基于實時計算的配煤摻燒技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析

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(zé)任公司，北京 100166)

近年來，在“碳達(dá)峰、碳中和”等國家政策的大力引導(dǎo)下，我國可再生能源持續(xù)快速發(fā)展。截至2021年底，可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到10.63億kW，占總發(fā)電裝機(jī)容量的44.8%。我國已經(jīng)是可再生能源消納量最大的國家。2021年，全國風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會用電量的比重達(dá)到11%左右，后續(xù)還將逐年提高，確保2025年占一次能源消費的比重達(dá)到20%[1-4]。

我國的電源結(jié)構(gòu)決定了燃煤機(jī)組將是可再生能源消納的主體。為充分響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動性變化，燃煤機(jī)組將通過靈活性改造來提升機(jī)組調(diào)峰能力。與此同時，為應(yīng)對國家煤炭“去產(chǎn)能、控產(chǎn)量”政策影響造成的煤炭產(chǎn)量下降、市場供應(yīng)緊張、價格急劇上漲等問題，火電企業(yè)已通過配煤摻燒生產(chǎn)來節(jié)省燃煤采購成本，減少經(jīng)營虧損。在深度調(diào)峰期間，火電廠如何利用機(jī)組低負(fù)荷檔，通過精細(xì)化配煤來深度挖掘經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒潛力，在確保機(jī)組安全、穩(wěn)定、環(huán)保運行的前提下，控制生產(chǎn)成本，提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益將成為配煤摻燒的主要任務(wù)。

1 問題分析

為充分響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動性變化，燃煤機(jī)組將不可避免地經(jīng)常處于調(diào)峰運行狀態(tài)，機(jī)組負(fù)荷的變動頻率和范圍將面臨更大的調(diào)整。配煤摻燒的目的是在保障機(jī)組安全、穩(wěn)定、環(huán)保運行的前提下，通過配燒經(jīng)濟(jì)煤種來降低入爐煤標(biāo)煤單價。因此，只有響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷的變動，及時調(diào)整配煤摻燒策略，才能在保障機(jī)組發(fā)電運行的同時獲得最優(yōu)入爐煤標(biāo)煤單價。

同時，隨著電力市場化改革的推進(jìn)和現(xiàn)貨市場的逐步建立，火電機(jī)組盈利模式將發(fā)生根本轉(zhuǎn)變。決定著火電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)電成本和市場銷售電價將會受到煤炭市場和電力現(xiàn)貨市場行情的嚴(yán)格影響。因此，配煤摻燒不僅要響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變動，更應(yīng)該響應(yīng)煤炭和電力等市場行情的變化，靈活調(diào)整配煤摻燒策略，才能保持市場競爭力[5-7]。

基于響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變動和應(yīng)對市場行情變化的需要，生產(chǎn)運行人員只有快速、準(zhǔn)確地完成配煤計算，才能實時調(diào)整配煤摻燒策略，避免錯過經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒機(jī)會，以獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2 技術(shù)比較

按照生產(chǎn)流程進(jìn)行分類，當(dāng)前火電廠配煤摻燒所采用的主要技術(shù)和方法可分為事前處理、事中控制和事后評估等3個類別。

事前處理主要是通過配煤計算來獲得一個適合鍋爐燃用的配煤方案，同時期望燃料成本最優(yōu)。可用于配煤計算的數(shù)學(xué)求解算法不少，但能滿足生產(chǎn)條件的配套應(yīng)用程序軟件不多，基本還處于應(yīng)用摸索階段。因此，在實際生產(chǎn)過程中主要采用手工計算的方法獲取配煤方案。

事中控制主要是通過鍋爐燃燒試驗和燃燒優(yōu)化來提升機(jī)組對混合煤種的適燒能力，由此可在有限范圍內(nèi)拓寬摻配煤種的選擇邊界，但不能響應(yīng)生產(chǎn)條件的實時變化[8-11]。

事后評估主要是通過對基準(zhǔn)工況和摻燒工況下鍋爐熱效率、廠用電率、供電煤耗等指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析來評價摻燒效果，并通過反饋來調(diào)整配煤方案。一般用于評價摻燒技術(shù)或方法的優(yōu)劣。

實時配煤計算是指采用煤場管理和煤質(zhì)檢測等生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的煤種、煤量、煤質(zhì)等配煤數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷預(yù)測，以入爐煤低位發(fā)熱量、灰分、水分、硫分、揮發(fā)分和灰熔點等煤質(zhì)控制性指標(biāo)為限制條件，對原煤倉摻混煤種、摻配煤量、摻配比例、混煤煤質(zhì)等進(jìn)行計算，并實時給出配煤方案的過程。

為幫助運行人員進(jìn)行配煤計算，有必要在配煤摻燒工作流程的前端引入包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)發(fā)布等應(yīng)用模塊在內(nèi)的實時配煤計算系統(tǒng)，并設(shè)置相應(yīng)操作界面，滿足數(shù)據(jù)的輸入、輸出、識別、傳遞、發(fā)送和接收的需要。由此通過簡單的計算變量輸入，即可實時、快速、準(zhǔn)確地完成配煤計算，并輸出配煤方案，為入爐煤質(zhì)的精準(zhǔn)控制提供數(shù)據(jù)支持。手工與實時配煤計算技術(shù)比較見表1。

表1 手工與實時配煤計算技術(shù)比較

3 案例分析

鑒于目前燃煤機(jī)組普遍采用手工配煤計算來獲得配煤方案，通過比較經(jīng)濟(jì)煤種摻配量和入爐煤標(biāo)煤單價來說明實時配煤計算系統(tǒng)的效率和效果。

