京西热电联合循环机组供热季运行经济性分析

魏建青

（京能集团北京京西燃气热电有限公司）

1 机组经济运行成本分析

发电企业越来越重视利润回报量的大小，因此建立发电厂运行成本模型，需确定的两个关键因素是上网电价和发电（供热）成本，首先建立机组运行成本模型，通过对电厂经济评价指标中的发电成本进行估算，分析机组经济性运行的主要影响因素，以便制定相应的经济性措施来降低机组运行成本［1］。本文采用目前国内计算固定资产使用成本时最广泛使用的年限平均法来建立机组运行成本模型。年限平均法是按固定资产的使用年限平均地提折旧的方法［2］，按此计算方法所计算的每年折旧额是相同的，模型中将发电厂建厂至投产过程中所有投资费用总额，平均分摊到发电厂n年的运行折旧年限中。

因此，发电厂运行成本模型可建立如下：

式中，COE为发电成本，元／（MWh）；COD为折旧成本，元／（MWh）；COF为燃料成本，元／（MWh）；COM为运行维护成本，元／（MWh）。

其中，折旧成本COD在原始设计中应降低动态比投资费用和电网线损率，同时在运行中应尽可能增加年度平均运行小时数和折旧年限；降低燃料成本COF的手段是降低气耗率或降低燃料价格；运行维护成本COM一般只占据总发电成本的10%～15%［3］。因此，燃料成本主要影响了全厂运行成本，而降低气耗率是降低燃料成本的最关键因素。

2 供热季运行工况

为方便分析供热负荷需求上下限及不同时段的变化，收集了京西热电2016～2017年供热季、2017～2018年供热季、2018～2019年供热季的热力调度日计划数据见图1，可得出以下结论：

图1 京西热电历年供热季供热计划

1）供热季供热量随冬季气温的变化而变化，三段曲线趋势一致；

2）供热季中供热需求上下限最高达到3000GJ／h，最低为1000GJ／h，相差较大；

3）近年受寒潮、暖冬和雾霾等极端天气因素影响，短时间内供热需求波动较大。在供热季初期和末期，当蒸汽轮机的最大抽汽能力可以满足供热负荷需求时，汽轮机以抽凝方式运行；在供热季中期较长时间，当汽轮机最大抽汽能力已经无法满足供热负荷需求时，低压缸解列，汽轮机背压方式运行，中压缸排汽和低压补汽全部用于热网加热器加热。当供热季内蒸汽轮机发生事故状况或极端天气等情况时，可以考虑蒸汽轮机切换至全切方式运行，此时余热锅炉中产生的全部蒸汽均经过减温减压，进入热网加热器加热，从而实现最大供热输出能力。因此，选择最佳供热工况以满足供热需求，是保证机组运行经济性的重要手段。

3 运行经济优化分配方案

由第一章得出，燃料成本主要影响了全厂运行成本，而降低气耗率是降低燃料成本的最关键因素。由第二章得出，在供热季供热负荷随环境气温产生较大变化，选择合理的机组方式可以降低运行成本。在一套“二拖一”和一套“一拖一”的机组组合中，选择最优化的机组组合运行方式和热负荷分配方案，可以降低气耗率，提高机组经济性。

3.1 组合分配数学模型

动态规划是运筹学的一个分支，它是解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法。其基本思想是把给定的原始问题分为多个阶段，按照顺序依次加以求解，最后一个阶段的最优解即是该原始问题的最优解［4］。

定理：{ fk（xk） }，{uk*}分别是最优值函数序列和最优决策序列的充要条件是满足下面的递推方程：

以上是动态规划法后向算法的基本方程［5］，为解决组合分配问题提供了计算方法。计算方法是利用终端条件，从k＝n开始逆推，求得各区间的最优方案后，最后一直算到k＝1时的最优方案，xk∈Xk，k＝1，2，...，n}，再 按 照 状 态 转移方程＝T（xk，（xk）），从k＝1时从前到后确定，序列{，k＝1，2，...，n}即为最优取值，{（xk），k＝1，2，...，n}即为最优方案［6］。

3.2 主要经济指标对比

由于冬季供热以“以热定电”的方式运行，机组电负荷及运行工况随热负荷变化而适当调整，通过SIS系统对机组近两年内关键节点数据进行统计和筛选，得出表1～表3分别为二拖一机组、二拖一机组一拖一方式及一拖一机组在背压和最大抽凝方式时的综合气耗等主要经济性指标。

表1 二拖一机组背压、最大抽凝方式主要经济性指标

表3 一拖一机组背压、最大抽凝方式主要经济性指标

表2 二拖一机组一拖一方式运行背压、最大抽凝方式主要经济性指标

由表1～表3可看出：①二拖一机组和一拖一机组各方式下供热量区间不同；②各运行方式下，综合气耗率均随负荷和供热量的增加而降低；③不同运行方式热电比不同，相同运行方式内不同负荷对应的热电比相差不大。

