基于系統動力學對燃煤電廠配煤摻燒經濟效益的研究

張 皓，李超凡

(河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300130)

近年來，煤價大幅上漲，配煤摻燒所產生的效益也受到從業者的關注。國內學者針對燃煤電廠的配煤摻燒做了大量的研究工作，并在混煤特性和配煤優化算法方面取得很多的研究成果[1-6]。例如通過核算、統計回歸方式對電廠歷史資料進行分析；火電廠發電成本的動態分析法；BP人工神經網絡方法對發電成本進行分析預測。目前針對配煤摻燒直接或者間接的降低發電廠成本的研究并不多見。在建立求解經濟效益最優化的模型時，“自上而下”和“自下而上”兩種類型的分析方法各有利弊，本文采用“自下而上”的分析方法，又由于還使用系統動力學，可以在比較長的時間維度上考慮一系列市場影響，盡可能包含市場反饋與大環境下對電廠產生的經濟影響。

本文將基于系統動力學對可能產生成本變化的生產過程建立數學模型，討論發電燃料成本(鍋爐效率、煤耗、投油量、熱值差)、減排處理成本、輔機電耗成本、設備磨損成本、輸煤磨煤成本、儲煤成本和限電影響等，以并實際的發電廠為例，探討配煤摻燒如何使火電廠的經濟效益最大化，通過最大程度模擬現實的生產情況，具有良好的效果。

1 發電成本

生產總成本是由固定成本和可變成本構成，參配不同的煤質對設備折舊影響很小，故不考慮，可變成本中燃料是在總成本中占比最高的一項，而又不僅僅包括煤炭的價格。這里采用三分法，將發電成本定義為電量成本、外部成本和碳稅成本(見圖1)。

電量成本主要由總燃料成本和運行維護成本構成。外部成本包括電量損失成本、灰渣處理成本和二氧化硫處理成本。碳稅成本是在考慮即將開啟的碳稅市場中，增加的影響發電成本的部分。容量成本的其中一項是人員福利和工資水平，因改變煤質而引起的總體成本變化與人員福利無關，故本文不考慮此項成本。

圖1 三分法發電成本構成

1.1 電量成本

在燃料價格不斷上漲的情況下，市場越來越緊張時，電廠可以選擇優質煤與劣質煤摻燒，保證成本下降。又由于燃煤電廠的鍋爐都是依據標準煤設計，所以參配的煤種差異也必將導致鍋爐運行差異。本文中的電量成本C定義為由總燃料成本Cg和運行維護成本CS構成的成本(見圖2)。

電量成本的高低與參配的煤種有關，煤炭的質量直接影響其價格，其間接又影響鍋爐的煤耗等。摻燒低成本的煤炭，可以顯著降低購入煤價，而入爐煤價會受很多因素影響，在電量成本中單討論購入煤價是沒有意義的，要考慮到混合影響的入爐煤價。

圖2 本文中的電量成本構成

1.1.1總燃料成本

火電廠70%的成本用于購買煤炭，由于煤炭價格高，多數燃煤電廠在虧損狀態，大多數電廠不能購買品質較高、售價較高的設計煤種。購買低品質的煤種，需要面對煤耗升高，磨損加劇的問題，影響總燃料成本。因此，選擇不同品質的煤炭，評估因煤炭品質改變引起的成本變動，以保證入爐煤價費用最低，是降低電量成本的一個重要內容。

總燃料成本Cg=購入燃料成本Cf+運煤成本Cym+儲煤成本Ccm+額外煤耗損失成本Ce

(1)燃料成本。燃料成本在本文指代煤炭價格，是燃煤電廠影響成本的最大因素。配煤摻燒也是由于煤炭價格高，而選擇的參配方法。

燃料成本=混煤單價×混煤量

(2)煤耗(鍋爐效率)。不同煤種發熱量，組成成分等差異很大，由于電廠之間存在設計、運行等差異，為了應用廣泛性進行適當簡化。以600 MW燃煤機組為例，定量分析煤質對發電廠成本的影響。

因為鍋爐實際效率需要考慮排煙損失、化學不完全燃燒損失、機械不完全燃燒損失、鍋爐散熱損失和其他熱損失，并且在宏觀層面與熱效率之比相差不大。考慮到數據的易獲取程度，本文將實際發電煤耗的算法簡略，實際熱效率與設計熱效率之比乘以標準發電煤耗的值為實際發電煤耗。

鍋爐效率直接影響煤耗，若劣質煤參配比例升高，鍋爐負荷會降低，并需要投入助燃油，進而入爐煤價提高。

1.1.2運行維護成本

運用維護成本是指電廠運行中需要的維護費，以及運行中除煤炭的附加費用——助燃油費用。輸煤和磨煤系統的處理費與煤質相關，參配不同品質的煤炭，輸煤和磨煤系統的處理費不同。助燃油在起機時，如果煤炭熱值過低，需加入的助燃劑越多。摻燒的劣質煤越多，助燃油則需要的越多。

