本發(fā)明涉及電力
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
：由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)加大系統(tǒng)等效負(fù)荷峰谷差，目前現(xiàn)有調(diào)峰資源不足，且風(fēng)電并網(wǎng)后新增的調(diào)峰任務(wù)主要是由火電機(jī)組承擔(dān)，火電調(diào)峰機(jī)組的調(diào)峰能力已經(jīng)不能滿足風(fēng)電并網(wǎng)容量的日益增長(zhǎng)，造成我國(guó)電網(wǎng)出現(xiàn)大規(guī)模的棄風(fēng)限電問題。在日益嚴(yán)重的棄風(fēng)限電背景下，社會(huì)要求火電機(jī)組深度調(diào)峰的呼聲越來越高。但是火電機(jī)組深度調(diào)峰使機(jī)組出力長(zhǎng)時(shí)間偏離經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，將增加機(jī)組壽命損耗及污染物排放成本。同時(shí)火電機(jī)組在不同調(diào)峰狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其能耗成本構(gòu)成也不盡相同，而目前還未見相關(guān)火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本的計(jì)算方法。據(jù)此，為探究深度調(diào)峰對(duì)火電機(jī)組能耗成本的影響，研究并尋求計(jì)及機(jī)組損耗和環(huán)境成本的火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本計(jì)算方法具有重要應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。目前，在電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度中通常只計(jì)及火電機(jī)組常規(guī)調(diào)峰階段的、采用燃煤耗量特性來表示的能耗。從火電廠效益角度，火電機(jī)組深度調(diào)峰能耗成本不僅與其自身的煤耗成本、機(jī)組投油成本、機(jī)組損耗成本有關(guān)，還與污染物排放成本等附加經(jīng)濟(jì)成本相關(guān)。當(dāng)前對(duì)能耗成本的研究多為定量計(jì)算機(jī)組不投油穩(wěn)燃深度調(diào)峰的節(jié)油經(jīng)濟(jì)效益，但是并未計(jì)及機(jī)組損耗成本及環(huán)境成本；同時(shí)當(dāng)前未見有研究火電機(jī)組投油深度調(diào)峰階段的能耗成本。由此可見，目前對(duì)火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本的分段定量計(jì)算鮮有研究成果。本發(fā)明根據(jù)火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能耗特性，將機(jī)組的調(diào)峰過程分為常規(guī)調(diào)峰、不投油深度調(diào)峰和投油深度調(diào)峰三個(gè)階段，提出一種火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有研究的不足，本發(fā)明提供了一種火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法。本
發(fā)明內(nèi)容說明如下。步驟一：根據(jù)火電機(jī)組的銘牌參數(shù)及機(jī)組性能試驗(yàn)，確定其不同調(diào)峰階段的出力門檻值：（1）基于火電機(jī)組的鍋爐銘牌參數(shù)，確定機(jī)組最大出力；（2）基于火電機(jī)組的鍋爐銘牌參數(shù)，確定機(jī)組常規(guī)調(diào)峰最小技術(shù)出力；（3）基于機(jī)組性能試驗(yàn)中的鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，確定深度調(diào)峰不投油最低穩(wěn)燃出力；（4）綜合考慮火電廠鍋爐安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及機(jī)組性能試驗(yàn)，確定深度調(diào)峰投油穩(wěn)燃極限出力。步驟二：基于火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能耗特性，將火電機(jī)組調(diào)峰過程分為三個(gè)階段：根據(jù)火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能耗特性，將其調(diào)峰過程分為常規(guī)調(diào)峰、不投油深度調(diào)峰、投油深度調(diào)峰三個(gè)階段，其分段示意圖如圖2所示。步驟三：計(jì)算基于燃煤耗量特性的火電機(jī)組運(yùn)行煤耗成本：火電機(jī)組的運(yùn)行煤耗成本通常采用耗量特性進(jìn)行計(jì)算，因此火電機(jī)組的運(yùn)行煤耗成本為：(1)其中,為機(jī)組負(fù)荷，分別為運(yùn)行煤耗成本函數(shù)的系數(shù)，其取值與機(jī)組類型、鍋爐型號(hào)和煤質(zhì)有關(guān)，為當(dāng)季煤炭?jī)r(jià)格。