姜 濤, 王廣兵, 蔣 杰, 劉 龍, 宋益純

(1. 國家能源菏澤發(fā)電有限公司, 山東菏澤 274009;2. 國家能源(山東)工程技術(shù)有限公司, 濟南 250101)

在電力市場現(xiàn)貨交易制度下,不同時段的現(xiàn)貨電價波動較大。以2022年4月6日山東電網(wǎng)為例,10:00:00至15:00:00現(xiàn)貨市場日前出清平均價格為-25.96元/(MW·h),18:00:00至23:00:00的日前出清平均價格為674.6元/(MW·h),價格差為700.56元/(MW·h),該時段與傳統(tǒng)意義上的峰谷時間段并不重合。在新能源裝機容量大幅增加的情況下,春秋季中午時段經(jīng)常性長時間出清電價為-80元/(MW·h)。

火力發(fā)電廠內(nèi)除了鍋爐、汽輪機和發(fā)電機等主機設(shè)備,還包括送風(fēng)機、給水泵、輸煤系統(tǒng)設(shè)備、脫硫制漿設(shè)備等輔機或輔助系統(tǒng)。部分輔機或輔助系統(tǒng)需要隨主機設(shè)備同步運行或提前運行,如給水泵、送風(fēng)機;部分輔機或輔助系統(tǒng)間斷運行,如輸煤皮帶機,當(dāng)磨煤機原煤倉煤位達(dá)高限時,需要停止上煤。前者為主機提供的給水或空氣等無中間倉儲設(shè)備;后者提供的煤或石灰石漿液等有倉儲設(shè)備,可以間斷運行。部分輔機優(yōu)化運行有利于提高上網(wǎng)售電收益[1],而現(xiàn)貨交易制度也催生了某些機構(gòu)利用現(xiàn)貨電價波動區(qū)間進(jìn)行套利[2]。雖然廠用電占用了機組的發(fā)電容量,但電力現(xiàn)貨交易市場并沒有將這部分電量計算到交易量中[3],這為發(fā)電企業(yè)利用輔機的錯時啟停實現(xiàn)售電收益最大化提供了可能。

筆者針對某火力發(fā)電廠2臺300 MW機組,基于輔機運行特點,在滿足機組運行需要的前提下,研究確定各輔機充分利用現(xiàn)貨電價曲線中低電價時段和避開高電價時段的優(yōu)化運行策略,通過計算機軟件自動生成輔機啟停調(diào)度曲線。

1 輔機優(yōu)化調(diào)度平臺系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在機組主控室等部位布置臺式機并安裝輔機優(yōu)化調(diào)度軟件。臺式機不配置服務(wù)器,與生產(chǎn)實時管理信息系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),采集輔機運行參數(shù)。輔機優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 輔機優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件模塊

輔機優(yōu)化調(diào)度軟件包括次日現(xiàn)貨電價曲線數(shù)據(jù)采集模塊、發(fā)電計劃數(shù)據(jù)采集模塊、脫硫輔機優(yōu)化調(diào)度模塊、輸煤輔機優(yōu)化調(diào)度模塊、制氫設(shè)備優(yōu)化調(diào)度模塊、化學(xué)水處理設(shè)備優(yōu)化調(diào)度模塊、膠球清洗系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模塊和水源地一級泵站優(yōu)化調(diào)度模塊8個模塊(見圖2)。

圖2 輔機優(yōu)化調(diào)度軟件組成示意圖

2 輔機優(yōu)化調(diào)度方案研究與軟件開發(fā)

2.1 次日現(xiàn)貨電價數(shù)據(jù)采集

次日現(xiàn)貨電價曲線是輔機優(yōu)化調(diào)度軟件平臺的核心數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)采集模塊程序執(zhí)行流程見圖3。次日現(xiàn)貨電價曲線通常在下午或晚上發(fā)布。目前,電力交易中心給火力發(fā)電廠配專用電子鑰匙(Ukey) ,電廠交易員攜帶Ukey登錄電力現(xiàn)貨交易平臺查看并導(dǎo)出現(xiàn)貨電價曲線,發(fā)送至運行控制室臺式機,再通過人工導(dǎo)入到次日現(xiàn)貨電價數(shù)據(jù)采集軟件。

圖3 現(xiàn)貨電價數(shù)據(jù)采集模塊程序執(zhí)行流程

該軟件模塊可以將次日現(xiàn)貨電價曲線和當(dāng)日曲線組合顯示,便于對連續(xù)兩日的電價情況進(jìn)行對比,某連續(xù)兩日的現(xiàn)貨電價曲線見圖4。

