（检测技术与自动化装置专业论文）计及环境成本的厂级负荷优化分配的研究.pdf

，每嘴y， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文计及环境成本的厂级负荷 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：拯盘 日 期：i i 2 ：韭 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 。( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 垃始 e l 期：强垃：墨：鉴 导师签名： l 丑勃 日期：三! ! 竺：三：心 j矿 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着环境资源引入市场体系，环境成本就成为衡量经济性的一个重要组成部分。本 文以两台6 0 0 m w 的机组为研究对象，建立基于煤耗率和计及环境成本的负荷优化分配 模型，用动态规划法求解。在拟合经济特性曲线时，要选择合适的多项式拟合系数并采 取分段拟合，以消除多项式拟合方程组的病态，减小拟合误差。对两个模型分配后得出 结论：在进行计及环境成本的负荷优化分配时，调整价格惩罚因子可满足实际系统对经 济性和环保性的具体要求。与基于煤耗率的负荷优化分配比较，计及环境成本的负荷优 化分配能够使经济性提高，并有效减少污染物的排放。 关键词：负荷优化分配，煤耗特性曲线，环境成本，动态规划法 a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a lc o s t sh a v eb e c o m ea l li m p o r t a n tm e a $ u r eo fe c o n o m i cc o m p o n e n tw i t h t h ei n e d u c t i o nm a r k e ts y s t e mo fe n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e s i nt h i s p a p e r , t w o6 0 0 m w g e n e r a t i o nu n i ta st h er e s e a r c ho b j e o , e s t a b l i s h e dt h eo p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o nm o d e lb a s e d o nc o a lc o s t sa n dt a k i n gi n t oa c x ? , o u n tt h ee n v i r o n m e n t a lc o s t s ，u s i n gd y n a m i c p r o g r a m m i n gt o s o l v e w es h o u l ds e l e c tt h ea p p r o p r i a t ec o e f f i c i e n t so ft h ep o l y n o m i a lf i t t i n ga n dt ot a k e s u b f i t t i n g w h e nf i t t i n gt h ec u r v eo fe c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i no r d e rt od i m i n a t 9t h e m o r b i d i t yo fp o l y n o m i a lf i t t i n ge q u a t i o n sa n dr e d u c et h ef i t t i n ge r r o r c o n c l u d e da f t e r d i s t r i b u t i o no ft h et w om o d e l s ：a d j u s tt h ep r i c ep e n a l t yf a c t o rc a nm e e ts p e c i f i cr e q u i r e m e n t s o ft h ea c t u a ls y s t e mo nt h ee c o n o m ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n c o m p a r et ot h eo p t i m a l d i s t r i b u t i o no fl o a do fc o a lc o n s u m p t i o nr a t e ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ee n v i r o n m e n t a lc o s t so f t h eo p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o nc a l li n c r e a s ee c o n o m i ca n dr e d u c i n gp o l l u t a n te m i s s i o n s e f f e c t i v l y y a n gj i n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i z h e na n dt i a nl i a n g k e yw o r d s ： o p t i m a ld i s t r i b u t i o n o fl o a d ，c o a lc o n s u m ec h a r a c t e rc u r v e ， e n v i r o n m e n t a lc o s t s , t h ed y m a m i c - d e s i g nm e t h o d ，、 k j 卅 _ j j u 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言1 1 1 课题研究的背景及意义一1 1 1 1 电力市场化改革1 1 1 2 发电企业能耗巨大：2 1 1 3 发电企业污染严重：2 1 2 国内外研究现状。3 1 3 本课题主要研究工作j 7 第二章机组煤耗特性8 2 1 经济指标的探讨：8 2 2 机组煤耗计算方法9 2 2 1 锅炉效率9 2 2 2 汽轮机内效率1 2 2 2 3 汽轮机机械效率1 2 2 2 4 发电机效率1 2 2 2 5 管道效率1 3 2 2 6 厂用电率，1 3 2 2 7 单元机组经济指标的计算1 3 2 3 本章小结1 4 第三章环境成本特性1 5 3 1 火电厂环境成本1 5 3 2 火电厂环境成本计算的理论基础1 5 3 2 1 污染者付费原则1 5 3 2 2 损害补偿理论16 3 2 3 环境成本内部化1 6 3 3 火电厂环境成本的计算1 6 3 3 1 环境对策成本1 7 3 3 2 排污费计算1 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 环境价值2 0 3 5 经济特性曲线拟合2 0 3 5 1 最小二乘法拟合2 1 3 5 2 二次多项式曲线拟合2 1 3 5 3 双曲线型曲线拟合2 3 3 6 本章小结2 4 第四章厂级负荷优化分配j 2 5 4 1 基于煤耗率的负荷优化分配模型2 5 4 2 计及环境成本的负荷优化分配模型2 5 4 3 动态规划法2 6 4 3 1 概述。2 6 4 3 2 分级决策问题2 6 4 3 3 最优化原理2 8 4 3 4 动态规划法基本概念2 8 4 4 动态规划法应用于负荷优化分配2 9 4 4 1 基于煤耗率的负荷优化分配2 9 4 4 2 计及环境成本的负荷优化分配3 0 4 5 程序流程3 2 4 6 动态规划法示例3 3 4 7 本章小结3 6 第五章实例分析3 7 5 1 数据提取3 7 5 2 煤耗特性曲线拟合3 7 5 2 1 用m a t l a b 拟合二项式煤耗特性曲线3 7 5 2 2 二项式拟合的误差分析3 9 5 2 3 分段曲线拟合4 0 5 3 基于煤耗率的负荷优化分配4 2 5 4 计及环境成本的负荷优化分配4 4 5 5 本章小结：4 5 第六章结论与展望4 6 6 1 结论4 6 华北电力大学硕士学位论文目录 6 2 展望4 7 参考文献4 8 致谢5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 电力市场化改革 第一章引言 电力市场化改革是指实行“厂网分开，建立竞争性的电力市场”。从国际形势 看，二十世纪七十年代初，美国出现独立发电企业，开始引入竞争机制，七十年 代末，美国教授f c s e h w e p p e 提出了电力市场的概念。八十年代后期，英国首先进 行电力体制改革，解除了国家对电力企业的管制；在发电环节引入竞争机制，实现 厂网分开，这一举措引发了私营发电厂和的发电公司纷纷出现。 我国电力市场化体制改革起步较晚，长期以来，我国电力行业一直实行垄断制 经营：集发电，输电，配电和售电于一身，电厂与电网属于利益共同体。这种经营 体制不能形成良好的竞争机制，严重制约着电力工业的发展。中国社会正在由计划 经济体制向市场经济体制过渡，电力工业的市场化改革也势在必行。二十世纪九十 年代，我国提出了电力市场改革的任务，随着电力市场的逐步建立，“打破垄断， 引入竞争，降低成本，实现资源优化配置成为电力市场化改革的主要目标。