步驟四：計(jì)算由轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗引起的火電機(jī)組損耗成本：機(jī)組變負(fù)荷使得機(jī)組轉(zhuǎn)子軸系的熱應(yīng)力過大，過大的交變熱應(yīng)力作用會(huì)引起低周疲勞壽命損耗和蠕變損耗，可導(dǎo)致機(jī)組本體發(fā)生嚴(yán)重的變形和斷裂，減少機(jī)組壽命。由于汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子壽命計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，在當(dāng)前研究中尚無公認(rèn)的計(jì)算公式可以解決，本專利按照轉(zhuǎn)子材料的低周疲勞特性關(guān)系對(duì)應(yīng)變循環(huán)進(jìn)行低周疲勞壽命損耗計(jì)算：（1）計(jì)算轉(zhuǎn)子合成應(yīng)力；首先進(jìn)行轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力計(jì)算，一般采用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)機(jī)組負(fù)荷為P時(shí)轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力和離心切向應(yīng)力，則合成應(yīng)力為：(2)（2）計(jì)算轉(zhuǎn)子總應(yīng)變幅；轉(zhuǎn)子總應(yīng)變幅：(3)其中，為彈塑性應(yīng)變集中系數(shù)，為工作溫度下的彈性模量；（3）應(yīng)用Manson-Coffin公式，通過轉(zhuǎn)子總應(yīng)變幅確定轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次；Manson-Coffin公式可體現(xiàn)總應(yīng)變幅與轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次的關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系為：(4)其中為材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)，為材料的疲勞延性系數(shù)，為材料的疲勞強(qiáng)度指數(shù)，為材料的疲勞延性指數(shù)，為轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次；（4）計(jì)算機(jī)組壽命損耗率；機(jī)組深度調(diào)峰降負(fù)荷至P時(shí)，其機(jī)組壽命損耗率可表示為：(5)（5）計(jì)算機(jī)組損耗成本；綜上所述，計(jì)算機(jī)組變負(fù)荷后轉(zhuǎn)子的總應(yīng)力及總應(yīng)變幅后，應(yīng)用Manson-Coffin公式，變負(fù)荷調(diào)峰下的機(jī)組損耗成本為：(6)其中，為火電廠實(shí)際運(yùn)行損耗系數(shù)，常規(guī)調(diào)峰階段為，不投油深度調(diào)峰階段為，投油深度調(diào)峰階段為，，為機(jī)組購機(jī)成本。步驟五：計(jì)算投油深度調(diào)峰階段的投油成本及環(huán)境附加成本：（1）計(jì)算投油成本；在投油深度調(diào)峰階段，鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、水動(dòng)力工況安全性都迅速下降，會(huì)出現(xiàn)無法穩(wěn)定燃燒的情況，機(jī)組需要投油助燃以保證機(jī)組安全運(yùn)行。投油油耗成本為：(7)其中，為機(jī)組深度調(diào)峰投油穩(wěn)燃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)投入的油耗量，為當(dāng)季的油價(jià)；（2）計(jì)算環(huán)境附加成本；在投油深度調(diào)峰過程中，機(jī)組燃油會(huì)增加氮氧化物、二氧化硫等污染物質(zhì)的排放，導(dǎo)致火電廠廢氣排污費(fèi)增加；燃煤鍋爐污染物排放項(xiàng)目分為煙塵、汞及其化合物、氮氧化物和二氧化硫四項(xiàng)，過量的污染物質(zhì)排放將會(huì)違反火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）導(dǎo)致政府罰款。因此，環(huán)境附加成本為：(8)其中為單位時(shí)間內(nèi)燃油產(chǎn)生的廢氣排污費(fèi)，為污染物排放量超標(biāo)的罰款函數(shù)，其中煙塵超標(biāo)罰款，汞及其化合物超標(biāo)罰款，氮氧化物超標(biāo)罰款，二氧化硫超標(biāo)罰款，為各類污染物超標(biāo)量，則。