圖4 當(dāng)日和次日現(xiàn)貨電價曲線

2.2 次日機組發(fā)電計劃數(shù)據(jù)采集

次日機組發(fā)電計劃曲線由電力調(diào)度中心下發(fā),采集該曲線可以更準(zhǔn)確地規(guī)劃次日輔機啟停計劃。在火力發(fā)電廠主控室電力調(diào)度專用電腦上查詢次日機組發(fā)電計劃曲線,該電腦與電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)連接,不能與廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接。發(fā)電計劃曲線需人工導(dǎo)出,導(dǎo)出后的數(shù)據(jù)再導(dǎo)入輔機優(yōu)化調(diào)度軟件的相應(yīng)模塊。

2.3 脫硫輔機優(yōu)化調(diào)度

2.3.1 脫硫漿液制備與消耗工藝流程

脫硫系統(tǒng)中能錯時運行的輔機是制備石灰石漿液的2臺濕式球磨機。將制備的石灰石漿液存儲在石灰石漿液箱中,通過輸送泵為脫硫吸收塔補充漿液。脫硫制漿系統(tǒng)除濕式球磨機外,還配置了石灰石粉倉及其單獨配置的漿液箱,其中石灰石粉外購。

2.3.2 脫硫系統(tǒng)濕式球磨機優(yōu)化調(diào)度原則

脫硫系統(tǒng)濕式球磨機的啟停遵循以下原則:

(1) 在低于現(xiàn)貨電價均價的連續(xù)時段由低到高依次選擇啟動時段。

(2) 啟動期間石灰石漿液箱液位不高于高限。

(3) 啟動時長不低于最短運行時長,避免頻繁啟停導(dǎo)致空載運行占比過多。

(4) 若在高于現(xiàn)貨電價均價時段石灰石漿液箱液位低于低限,則通過石灰石粉漿液箱供漿。

2.3.3 脫硫系統(tǒng)濕式球磨機優(yōu)化調(diào)度邏輯

濕式球磨機優(yōu)化調(diào)度主邏輯流程見圖5。圖5中生成的脫硫輔機優(yōu)化調(diào)度計劃,包括2臺濕式球磨機組合運行計劃、石灰石漿液箱液位預(yù)測曲線、石灰廠粉漿液供漿流量預(yù)測曲線等。

圖5 濕式球磨機優(yōu)化調(diào)度主邏輯流程

軟件對符合要求的低電價時段分別進(jìn)行濕式球磨機的啟停規(guī)劃,即規(guī)劃該時段內(nèi)2臺濕式球磨機組合運行計劃,具體邏輯流程見圖6。

圖6 濕式球磨機組合運行計劃流程

在圖6中,判斷任一時刻石灰石漿液箱液位是否達(dá)高限或低限的計算公式為:

(1)

式中:l為石灰石漿液箱t時刻的液位,m;l0為石灰石漿液箱的初始液位,m;ρ為漿液密度,t/m3;S為石灰石漿液箱截面積,m2;qm,m為濕式球磨機的平均制漿量(質(zhì)量流量),取運行經(jīng)驗值,t/h;qm,b為脫硫吸收塔補漿量(質(zhì)量流量),根據(jù)機組發(fā)電計劃曲線對應(yīng)的煙氣流量、燃煤硫分對應(yīng)的原煙氣二氧化硫(SO2)預(yù)估值、脫硫效率、鈣硫比等計算,t/h。煙氣流量主要與機組的送風(fēng)量、空氣預(yù)熱器(簡稱空預(yù)器)漏風(fēng)率等參數(shù)有關(guān),送風(fēng)量與機組有功功率呈一定的函數(shù)關(guān)系,因此由發(fā)電計劃曲線、空預(yù)器漏風(fēng)率(由試驗得到)等即可估算出煙氣流量曲線。

2.4 輸煤系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

2.4.1 輸煤工藝流程

輸煤系統(tǒng)包括斗輪機、輸煤皮帶、磨煤機配置的原煤倉,原煤倉裝有煤位計。原煤倉上部為圓柱狀,下部為圓錐狀。為防止原煤倉的煤位過低造成磨煤機內(nèi)熱風(fēng)上行進(jìn)入原煤倉,煤位不宜低于最低控制煤位。

2.4.2 輸煤系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度原則

輸煤系統(tǒng)的啟停遵循以下原則:

(1) 任一時刻煤位不低于低限、不高于高限。

(2) 上煤時段對售電收益的影響最小。

(3) 上煤時段盡量連續(xù)。

2.4.3 輸煤系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯

輸煤系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程見圖7。

圖7 輸煤系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程

在圖7中,判斷任一時刻煤位是否達(dá)高低限可用式(2)和式(3)計算。

(2)

(3)

