天然气电厂的综合效益及评估

卢山，董青，杨国健，程浩忠，马则良，辛洁晴，李萌，BAZARGANMasoud

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海200240；2.上海电力公司青浦供电公司，上海201700；3.华东电网有限公司，上海200120；4.阿尔斯通电网集团研究与技术中心，斯塔福德ST17 4LX）

天然气电厂的综合效益及评估

卢山1，董青2，杨国健2，程浩忠1，马则良3，辛洁晴1，李萌1，BAZARGANMasoud4

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海200240；2.上海电力公司青浦供电公司，上海201700；3.华东电网有限公司，上海200120；4.阿尔斯通电网集团研究与技术中心，斯塔福德ST17 4LX）

为客观评价天然气电厂的功能，在充分考虑了天然气发电机组启停迅速、运行灵活、清洁环保的基础上，该文提出了天然气电厂综合效益的概念以及综合效益的整体模型评估方法，该方法通过有等效替代原则设计原始方案与替代方案，对两方案在满足相同的静、动态任务约束下采用机组组合进行运行模拟，两方案的运行成本之差即为天然气电厂的综合效益。77机系统和某实际发电系统规划的算例结果符合实际，验证了天然气电厂综合效益的存在，并分析了产生综合效益的机理以及影响因素。

天然气电厂；综合效益；整体模型法；运行模拟

近年来随着产业结构的调整，第三产业用电和生活用电的增加迅速，我国电网的调峰矛盾凸显。以我国某区域电网为例，2011年的97%、95%和90%最高负荷的持续时间分别为25 h、65 h和 252 h。

燃气蒸汽联合循环机组因具有启停迅速、能源利用效率高、造价低、厂区面积小且清洁环保等特点，能有效解决系统调峰问题。在水电资源缺乏、调峰手段少且土地资源紧张的区域（例如上海）增加燃气机组的装机容量是解决系统调峰问题的重要手段[1]。一些天然气资源丰富的国家已经将天然气发电作为国家主要的发电方式之一。我国在《中国的能源政策（2012）》白皮书和《电力工业“十二五”规划研究报告》均提出了适度发展天然气集中发电的政策。

然而我国天然气价格过高，它将增加电网的购电成本。在目前及今后一段时间内天然气价格居高不下的情形下，必须从电网角度对天然气发电的电网效益进行评估。本文给出了一种天然气电厂综合效益的评估体系以及求解方法。该效益体系详细考虑了天然气电厂的运行特性及天然气电厂在完成电网静、动态任务时为整个电力系统带来的效益。求解电源投资方案中天然气电厂的综合效益可为电源投资提供建议，避免盲目兴建天然气电厂。

文献[4]通过建立静态优化模型计算了电站的静态效益，并在静态效益的基础上乘以收益系数得到电站的动态效益，方法较为精确地计算出静态效益，但是动态效益的收益系数难以精确确定。文献[5]对电站采用马尔可夫模型建立了详细的机组概率模型，从而求解了电站的事故旋转备用效益，但是电站用于调峰填谷和事故旋转备用的容量比例是人为确定的，是否使得系统运行最优无法考证。文献[6]精确地求出了电站的静、动态效益，但由于分项求和法本身的缺陷，无法准确得到电站的综合效益。文献[7]对系统采用最优潮流模型进行建模，求解了几种场景下电站的综合效益，该方法是一种整体模型法，但没有考虑电站在承担系统备用时产生的效益。文献[8]提出一种基于系统等效负荷持续曲线的运行模拟方法，计算了电站为系统减少的燃料成本以及启停成本，但没有考虑电站对系统的动态效益。

综合国内外研究现状，电站的综合效益分为静态效益和动态效益，电站综合效益的评估方法主要有以下2类。

（1）分项求和模型法。将电站的容量按其承担的各种功能分块，对各部分容量所承担的功能分别提出定量化计算公式，然后分别计算其效益，最后逐项累加以求得电站总的综合效益。这种方法在国内外采用最多[3]。其特点是概念清晰，计算的效益比较全面，但由于各种功能效益相互交叉重叠，分项求和模型法有明显的缺陷。

（2）整体模型法。以系统总运行费用最小为目标函数建立电力系统短期经济运行数学模型，在电力系统电源构成、日负荷曲线和各类型发电机组装机容量已定的条件下，计入旋转备用、爬坡率等动态约束条件，研究电站逐小时承担的旋转备用和调峰填谷容量以及电站的综合效益[2]。