步驟六：構(gòu)造火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段函數(shù)，進(jìn)而得到火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線：（1）構(gòu)造火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段函數(shù)；本專利認(rèn)為火電機(jī)組調(diào)峰的能耗成本可以分段表示。在常規(guī)調(diào)峰階段，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本由運(yùn)行煤耗成本和機(jī)組損耗成本構(gòu)成；在不投油深度調(diào)峰階段，機(jī)組運(yùn)行的安全性降低，機(jī)組磨損程度加大，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本由運(yùn)行煤耗成本和機(jī)組損耗成本構(gòu)成；在投油深度調(diào)峰階段，鍋爐需投油助燃才可穩(wěn)定燃燒，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本由運(yùn)行煤耗成本、機(jī)組損耗成本、投油油耗成本以及環(huán)境附加成本構(gòu)成。因此火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本為：(9)（2）得到火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線；根據(jù)火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本的分段函數(shù)，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線如圖3所示。本發(fā)明提出了一種火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法，其特點(diǎn)和效果是：本發(fā)明建立的模型是基于火電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的；本發(fā)明在燃煤耗量特性基礎(chǔ)上，計(jì)及火電機(jī)組損耗成本、環(huán)境附加成本及投油成本，提出了火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法。附圖說明圖1為本發(fā)明中火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法的基本步驟框圖。圖2為本發(fā)明中火電機(jī)組調(diào)峰過程示意圖。圖3為本發(fā)明中火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線示意圖。圖4為優(yōu)選實(shí)例應(yīng)用本發(fā)明所得的300MW火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線。圖5為優(yōu)選實(shí)例應(yīng)用本發(fā)明所得的600MW火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。圖1為本發(fā)明提供的火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段計(jì)算方法的基本步驟框圖。圖1中所述方法，其特征包括下列步驟：步驟一：根據(jù)火電機(jī)組的銘牌參數(shù)及機(jī)組性能試驗(yàn)，確定其不同調(diào)峰階段的出力門檻值：（1）基于火電機(jī)組的鍋爐銘牌參數(shù)，確定機(jī)組最大出力；（2）基于火電機(jī)組的鍋爐銘牌參數(shù)，確定機(jī)組常規(guī)調(diào)峰最小技術(shù)出力；（3）基于機(jī)組性能試驗(yàn)中的鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，確定深度調(diào)峰不投油最低穩(wěn)燃出力；（4）綜合考慮火電廠鍋爐安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及機(jī)組性能試驗(yàn)，確定深度調(diào)峰投油穩(wěn)燃極限出力。步驟二：基于火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能耗特性，將火電機(jī)組調(diào)峰過程分為三個(gè)階段：根據(jù)火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和能耗特性，將其調(diào)峰過程分為常規(guī)調(diào)峰、不投油深度調(diào)峰、投油深度調(diào)峰三個(gè)階段，其分段示意圖如圖2所示。步驟三：計(jì)算基于燃煤耗量特性的火電機(jī)組運(yùn)行煤耗成本：火電機(jī)組的運(yùn)行煤耗成本通常采用耗量特性進(jìn)行計(jì)算，因此火電機(jī)組的運(yùn)行煤耗成本為：(1)其中,為機(jī)組負(fù)荷，分別為運(yùn)行煤耗成本函數(shù)的系數(shù)，其取值與機(jī)組類型、鍋爐型號(hào)和煤質(zhì)有關(guān)，為當(dāng)季煤炭?jī)r(jià)格。