式中:h為原煤倉煤位,m;h1為原煤倉中圓柱狀和圓錐狀交界線處的煤位,m;mc為原煤倉煤量,t;ρ為原煤密度,可取1 t/m3;r為原煤倉圓柱部分半徑,m。

原煤倉的煤量由輸煤皮帶的上煤量和給煤機向磨煤機的給煤量確定:

(4)

式中:m0為原煤倉初始煤量,可以通過式(2)或式(3)變換后求出,t;qm,in為輸煤皮帶向煤倉的上煤量(質(zhì)量流量),t/h;qm,feed為給煤機向磨煤機的給煤量(質(zhì)量流量),根據(jù)次日發(fā)電計劃曲線中對應(yīng)的負(fù)荷和預(yù)先擬定的負(fù)荷-煤量函數(shù)預(yù)估,t/h。

輸煤系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度計劃是按次日機組有功功率計劃曲線生成的運行計劃,因此可以滿足機組全天在任何負(fù)荷下的燃料需求,并且確保煤位在正常范圍內(nèi)變化。

2.5 制氫設(shè)備優(yōu)化調(diào)度

2.5.1 制氫工藝流程

制氫站配置1套電解槽,產(chǎn)生的氫氣合格后充入氫罐,供機組補氫。啟動電解槽到制出合格的氫氣需要一段時間(夏季為3 h左右,冬季為5 h左右)。系統(tǒng)配置6臺儲氫罐,罐上裝有壓力表。制氫站的儲氫罐容量較大,全部儲滿時一般可供機組補氫10 d以上。

2.5.2 制氫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度原則

制氫系統(tǒng)的啟停遵循以下原則:

(1) 當(dāng)儲氫量≥7 d用量時,在現(xiàn)貨電價為負(fù)電價時制氫。

(2) 當(dāng)儲氫量≥5 d用量時,在最低和次低現(xiàn)貨電價時段制氫。

(3) 當(dāng)儲氫量≥3 d用量時,在現(xiàn)貨電價低于均價的時段制氫。

(4) 當(dāng)儲氫量<3 d用量時,連續(xù)制氫。

2.5.3 制氫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯

制氫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程見圖8,其中儲氫量根據(jù)儲氫罐壓力計算,機組補氫量根據(jù)前一天實際補氫量預(yù)估。

圖8 制氫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程

2.6 化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

2.6.1 化學(xué)水處理系統(tǒng)工藝流程

化學(xué)水處理系統(tǒng)包括鍋爐補給水處理系統(tǒng)和循環(huán)排污水、脫鹽水處理系統(tǒng)。2個系統(tǒng)均配置有除鹽水箱,水箱裝有水位計。在化學(xué)水處理系統(tǒng)運行期間,水泵負(fù)荷較高,但超濾裝置等設(shè)備不宜長時間停運,若停運時間較長,則下次重新啟動后需要進(jìn)行設(shè)備的沖洗,導(dǎo)致水、電的浪費。因此,在進(jìn)行化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度時,只需要將系統(tǒng)運行的時段避開電價較高的時段即可。

2.6.2 化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度原則

化學(xué)水處理系統(tǒng)的啟停遵循以下原則:

(1) 任一時刻除鹽水箱水位不超過高限。

(2) 儲水量滿足機組補水用量時,系統(tǒng)避開現(xiàn)貨電價最高和次高時段運行。

2.6.3 化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯

化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程見圖9,通過預(yù)估機組除鹽水補水量和水箱水位判斷是否滿足機組補水量需要。

圖9 化學(xué)水處理系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程

2.7 膠球清洗系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

2.7.1 膠球清洗系統(tǒng)工藝流程

目前,凝汽器膠球清洗系統(tǒng)在每周的周一、周三、周五白班啟動1次。在清洗前,啟動備用循環(huán)水泵運行,確保清洗效果?？紤]現(xiàn)貨電價曲線的波動情況,原有的固定時段啟動膠球清洗設(shè)備并啟動備用循環(huán)水泵的方式已不適用。

2.7.2 膠球清洗系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度原則

膠球清洗系統(tǒng)啟停遵循以下原則:

(1) 日期在每周的周一、周三、周五。

(2) 選擇現(xiàn)貨電價最低且時長不低于膠球洗洗時長的時段啟動。

2.7.3 膠球清洗系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯

膠球清洗系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程見圖10。

圖10 膠球清洗系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度邏輯流程

2.8 水源地一級泵站優(yōu)化調(diào)度

2.8.1 水源地一、二級泵站工藝流程

水源地一級泵站將水庫的水輸送至二級泵站,二級泵站再向廠內(nèi)供水。二級泵站安裝有水位表,一級泵站根據(jù)此水位變化情況向二級泵站補水。二級泵站水池容量較大,達(dá)30萬m3,可供2臺機組在平均負(fù)荷下使用13 d左右。