实际运行中天然气电厂不可能固定的只参与某一动态或静态任务，大多情况下会根据电网的需要在不同的时段参与不同的发电任务，比如天然气电厂可将部分容量用于承担调峰填谷，利用其发电剩余容量向系统提供事故备用。所以将天然气电厂的各项效益之和来描述天然气电厂的综合效益必会由于电站功能的交叉重叠导致结果偏大。整体模型法通过求解系统短期经济运行数学模型，最优地分配电站承担系统的静、动态任务，综合考虑了电站的静态效益和动态效益，并且不会造成电站功能的交叉重叠，相比分项求和模型法更符合实际情况，通过整体模型法求得的综合效益对电站的规划以及天然气电厂的补贴制定提供更精确的参考。

本文首先给出了天然气电厂综合效益的概念，包括静态效益和动态效益。然后提出了一种整体模型法对天然气电厂的综合效益进行评估。该方法通过等效替代法设计原始方案和替代方案，然后采用机组组合对方案进行运行模拟，从而求得天然气电厂的综合效益。

1 天然气电厂的综合效益体系

天然气电厂具有启停迅速、运行方式灵活、能源利用效率高、造价低、厂区面积小且清洁环保等特点，本文将天然气电厂的综合效益分为静态效益和动态效益。

静态效益即由天然气电厂参与调峰填谷产生的效益，分为燃料效益、容量效益和环境效益；动态效益是由于天然气电厂启动迅速、运行灵活，在承担系统调频、负荷调整和紧急事故备用时，满足系统“动态”运行需要而产生的经济效益，分为调频效益、事故备用效益、黑启动效益。

1.1 天然气电厂的静态效益

天然气电厂的燃料效益是指系统利用天然气发电而减少的总燃料成本。天然气电厂在发电计划中承担峰荷，起到调峰的作用，从而使其他电厂带基荷或腰荷运行，从而稳定工作在其效率较高的燃料耗量区间。同时天然气发电的燃料成本较高，因此天然气电厂的燃料效益取决于这两方面因素的平衡。

天然气电厂的容量效益是指天然气电厂为系统节约电厂建造费用产生的效益。目前天然气发电机组主要为9E、9F型，发电形式为联合循环，其总容量相比目前主流的煤电机组要小得多，在承担系统基荷时显然普通煤电机组更具优势，但是联合循环机组有更快的启停速度、更大爬坡率和更低的最小技术出力，使得其在承担系统动态任务时可以相当多台普通火电机组的作用。而天然气发电机组的造价也低于普通的燃煤机组，所以当系统中有一定比例的天然气发电机组时，将会产生容量效益。

天然气电厂的环境效益就是由天然气发电而减少的环境整治费用[9]。天然气是清洁环保的绿色能源，采用天然气作为燃料的燃气轮机，其污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/10，氮氧化物排放只有常规电站的15%~20%，脱硫效率可达99%，二氧化硫排放在25mg/m3左右[10]。

1.2 天然气电厂的动态效益

天然气电厂启动迅速、运行灵活，在承担系统调频、负荷调整、紧急事故备用和黑启动时可以对系统产生经济效益。

天然气发电机组启停快，出力变化范围大，能随时、迅速调整出力，跟踪负荷变化，在电网中可利用天然气发电机组应对短时负荷波动和计划外负荷的增加引起的随机负荷波动，保持频率和电网运行稳定，由此获得的效益即调频效益。

当电力系统中突发停电事故时，天然气电厂通过快速启动或迅速调整出力向系统提供发电容量，从而维持系统的稳定运行，提高供电可靠性，减少停电损失，由此获得的效益即事故备用效益，天然气电厂可将全部的装机容量总划分出部分容量作为专设的事故备用容量，专门承担向系统提供事故备用任务，也可在优先承担静态发电任务后，利用其发电剩余容量向系统提供事故备用。

黑启动是维持电力系统安全运行的重要措施之一，其目标是在短时间内使系统恢复带负荷能力。系统恢复顺利与否关键在于启动电源即黑启动机组。燃气轮机能够快速启动宽幅加载和灵敏响应，电站设计上稍加改进就可以成为合格的黑启动电站[11]。由天然气发电厂承担黑启动任务而为系统带来的效益即为其黑启动效益。

