1、第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6高比例可再生能源电力现货市场中燃煤机组启动成本计算方法研究吕当振1，陈珣1，曾俊1，伍奕涵1，胡臻1，冷尔唯2(1 高效清洁发电技术湖南省重点实验室(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院)，湖南长沙410007;2 湖南大学 机械与运载工程学院，湖南长沙410082)摘要:基于高比例可再生能源电力系统中燃煤机组启动频率显著升高的现状，旨在对电力现货市场环境下燃煤机组启动成本进行准确评估，本文建立了相
2、应的启动成本计算方法。该方法是在传统计算燃料费用等短期启动成本的基础上，通过中长期成本计算模型计算机组维修费等中长期启动成本，实现燃煤机组启动成本精准计算。燃煤机组启动成本(冷态、温态、热态)计算结果表明，启动过程中燃料等短期成本贡献率约为 85%，维修费和等效强迫停运率提升等中长期成本贡献率达到了 13%15%。关键词:可再生能源;电力现货市场;燃煤机组;启动成本;维修费;等效强迫停运率中图分类号:TH133;TP183文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0548 05收稿日期2022 10 18修订稿日期2022 10 25基金项目:湖南省电力有限公司科技项目(52
3、16A521001L)作者简介:吕当振(1982 )，男，工学博士，正高级工程师，主要从事燃煤电厂经济运行与污染物控制、电力市场建设与运营等。Study on the Calculation Method of the Start up Cost of Coal fired Units in theSlectricity Spot Market with a High Percentage of enewable Energy PowerLV Dang zhen1，CHEN Xun1，ZENG Jun1，WU Yi han，HU Zhen1，LENG Er wei2(1 Hunan Provi
4、nce Key Laboratory of Efficient Clean Thermal Power Generation Technologies(State Grid Hunan Electric Power Corporation esearch Institute)，Changsha 410007，China;2 College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)Abstract:Based on the current situation of significa
5、ntly higher start up frequency of coal fired units inthe power system with a high percentage of renewable energy sources，an accurate calculation method ofunit start up costs was established for calculating coal fired unit start up costs in the electricity spotmarket environment The method is based o
6、n the traditional calculation of short term start up costssuch as fuel costs and the calculation of medium and long term start up costs such as unit mainte-nance costs through a medium and long term costing model to achieve accurate calculation of coal fired unit start up costs The calculation resul
7、ts of coal fired unit start up costs(cold，warm andhot)show that the contribution of short term costs such as fuel in the start up process is about 85%，and the contribution of medium and long term costs such as maintenance costs and equivalent forcedoutage rate improvement reaches 13%15%845Key words:
8、renewable energy sources;electricity spot market;coal fired units;start up costs;main-tenance costs;equivalent forced outage rate在“碳中和、碳达峰”的目标指引下，可再生能源电力占比逐年攀升1，“十四五”可再生能源发展规划 中指出，到2025 年，我国非化石能源消费占比 20%左右，预计到 2030 年比重将达到 25%左右，其中风电和太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上。然而可再生能源发电的间歇性和波动性导致传统燃煤机组的变工况(包括启停、变负荷和最低负荷运行