2.8.2 一級泵站優(yōu)化調(diào)度原則

一級泵站水泵的啟停遵循以下原則:

(1) 當(dāng)二級泵站儲水量≥10 d用量時,在現(xiàn)貨電價為負(fù)電價時段啟動補水。

(2) 當(dāng)二級泵站儲水量≥7 d用量時,在現(xiàn)貨電價最低時段啟動補水。

(3) 當(dāng)二級泵站儲水量≥4 d用量時,在現(xiàn)貨電價低于均價的時段啟動補水。

(4) 當(dāng)二級泵站儲水量<4 d用量時,連續(xù)補水。

2.8.3 一級泵站優(yōu)化調(diào)度邏輯

一級泵站優(yōu)化調(diào)度邏輯流程見圖11,其中二級泵站水池儲水量根據(jù)水池水位、截面積計算,電廠用水量根據(jù)機組發(fā)電計劃曲線及負(fù)荷-補水量經(jīng)驗公式估算。

圖11 一級泵站優(yōu)化調(diào)度邏輯流程

3 效果驗證

3.1 軟件自動生成輔機運行計劃

軟件開發(fā)完成后,對其功能進(jìn)行了全面測試。經(jīng)測試,次日現(xiàn)貨電價數(shù)據(jù)和機組發(fā)電計劃數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能正常,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率達(dá)100%。脫硫輔機優(yōu)化調(diào)度模塊、輸煤輔機優(yōu)化調(diào)度模塊、制氫設(shè)備優(yōu)化調(diào)度模塊、化學(xué)水處理設(shè)備優(yōu)化調(diào)度模塊、膠球清洗優(yōu)化調(diào)度模塊、水源地一級泵站優(yōu)化調(diào)度模塊等功能正常,自動生成的設(shè)備優(yōu)化調(diào)度方案能夠在滿足機組運行需要的前提下,充分利用現(xiàn)貨電價曲線中的低電價時段,避開高電價時段。

以輸煤系統(tǒng)為例,軟件根據(jù)現(xiàn)貨電價曲線自動生成的輸煤系統(tǒng)啟停計劃曲線見圖12,時間從當(dāng)日(2022-01-28)20:00:00至次日(2022-01-29)24:00:00。

圖12 軟件生成的輸煤系統(tǒng)啟動計劃曲線

由圖12可以看出:軟件規(guī)劃的輸煤系統(tǒng)運行時間包含了負(fù)電價的所有時段和少量高于平均電價的時段,充分利用了電價較低的時段對煤倉上煤,并控制煤位不低于4 m且不超過15 m,避開高電價時段上煤,滿足機組需要。軟件優(yōu)化調(diào)度方案合理,便于運行人員使用。

3.2 經(jīng)濟效益分析

對各輔機進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度前后30 d影響售電收益的情況進(jìn)行統(tǒng)計比較,結(jié)果見表1。

表1 輔機優(yōu)化調(diào)度前后影響售電收益對比

實際運行時上網(wǎng)電價中的遠(yuǎn)期合約與現(xiàn)貨電價電量有一定比例[4],暫不考慮電力交易中遠(yuǎn)期合約的占比。由表1可知:對2臺機組部分輔機進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度后,每個月可增加售電收益大約19萬元,全年按運行10個月計算,大約增加售電收益190萬元,具有較好的經(jīng)濟效益。

3.3 社會效益分析

優(yōu)化后輔機運行時段為負(fù)電價時段或較低電價時段,這些時段往往也是新能源發(fā)電出力占比較大的時段。光伏發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)出力較大時易對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響[5],此時將火力發(fā)電廠內(nèi)盡可能多的輔機啟動運行,有利于消納新能源等綠色能源的發(fā)電量[6],進(jìn)而提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

4 結(jié)語

在滿足機組運行需要的前提下,將火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)濕式球磨機等部分輔機進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,充分利用負(fù)電價時段和低電價時段進(jìn)行原煤倉的上煤、石灰石漿液的制備等運行操作。輔機的優(yōu)化調(diào)度減少了高電價時段的廠用電率,實現(xiàn)了售電收益最大化,并且技術(shù)上具有可行性,具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

未來現(xiàn)貨電價交易量的占比將越來越高,火力發(fā)電廠部分輔機進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度對售電收益的影響也會更加明顯。

目前的現(xiàn)貨電價曲線和機組發(fā)電計劃曲線等數(shù)據(jù)無法由軟件自動獲取,需要人工導(dǎo)入,建議數(shù)據(jù)源側(cè)建立開放式數(shù)據(jù)發(fā)布機制,進(jìn)一步提高火力發(fā)電廠輔機優(yōu)化調(diào)度的自動化水平。