2 天然气电厂的综合效益评估

从理论上讲，每一个电站均可以在不同程度上满足系统的调峰、调频、负荷跟踪、旋转备用等要求，也就是说，每种电源类型的电站均具有综合效益，这是综合效益的绝对概念。而各种电源类型完成同样的静、动态要求，系统的可靠性和经济性又各不相同。理论和实践上都证明天然气电厂在运行中所表现出的调频、爬坡、备用等方面的能力均优于火电或其他电源[1]。本文引入工程经济学中的等效替代法的思想求综合效益，就是求天然气电厂与其替代电源综合效益的相对值，这是综合效益的相对概念[1]。

本文采用整体模型法对天然气电厂的综合效益进行评估，先采用等效替代的原则，对电网中的天然气电厂用燃煤电厂进行替代，形成两种方案。然后对两种方案采用机组组合优化算法进行运行模拟，在机组组合中满足相同的负荷需求以及安全需求，即满足相同的静态需求和动态需求。最终得到两种方案下的系统成本，两者成本之差即为天然气电厂的综合效益。通过对机组组合模型的设置，本文采用的整体模型法可以综合考虑天然气电厂的燃料效益、环境效益、调频效益以及事故备用效益。

采用等效替代法求解天然气电厂的综合效益分为两个步骤：等效替代方案的确定和发电系统的运行模拟。

2.1 等效替代方案的确定

等效替代方案的形成需要借助工程经济学中的等效替代法的思想。对规划阶段或系统中已存在的天然气电厂形成两种等效的方案，第1种方案由拟建或待评的天然气电厂和原有的发电系统构成，第2种则不含有该天然气电厂，用相同容量的普通煤电机组进行替代。两种方案必须满足相同的调峰、调频和旋转备用等电力系统的静、动态需求。效益评定的目标可以是一家天然气电厂，也可以是多家天然气电厂或几台天然气发电机组。

2.2 发电系统的运行模拟

发电系统运行模拟有随机生产模拟、机组组合等方法。天然气电厂的特点为启停速度快、爬坡率大、出力变化范围大，为体现其燃料效益、容量效益、调频效益以及事故备用效益，发电系统的运行模拟需满足以下要求：

（1）考虑机组的启停及启停费用；

（2）在机组的出力安排中需考虑机组的爬坡率和出力变化范围；

（3）备用方面，对机组需考虑其冷、热备用状态，对系统需考虑其负荷波动及事故发生时的备用需求。

由于机组组合模型细致地考虑了机组的启停、爬坡率等问题，而且可方便地设置系统的备用需求，相比随机生产模拟，机组组合模型对发电系统的运行模拟更为准确。不仅如此，采用机组组合对发电系统进行生产模拟可以最优地分配机组每小时的运行状态，包括机组在线容量、旋转备用容量或是冷备用容量的大小，符合整体模型法对电站功能的整体考虑，不会引起效益的重叠。故本文采用机组组合的方法对发电系统进行运行模拟。

机组组合问题以火电机组启停状态和出力为变量，综合考虑功率平衡约束、备用约束、最大最小出力限制、最大最小开停机时间约束，使得调度周期内总运行成本最小或系统煤耗最小。本文采用的机组组合模型如下。

（1）目标函数为

目标函数考虑了系统的燃料成本、环境成本和启动成本，其中：G为机组数；T为时段数；Ui，t为机组i在时段t运行状态的变量，Ui，t=0表示停机，Ui，t=1表示运行；Pi，t为机组i在时段t的功率变量；F（iPi，）t为发电机组的运行耗量，F（iPi，）t=+ biPi，t+ci，ai、bi、ci为运行耗量特性参数；E（iPi，）t为发电机组的环境成本，根据文献[10]，机组的环境成本正比于其发电量，即E（iPi，）t=dPi，t，对于天然气发电机组d取0.0252元（/kW·h），对于煤电机组d取0.1061元（/kW·h）；Si为机组i的启动耗量。