随着 电力生产的市场化改革和上网电价的市场化，发电企业必将成为独立的经济实体， 自主经营，自负盈亏。 在激烈的市场竞争下，经济调度成为首要解决的问题。在传统的电力运营模式 下，调度部门可以用行政手段对电厂的发电量进行必要的干预，调度员根据运行规 则来制定和调整发电计划，将负荷的分配细分到每台机组，以确保电力系统的可靠 运行。省级调度部门按照每一电厂的实际情况确定“日计划运行曲线 ，发电厂必 须严格按照运行曲线执行。而在电力市场化改革后，调度部门的任务发生了变化， 他们不再对下属电厂有完全的控制权，而是要制定出使电网运营效益、甚至使全社 会效益最大的发电计划。虽然这个发电计划同样需要满足各种约束，但与过去不同 的是它不但要以系统最安全稳定为目标，同时在保证系统安全的条件下使全网的购 电费用最小【2 】。因此，发电计划的调度由原来的单台机组调度转变为单个发电厂调 度。而此时电厂作为独立的经济实体参与电力市场竞争，在得到系统的指令负荷后， 发电企业要根据自己内部的设备情况把指令负荷合理的分配到各台机组。 经济调度方式改变后，负荷分配方式也随之改变。发电企业要独立安排机组的 经济负荷，它包括上网电价模式、最优机组组合和最优开停机计划等。目前，在“厂 网分开，竟价上网 的发电侧市场运营模式下，负荷优化分配有两个方面的表现。 华北电力大学硕士学位论文 一方面是发电侧的负荷优化分配，发电厂内部追求供电成本的最小化；另一方面是 购电侧的负荷优化分配，电网调度人员追求购电成本的最小化。这两种负荷优化分 配方式都在一定的程度上提高了电力生产的经济效益，体现了电力市场化的特点阳1 。 厂级负荷优化分配问题是一个非常具有现实意义和经济意义的问题，能够提高发电 企业的经济效益、改善系统的安全运营。发电公司要根据负荷指令合理的确定厂内机组 组合和负荷分配，使电厂发电机组实现优化运行，以减少总体的能源消耗，获取最大利 润。 1 1 2 发电企业能耗巨大 我国的电力生产结构以火电为主，水电、核电和风电为辅，但水电、核电和风 电的总容量不会超3 0 ，火电仍然是未来我国电力装机的主要部分。这跟我国的能 源消费结构是息息相关的：我国煤炭资源非常丰富，一次能源消费结构以煤炭为主， 石油和天然气为辅，这种状况在短期内不会发生大的变化，尤其是在世界石油将在 百年内用完的预期下。 近年来，我国电力工业迅速发展。预计到2 0 2 0 年，我国火电装机容量将增加 到6 6 亿千瓦。在未来的几十年里，我国装机容量将激增，火电，水电，风电，核 电以及其他能源发电机组容量都有所增加，单机容量不断扩大，火电仍占主导地位， 增幅较快。而火电对不可再生的煤炭资源消耗巨大，每年消耗的煤炭占全国煤炭消 耗量一半以上。据报道，到2 0 0 2 年底，我国探明可直接利用的煤炭储量为1 8 8 6 亿 吨，我国煤矿平均资源综合回收率仅为3 0 。按煤炭年产1 9 亿吨计算，仅能使用 3 0 年。如此大量的煤炭消耗，在资源消耗上已达到极限，我国的能源形势极为严峻。 近年来，煤炭与电力两大行业已经出现了不和谐的因素。电力行业主要表现在电煤 供应的不足，制约能源发展的长期性矛盾仍然存在。 我国火力发电厂的发电煤耗相比世界先进国家，还是比较高的。而负荷优化分配能 够降低煤耗率，节约煤炭资源的消耗，使我国有限的煤资源得以长久永续利用，从而使 可持续发展战略真正落到实处，以最小的资源和环境代价实现国民经济的持续快速发 展。 1 1 3 发电企业污染严重 电力行业在为消费者提供便捷、洁净能源的同时，不可避免地要排放污染物。 从整个电力行业内部发电方式的对比分析可以看出：水电及风力发电等可再生能源 发电方式对环境的污染几乎为零；相对煤电而言，天然气发电和核电对环境影响比 较小，二氧化硫和固体废弃物的排放率几乎为零，其他污染物的排放率也都要比煤 电低得多。而在我国目前的火力发电中，燃煤发电量占到9 0 ，这种生产结构会造 、 2 华北电力大学硕士学位论文 成严重的环境污染问题。 全国火力发电排放二氧化硫占全国排放总量的4 0 以上。2 1 的一氧化氮，4 0 的一氧化碳，2 5 的烟尘，2 0 的灰渣和1 0 的工业废水来自于电力行业。随着装 机容量的增加，火力发电排放的污染物随之增加，对生态环境的影响也会将越来越 严重。 面对电力体制改革的不断深入，火力发电企业要想实现效益，除了要确保上网 电量，还要尽量降低发电成本，这样才能在竞价中处于优势地位。随着我国对污染 物排放总量收费制度的实施，污染物排放收费已经和燃料成本一起计入火电厂发电 成本。排污收费的本质就是让污染者承担资源租金费用和污染损害费用，使这两部 分原先表现为外部不经济性的费用完全内部化。 火力发电企业承担着减少环境污染的重任，同时还要努力降低环境成本，由此对火 力发电企业环境成本管理提出了更高的要求。因此，通过优化火力发电机组的负荷分配， 对火力发电企业的环境成本进行有效的控制是目前急需解决的问题。 