基于數據的火電廠精細化配煤摻燒應用實踐

段 慧，羅立潔，于大龍

(1.吉林電力股份有限公司長春熱電分公司，吉林 長春 130022；2.北京尚清碧源科技有限責任公司，北京 100166)

受“電力先行”國民經濟發展政策影響，從20世紀90年代開始，火力發電行業獲得空前發展，火電廠與煤源的一一對應關系就此被打破，采用混合煤種取代設計煤種是配煤摻燒第1個歷史階段的主要任務。隨著煤炭市場的放開，燃用煤種的選擇范圍變大，火電廠采用摻配煤種來降低入爐煤標煤單價，提高發電經濟效益是配煤摻燒第2個歷史階段的主要目的。進入21世紀，“碳達峰”、“碳中和”被提上日程，能源政策的調整將不可避免地給火電廠帶來難以預計的影響。深度挖掘配煤摻燒潛力，進一步提高發電經濟效益，從容應對深度調峰和煤炭市場的波動變化，提高現貨交易市場競爭力將是火電廠配煤摻燒第3個發展階段的主要任務[1-4]。

吉林電力股份有限公司長春熱電分公司(以下簡稱CC熱電廠)裝機容量為2×350 MW，年共需燃煤約284.42×104t，鍋爐設計煤種為內蒙古霍林河褐煤，煤場設計儲量為7萬t。2020年度總發電量27.93億kWh，總發電小時數14 554 h，總煤耗量96.23萬t標煤，經濟煤種摻配量約為11.55萬t標煤，約占總標煤耗量的12%。

配煤摻燒要求在響應機組負荷變化情況下，既要保證煙氣二氧化硫達標排放，又要確保機組安全穩定運行。由于缺少數據采集和數據處理等技術手段，且手工配煤計算只能針對低位發熱量、硫分等少量煤質控制性參數進行處理，大多數情況只能依靠經驗來控制入爐煤煤質。

出于對機組安全、穩定運行和煙氣達標排放的考慮，在不能準確掌握入爐煤質的情況下，配煤摻燒會較多地選擇燃用適燒煤種，而降低經濟煤種的摻燒比例。

同時，由于煤炭市場行情的波動以及發電負荷的變化，煤場很難保持一個動態、合理的存煤機構來響應配煤摻燒的需求。因此也經常會錯過經濟煤種的摻燒機會。

1 問題分析

通過提高經濟煤種的摻配力度，來降低入爐煤標煤單價，最終降低入廠煤標煤單價，節省燃料采購成本是精細化配煤摻燒的主要目的。提升機組摻配經濟煤種的能力，必須首先滿足以下2個前提條件[5-6]。

a.入爐煤質的精準控制

只有通過對入爐煤低位發熱量、灰分、水分、硫分、揮發分和灰熔點等煤質控制性指標進行精確計算，滿足《動力配煤規范》要求，才能在保障機組安全、穩定運行的前提下，有效提高經濟煤種的摻配水平。所以，對煤質控制性指標以及煤種、煤量等摻配指標進行計算，精準控制入爐煤質是精細化配煤摻燒的第1個前提條件。

b.煤場存煤結構的動態優化

配煤摻燒要求煤場既要保有充足的適燒煤種，用以保障機組發電負荷需求，同時還必須保有一定量的配燒煤種和經濟煤種，以滿足摻燒需求。所以，對包括發電負荷在內的配煤數據進行統計和分析，并結合煤炭市場行情，實時優化煤場存煤結構是精細化配煤摻燒的第2個前提條件。

2 現有條件

配煤計算是指在配煤摻燒過程中，為得到最優的煤種組合、摻混比例、摻配煤量和混合煤質等數據，對煤質分析和原煤存放等配煤數據進行計算的過程。參與計算的數據主要包括煤質分析數據和原煤存放數據[7]。

煤質分析數據主要包括低位發熱量、揮發分、硫分、灰分、水分和全鈉以及灰熔融軟化溫度、哈氏可磨系數和防爆指數等。CC熱電廠煤質分析數據來源于入廠煤煤質檢測，并根據入廠煤批次的化驗結果進行更新，存放于燃料管理信息系統數據庫。煤質數據由煤質檢測中心負責管理，主要用作燃料采購結算依據。