(1)輸磨煤系統磨損。輸煤磨煤系統的磨損與電量損耗，與煤質相關很大，煤質越好，輸煤磨煤系統的磨損與電量損耗就越小。煤質越差，則反之。故參配一定比例的劣質煤會影響輸磨煤系統磨損的成本。

(1)

式中cue，t/g——單位發電量輸磨煤電耗成本；cg——單位發電煤耗；Qmix——混煤發熱量；Qs——標煤發熱量；Ce，t/g——輸磨煤生產單耗；Pe——電價。

(2)投油成本。助燃油是在機組低負荷，燃煤熱值低時，投入增加鍋爐點火熱值的輔助品。鍋爐負荷越低，燃煤熱值越低，所需要的投油量越高。在參配劣質煤時，會使用到助燃油。因此，使用助燃油會提高入爐煤價，進而增加運行維護成本。

(2)

式中D——助燃油量；Poil——油價；Lu——機組負荷。

1.2 外部成本

本文中的外部成本是指生產中，產生的附加成本和后續污染的處理成本(見圖3)。考慮附加成本是在參配劣質煤時，會產生電量損失，電量損失包括脫硫電耗成本、除塵電耗成本、風機電耗成本、汽機輔機電耗。不同的煤質含灰量不同，故灰渣處理成本也不同。不同煤質含硫量也不同，二氧化硫的處理費也不同。

圖3 外部成本構成

1.2.1煤質下降導致的電量損失

為簡化分析，電量損失可近似認為，各設備的耗電量與煤耗量存在正相關關系。由于參配煤質不同，故不同比例的參配，其輔機耗電成本也不同，原煤輸運及煤粉制造中產生的電量損失已經計算在輸磨煤系統磨損當中，為了不重復計算，這里僅考慮脫硫電耗成本及除塵電耗成本。

Cf，j=10-3×Pd×bcs×P×i=15Mfj，i

(3)

式中Cf，j——相關輔機電耗；Pd——上網電價；bcs——鍋爐煤耗預測值；P——機組負荷均值；Mfj，i——與配煤相關輔機單電耗。

1.2.2灰渣處理費

配煤過程中，不同煤質的含灰量不同，故燃燒摻燒不同煤質的比例不同，產生灰量不同。一般情況下，熱值越低的煤，產生的灰量越多，故劣質煤摻燒比例提高后，灰渣量提高。

因為除塵效率達到99%，故單位發電量對應的設備和電耗成本與煤質關系不大，僅計算運灰與灰場儲存費用。

(4)

式中Cg——單位發電煤耗；Cue，ar——除灰成本；a——煤種灰分；Ch——灰渣加濕系數；fash——灰渣運費；d——運輸距離；ey——占用成本價格。

1.2.3二氧化硫處理費

目前我國的政策是只收取二氧化硫的排放費用。煤中硫轉化為二氧化硫氣體為1.6倍，即1 t硫產生1.6 t的二氧化硫氣體。依照目前政策，國家環保局，對二氧化硫的進行環保收費。

(5)

式中PSO2——環保總成本；MSO2——每噸煤產生二氧化硫質量；PJY——漿液市場價格；ηSO2——脫硫效率；PS——二氧化硫國家收費標準(橋攀)。

1.3 碳稅成本

應對氣候變化是當前國際社會的焦點之一。我國碳排放權交易市場將于今年啟動，碳稅將成為發電成本中重要的一部分。

以每月為一個計算周期，按照目前煤電機組碳排放量的計算方法是

MCO2=kb/Qnet×Car×R

(6)

式中R=44/12；k——供電量；MCO2——完全燃燒后二氧化碳的排放量；Qnet——入爐煤低熱發熱量；Car——基碳；b——供電煤耗。

以600 MW機組半年為例，故k=負荷×24×30×6。

2 系統動力學方法應用于配煤摻燒的成本分析

2.1 系統動力學模型的適用性和基礎

系統動力學(System Dynamics，簡稱SD)作為在信息反饋控制理論、決策理論、仿真技術和電子計算機應用基礎上發展形成的一門交叉學科，通過定性與定量相結合、存量和流量相結合，通過建立嚴謹的因果關系方式來建立模型。因果回路圖(Causal Loop Diagrams，簡稱CLD)包含多個變量，變量之間由標出因果關系的箭頭(因果鏈)所連接，是表示系統反饋結構的重要工具。因果回路圖中的常用符號見表1。

表1 因果回路圖中的常用符號

系統動力學通過因果鏈建立系統各組成部分之間的明確且詳盡的函數關系，以此建立涵蓋所有影響因素在內的完整網絡，并把它視之為一個完整嚴密的系統，通過調整其中任何自變量就可以觀察到其對結果的影響，從而進行仿真模擬，得到最優的配置方案。