1 27 国内外研究现状 t 火电厂的负荷优化分配包括两方面内容：一是机组的优化组合，又称优化启停 问题：优化启停是确定各台机组在一个调度周期中各时段上运行的优化问题，它不 仅考虑了机组运行耗量，而且计及机组启停耗量，同时可满足机组启停的限制等。 二是负荷优化分配问题，又称负荷的优化组合。负荷优化分配是在是在全厂机组组 合方式一定的情况下，在某个全厂总负荷下，寻求并行机组的最优负荷分配，不考 虑机组启停限制及启停耗量。 机组的负荷优化分配和机组的优化组合，是电力系统经济调度的重要环节，也 是国内外一个非常令人感兴趣的研究课题，已有6 0 年的历史。我国的一些电力系 统早在五十年代就开展过“等微增率 调度，但是这项工作却逐渐落后于电网规模 的迅速发展，所以我国在火电厂负荷分配和机组组合这方面的研究落后于国外很 多。随着近年来电力市场的不断发展，机组的优化调度问题在国内也越来越引起电 力系统部门和学者的重视。由于负荷优化调度方法对提高发电企业的经济效益和改 善系统安全运行有很大的贡献，因此许多学者在这方面进行了理论研究并且提出了 许多解决方案和大量的计算方法。 一、传统方法 传统优化算法是指早期国内采用的负荷优化分配算法，包括效率法、优先顺序 法、等微增率法和穷举法等。 3 华北电力大学硕士学位论文 1 效率法 平均分配法就是把指令负荷平均分配到各台机组，它是一种很粗糙的分配方 式，达不到降低煤耗的目的。 2 优先顺序法 优先顺序法是较早出现的一种解决机组组合和负荷分配的算法，它将各台机组 按照一定的经济指标排出优劣顺序，然后在指令负荷下，按这种优劣顺序先后投入 机组。具体实现方式有以下两种： ( 1 ) 效率法。让效率最高的机组带负荷至效率最高点，然后让效率次高的机组 带负荷至效率最高点，依此类推，直到机组带完所有指令负荷。 ( 2 ) 负荷法。让效率最高的机组带负荷至满负荷，然后让效率次高的机组带满 负荷，依此类推，直到机组带完所有指令负荷。 优先顺序法的提出较早，现在仍在研究和应用之中。它计算速度快，占用内存 少，虽然有时候找不到最优解，但具有一定的合理性，能够满足一般的应用要求。 3 等微增率法 该方法是以数学极值理论为基础，使用该方法的前提条件是：以台机组的耗量特 性曲线和微增率曲线是连续可微的。在这一前提下，以负荷需求为约束条件，以煤 耗或标准煤耗为目标函数，用海赛矩阵来判断是否存在最优解，若海赛矩阵正定， 则有最优解。当各台机组的煤耗微增率均随负荷的上升而单调递增时，这种分配方 法就能保证分配方案是最优的。 基于等微增法机组间的负荷优化分配，简单明了，使用方便。长期以来，很多 电厂都采用此种方法进行机组负荷分配，而且至今它仍是电厂主要经济调度方法之 一，但它存在一定的局限性：要求各机组的煤耗和煤耗微增率曲线单调递增，而且 是可微分的，它对微增特性曲线有严格的精度要求，实际的机组煤耗特性很难满足。 4 穷举法 穷举法是计算各个负荷下的煤耗，然后比较结果找出最小值。穷举法对每个工 况点进行计算，避免了拟合能耗曲线造成的误差，具有简单、和精度高等特点，但 由于其运行时间长，而不能用于实时计算，但可以作为参照算法与其他优化方法的 结果进行对照。 二、基于数学规划的优化算法 基于数学规划的优化算法是随着运筹学的发展在国内外发展起来的算法，包括 线性规划法、拉格朗日松弛法、混合整数规划法和动态规划法等。 4 1 线性规划法 线性规划主要用于求解线 用线性规划方法求解机组间的负荷优化分配问题时，首先要把机组能耗特性曲线分 段线性化，即分段建立目标函数，小区间内等微增耗为常数，然后采用线性规划的 数值方法进行求解。运用线性规划方法进行负荷分配其计算工作量较少，负荷分配 方便。但需要将单元机组的耗量特性曲线以及约束条件进行线性化处理，与实际的 机组耗量特性曲线有一定的偏差，存在计算结果偏差较大的缺点。 2 拉格朗日松弛法 拉格朗日松弛法是解决复杂整数和组合优化问题的一类优化算法，它建立在下 述思想的基础上：许多困难的整数规划问题可看成是由一些边界约束条件联系在一 起的一系列相对容易的子问题组成，利用这个特点，把约束条件被破坏的量和它们 各自的对偶变量的乘积加在目标函数上作为惩罚项，形成相对容易解决的拉格朗日 问题。 拉格朗日松弛算法的一些因子具有实际的物理意义，如与系统负荷约束相关的 拉格朗日乘子等于系统边际发电成本。这种方法适合解决大系统的优化问题，克服 了维数障碍，但是，这种方法也有一些缺点：由于目标函数的非凸性，用对偶法求 解时，。很难得出原问题严格数学意义上的对偶问题，因此存在对偶间隙，需要根据 对偶问题的优化解采取一定的措施构造原问题的优化可行解，这是拉格朗日松弛法 的一个难点。另外，算法的迭代过程中有可能出现振荡或奇异现象，需要采取措施 加快收敛。 3 混合整数规划法 它是根据电厂提供的机组热力试验数据，构造出一组描述系统实际过程的数学 模型，并用非线性规划方法求得最优化方案的一种复杂解算方法。求解这种模型常 用的方法是罚函数法。