原煤存放數據主要包括存放于煤場的各煤種名稱、存放數量及入場時間等。原煤存放數據來源于燃料管理，根據煤場“進耗存”統計結果制作報表，每日更新一次，以Excel表格形式保存。原煤存放數據由發電部負責管理。

3 目標任務

配煤計算需要處理大量的煤質分析和原煤存放數據。因此，首先需要采用必要的技術手段讓數據流通起來，提高數據的利用價值；其次是采用針對性的計算機算法程序，解決人工算力不足的問題，增強數據處理能力，提高數據利用效率。

a.數據采集

準確、可靠的煤質分析數據和原煤存放數據是配煤計算的前提，由于數據分散在燃料和發電等各個管理部門，且數據量龐大。因此，需要利用現有網絡和IT技術，實現配煤數據自動采集。

b.系統算法和算力

配煤計算不僅需要對煤種組合、摻配比例和入爐煤量進行計算，還必須對發熱量、揮發分、灰分、硫分和水分等煤質分析數據進行計算。計算過程復雜，且計算量巨大，需要開發專門的算法程序解決計算系統算法和算力等問題[8]。

c.數據統計與分析

設計專用數據庫存儲歷史配煤數據，并允許對其進行統計和分析處理，為燃料采購策略和煤場存煤提供數據支持。

d.數據共享

設計專用的數據發布程序，允許用戶使用通用網絡瀏覽器訪問配煤數據，實現數據共享，提高配煤摻燒協作能力。

4 系統方案及應用

4.1 方案

整體方案的核心內容是在CC熱電廠配煤摻燒工作流程的前端引入一個程序計算環節，并以此為基礎建立一個實時配煤計算系統。系統包括數據采集、數據處理、數據統計與分析和數據發布等4個功能模塊，并設有相應的系統操作界面，滿足系統對數據的輸入、識別、傳遞、發送和接收等需求。圖1為配煤計算系統數據通信示意圖。

圖1 配煤計算系統數據通信示意圖

配煤計算系統的數據采集模塊利用內部網絡通信和應用程序接口(API)采集煤質分析和燃煤存放等計算所需的配煤數據；數據處理模塊采用專門設計的算法程序，根據機組負荷預測實時進行煤種組合、摻混比例、摻配煤量和混煤煤質計算；數據統計和分析模塊利用系統數據庫對數據進行存儲、查詢、統計和分析處理；數據發布模塊負責向燃料、輔機運行和相關管理人員等內網用戶發布配煤數據或提供文件共享。

4.2 系統應用

配煤計算過程包括數據更新、數據檢查、數據修正、變量輸入、方案輸出和數據發布等步驟。圖2為配煤計算流程。

圖2 配煤計算流程

配煤計算系統允許對現存的煤質分析和原煤存放等數據進行更新，并允許對采集的數據進行修正，以保障配煤數據的實時性和準確性。在完成數據的采集、檢查和修正等準備工作后，運行人員可在系統操作界面中輸入機組負荷和燃用小時等配煤變量，系統自動完成配煤計算過程，并輸出包括煤種組合、摻混比例、摻混煤量和混煤煤質等內容的配煤方案。

同時系統提供輔助功能，允許指定或禁用摻燒煤種，滿足燃煤管理的需求；允許本地用戶對已經存盤和發布的配煤方案進行撤回操作，迅速響應對現場生產條件的變化重新進行配煤計算。

根據2021年3月燃料管理“進存耗”數據做技術經濟比較。采用配煤計算系統可使經濟煤種的平均摻配量從377 t/d升至918 t/d，相比之前摻配水平提升了2.4倍。經濟煤種的平均摻配比例可從12%升至28%。同時，可降低平均入爐煤標煤單價27元/t。按照3月標煤耗量12萬t計算，可節省燃料采購成本324萬元。說明通過入爐煤質的精準控制，可以明顯提升機組經濟煤種的摻配水平，降低入爐煤標煤單價。

5 結語

該系統利用火電廠現有的通信網絡自動采集和發布配煤數據，實現了分散數據的集中處理，提高了數據利用效率。采用程序算法替代人工手動計算，實時、快速、準確地完成了配煤計算并輸出配煤方案，大大提高了數據處理能力，實現了入爐煤質精準控制和煤場存煤結構動態優化，有效解決了精細化配煤摻燒的瓶頸問題，顯著提高了機組對經濟煤種的摻配水平，降低了入爐煤標煤單價，節省了燃煤采購成本，提高了發電經濟效益。