北京地区燃气机组热电解耦补偿机制初探.pdf

第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI：10.11985/2023.02.018 北京地区燃气机组热电解耦补偿机制初探*滕苏郸1 张 璞1 马彦虎2 张 凯1 孙志祥2 陈艳波2(1.北京电力经济技术研究院有限公司 北京 100055；2.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室 北京 102206)摘要：冬季供暖期燃气热电机组采用“以热定电”运行方式极大地限制了燃气机组的调峰能力，热电解耦是解决这一问题的有效途径。为促进燃气热电厂开展热电解耦的积极性，在华北电力调峰辅助服务市场的基础上提出了北京地区燃气机组热电解耦补偿机制，从而提高燃气机组热电解耦动力，并以机组加装电锅炉辅助供热为例进行算例分析。根据所提热电解耦补偿机制，在燃气机组加装电锅炉热电解耦供热改造情况下，燃气机组供暖季调峰运行可获得补偿费用12 192.85 万元。机组供暖季热电解耦压减电量及新增调节容量奖励电量与清洁能源替代发电可获得增量收益约 4 348.3万元，一定程度上补偿了机组因深度调峰而减少的发电收益，能够缩短燃气机组热电解耦成本回收期限，提高燃机热电解耦改造的积极性。关键词：调峰辅助服务；热电解耦；补偿机制；燃气机组 中图分类号：TM561 Thermoelectric Decoupling Compensation Mechanism of Gas Turbine in Beijing Power Grid TENG Sudan1 ZHANG Pu1 MA Yanhu2 ZHANG Kai1 SUN Zhixiang2 CHEN Yanbo2(1.Beijing Electric Power Economic and Technological Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100055;2.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University,Beijing 102206)Abstract：Thermoelectric decoupling is an effective way to solve this problem.The operation mode of the gas-fired thermoelectric unit in winter heating period greatly limits the peak regulating capacity of the gas-fired unit.In order to promote the enthusiasm of gas thermal power plant to carry out thermoelectric decoupling,a thermoelectric decoupling compensation mechanism for gas units in Beijing is proposed based on the peak regulating auxiliary service market of North China Electric Power plant,so as to improve the thermoelectric decoupling power of gas units.A case study is carried out with auxiliary heating of electric boiler installed in the unit.According to the proposed thermoelectric decoupling compensation mechanism,when the gas-fired unit is equipped with electric boiler thermoelectric decoupling heating transformation,the compensation cost of the gas-fired unit can be 121.928 5 million RMB during peak operation in the heating season.In the heating season of the unit,incremental income of about 434.83 million RMB can be obtained by thermoelectric decoupling reduced quantity and newly adjusted capacity incentive quantity and clean energy replacement generation,which compensates the generation income reduced by the unit due to deep peak regulation to some extent,can shorten the cost recovery period of the gas unit thermoelectric decoupling,and improve the enthusiasm of gas turbine thermoelectric decoupling transformation.Key words：Peak shaving auxiliary services；thermoelectric decoupling；compensation mechanism；gas unit *国网北京市电力公司科技资助项目(SGTYHT/20-JS-221)。