吉林電力股份有限公司長春熱電分公司(簡稱CC熱電廠)裝機(jī)容量為2×350 MW，年共需燃煤約284.42×104t，鍋爐設(shè)計煤種為內(nèi)蒙古霍林河褐煤，煤場設(shè)計儲量為7萬t。為解決設(shè)計煤種不足和應(yīng)對煤炭市場波動，常年采用配煤摻燒的方法滿足生產(chǎn)需求。因手工配煤計算只能針對低位發(fā)熱量、硫分等少量煤質(zhì)控制性指標(biāo)進(jìn)行處理，大多數(shù)情況只能依靠經(jīng)驗來控制入爐煤煤質(zhì)。為充分挖掘配煤摻燒潛力，CC熱電廠在配煤摻燒工作流程的前端引入了實時配煤計算系統(tǒng)，通過入爐煤質(zhì)的精準(zhǔn)控制，提升機(jī)組經(jīng)濟(jì)煤種的摻配水平，降低入爐煤標(biāo)煤單價。

為進(jìn)一步說明實時配煤計算系統(tǒng)在提升機(jī)組配燒經(jīng)濟(jì)煤種的能力和降低入爐煤標(biāo)煤單價等方面的效果，采用引入系統(tǒng)之前36天的燃料管理來煤量、耗煤量、存煤量等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由系統(tǒng)根據(jù)與當(dāng)時相同的機(jī)組負(fù)荷計算出每個班次經(jīng)濟(jì)煤種的可摻配量和入爐煤標(biāo)煤單價，并將其與實際數(shù)據(jù)比較得出結(jié)論。

3.1 煤場存煤結(jié)構(gòu)

根據(jù)2021年2—3月的來煤、存煤和入廠煤煤質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，構(gòu)建煤場存煤結(jié)構(gòu)。扎哈淖爾、白音華、霍林河等煤種為摻配煤種，燊森煤炭為經(jīng)濟(jì)煤種，筑峰能源為高熱值煤種。入爐煤硫分控制小于1.0%。為排除煤價上漲因素，各煤種入廠綜合單價均采用2020年平均數(shù)值。庫存量數(shù)據(jù)采用各煤種在該時間段內(nèi)的來煤總量與前一天庫存量之和。煤場存煤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表2。

表2 煤場存煤結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

3.2 經(jīng)濟(jì)煤種摻配量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)每班次配煤摻燒所記錄的經(jīng)濟(jì)煤種來煤量、摻配量和庫存量等數(shù)據(jù)，按每天的平均值繪制經(jīng)濟(jì)煤種摻配量曲線，表示經(jīng)濟(jì)煤種每天的實際摻配及變化情況。用同樣的方法繪制庫存量曲線，表示經(jīng)濟(jì)煤種每天的庫存及變化情況。同時，由系統(tǒng)根據(jù)與當(dāng)時相同的機(jī)組負(fù)荷計算出每個班次經(jīng)濟(jì)煤種的可摻配量，并按每天的平均值繪制經(jīng)濟(jì)煤種的可摻配量曲線，表示經(jīng)濟(jì)煤種每天的可摻配量及變化情況。經(jīng)濟(jì)煤種摻配量變化曲線見圖1。

由圖1可見明顯的庫存量曲線，而摻配量曲線大部分處于可摻配量曲線的較低位置，說明大部分時間內(nèi)雖有庫存，但經(jīng)濟(jì)煤種的摻配并不充分。計算該時段內(nèi)經(jīng)濟(jì)煤種平均摻配量為377 t/d，平均可摻配量為918 t/d，經(jīng)濟(jì)煤種實際摻配量僅為可摻配量的41%，由此判斷，與手工配煤計算相比，在同等生產(chǎn)條件下實時配煤計算可獲得更多的經(jīng)濟(jì)煤種摻配空間。

圖1 經(jīng)濟(jì)煤種摻配量變化曲線

3.3 入爐煤標(biāo)煤單價數(shù)據(jù)分析

根據(jù)各煤種的消耗量及入廠煤綜合單價按班次分別計算1、2號爐的入爐煤“實際標(biāo)煤單價”，并按每天的平均值繪制入爐煤“實際標(biāo)煤單價”變化曲線。同時，由系統(tǒng)根據(jù)與當(dāng)時相同的機(jī)組負(fù)荷計算出每個班次的入爐煤標(biāo)煤單價，并按每天的平均值繪制入爐煤“計算標(biāo)煤單價”變化曲線。入爐煤標(biāo)煤單價對比曲線見圖2、圖3。

圖2 1號鍋爐入爐煤標(biāo)煤單價對比曲線

圖3 2號鍋爐入爐煤標(biāo)煤單價對比曲線

由圖2、圖3可見，入爐煤實際標(biāo)煤單價曲線一直且明顯處于計算標(biāo)煤單價曲線的上方，說明全部時間范圍內(nèi)配煤摻燒的入爐煤標(biāo)煤單價都不是最優(yōu)。分別計算1號、2號爐的入爐煤實際標(biāo)煤單價平均值為732元、731元和入爐煤計算標(biāo)煤單價平均值為705元、704元，得出入爐煤計算標(biāo)煤單價比實際標(biāo)煤單價平均可降低27元。

4 結(jié)語

作為配煤摻燒的輔助決策系統(tǒng)，實時配煤計算

通過為入爐煤質(zhì)精準(zhǔn)控制和標(biāo)煤單價尋優(yōu)提供快速、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，迅速響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷和煤場存煤結(jié)構(gòu)的變動，在確保機(jī)組安全、穩(wěn)定、環(huán)保運行的前提下，可大幅提升機(jī)組配燒經(jīng)濟(jì)煤種的水平。相比之下，實時配煤計算系統(tǒng)可通過充分挖掘經(jīng)濟(jì)煤種的摻燒潛力，有效降低入爐煤標(biāo)煤單價，提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。