， 混合整数规划法可直接求解机组组合问题的数学模型，不需要加入过多的限制 和假设，且从理论上讲，能找到全局最优解。但该算法比较复杂，不直观，对于分 支定界法，为得到比较高的效率，需要精心构思分支策略和求下界算法，b e n d e r 分 解法和广义b e n d e r 分解法使用也比较复杂；对于实际系统，直接使用，计算量太大， 必须对问题进行分解；b e n d e r 分解法和广义b e n d e r 分解法对目标函数的性态也有一 些要求。 4 动态规划法 动态规划法是将待求解的问题分解成若干个相互联系的子问题，先求解子问 5 华北电力大学硕士学位论文 题，然后从这些子问题的解得到原问题的解。动态规划算法将问题的解决方案视为 一系列决策的结果，需要考察每个最优决策序列中是否包含一个最优决策子序列， 即问题是否具有最优子结构性质。用动态规划法求解机组负荷优化分配时，要将具 有n 台机组的电厂划分为n 个阶段。 动态规划法将一个多变量的复杂问题进行分级处理，把多变量的复杂问题变成 求解多个单变量的简单问题，使求解过程大大简化。同时它能够顺利地确定出全局 最优值，而不是局部最优值。对于某些离散最优化问题，动态规划法更能显示出它 的优越性。但对于机组数较多的电力系统，计算量太大，会产生“维数障碍”问题。 三、现代智能优化算法 现代优化计算方法是随着计算机技术的发展而出现的新算法，主要有遗传算 法、人工神经网络法等。 1 遗传算法 遗传算法是一种基于生物自然选择和遗传机理的随机搜索算法。遗传算法应用 于系统优化时，首先将解的搜索空间映射为遗传空间，把每一个可能的解称为一个 染色体或个体，由所采用的编码表示，个体的每个元素称为基因。所有染色体组成种 群，根据适应度值的大小，按照预定的目标函数对每个染色体进行评价，保留好的结 果，同时寻找更优的解。 遗传算法的优点是：对目标函数形态没有特殊要求，从理论上来说可以找到全 局最优解；可以得到多个可选方案；方法比较灵活，可以考虑多种约束；适合于并 行处理。其缺点是：本质上属于无约束优化算法，如何处理约束条件将在很大程度 上影响算法的效率；由于是随机优化算法，不能保证得到全局最优解：计算量比较 大，所需时间长。 2 人工神经网络法 华北电力大学硕士学位论文 四、智能仿生算法 随着计算机技术的飞速发展，一些新算法也不断被提出，如粒子群算法、模糊算法、 免疫算法等。这些算法已经应用到负荷优化分配实际问题中，具有广阔的应用前景。 1 3 本课题主要研究工作 论文主要内容： ( 1 ) 由热力计算得到煤耗率与负荷之间的关系，确定机组煤耗特性。 ( 2 ) 计算环境成本，得到排污量与负荷之间的关系，确定煤费与排污费之和与 负荷特性。 ( 3 ) 确立基于煤耗率和计及环境成本的负荷优化分配模型，深入研究负荷优化 分配的算法一动态规划法。介绍了动态规划法的基本概念、应用于两个模型的决策 过程和具体求解步骤，并给应用动态规划法进行负荷优化分配的简单示例。 ( 4 ) 实例分析。以某电厂为例，得到煤耗特性曲线和污染物排污量一负荷特性 曲线，将动态规划法应用于两台机组的负荷优化分配。在相同约束下，对基于煤耗 率和计及环境成本的负荷优化分配进行仿真并进行比较。 i ( 5 ) 结论及展望 7 华北电力大学硕士学位论文 2 1 经济指标的探讨 第二章机组煤耗特性 讨论机组负荷优化分配，主要以机组运行的经济性为主。通常讨论的经济指标 有以下几种。 ( 1 ) 热耗率 热耗率是指机组承担某一负荷时，每单位负荷消耗的热量。机组运行时，不仅 仅消耗热量，还消耗热能，由于各机组的厂用电不能忽略，故热耗率不能全面衡量 一台机组的生产效率【l 】。 ( 2 ) 供电成本 供电成本能全面准确反映机组的性能的优劣，但由于供电成本包括的因素太 多，使其所建数学模型过分复杂，难于求解。而且又由于如工资、燃料价格等因素 随市场的变化而不断波动，还可能导致其数学模型失真【2 1 。 ( 3 ) 供电煤耗 供电煤耗扣除了厂用电，与以热耗率和供电成本为目标函数相比，以供电煤耗 为目标函数既能够反映机组经济型的高低，也能够简化数学模型。煤耗特性曲线 b = f p ) 表示煤耗率与负荷的关系，是标准煤耗率，表示单位功率消耗的标准煤耗 量，单位为g k w h ；p 为机组负荷。实际运行中，煤耗率与负荷关系非常复杂，本 文只研究尸稳定时的煤耗一负荷关系。当其它费用比较固定时，煤耗率与负荷的关 系就近似于供电成本与负荷的关系。以供电煤耗为目标函数进行负荷优化分配简化 了数学模型，计算简单，但若将单位煤价格计入煤费用来衡量机组的消耗，可以使 经济指标更加直接。 ( 4 ) 煤费与环境成本总费用 随着环境资源引入市场体系，电厂每年要需要投入相当可观的环境成本，除了要在 环保设备的运行及维护费用上花费不少资金，还要为排放的污染物付费。这样，环境成 本就成为衡量经济性的一个重要组成部分。如果电厂在用供电煤耗衡量经济性时能够考 虑环境成本，将使经济指标更加全面，同时能够大大减少电厂对环境的污染。