20211012 收到初稿，20220622 收到修改稿 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 184 1 引言 2020 年，中国基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，宣布了“碳达峰”和“碳中和”的目标愿景1。为响应国家政策，北京市在陆续关停燃煤热电机组的同时建成了以燃气热电中心为主体的供电和供热格局。但北京地区由于气候原因，电源以热电联产机组为主，调峰能力不足，为响应供暖期热负荷需求，热电机组采用“以热定电”运行方式，发电出力与供热出力具有强耦合关系，最小发电出力较高，系统调峰能力不足矛盾加剧，不利于北京电网的绿电消纳。热电解耦是解决以上问题的有效途径，但热电厂实施“热电解耦”面临的挑战和困难包括：成本挑战。热电解耦改造方式一般包括低压缸切除2-3、配置储热设备4-5、配置电锅炉6、利用旁路供热7、配置热泵辅助供热8等方式，以上方式涉及的设备改造成本高昂，且改造后设备运行维护仍需要投入大量资金，导致热电厂开展热电解耦的动力不足；安全挑战。机组热电解耦需要考虑解耦方案安全性，如机组低压缸切除后面临末级叶片鼓风等安全性 问题。因此，如何建立调峰补偿机制以提高热电厂开展热电解耦的积极性成为亟待解决的问题。为此，文献9基于火电机组容量和最高调峰率指标，采用K 均值聚类分析的方法划分有偿调峰与无偿调峰的界限，并提出考虑机组调峰能力实现程度的补偿模型，但此法偏向于提高小容量机组深度调峰的积极性，而没有激励大容量机组更充分地发挥其调峰潜力。文献10提出了利用等效可用负荷率概念建立调峰容量补偿机制的新方法，但只针对因节能发电调度所产生的容量差异提出补偿方法，而没有考虑被调用调峰机组运行后所产生的费用。文献11提出基于调峰主客体因素的火电机组深度调峰补偿模型，针对调峰主客体分别引入调峰需求系数和调峰能力系数对现行补偿模式进行修正，提高了深度调峰补偿的公平性。文献12针对我国核电调峰提出了成本补偿与超发电量收益相结合的两部制调峰经济补偿模式及具体算法。另一方面，燃气机组启停灵活，常被作为启停调峰资源。对二拖一机组，可以根据供热需求停机一台燃机。因此，燃气-蒸汽联合循环热电联产机组供暖期在热电解耦压减电量的基础上可考虑停机一台燃机进行调峰，故而在考虑燃气机组热电解耦补偿机制的同时考虑燃气机组启停调峰的补偿机制能够调动燃气机组更加积极地参与电力调峰辅助服务。文献13提出了面向火电机组灵活性改造的深度调峰补偿模型，但其针对火电机组灵活性改造的固定成本直接补偿方式没有政策依据。文献14在明确现阶段火电机组灵活性改造的技术手段的基础上，给出了火电机组灵活性改造的激励机制。上述研究做了很有意义的研究，它们主要考虑机组参与深度调峰的公平性和积极性，但目前针对机组热电解耦改造成本尚没有明确的补偿方案。因此，本文在华北电力调峰辅助服务市场的基础上引入激励机制，将燃气热电厂调节能力奖励电量和压减的发电量与清洁能源机组进行替代获得增量收益，一定程度上补偿了燃气机组因热电解耦减少的发电收益；同时考虑燃气机组启停迅速的特点，建立其启停调峰补偿机制。2 燃气机组热电解耦必要性 典型抽气供热机组发电功率与供热功率相互 耦合，弃风量较高时造成“风热冲突”，如图 1 所示15。图 1 中，ABCD 为热电联产机组可能的运行区间；,maxConeP为联产机组纯凝工况下最大发电出力，,minConeP为联产机组纯凝工况下最小发电出力；CHP,eCP、CHP,eFP、CHP,eEP分别为 C、F、E 点联产机组抽气供热工况下电出力。图1 风热冲突原理示意图 热电联产机组冬季供暖期采用“以热定电”的原则运行：优先满足系统热负荷需求，再由机组供热输出确定发电出力。热电联产机组供热出力和发电出力近似呈线性关系。当机组运行于最大抽凝模式时，即热负荷()()()CHP,CHPCHP,hhhCBPPP时，随着热负荷的增加，机组最小电出力被迫增加，挤占风电等新能源上网空间，造成大规模弃风，形成风热冲突现象。如图 1 所示，月 2023 年 6 月 滕苏郸等：北京地区燃气机组热电解耦补偿机制初探 185 假设该日各时段热负荷为()LDhP，风电并网前机组发电功率处于 EF 之间，热电联产机组可满足负荷的波动跟踪，但当风电并网时，若要在保证热负荷不变的情况下完全消纳风电，则机组电出力需要降低到 C 点以下，即()()CHPCHP,eeCPP，此时热负荷下降导致供热不足。综上所述，热点机组“以热定电”的约束限制提高了机组的强迫出力，对应系统最小出力增大，系统留给风电的上网空间减少，从而产生了弃风。而解决风热冲突的主要思路如下：一是无法消纳的风电外送，但外送输电网建设周期长、成本高、技术难度大，难以大范围开展；二是解耦热点机组“以热定电”的约束，充分利用火电参与调峰的潜能，提高系统的调峰能力，实现本地消纳16。3 燃气机组热电解耦补偿机制 本文所述燃气机组热电解耦调峰补偿机制由燃机参与电力调峰辅助服务市场获得的调峰服务费 用17、燃气机组启停调峰获得的启停调峰补偿18以及清洁能源奖励电量增量收益三部分构成。3.1 燃气机组参与电力辅助服务市场调峰费用 燃气机组热电解耦后机组摆脱“以热定电”运行的束缚，在负荷低谷时参与调峰，使得机组发电量大大降低，进入深度调峰，通过参与电力调峰辅助服务市场获得调峰服务费用。华北电力调峰辅助服务市场包括华北市场和省网市场，燃气机组可同时参与华北市场与省网市场，火电机组通过报价竞标的方式参与辅助服务市场，其市场报价、调峰技术能力同时作为华北市场和省网市场的报价与调峰技术能力。火电厂参与市场报价如表 1 所示。表 1 华北市场分档报价价格 报价挡位 负荷率(%)报价上限 报价下限/元/(MWh)第一档 70100 0 0 第二档 6070 0 300 第三档 5060 0 3