燃气蒸汽联合循环机组综合供电气耗的影响因素研究

文_杨熙 邱浩 北京太阳宫燃气热电有限公司

1 研究背景

我国电力供应结构正逐步从以煤电为主向清洁非化石能源发电为主转变，截至2020年末，全国燃气机组装机容量接近1亿kW，约占我国发电总装机容量的4.5%。北京市自2004年起建设燃气热电联供项目，并于2012年启动四大燃气热电中心的建设，到2017年陆续关停全部燃煤热电厂，目前已建成投产的14家燃气发电企业，30台在役机组总装机容量达到994万kW。北京市自投产燃气机组以来，产量计划和电热气价格全部受政府管控。随着电力体制改革的进一步深入，燃气发电补贴压减，天然气价格维持较高水平，政策支持失去优势。调度运行方式方面，受可再生能源消纳影响，北京市燃气机组核准年度利用由4500h降至4100h，启停调峰次数和“一拖一”低负荷运行时间大幅增加。气源品质方面，自2013年起，工业用天然气中掺混煤制天然气，热值均值下降约1MJ/Nm3，影响气耗上升约3%，直接影响燃料成本增加。设备维护和技改投入方面，北京市最早一批燃气机组为2004年规划建设，至今已投产15a以上，设备维护成本逐年上升。

2 影响气耗变化的主要因素和影响机理分析

影响燃气机组综合供电气耗变化的因素有很多，根据燃气机组运行经验和历史数据分析，目前已观测到的影响因素和影响机理：①天然气热值，代表燃料的有效成分，天然气低位发热量高时，单位燃料的有效成分越多，机组综合供电气耗降低。②热网的投入情况，热网的投入分摊了部分耗用燃气量，有利于降低发电气耗，电负荷保持不变的情况下，热负荷越高，则综合供电气耗越低。③环境温度，环境温度高则会使得燃机压气机入口温度升高，燃机效率下降，会使得凝汽器真空恶化，为保证相同真空会启动更多台机力塔风机，耗费更多的厂用电量；另外，环境温度影响燃气蒸汽联合循环热效率和机组调峰能力，当环境温度较高时，燃机运行效率较低。④凝汽器真空，真空升高时，相同的进汽量，汽轮机低压缸做功减少，汽轮机负荷下降，在负荷不变的情况下，燃机负荷上涨，耗气量增加，影响综合供电气耗上升。⑤机组负荷率，发电机组负荷率上升，发电主、辅机效率提高，综合供电气耗指标下降。

3 构建各因素影响综合供电气耗变化的计量模型

3.1 数据选取和基本模型

为了探讨影响燃气蒸汽联合循环机组综合供电气耗变化的因素和影响效应，本文选取某燃气发电企业2018年至2021年6月机组运行数据开展实证研究，利用stata15.0对数据进行回归分析。据数据测算，各控制变量指标的多次项系数部分有显著影响，但多次项系数的数量级极小，对被解释变量的影响效应有限，故此处只选取一次项指标构建线性模型。

依据机理分析，将影响气耗变化的已知影响因素纳入模型，构建基本计量模型如式（1）。

式中 Yit—被解释变量综合供电气耗指标；β0—常数项；Xit—各解释变量（发电负荷率、热电比、环境温度等）；εit—误差项。

3.2 主要指标参数

考虑数据的可获得性，选取以下指标表征上述影响因素。低位发热量与气耗线性相关，可直接计算其影响，本文模型不纳入此项指标。

3.2.1 被解释变量

综合供电气耗: 该变量是衡量企业机组效率的最直接的指标，体现了一个发电企业机组的先进程度，通过降低燃气机组综合供电气耗，可降低单位产量燃料成本，显著提升企业盈利能力。