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 机组煤耗计算方法 2 2 1 锅炉效率 锅炉效率r 是衡量和评价锅炉经济性的一个重要指标，可通过“正平衡 与“反 平衡 两种测验方法得出。“正平衡 是通过输入热量q ，和有效利用热量g 计算得 到锅炉效率： 刁2 q q ! x l o o ( 2 - 1 ) “正平衡 法在对大容量锅炉求效率时，燃料耗量的测量相当困难，在有效 利用热量的测定上常会引起较大的误差，因此，一般应用“反平衡 法确定机组的 煤耗特性，“反平衡”法是测定锅炉的各项热损失后再计算锅炉效率。即： 7 7 = 1 一q 2 一q 3 一q 4 一q 5 一q 6( 2 2 ) 其中 q ：为排烟损失，； 啦l 化学不完全燃烧损失，； q 。机械不完全燃烧热损失，； q 5 _ 为散热损失，； q 。为灰渣物理热损失，。 ( 1 ) 锅炉输入热量q ， q ，= q 0 ，耐。p + + q 柚+ q 0 ( 2 - 3 ) 其中 包，m ，燃料收到基低位发热，k j k g ； 一一燃料的物理显热，k j k g ； 纰雾化燃油的物理显热，k j k g ； 瓯外来热源加热空气时带入的热量，k j k g 。 对于燃煤锅炉，如燃煤和空气都未利用外部热源进行预热，且燃煤水分 m ， 线, n c t , p 6 3 0 ，则锅炉输入热量就等于燃煤收到基低位发热量，即：q r = 鲸删，。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 机械不完全燃烧热损失q 。 机械不完全燃烧热损失是由于灰中含有未燃尽的碳造成的热损失。运行中的煤 粉锅炉，机械不完全燃烧热损失是根据锅炉的飞灰量与灰渣量，以及飞灰和炉渣中 可燃物含量的百分数来计算。 铲半( 器+ 箍 p 4 ， 其中 口历飞灰份额，表示飞灰中灰量占燃料总灰量的份额，； 口炉渣份额，表示炉渣中灰量占燃料总灰量的份额，； c 捕飞灰中碳含量百分数，； q 炉渣中碳含量百分数，； 如原煤灰分，。 3 2 8 6 6 是每千克碳的发热量；对于不同类型的锅炉，飞灰份额和炉渣份额已有 比较丰富的统计数据可供参考，于固态排渣粉炉，飞灰份额和炉渣份额的推荐值分 别为= o 9 0 o 9 5 ，= 0 0 5 o 1 0 ；c _ 和q 可通过取样的分析结果得到；灰分如 可由燃料特性得到。 ( 3 ) 化学不完全燃烧热损失q 3 化学不完全燃烧热损失是由于烟气中含有可燃气体造成的热损失。这些气体主 要是一氧化碳，另外还有微量的氢和甲烷等。 铲竺坠号蠼( 訾) l o o 陋5 ， 其中 l k g 燃料燃烧生成烟气中的一氧化碳的分容积，n m 3 k g ； ，l 堍燃料燃烧生成烟气中的氢气的分容积，n m 3 k g ； 。 1 k g 燃料燃烧生成烟气中的甲烷的分容积，n m 3 k g ； 1 2 6 4 0 为一氧化碳容积发热量，1 0 8 0 0 为氢气容积发热量，3 5 8 2 0 为甲烷容积发 热量，单位都为材3 。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 排烟热损失g ： 锅炉的排烟损失是由于排烟温度高于外界空气温度所造成的热损失。在室燃炉 的各项热损失中，排烟损失时最大的一项，约为4 8 。 铲譬( 1 0 0 _ 9 4 ) ( 2 - 6 ) 其中 b 排烟的焓，k j k g ： 口烟气侧空气预热器出1 3 的过量空气系数； 醒理论冷空气的焓，k j k g 。 ( 5 ) 散热损失q ， 锅炉在运行中，汽包、联箱、汽水管道、炉墙等的温度均高于外界空气的温度， 这样就会通过自然对流和辐射向周围散热，形成锅炉的散热损失。 吼告 ( 2 - 7 ) 其中 象 g ；锅炉额定蒸发量下的散热损失，； 见锅炉额定蒸发量，k g s ： d 锅炉实际蒸发量，k g s 。 ( 6 ) 灰渣物理热损失吼 锅炉炉渣排出炉外时带出的热量，形成灰渣物理热损失： 舻等 弘8 ， 其中 如收到基燃料灰分，： 炉渣份额，； c 炉渣比热容，k j k g r 灰渣温度，固态排渣时可取为6 0 0 c ，也太排渣时取灰的流动温度f t 再加 1 0 0 l p ，7 = 二盟 m 只 其中 忍汽轮机输出的有效功率，k w ； 现代大型汽轮机的机械效率，7 。大于9 9 。 2 2 4 发电机效率 发电机效率1 7 譬为发电机输出电功率与轴功率之比： 铲乏 其中 发电机输出电功率，k w 。 5 4 9 。 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 现代大型发电机的机械效率，氢冷时为9 8 9 9 ，空冷时为9 7 9 8 ，双水 内冷时为9 6 9 8 7 。 