步驟四：計(jì)算由轉(zhuǎn)子低周疲勞損耗引起的火電機(jī)組損耗成本：（1）計(jì)算轉(zhuǎn)子合成應(yīng)力；首先進(jìn)行轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力計(jì)算，一般采用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)機(jī)組負(fù)荷為P時(shí)轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算得到轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力和離心切向應(yīng)力。則合成應(yīng)力為：(2)其中為合成應(yīng)力，為熱應(yīng)力，為計(jì)算部位的離心切向應(yīng)力；（2）計(jì)算轉(zhuǎn)子總應(yīng)變幅；轉(zhuǎn)子總應(yīng)變幅：(3)其中為彈塑性應(yīng)變集中系數(shù)，為工作溫度下的彈性模量；（3）應(yīng)用Manson-Coffin公式，通過轉(zhuǎn)子總應(yīng)變幅確定轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次。Manson-Coffin公式可體現(xiàn)總應(yīng)變幅與轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次的關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系為：(4)其中為材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)，為材料的疲勞延性系數(shù)，為材料的疲勞強(qiáng)度指數(shù)，為材料的疲勞延性指數(shù)，為轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次；（4）計(jì)算機(jī)組壽命損耗率；機(jī)組深度調(diào)峰降負(fù)荷至P時(shí)，其機(jī)組壽命損耗率可表示為：(5)（5）計(jì)算機(jī)組損耗成本；綜上所述，計(jì)算機(jī)組變負(fù)荷后轉(zhuǎn)子的總應(yīng)力及總應(yīng)變幅后，應(yīng)用Manson-Coffin公式，變負(fù)荷調(diào)峰下的機(jī)組損耗成本計(jì)算可采用如下公式：(6)其中，為火電廠實(shí)際運(yùn)行損耗系數(shù)，常規(guī)調(diào)峰階段為，不投油深度調(diào)峰階段為，投油深度調(diào)峰階段為，，為機(jī)組購機(jī)成本。步驟五：計(jì)算投油深度調(diào)峰階段的投油成本及環(huán)境附加成本：（1）計(jì)算投油成本；在投油深度調(diào)峰階段，鍋爐的燃燒穩(wěn)定性、水動(dòng)力工況安全性都迅速下降，會(huì)出現(xiàn)無法穩(wěn)定燃燒的情況，機(jī)組需要投油助燃以保證機(jī)組安全運(yùn)行。投油油耗成本為：(7)其中，為機(jī)組深度調(diào)峰投油穩(wěn)燃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)投入的油耗量，為當(dāng)季的油價(jià)；（2）計(jì)算環(huán)境附加成本；在投油深度調(diào)峰過程中，機(jī)組燃油會(huì)增加氮氧化物、二氧化硫等污染物質(zhì)的排放，導(dǎo)致火電廠廢氣排污費(fèi)增加；燃煤鍋爐污染物排放項(xiàng)目分為煙塵、汞及其化合物、氮氧化物和二氧化硫四項(xiàng)，過量的污染物質(zhì)排放將會(huì)違反火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）導(dǎo)致政府罰款。因此，環(huán)境附加成本為：(8)其中為單位時(shí)間內(nèi)燃油產(chǎn)生的廢氣排污費(fèi)，為污染物排放量超標(biāo)的罰款函數(shù)，其中煙塵超標(biāo)罰款，汞及其化合物超標(biāo)罰款，氮氧化物超標(biāo)罰款，二氧化硫超標(biāo)罰款，為各類污染物超標(biāo)量，則。步驟六：構(gòu)造火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段函數(shù)，進(jìn)而得到火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線：（1）構(gòu)造火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本分段函數(shù)；本專利認(rèn)為火電機(jī)組調(diào)峰的能耗成本可以分段表示。在常規(guī)調(diào)峰階段，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本由運(yùn)行煤耗成本和機(jī)組損耗成本構(gòu)成；在不投油深度調(diào)峰階段，機(jī)組運(yùn)行的安全性降低，機(jī)組磨損程度加大，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本由運(yùn)行煤耗成本和機(jī)組損耗成本構(gòu)成；在投油深度調(diào)峰階段，鍋爐需投油助燃才可穩(wěn)定燃燒，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本由運(yùn)行煤耗成本、機(jī)組損耗成本、投油油耗成本以及環(huán)境附加成本構(gòu)成。