3.2.2 解释变量

负荷率：发电机组实际发出的电量除以发电机组实际应有发电量(能力)的比值。可以衡量统计期间内机组发电运行效率。

热电比：热电联产机组供热量和供电量(换算成热量）的比值。可以衡量热电联产机组的负荷分配情况和能源利用率。

环境温度：环境温度可以影响燃气蒸汽联合循环系统运行热效率。

凝汽器真空：凝汽器真空是表征凝汽器工作特性的主要指标，可以衡量汽机运行经济性。

燃气量：统计期内机组运行耗用天然气总量，是能源加工转换的基础指标。

4 各因素影响综合供电气耗变化的实证研究

4.1 各因素影响综合供电气耗变化的回归分析

4.1.1 供热期二拖一带供热工况

将各项指标逐一引入回归模型，结果如表1。

表1中所示，随着指标的加入，模型拟合度逐渐提升。负荷率、热电比与综合供电气耗呈显著的负相关关系，凝汽器真空、燃气量与综合供电气耗呈显著的正相关关系，环境温度指标系数的数量级较小，影响不明显。在供热期二拖一带供热工况下，拟合模型所得公式可写为式（2）。

表1 供热期二拖一带供热工况下逐一引入变量的回归分析

从各指标的系数可以看出，在供热期二拖一带供热工况下，各项因素的累计影响效应为负，负荷率、热电比和凝汽器真空对气耗影响均较大。

4.1.2 非供热期二拖一带供热工况

将各项指标逐一引入回归模型，结果如表2。

表2 非供热期二拖一带供热工况下逐一引入变量的回归分析

表2所示，随着指标的加入，模型拟合度逐渐提升。负荷率、热电比、环境温度与综合供电气耗呈显著的负相关关系，凝汽器真空、燃气量与综合供电气耗呈显著的正相关关系。在非供热期二拖一带供热工况下，拟合模型所得公式可写为式（3）。

从各指标的系数可以看出，在非供热期二拖一带供热工况下，各项因素的累计影响效应为负，负荷率、热电比和凝汽器真空对气耗影响较大，环境温度对气耗有一定的影响。

4.1.3 非供热期一拖一带供热工况

将各项指标逐一引入回归模型，负荷率、热电比与综合供电气耗呈显著的负相关关系，凝汽器真空、燃气量与综合供电气耗呈显著的正相关关系，环境温度指标系数的数量级较小，影响不明显。在非供热期一拖一带供热工况下，拟合模型所得公式可写为式（4）。

从各指标的系数可以看出，在非供热期一拖一带供热工况下，各项因素的累计影响效应为负，负荷率、热电比和凝汽器真空对气耗影响较大。

4.1.4 二拖一纯凝工况

将各项指标逐一引入回归模型，负荷率、环境温度与综合供电气耗呈显著的负相关关系，燃气量与综合供电气耗呈显著的正相关关系，凝汽器真空与综合供电气耗无显著的相关关系。在二拖一纯凝工况下，拟合模型所得公式可写为式（5）。

从各指标的系数可以看出，在二拖一纯凝工况下，各项因素的累计影响效应为负，负荷率对气耗影响较大，环境温度对气耗有一定的影响。

4.1.5 一拖一纯凝工况

将各项指标逐一引入回归模型，负荷率、环境温度与综合供电气耗呈显著的负相关关系，凝汽器真空与综合供电气耗呈显著的正相关关系，燃气量与综合供电气耗无显著相关关系。在一拖一纯凝工况下，拟合模型所得公式可写为式（6）。

此工况下数据量极少，在近几年的实际运行过程中，主要存在于检修或备用启停机前后或调峰间隙，期间易出现各种指标的极端值，如耗气量较大等，故计量结果判断燃气量为非显著相关指标。

4.2 实证模型验证

本文选取不同工况的数据带入拟合模型中与实际气耗进行比较验算，详见表3。验算结果可以看出，供热期二拖一带供热、非供热期二拖一带供热以及一拖一带供热工况下的模型拟合与实际情况较为接近，计算偏差可控制在1%范围内。

表3 实际气耗与模型计算结果的偏差

5 结语

本文通过实证分析得到不同工况下燃气蒸汽联合循环机组综合供电气耗的模型，并对模型计算结果进行了验证，模型可直接运用于实际工况下的指标分析和预测，通过判断各因素的影响效应，把握可控因素，提升机组运行效率。