汽轮机绝对内效率、发电机效率和汽轮机机械效率的乘积是汽轮发电机组绝对 电效率： r i d2f l i t 9 7 m 2 2 5 管道效率 ( 2 1 2 ) 管道效率巧，反映的是管道保温的完善程度，为汽轮机组热耗量与锅炉热负荷之 比，现代电厂的管道效率可达到9 9 左右。 2 2 6 厂用电率 发电厂生产过程中所有辅助设备消耗的电能与同期发电量之比称为厂用电率， 参与厂用电率计算的设备有很多，这些设备在运行过程中的用电量很难统计。文献 【2 】采用一种简便的方法确定厂用电率乞，具体的公式为： p 乞= 告 ( 2 - 1 3 ) 其中 厂高变高压侧有功功率，k w ： p 发电机功率，k w 。 2 2 7 单元机组经济指标的计算 ( 1 ) 单元机组热耗率 整个机组生产过程中能量转换由六个环节组成的， 效率的乘积： r q , 2 ，7 6 ，7 p ，7 ，f 7 7 叩量 ( 2 ) 发电煤耗率和供电煤耗率 b ，：兰堕 j q 。一 b g = b r 瓦1 因此全厂效率应等于各环节 ( 2 1 4 ) 【2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 供电标准煤耗率 口：鉴堕 2 9 2 7 0 ( 2 1 7 ) 2 9 2 7 卜每千克标准煤的低位发热量，k j 。 为了便于计算和比较，供电煤耗率采用标准煤计算。而供电煤耗率的计算从燃料进 入电厂开始，到汽轮发电机发出电能经由发电机出口母线上的电量表送出止，这个过程 将厂用电率包括在内。因此，本文采用的煤耗特性曲线指供电标准煤耗率。 2 3 本章小结 ( 1 ) 对几个经济指标分别进行讨论，认为煤耗率在简化数学模型的同时，能够 反映机组经济性的高低，但它在衡量经济性时未将环境成本计算在内。本文在煤耗 率的基础上提出一个新的经济指标：煤费与环境成本的总费用。 ( 2 ) 确定机组的各项效率，给出供电标准煤耗率及其它几个经济指标的的计算 方法。 1 4 采用煤耗率作为负荷优 市场化背景下，也存在一定 的废水、废气、废渣，对周 每年还要在环保设备的运行及维护费用上花费不少资金【3 1 。如果经济指标考虑环境成本， 负荷优化分配的结果将更加合理。 3 1 火电厂环境成本 火电厂环境成本的概念早己被提出，但至今还没有一个统一的定义。结合火力 发电企业的实际情况，火力发电企业环境成本可以概括为：本着对环境负责的原则， 火力发电企业为降低生产经营过程中的环境负荷，或为执行国家环保政策法规而采 取一系列环保活动所发生的可货币化计算的各种支出，以及火力发电企业为支付潜 一在环境风险而付出的其他成本【6 l 。 我国现行的环保政策限制污染物排放浓度，同时对污染物排放总量收费，这就 要求火电厂不仅要安装相应的环保设备使排放物质量浓度达到要求，还要为排放 物造成的环境污染付费。由上述环境成本的概念可知，火电厂的环境成本由两部分 构成：一是环境对策成本，是指电厂为控制排放物浓度而支付的成本，如安装脱 硫、脱硝和除尘等排污设备发生的成本；二是环境损失成本，是指电厂因造成环境 污染而支付的费用成本，如电厂向政府部门交纳的排污费。 3 2 火电厂环境成本计算的理论基础 3 2 1 污染者付费原则 十九世纪二十年代，经济学家庇古在福利经济学一书中建议，应当根据污 染所造成的危害对排污者征税，用税收来弥补私人成本和社会成本之间的差距，使 二者相等。二十世纪七十年代，经济合作与发展组织提出了p p p 原则，即污染者付 费原则。污染者付费原则主要针对污染者将外部不经济转嫁给社会的不合理现象， 要求所有污染者都必须为其造成的污染直接或者间接支付费用。目前，该原则已经 成为各国乃至国际社会解决环境问题的一个基本原则。 在传统的生产模式下，发电企业在进行经济决策时，只考虑资本、设备、原材 料和人力等生产成本，没有考虑其产生的污染成本。因此，发电企业为了追求其利 润最大化，把未经处理的废物排入大气和水中，不考虑这种行为产生的高昂的社会 1 5 华北电力大学硕士学位论文 代价，使得社会资源不能达到最优化配置。 电能在生产和消费过程中对环境带来的影响及破坏，实际上是对环境这种公共 财富的占用和破坏，而根据环境经济学理论，环境资源是有价值的。环境资源引入 市场体系后，当个人和团体向环境排放污染物实际上是对环境容量资源的利用，过 量排放污染物就会造成环境污染，应支付相应的补偿。从而，通过价格作用实现环 境外部不经济性的内部化，最终达到环境资源的有效配置。 3 2 2 损害补偿理论 企业排污行为达到一定程度会破坏环境资源，影响人体健康影响。如果企业要 对这种行为负责，并且需要支付补偿，那么这种补偿的程度将影响企业排污行为。 尽管电厂环境成本不能真正反映补偿环境资源的价值，但这种补偿作用可使环境资 源使用者改变排污行为，有效地利用越来越稀缺的环境资源。政府可以通过调节环 境资源的补偿费用，让生产者或消费者在抉择自身利益的时候，将环境资源的费用 考虑进去，使环境问题的外部不经济性问题内部化。 3 2 3 环境成本内部化 环境成本内部化是指成本、企业效益以及国民经济发展各项指标的核算必须将 环境和资源的因素考虑在内。