加而降低；③不同運行方式熱電比不同，相同運行方式內不同負荷對應的熱電比相差不大。

為了更加直觀對比各運行方式下機組經濟性，首先做出實際運行時的熱電關系曲線，見圖2。

圖2 機組實際運行熱電關系曲線

由圖2可以看出：①供熱量500～800GJ／h，可選擇一拖一最大抽凝和二拖一機組（一拖一方式）最大抽凝；②供熱量800～1200GJ／h，可選擇一拖一背壓和二拖一機組（一拖一方式）背壓；③供熱量1300～1900GJ／h，可選擇二拖一背壓和二拖一機組最大抽凝。

在以上三個區間中，均存在兩種或多種機組及運行方式選項，但各運行方式對應的機組負荷不同，因此綜合氣耗率也不相同。

為了對比各運行工況下的綜合氣耗率，做出綜合氣耗率與負荷率的對應曲線，見圖3。

圖3 各工況綜合氣耗率與負荷率對應曲線

由圖3可看出：①二拖一機組背壓和一拖一機組背壓方式綜合氣耗率相近，但二拖一機組負荷率變化區間比較大，靈活性更好；②二拖一機組最大抽凝相比一拖一機組最大抽凝綜合氣耗率更低，經濟性更好；③二拖一機組一拖一方式最大抽凝方式綜合氣耗率最高，因此基本不考慮此種運行方式；二拖一機組一拖一方式背壓方式綜合氣耗率與一拖一最大抽凝相近，但負荷調節范圍有限。

通過插值法，求出不同供熱量下兩套機組不同運行方式下的綜合氣耗率，見表4。

表4 不同供熱量下兩套機組各運行方式綜合氣耗率

（續）

由表4中綜合氣耗率對比可看出：①供熱量500～800GJ／h，一拖一機組最大抽凝工況最經濟；②供熱量900～1100GJ／h，一拖一機組背壓工況最經濟；③供熱量1200～1600GJ／h，二拖一機組最大抽凝工況最經濟；④供熱量1700～2100GJ／h，二拖一機組背壓工況最經濟；⑤二拖一機組抽凝與背壓方式切換的節點供熱量為1600GJ／h；⑥一拖一機組抽凝與背壓方式切換的節點供熱量為800GJ／h。

因此，在對應500～2100GJ／h供熱需求量區間內，通過對比綜合氣耗便可選擇出相應最經濟運行方式。但由于本工程由兩套機組組成，可同時運行進行供熱，最大供熱量能達到3200GJ／h，因此在2200～3100GJ／h區間內需要進行負荷分配的計算和選取，兩套機組有多種組合可以選擇，再運用加權平均法進行綜合氣耗率的計算，最后通過對比綜合氣耗率選擇最經濟的組合方式。

由表4可看出一拖一機組背壓方式供熱量900～1100GJ／h區間的綜合氣耗率介于二拖一機組背壓方式1700～2100GJ／h區間；一拖一機組最大抽凝方式供熱量700～800GJ／h區間綜合氣耗率介于二拖一機組背壓方式1400～1700GJ／h區間，最大抽凝方式供熱量600～800GJ／h區間綜合氣耗率介于二拖一機組最大抽凝方式1100～1700GJ／h區間，因此需要對比兩套機組不同組合時的綜合氣耗率來決定最優選擇項。

由于在負荷和供熱量參數上二拖一機組始終要大于（等于）一拖一機組，若要求得最小綜合氣耗率，應先選擇二拖一機組供熱量，挑選出一拖一機組可組合的供熱量，以二拖一機組對應的綜合氣耗率為基準，若一拖一機組綜合氣耗率低于此基準，則降低氣耗率的目標可實現，并進行加權平均的計算，反之則去除此組合，得出表5為2200～3100GJ／h區間不同組合加權平均后的綜合氣耗率。

表5 2200～3100GJ／h區間不同組合加權平均綜合氣耗率

（續）

3.3 運行經濟分配組合

通過動態規劃法將全廠供熱量在500～2100GJ／h區間、2200～3100GJ／h區間和3200GJ／h時的機組運行方式和負荷分配進行銜接，得出供熱季最優運行經濟分配組合，見表6。

表6 供熱季運行經濟分配組合

（續）

4 結束語

本文首先分析了燃料成本主要影響了燃氣－蒸汽聯合循環熱電聯產機組的全廠運行成本，而降低氣耗率是降低燃料成本的最關鍵因素。然后通過分析歷年供熱量，分析出在供熱季供熱負荷隨環境氣溫產生較大變化，選擇合理的機組方式可以降低運行成本。最后在一套“二拖一”和一套“一拖一”的機組組合中，分別對兩套機組在供熱季運行中不同運行工況下的經濟性做對比，通過收集以往運行數據，計算得出了不同負荷下對應的供熱量、綜合氣耗率和熱電比等關鍵參數，利用分段對比和組合對比，運用動態規劃法、插值法和加權平均法，得出了兩套機組供熱季運行經濟分配組合優化方案，參照此方案對機組負荷進行相關調整將有效降低全廠綜合氣耗率，使機組運行達到最經濟狀態。