因此火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本為：(9)（2）火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線；根據(jù)火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本的分段函數(shù)，火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線如圖3所示。下面通過兩個(gè)實(shí)際火電機(jī)組來說明本發(fā)明提出的火電機(jī)組不同階段的調(diào)峰能耗成本計(jì)算方法。步驟一：確定不同調(diào)峰階段的出力門檻值，將火電機(jī)組調(diào)峰過程分為三個(gè)階段：以東北地區(qū)某火電廠的300MW機(jī)組和600MW機(jī)組為例進(jìn)行分析。根據(jù)其鍋爐參數(shù)及機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果，其不同調(diào)峰階段的出力門檻值如表1所示。表1火電機(jī)組不同調(diào)峰階段的出力門檻值機(jī)組容量/MW/MW/MW/MW/MW30030016512060600600300210120根據(jù)表1中的不同調(diào)峰階段的出力門檻值，將火電機(jī)組調(diào)峰過程分為三個(gè)階段，隨后機(jī)組運(yùn)行煤耗成本、機(jī)組損耗成本、投油成本以及環(huán)境附加成本。步驟二：計(jì)算機(jī)組運(yùn)行煤耗成本：本優(yōu)選實(shí)例中300MW和600MW機(jī)組的鍋爐燃料選用焦煤，其價(jià)格為685元/t。運(yùn)行煤耗成本計(jì)算模型中耗量特性系數(shù)取值如表2所示，將上述數(shù)據(jù)代入式（1）可計(jì)算機(jī)組運(yùn)行煤耗成本。表2耗量特性系數(shù)取值步驟三：計(jì)算機(jī)組損耗成本：采用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)300MW、600MW機(jī)組不同變負(fù)荷幅度下的熱應(yīng)力、離心切向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，代入式（2）（3）得到轉(zhuǎn)子的總應(yīng)力及總應(yīng)變幅。優(yōu)選實(shí)例中的鍋爐轉(zhuǎn)子所用材料為30Cr2MoV鋼，其總應(yīng)變幅與轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次的關(guān)系方程為：由上式可得到不同變負(fù)荷幅度下的轉(zhuǎn)子致裂循環(huán)周次，代入式（5）得到機(jī)組壽命損耗率，如表3所示。表3不同變負(fù)荷幅度下機(jī)組壽命損耗率300MW、600MW機(jī)組單位造價(jià)成本分別為4394元/kW、3646元/kW?；痣姀S實(shí)際運(yùn)行損耗系數(shù)在常規(guī)調(diào)峰階段取0.5，不投油深度調(diào)峰階段取1.2，投油深度調(diào)峰階段取1.5。將上述數(shù)據(jù)代入式（6）可得到機(jī)組損耗成本。步驟四：計(jì)算機(jī)組投油成本和環(huán)境附加成本：不同類型鍋爐的單位投油量是不同的，本實(shí)例中300MW機(jī)組的鍋爐投油量為3t/h，600MW機(jī)組的鍋爐投油量為4.8t/h。鍋爐投油助燃燃料選用柴油，其價(jià)格為6130元/t。將上述數(shù)據(jù)代入式（7）可得到機(jī)組投油成本。環(huán)境附加成本中分為兩部分。第一部分的燃油排污成本，燃油會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，二氧化硫及氮氧化物等廢氣，其燃油排污費(fèi)為25.22元/t。第二部分為政府罰款，根據(jù)機(jī)組污染物排放監(jiān)控結(jié)果，在投油調(diào)峰階段，300MW機(jī)組存在煙塵排放超標(biāo)15%情況，600MW機(jī)組存在二氧化硫排放超標(biāo)10%以及氮氧化物排放超標(biāo)12%情況。本實(shí)例中罰款金額設(shè)定為煙塵超標(biāo)罰款2400，氮氧化物超標(biāo)罰款842，二氧化硫超標(biāo)罰款667。因此300MW機(jī)組罰款10800元，600MW機(jī)組罰款23433元。將上述數(shù)據(jù)代入式（8）可得到環(huán)境附加成本。步驟五：計(jì)算得出火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線：分析機(jī)組運(yùn)行煤耗成本、機(jī)組損耗成本、投油成本以及環(huán)境附加成本后，根據(jù)式（9）得到300MW與600MW火電機(jī)組調(diào)峰能耗成本曲線如圖4所示。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3