（2）系统平衡约束为

式中，PLt为t时段系统的负荷。

（3）备用约束为

备用约束参考文献[12]、文献[14]，对系统在30 min内可投入的备用容量下限进行约束，根据《电力系统技术导则》，考虑系统的负荷备用和事故备用，本文系统的备用需求设为当前负荷的15%。对于正在运行的发电机组，其30min内可投入的备用容量取决于其剩余发电容量和最大上爬坡容量，对于正处于停机状态的机组，其30min内可投入的发电容量正比于其最大容量，不同类型机组的启动速度不同，可根据机组的启动速度取不同的比例系数，燃气蒸汽联合循环机组的比例系数可取15%，普通煤电机组启动时间大于30min，比例系数可取0[14，16]。式（3）、（4）中，PRt为t时段系统的30min备用需求；Hi，t（Pi，t-1）为机组i在30min内可投入的备用大小；δi为热态启动的天然气发电机组30min内可投入备用的容量百分比。ΔPi，up为机组i的最大上爬坡率；Pi，max为机组i的最大出力。

（4）机组容量约束为

式中，Pi，min为机组i的最小出力。

（5）最小启停时间约束为

式中：Ti，t表示机组i连续运行的小时数，Ti，t<0表示机组i连续停机|Ti，t|小时；Ti，on，Ti，off分别表示机组i的最大开、停机时间。

（6）爬坡率约束为

式中，ΔPi，up、ΔPi，down分别表示机组i的最大上、下爬坡率。

本文的机组组合模型求解方法采用改进的粒子群算法求解，为获得合理的结果，本文进行了多次计算。

3 算例

算例1有77台机组，运行模拟时间为1 d，首先设计了两套替代方案，然后通过运行模拟得到不同方案下的机组出力的变化情况，以成本的变化情况及天然气发电机组的综合效益，并对机组的出力情况进行分析，从而解释了天然气发电机组产生综合效益的机理。算例2为某实际区域电网的规划方案，规模较大，含有机组共651台，通过计算得到了规划方案中新建的7台、共2 760 MW的天然气发电机组一年的综合效益。算例1和算例2分析了当前气价（2.2元/m3）下天然气电厂的综合效益，算例3考虑了天然气价格波动的情况，分析了气价对天然气电厂综合效益的影响。

3.1 算例1

原始方案含天然气电厂1 033MW，燃煤电厂28 350MW；替代方案1在原始方案的基础上用两台400MW天然气联合循环机组替代一800MW燃煤机组，即含天然气电厂1 833MW，燃煤电厂27 550MW；替代方案2在原始方案的基础上用4台400 MW天然气联合循环机组替代两台800 MW燃煤机组，系统的最高负荷为28 035MW。机组组合机组参数设置参考文献[17]，采用上文方法对两系统进行运行模拟，计算统计结果如表1所示。

表1 算例1运行模拟结果Tab.1 Resultof running simulation on case1

天然气电厂一天内的综合效益为154.1万元，其中减少燃料成本88.3万元，启停成本19.7万元，环境成本46.1万元，经统计，替代方案1的平均煤耗量为318.875 t/（MW·h）相比原始方案下降1.82 t/（MW·h）。

替代方案1的两台天然气发电机组及两台1 000MW的煤电机组出力见表2，结果显示：天然气电厂在尖峰时刻顶峰出力，减轻了燃煤机组的调峰负担及环境负担，降低了燃煤机组的煤耗和环境成本，体现了其调峰效益和环境效益；在负荷处于平、谷段时关机或压火运行，为系统提供备用，避免了多台燃煤机组共同承担系统备用的低效率备用方式，节省了系统的备用成本，体现了其调频效益和事故备用效益。

替代方案2中系统的燃料成本较高，导致其综合效益仅为20.13万元。由于该方案中的煤电机组总容量减少，天然气发电机组不仅要承担尖峰时刻的出力，也需带一部分的腰荷，所以增加了系统中天然气的消耗，而过高的燃料成本减少了天然气电厂的综合效益。替代方案2中天然气电厂的容量占系统总容量的比例为8.96%，可预测，当天然气电厂比例继续升高，天然气电厂将不能为系统带来效益，甚至将增加系统的总运行成本。