为了更加直观对比各运行方式下机组经济性，首先做出实际运行时的热电关系曲线，见图2。

图2 机组实际运行热电关系曲线

由图2可以看出：①供热量500～800GJ／h，可选择一拖一最大抽凝和二拖一机组（一拖一方式）最大抽凝；②供热量800～1200GJ／h，可选择一拖一背压和二拖一机组（一拖一方式）背压；③供热量1300～1900GJ／h，可选择二拖一背压和二拖一机组最大抽凝。

在以上三个区间中，均存在两种或多种机组及运行方式选项，但各运行方式对应的机组负荷不同，因此综合气耗率也不相同。

为了对比各运行工况下的综合气耗率，做出综合气耗率与负荷率的对应曲线，见图3。

图3 各工况综合气耗率与负荷率对应曲线

由图3可看出：①二拖一机组背压和一拖一机组背压方式综合气耗率相近，但二拖一机组负荷率变化区间比较大，灵活性更好；②二拖一机组最大抽凝相比一拖一机组最大抽凝综合气耗率更低，经济性更好；③二拖一机组一拖一方式最大抽凝方式综合气耗率最高，因此基本不考虑此种运行方式；二拖一机组一拖一方式背压方式综合气耗率与一拖一最大抽凝相近，但负荷调节范围有限。

通过插值法，求出不同供热量下两套机组不同运行方式下的综合气耗率，见表4。

表4 不同供热量下两套机组各运行方式综合气耗率

（续）

由表4中综合气耗率对比可看出：①供热量500～800GJ／h，一拖一机组最大抽凝工况最经济；②供热量900～1100GJ／h，一拖一机组背压工况最经济；③供热量1200～1600GJ／h，二拖一机组最大抽凝工况最经济；④供热量1700～2100GJ／h，二拖一机组背压工况最经济；⑤二拖一机组抽凝与背压方式切换的节点供热量为1600GJ／h；⑥一拖一机组抽凝与背压方式切换的节点供热量为800GJ／h。

因此，在对应500～2100GJ／h供热需求量区间内，通过对比综合气耗便可选择出相应最经济运行方式。但由于本工程由两套机组组成，可同时运行进行供热，最大供热量能达到3200GJ／h，因此在2200～3100GJ／h区间内需要进行负荷分配的计算和选取，两套机组有多种组合可以选择，再运用加权平均法进行综合气耗率的计算，最后通过对比综合气耗率选择最经济的组合方式。

由表4可看出一拖一机组背压方式供热量900～1100GJ／h区间的综合气耗率介于二拖一机组背压方式1700～2100GJ／h区间；一拖一机组最大抽凝方式供热量700～800GJ／h区间综合气耗率介于二拖一机组背压方式1400～1700GJ／h区间，最大抽凝方式供热量600～800GJ／h区间综合气耗率介于二拖一机组最大抽凝方式1100～1700GJ／h区间，因此需要对比两套机组不同组合时的综合气耗率来决定最优选择项。

由于在负荷和供热量参数上二拖一机组始终要大于（等于）一拖一机组，若要求得最小综合气耗率，应先选择二拖一机组供热量，挑选出一拖一机组可组合的供热量，以二拖一机组对应的综合气耗率为基准，若一拖一机组综合气耗率低于此基准，则降低气耗率的目标可实现，并进行加权平均的计算，反之则去除此组合，得出表5为2200～3100GJ／h区间不同组合加权平均后的综合气耗率。

表5 2200～3100GJ／h区间不同组合加权平均综合气耗率

（续）

3.3 运行经济分配组合

通过动态规划法将全厂供热量在500～2100GJ／h区间、2200～3100GJ／h区间和3200GJ／h时的机组运行方式和负荷分配进行衔接，得出供热季最优运行经济分配组合，见表6。

表6 供热季运行经济分配组合

（续）

4 结束语

本文首先分析了燃料成本主要影响了燃气－蒸汽联合循环热电联产机组的全厂运行成本，而降低气耗率是降低燃料成本的最关键因素。然后通过分析历年供热量，分析出在供热季供热负荷随环境气温产生较大变化，选择合理的机组方式可以降低运行成本。最后在一套“二拖一”和一套“一拖一”的机组组合中，分别对两套机组在供热季运行中不同运行工况下的经济性做对比，通过收集以往运行数据，计算得出了不同负荷下对应的供热量、综合气耗率和热电比等关键参数，利用分段对比和组合对比，运用动态规划法、插值法和加权平均法，得出了两套机组供热季运行经济分配组合优化方案，参照此方案对机组负荷进行相关调整将有效降低全厂综合气耗率，使机组运行达到最经济状态。