9、)频率显著增加2 4，使得机组发电成本增加。考虑到电力现货市场改革稳步推进，科学透明的燃煤机组发电成本计算方法的建立迫在眉睫，在启停、变负荷和最低负荷运行三种主要的变工况中，机组启停带来的成本增加最为显著，需要开展针对性的研究2，5。燃煤机组启动费用随机组温度状态变动，根据停机时长将机组启动工况分为三类:冷态启动、温态启动、热态启动。机组启动费用主要由燃料费用等短期启动成本与机组维修费等中长期启动成本构成，分别对应发电机从停机状态开机到并网产生的燃料费、材料费和厂用电费，以及启动过程中设备损伤造成的维修等中长期费用6 8。随着可再生能源占比快速增长，燃煤机组启停等变工况频率显著增加，相应的维修
10、成本也相应增大4。然而，燃煤发电厂维修费是由启动和基荷运行等多工况耦合作用的结果，这导致单独对启动工况的维修费等中长期成本计算难度大。目前启动工况的中长期成本计算方法主要包括以下几种。第一种方法9 是在启动成本中添加一个固定的中长期成本项，但该项成本较难确定，无法有效反映启动中长期成本。第二种方法10 采用一个固定的单次启动小时成本项，中长期成本只和启动时间相关，该方法是对启动工况中长期成本的一种简单线性化处理，但是同上一种方法一样，依然没有解决成本如何确定的难题。第三种方法6 将中长期成本交给设备制造商确定，在制造商和发电厂所有者之间的长期服务协议中规定一个函数关系式，以发电厂的运行状态(包
11、括启动次数和运行时间)作为自变量，总维修费作为因变量，这使得启动和基荷运行的中长期成本将由长期服务协议直接决定，而与实际损伤状况无关。第四种方法是一种基于大数据的方法5，英国 Intertek 公司依托美国国家可再生能源实验室开展的西部风光可再生能源整合研究项目(WWSIS)，通过对全球 400 多个电厂开展为期 20 多年的特征数据综合分析，获得了不同类型机组在不同运行工况下的中长期成本，其中启动工况的中长期成本主要包括启动导致的维修费和等效强迫停运率(EFO)升高的费用，比变负荷和最低负荷的中长期成本高一个数量级，这显示了启动工况在变工况中的重要性。该项研究成果被广泛用于火 电 机 组 度
12、 电 成 本 计 算 和 电 网 优 化 调 度中2，11 14，然而其计算成本属于全球范围内众多电厂的平均水平，无法实时精确反映特定区域电厂的启动成本动态变化。如上所述，针对燃煤机组启动成本的计算，尤其是中长期成本的计算，国内外仍缺乏一个简洁有效的广适性方法，以应对高比例可再生能源的电力现货市场需求。基于此，本文在提出了一种燃煤机组启动成本计算方法，综合考虑燃料等短期启动成本与机组维修费等中长期启动成本，重点开展中长期启动成本计算研究，并结合 300MW 机组分别开展冷态、温态、热态三种状态下机组启动成本计算工作，用于指导电力现货市场运行机组参数申报、发电补偿、市场力检测与缓解等工作。1燃煤
13、机组启动成本分析和计算方法1 1启动成本构成分析启动成本可分为短期成本和中长期成本，其中短期成本主要包括燃料费、材料费和厂用电费等，而中长期成本主要由机组启动带来的关键部件损伤和等效强迫停运率(EFO)提升产生的费用，这部分成本随着启动次数的增加呈现加速递增特性5。因此需要对维修费进行合理的拆分，以分配到启动成本中。燃煤电厂不同工况对不同设备和部件的损伤机理较为复杂15 16，主要损伤机制包括由热应力引起的蠕变损伤和由连续运行引起的腐蚀损伤，两者同疲劳损伤发生协同耦合，共同导致维修费的产生5，17。蠕变疲劳损伤主要发生在启停等变工况中，而腐蚀疲劳损伤则在运行过程中普遍存在，两类损伤显著依赖于机
14、组的运行参数(包括但不限于机组运行时间、出力、循环类型和频率等)，并对总维修费造成决定性的影响。本方法通过对机组维修费进行简洁有效的分拆并分配到启动工况中，从而获得更加科学的启动成本费用。9451 2启动成本计算方法(1)短期成本计算模型短期成本即启动燃料消耗费用(Cfps)，计算方法参考主流的电力现货市场成本计算方法8，等于燃料消耗量(Fps)乘以对应价格，此处燃料泛指煤、油、气、电等，燃油价格参考 0 号柴油价格。考虑到CECI 沿海指数综合价能够反应北方港平仓综合采购价格水平，标煤价格 Pcw计算方法以此价格指数(PCECI，23 022 kJ)为基准，在此基础上加上沿海沿江煤炭运费(P
15、w)和内陆煤炭运费(Pt)获得标煤到厂价格Cfps=Fps Pcw(1)Pcw=7 0005 500(CECI+Pw+Pt)(2)(2)中长期成本计算模型长期成本计算模型对启动相关的维修费和EFO 升高导致的机会成本的增加进行计算。启动维修费计算:如上所述，WWSIS 项目5 获取了全球几类火电机组的启动和基荷运行平均维修费，但考虑到不同时期和不同地区物价水平的差异，数据不能被直接用来衡量我国的火电机组维修费水平。因此，本文采用其中单次启动维修费和基荷运行维修费的比例用于总维修费的分摊。假定单位有效利用小时内维修费(Cmph)一定，分拆步骤如下Heu=Hu+iTsi Esi(3)Cmph=Cm
16、/Heu(4)Cmps，i=Esi Cmph(5)Cnlph=Cmph(6)式中Heu 折合有效利用小时数;Hu 上一个大修周期年平均有效利用小时数;Tsi 上一个大修周期某种启动(i 取冷态、温态或热态启动)年平均次数;Esi 单次某种启动(i)折合有效利用小时数，即将单次启动导致的损伤折合成特定有效利用小时数导致的损伤，取值则参考西部风光可再生能源整合研究项目的研究结果5 中基荷运行和启动维修成本中位数，如表 1 所示。Cm 上一个大修周期年平均维修费;Cmps，i 单次某种启动维修费;Cnlph 单位小时空载维修费。需要说明的是，非变运行工况的维修费不考虑负荷变化的影响，因此在公式 6 中，单位有效利用小时内维修费被归入空载成本中作为单位小时空载维修费，以避免机组边际成本曲线非单调性的出现18。表 1单次启动折合有效利用小时数 Esi5启动类型超临界机组(500 1 300 MW)大型亚临界机组(300 900 MW)小型亚临界机组(300 MW)冷态35139244 0温态21624247 0热态18222028 1EFO 升高导致的机会成本:WWSIS 项目中规定 EFO 指