3.2 算例2

算例2对某实际发电系统规划的两种方案进行运行模拟。该发电系统原有煤电机组140 003 MW，天然气发电机组17 252MW，其他类型机组包括水电、燃油发电、核电、风电44 939.4MW。原始方案规划新建煤电机组31 170MW；替代方案新建煤电机组28 410 MW，天然气发电机组2 760 MW。为计算天然气发电厂一年所产生的综合效益，选取4个季节的典型周，共672 h，进行运行模拟，得到天然气电厂在这4周的综合效益，从而估算天然气电厂一年的综合效益，其他参数设置同算例1。计算的统计结果如表3所示。从表中可看出，替代方案由于天然气电厂的作用，其各项成本均低于原始方案，一年内产生综合效益为3.57亿元。

表2 原始方案与替代方案1机组出力对比Tab.2 Comparison ofunitoutputbetween original schemeand alternative scheme1

表3 算例2运行模拟结果Tab.3 Resultof simulation on case2

3.3 算例3

为说明气价波动对天然气电厂综合效益的影响，以算例1为基础，对其中替代方案1中天然气电厂的综合效益在不同气价下进行计算，结果如表4所示。

表4 天然气电厂综合效益随气价波动情况Tab.4 Comprehensive benefitsofnaturalgas power plantsunder differentnaturalgasprices

天然气电厂的综合效益随气价的升高而减少，当气价为3.4元/m3时，天然气电厂的综合效益将无法体现。

4 结语

本文提出了天然气电厂的综合效益评估体系，并给出了求解方法，算例表明以下结论：

（1）算例1和2说明天然气电厂对系统具有调峰效益、环境效益、调频效益和事故备用效益。该结论与文[1]的理论符合，验证了方法的正确性。经计算某实际电网的规划方案中，2×400MW天然气发电机组全年的综合效益为3.57亿元，其意义为：在电源规划中如果以2×400MW天然气发电机组替代800MW煤电机组，系统一年将节省运行费用3.57亿元。

（2）天然气电厂的燃料成本较高，在模拟运行中，如果用天然气电厂带基荷、腰荷运行，系统的成本将大大提高，所以为体现天然气电厂的综合效益，系统中必须有足够的煤电厂或其他类型机组承担基荷、腰荷。对于算例1，天然气电厂容量占系统总容量的比例需控制在8.96%以内。

（3）天然气电厂的综合效益随天然气价格升高而减小，在目前天然气价格居高不下的形势下，应适度当发展天然气发电，并制订合理的电价补偿政策。

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Comprehensive BenefitsofGas Power Plantsand Its Evaluation

LUShan1，DONGQing2，YANGGuojian2，CHENGHaozhong1，MA Zeliang3，XIN Jieqing1，LIMeng1，BAZARGANMasoud4
（1.Key Laboratory ofControlofPower Transmission and Transformation，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China；2.Qingpu Power Pupply Company，SMEPC，Shanghai 201700，China；3.EastChina Grid Company Limited，Shanghai200120，China；4.ALSTOMGrid Technology Centre，Stafford ST17 4LX，UK）

In order to evaluate the gas power plant objectively，the concept of comprehensive benefits of gas power plants and a holisticmodelevaluatingmethod to solve itare proposed considering the rapid start-up，flexibility，and environment-friendly characteristicsof thenaturalgaspowerplant.In thismethod，theoriginaland alternative schemes are designed on the principle of equivalent substitutionmethod，and the unit operation is simulated through the unit commitmentmodel under the same limitation of the static and dynamic tasks.Then the comprehensive benefit of the naturalgaspower plantiscalculated by the differenceof the two schemes'cost.Numericalexamplesofa77-unitsystem and an actualpower systemplan aregiven，ofwhich the resultsare realistic.Theexistenceof the comprehensivebenefitsofgaspowerplant isproven.Themechanism of the comprehensivebenefitsofgaspower plantand its influence factorare analyzed.

naturalgaspowerplant；comprehensive benefits；holisticmodelmethod；operation simulation

TM715

A

1003-8930（2015）04-0007-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.04.002

卢山（1989—），男，硕士研究生，从事电网规划、电网运行方面的研究工作。Email：shanl9469@163.com

2013-11-14；

2013-12-09

国家自然科学基金项目（51261130473）；国家重点基础研究发展计划973计划项目（2014CB23903）

董青（1982—），女，硕士，工程师，从事电力技术管理工作。Email：dmanguan@163.com

杨国健（1977—），男，硕士，副高级工程师，从事电网调度技术管理工作。Email：cn_yangcn@sina.com