要想从根本上解决环境污染和生态破坏问题，只有把 环境作为一种资源计入成本，这样产品的价格才不会发生扭曲，也就是说，只有将 环境成本内部化，才能够反映产品的价值，从根本上解决环境与经济的协调问题， 从而实现可持续发展【6 】。 虽然各种环境法规和环保措施限制了发电企业在生产过程中对外部资源的破 坏，但这种破坏及相应损失仍不同程度地存在着。只有将这种外部破坏引起的费用 作为发电企业的内部费用加已考虑，才能合理有效地对发电企业进行环保经济评 价。 火电厂的环境成本内部化，一方面企业付出的环境成本会逐渐增加，内部成本 也会逐年提高；另一方面，将环境保护和发电企业的经济效益紧密联系在一起，发 电企业为了提高自身的市场竞争力，会努力改进技术降低环境成本，保持企业的竞 争力，这样就促使企业主动减排污染物。 3 3 火电厂环境成本的计算 电厂环境成本e 为环境对策成本与环境损失成本之和，即：将前两部分环境成 本相加得出单位时间的环境成本： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 c 。= c f c ， 其中 ，c ，电厂环境成本，元k w h ； q 环境损失成本，元k w h 。 3 3 1 环境对策成本 ( 3 - 1 ) 一般火电厂为保护环境安装的主要排污设备有：脱硫、脱硝等设备。电厂环境 对策成本等于各排污设备带给环境成本增量之和： q = q ( 3 - 2 ) f 司 其中 c p 安装各种排污设备给电厂带来的环境成本增量，元；k w h , q 安装第i 种排污设备给电厂带来的环境成本增量，；元k w h 。 环境对策成本难以计算，而且在计算时一般以整个电厂为单位，并不细分到每台机 组，对负荷优化分配的结果几乎没有影响。因此，本文的环境成本只考虑环境损失成本， 即排污费。 3 3 2 排污费计算 燃煤发电的污染物主要有s 0 2 、n o x 、c 0 2 、c o 、烟尘等，其中s 0 2 是常规煤 电的首要污染物，其次是n o x 。目前，煤电在我国电源结构中的比例占了近8 0 ， 其中高能耗，高污染的老煤电占3 0 以上，燃煤电厂对环境的污染相当严重。 对于火力发电企业排污费损失的计算，有如下计算公式： e = ( 毛g i ) ( 3 - 3 ) l = l 其中 正按照环保法规要求支付的排污费，元小时： c ，第i 种污染物排放收费标准，元千克； g 第f 种污染物排放总量，千克小时。 ( 1 ) 污染物排放收费标准巴 1 7 污染物当量值l 唔 n o x s 0 2 c o 烟尘 0 9 5 o 9 5 1 6 7 0 2 1 8 ( 2 ) 烟气污染物排放总量q 燃煤电厂煤燃烧产生的气体废弃物排放量的计算是在化学反应方程式与燃料 元素成分分析数据基础上进行的，且认为废气各组分之间不发生任何化学反应，并 近似地把废气视为理想气体的混合气。 ( 1 ) s 0 2 排放量 = 2 b s , , ( 1 - r l , ) 1 8 ( 3 - 4 ) 其中 n o x 中，n o 质量占绝大部分，约为9 5 ，n 0 2 仅为5 。计算公式如下： g n o z = 3 1 0 q 8b nr 掰, ( 1 一，7 ) ( 3 5 ) 其中 ，。 等一峭得分子量之比，； 煤中含氮的平均百分比，； 粕脱氮装置的脱氮效率，； m 燃料氮生成的n o 。占全部n o 。排放量的百分比，。 ( 3 ) 烟尘排放量 g y = 1 0 6 ( 彘吼+ 以) ( 1 一仉) ( 3 - 6 ， 其中 9 4 锅炉的固体未完全燃烧热损失，； 以收到基燃料灰分，； 口屑飞灰中含炭质量分数占燃料总灰量的份额，； q 燃料的低位发热量，k j k g ； 仉除尘效率，。 采用上述方法计算的烟尘排放量比较准确，但实际数据的获取比较麻烦，而且 由于c o 的排放计算现在还没有成熟的方法，所以对烟尘和c o 排放量的计算采用近 似系数法，表3 2 为各污染物排放系数。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 表3 2 污染物排放系数 污染物排放系数 n0 x s 0 2 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - c o 0 2 3 塑尘! q q 堕盔生 这样火电机组单位供电的烟尘排放量为： q = 硼一，7 。) 其中，缈为排放系数，取值1 0 0 0 厶。 ( 4 ) c o 排放量 对c o 排放量的计算采用近似系数法。这样一氧化碳的单位时间排放量为： g c o = 肪 其中a 为排放系数，取值0 2 3 。 由公式( 3 - 3 ) 得到排污费损失。 3 4 环境价值 ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 环境价值是指污染物减排本身