2.2 系統動力學對配煤摻燒的系統建模的適用性

系統動力學在能源行業發展規劃中也具有很強的優勢。系統動力學同樣可以適用于能源行業更微觀的研究領域，如研究物料投放的最優配置，研究能源投入的最優方案等，系統動力學都顯現出其特有的優勢。

目前主流的有兩種研究方式，分別是“自上而下”類的模型，一般采用宏觀經濟學方法，以經濟的發展對地區的影響出發，給出經濟變化引起的能源系統供求關系變化。此類模型能夠較好地描述國民經濟各部門相互作用以及資源和經濟之間的關系，但對資源生產和利用技術描述比較抽象，資源消耗變化原因不夠清晰。“自下而上”類的模型強調了工程方法，強調技術的變化和經濟區域綜合效益的影響，并對各種技術詳細描述過程，但忽略了經濟發展和非技術因素的市場反饋[7]。而在配煤摻燒中采取系統動力學的分析方法，既能從宏觀角度分析，國家政策及經濟形勢對煤電廠成本影響，例如調整電價，就可以觀察發電成本的變化；調整國家對二氧化硫收費標準，也可以直觀反映到發電成本的變化。即使是“自下而上”的方式，也可以從技術層面描述生產變化的詳細過程，例如改變機組負荷，改變助燃油量等，都可以影響到發電成本。

(1)簡潔性。利用系統動力學的方法分析配煤摻燒，可以使各因果變量更加直觀，改變一個值，便可直觀看到整體的變化。

(2)近似性。因系統動力學可引入較多的變量，包括微觀的技術問題，宏觀的國家政策，所以配煤摻燒的結果，可使模擬結果與實際情況相似。

(3)目的適度。系統動力學可以改變其中一個量或多個量，而引起發電成本的改變。本文的目的正是希望改變其中一個變量，而觀察整個發電成本的改變

建立配煤摻燒影響發電成本的的系統模型既要著眼于宏觀政策，又要兼顧技術特點。系統動力學是多角度研究配煤摻燒的方法。

2.3 配煤摻燒的因果圖

配煤摻燒基于系統動力學因果關系見圖4。

圖4 配煤摻燒基于系統動力學因果關系圖

圖4中，輔助變量為常數或是可變更的自變量，狀態變量為受其他變量影響的因變量。

2.4 仿真測試與分析

以西部某電廠600 MW機組為例，模擬時間為2017年1～6月，利用本文提出的系統動力學模型進行仿真測試。

仿真中用到的主要參數有：

煤的標準發熱量29 271(kJ/kg)[6]

脫銷單耗0.49

脫硫單耗18.08

加濕系數1.4

單位公里灰渣運費5.18元/t

灰渣運輸距離3 t/km

灰渣占用灰廠成本6.25 t

脫硫效率0.975

漿液價格市場678.6元/t

二氧化硫國家收費標準1.26元/t

電價0.24元/kW·h

油價5 967元/t

發熱量、混煤量、混煤單價、收到基碳、含灰量、含硫量、助燃油量隨煤質不同而改變，利用該發電廠的煤泥摻燒測算表，可以直接查詢，見表2。

表2 發電廠煤泥摻燒測算表

(1)發電成本分析。比較100%高熱量煤，50%高熱量煤50%煤泥(下面簡稱混煤)，100%煤泥三種摻配當時，在64%負荷下，時間6個月，運行系統得出結論。

各項輔助變量輸如下：

發電成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

外部成本，煤泥>混煤>高熱值煤；

電量成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

碳稅成本，高熱值煤>混煤>煤泥。

(2)外部成本分析：

外部成本，煤泥>混煤>高熱量煤

二氧化硫處理費，煤泥>混煤=高熱量煤；

灰渣處理費最高，煤泥>混煤>高熱量煤；

煤質下降導致的電量損失三者相差不多。

(3)電量成本分析：

電量成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

總燃料成本，高熱值煤>煤泥>混煤；

運行維護成本，高熱值煤>煤泥>混煤。

(4)碳稅成本分析：

碳稅，高熱值煤>混煤>煤泥。

(5)結果分析。在6個月的時間內，利用混煤發電成本最低，隨時間增加差距擴大；在另一方面，比如污染處理費，高熱值煤有更大優勢；碳稅成本煤泥有更大的優勢。隨著外部環境的改變，應當選擇不同摻燒方式，更有利于電廠降低成本。

3 結語

采用系統動力學探究配煤摻燒成本可以在很大程度上模擬真實情況，不論時間維度還是多變量方面，都具有很強的優勢，本文提出了用系統動力學的方法研究配煤摻燒的成本模型，該系統既涵蓋了技術因素，又涵蓋了政策因素。今后的工作側重模擬多次，探究不同機組、不同負荷等情況下的發電成本問題，并且應導出標明具體數據，探究長時間的結果。