现货电价条件下火力发电厂辅机优化调度技术应用

姜 涛, 王广兵, 蒋 杰, 刘 龙, 宋益纯

(1. 国家能源菏泽发电有限公司, 山东菏泽 274009;2. 国家能源(山东)工程技术有限公司, 济南 250101)

在电力市场现货交易制度下,不同时段的现货电价波动较大。以2022年4月6日山东电网为例,10:00:00至15:00:00现货市场日前出清平均价格为-25.96元/(MW·h),18:00:00至23:00:00的日前出清平均价格为674.6元/(MW·h),价格差为700.56元/(MW·h),该时段与传统意义上的峰谷时间段并不重合。在新能源装机容量大幅增加的情况下,春秋季中午时段经常性长时间出清电价为-80元/(MW·h)。

火力发电厂内除了锅炉、汽轮机和发电机等主机设备,还包括送风机、给水泵、输煤系统设备、脱硫制浆设备等辅机或辅助系统。部分辅机或辅助系统需要随主机设备同步运行或提前运行,如给水泵、送风机;部分辅机或辅助系统间断运行,如输煤皮带机,当磨煤机原煤仓煤位达高限时,需要停止上煤。前者为主机提供的给水或空气等无中间仓储设备;后者提供的煤或石灰石浆液等有仓储设备,可以间断运行。部分辅机优化运行有利于提高上网售电收益[1],而现货交易制度也催生了某些机构利用现货电价波动区间进行套利[2]。虽然厂用电占用了机组的发电容量,但电力现货交易市场并没有将这部分电量计算到交易量中[3],这为发电企业利用辅机的错时启停实现售电收益最大化提供了可能。

笔者针对某火力发电厂2台300 MW机组,基于辅机运行特点,在满足机组运行需要的前提下,研究确定各辅机充分利用现货电价曲线中低电价时段和避开高电价时段的优化运行策略,通过计算机软件自动生成辅机启停调度曲线。

1 辅机优化调度平台系统架构

1.1 硬件网络结构

在机组主控室等部位布置台式机并安装辅机优化调度软件。台式机不配置服务器,与生产实时管理信息系统联网,采集辅机运行参数。辅机优化调度系统网络拓扑结构图见图1。

图1 辅机优化调度系统网络拓扑结构图

1.2 软件模块

辅机优化调度软件包括次日现货电价曲线数据采集模块、发电计划数据采集模块、脱硫辅机优化调度模块、输煤辅机优化调度模块、制氢设备优化调度模块、化学水处理设备优化调度模块、胶球清洗系统优化调度模块和水源地一级泵站优化调度模块8个模块(见图2)。

图2 辅机优化调度软件组成示意图

2 辅机优化调度方案研究与软件开发

2.1 次日现货电价数据采集

次日现货电价曲线是辅机优化调度软件平台的核心数据,该数据采集模块程序执行流程见图3。次日现货电价曲线通常在下午或晚上发布。目前,电力交易中心给火力发电厂配专用电子钥匙(Ukey) ,电厂交易员携带Ukey登录电力现货交易平台查看并导出现货电价曲线,发送至运行控制室台式机,再通过人工导入到次日现货电价数据采集软件。

图3 现货电价数据采集模块程序执行流程

该软件模块可以将次日现货电价曲线和当日曲线组合显示,便于对连续两日的电价情况进行对比,某连续两日的现货电价曲线见图4。

图4 当日和次日现货电价曲线

2.2 次日机组发电计划数据采集

次日机组发电计划曲线由电力调度中心下发,采集该曲线可以更准确地规划次日辅机启停计划。在火力发电厂主控室电力调度专用电脑上查询次日机组发电计划曲线,该电脑与电力调度网络连接,不能与厂内网络连接。发电计划曲线需人工导出,导出后的数据再导入辅机优化调度软件的相应模块。

2.3 脱硫辅机优化调度

2.3.1 脱硫浆液制备与消耗工艺流程

脱硫系统中能错时运行的辅机是制备石灰石浆液的2台湿式球磨机。将制备的石灰石浆液存储在石灰石浆液箱中,通过输送泵为脱硫吸收塔补充浆液。脱硫制浆系统除湿式球磨机外,还配置了石灰石粉仓及其单独配置的浆液箱,其中石灰石粉外购。

2.3.2 脱硫系统湿式球磨机优化调度原则

脱硫系统湿式球磨机的启停遵循以下原则:

(1) 在低于现货电价均价的连续时段由低到高依次选择启动时段。

(2) 启动期间石灰石浆液箱液位不高于高限。

(3) 启动时长不低于最短运行时长,避免频繁启停导致空载运行占比过多。

(4) 若在高于现货电价均价时段石灰石浆液箱液位低于低限,则通过石灰石粉浆液箱供浆。

2.3.3 脱硫系统湿式球磨机优化调度逻辑

湿式球磨机优化调度主逻辑流程见图5。图5中生成的脱硫辅机优化调度计划,包括2台湿式球磨机组合运行计划、石灰石浆液箱液位预测曲线、石灰厂粉浆液供浆流量预测曲线等。

图5 湿式球磨机优化调度主逻辑流程

软件对符合要求的低电价时段分别进行湿式球磨机的启停规划,即规划该时段内2台湿式球磨机组合运行计划,具体逻辑流程见图6。

图6 湿式球磨机组合运行计划流程

在图6中,判断任一时刻石灰石浆液箱液位是否达高限或低限的计算公式为:

(1)

式中:l为石灰石浆液箱t时刻的液位,m;l0为石灰石浆液箱的初始液位,m;ρ为浆液密度,t/m3;S为石灰石浆液箱截面积,m2;qm,m为湿式球磨机的平均制浆量(质量流量),取运行经验值,t/h;qm,b为脱硫吸收塔补浆量(质量流量),根据机组发电计划曲线对应的烟气流量、燃煤硫分对应的原烟气二氧化硫(SO2)预估值、脱硫效率、钙硫比等计算,t/h。烟气流量主要与机组的送风量、空气预热器(简称空预器)漏风率等参数有关,送风量与机组有功功率呈一定的函数关系,因此由发电计划曲线、空预器漏风率(由试验得到)等即可估算出烟气流量曲线。

2.4 输煤系统优化调度

2.4.1 输煤工艺流程

输煤系统包括斗轮机、输煤皮带、磨煤机配置的原煤仓,原煤仓装有煤位计。原煤仓上部为圆柱状,下部为圆锥状。为防止原煤仓的煤位过低造成磨煤机内热风上行进入原煤仓,煤位不宜低于最低控制煤位。

2.4.2 输煤系统优化调度原则

输煤系统的启停遵循以下原则:

(1) 任一时刻煤位不低于低限、不高于高限。

(2) 上煤时段对售电收益的影响最小。

(3) 上煤时段尽量连续。

2.4.3 输煤系统优化调度逻辑

输煤系统优化调度逻辑流程见图7。

图7 输煤系统优化调度逻辑流程

在图7中,判断任一时刻煤位是否达高低限可用式(2)和式(3)计算。

(2)

(3)

式中:h为原煤仓煤位,m;h1为原煤仓中圆柱状和圆锥状交界线处的煤位,m;mc为原煤仓煤量,t;ρ为原煤密度,可取1 t/m3;r为原煤仓圆柱部分半径,m。

原煤仓的煤量由输煤皮带的上煤量和给煤机向磨煤机的给煤量确定:

(4)

式中:m0为原煤仓初始煤量,可以通过式(2)或式(3)变换后求出,t;qm,in为输煤皮带向煤仓的上煤量(质量流量),t/h;qm,feed为给煤机向磨煤机的给煤量(质量流量),根据次日发电计划曲线中对应的负荷和预先拟定的负荷-煤量函数预估,t/h。

输煤系统优化调度计划是按次日机组有功功率计划曲线生成的运行计划,因此可以满足机组全天在任何负荷下的燃料需求,并且确保煤位在正常范围内变化。

2.5 制氢设备优化调度

2.5.1 制氢工艺流程

制氢站配置1套电解槽,产生的氢气合格后充入氢罐,供机组补氢。启动电解槽到制出合格的氢气需要一段时间(夏季为3 h左右,冬季为5 h左右)。系统配置6台储氢罐,罐上装有压力表。制氢站的储氢罐容量较大,全部储满时一般可供机组补氢10 d以上。

2.5.2 制氢系统优化调度原则

制氢系统的启停遵循以下原则:

(1) 当储氢量≥7 d用量时,在现货电价为负电价时制氢。

(2) 当储氢量≥5 d用量时,在最低和次低现货电价时段制氢。

(3) 当储氢量≥3 d用量时,在现货电价低于均价的时段制氢。

(4) 当储氢量<3 d用量时,连续制氢。

2.5.3 制氢系统优化调度逻辑

制氢系统优化调度逻辑流程见图8,其中储氢量根据储氢罐压力计算,机组补氢量根据前一天实际补氢量预估。

图8 制氢系统优化调度逻辑流程

2.6 化学水处理系统优化调度

2.6.1 化学水处理系统工艺流程

化学水处理系统包括锅炉补给水处理系统和循环排污水、脱盐水处理系统。2个系统均配置有除盐水箱,水箱装有水位计。在化学水处理系统运行期间,水泵负荷较高,但超滤装置等设备不宜长时间停运,若停运时间较长,则下次重新启动后需要进行设备的冲洗,导致水、电的浪费。因此,在进行化学水处理系统优化调度时,只需要将系统运行的时段避开电价较高的时段即可。

2.6.2 化学水处理系统优化调度原则

化学水处理系统的启停遵循以下原则:

(1) 任一时刻除盐水箱水位不超过高限。

(2) 储水量满足机组补水用量时,系统避开现货电价最高和次高时段运行。

2.6.3 化学水处理系统优化调度逻辑

化学水处理系统优化调度逻辑流程见图9,通过预估机组除盐水补水量和水箱水位判断是否满足机组补水量需要。

图9 化学水处理系统优化调度逻辑流程

2.7 胶球清洗系统优化调度

2.7.1 胶球清洗系统工艺流程

目前,凝汽器胶球清洗系统在每周的周一、周三、周五白班启动1次。在清洗前,启动备用循环水泵运行,确保清洗效果。考虑现货电价曲线的波动情况,原有的固定时段启动胶球清洗设备并启动备用循环水泵的方式已不适用。

2.7.2 胶球清洗系统优化调度原则

胶球清洗系统启停遵循以下原则:

(1) 日期在每周的周一、周三、周五。

(2) 选择现货电价最低且时长不低于胶球洗洗时长的时段启动。

2.7.3 胶球清洗系统优化调度逻辑

胶球清洗系统优化调度逻辑流程见图10。

图10 胶球清洗系统优化调度逻辑流程

2.8 水源地一级泵站优化调度

2.8.1 水源地一、二级泵站工艺流程

水源地一级泵站将水库的水输送至二级泵站,二级泵站再向厂内供水。二级泵站安装有水位表,一级泵站根据此水位变化情况向二级泵站补水。二级泵站水池容量较大,达30万m3,可供2台机组在平均负荷下使用13 d左右。

2.8.2 一级泵站优化调度原则

一级泵站水泵的启停遵循以下原则:

(1) 当二级泵站储水量≥10 d用量时,在现货电价为负电价时段启动补水。

(2) 当二级泵站储水量≥7 d用量时,在现货电价最低时段启动补水。

(3) 当二级泵站储水量≥4 d用量时,在现货电价低于均价的时段启动补水。

(4) 当二级泵站储水量<4 d用量时,连续补水。

2.8.3 一级泵站优化调度逻辑

一级泵站优化调度逻辑流程见图11,其中二级泵站水池储水量根据水池水位、截面积计算,电厂用水量根据机组发电计划曲线及负荷-补水量经验公式估算。

图11 一级泵站优化调度逻辑流程

3 效果验证

3.1 软件自动生成辅机运行计划

软件开发完成后,对其功能进行了全面测试。经测试,次日现货电价数据和机组发电计划数据导入功能正常,数据准确率达100%。脱硫辅机优化调度模块、输煤辅机优化调度模块、制氢设备优化调度模块、化学水处理设备优化调度模块、胶球清洗优化调度模块、水源地一级泵站优化调度模块等功能正常,自动生成的设备优化调度方案能够在满足机组运行需要的前提下,充分利用现货电价曲线中的低电价时段,避开高电价时段。

以输煤系统为例,软件根据现货电价曲线自动生成的输煤系统启停计划曲线见图12,时间从当日(2022-01-28)20:00:00至次日(2022-01-29)24:00:00。

图12 软件生成的输煤系统启动计划曲线

由图12可以看出:软件规划的输煤系统运行时间包含了负电价的所有时段和少量高于平均电价的时段,充分利用了电价较低的时段对煤仓上煤,并控制煤位不低于4 m且不超过15 m,避开高电价时段上煤,满足机组需要。软件优化调度方案合理,便于运行人员使用。

3.2 经济效益分析

对各辅机进行优化调度前后30 d影响售电收益的情况进行统计比较,结果见表1。

表1 辅机优化调度前后影响售电收益对比

实际运行时上网电价中的远期合约与现货电价电量有一定比例[4],暂不考虑电力交易中远期合约的占比。由表1可知:对2台机组部分辅机进行优化调度后,每个月可增加售电收益大约19万元,全年按运行10个月计算,大约增加售电收益190万元,具有较好的经济效益。

3.3 社会效益分析

优化后辅机运行时段为负电价时段或较低电价时段,这些时段往往也是新能源发电出力占比较大的时段。光伏发电等新能源发电系统出力较大时易对电网产生不利影响[5],此时将火力发电厂内尽可能多的辅机启动运行,有利于消纳新能源等绿色能源的发电量[6],进而提高电网运行稳定性和经济性。

4 结语

在满足机组运行需要的前提下,将火力发电厂输煤系统、脱硫系统湿式球磨机等部分辅机进行优化调度,充分利用负电价时段和低电价时段进行原煤仓的上煤、石灰石浆液的制备等运行操作。辅机的优化调度减少了高电价时段的厂用电率,实现了售电收益最大化,并且技术上具有可行性,具有较好的经济效益和社会效益。

未来现货电价交易量的占比将越来越高,火力发电厂部分辅机进行优化调度对售电收益的影响也会更加明显。

目前的现货电价曲线和机组发电计划曲线等数据无法由软件自动获取,需要人工导入,建议数据源侧建立开放式数据发布机制,进一步提高火力发电厂辅机优化调度的自动化水平。