发电企业燃煤热值对燃煤成本的影响

2014-09-10沈宏

综合智慧能源 2014年7期

关键词：标煤煤耗煤种

沈宏

(杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015)

0 引言

随着经济的不断发展，我国年发电量已超过美国位居世界第一，但燃煤发电仍是电力生产的主要形式，燃煤发电装机容量约占全部发电装机容量的60%，燃煤成本约占发电总成本的70%，降低燃煤成本对发电企业实现降本增效有着事半功倍的作用。

1 燃煤热值与标煤单价的关系

燃煤的主要成分有碳、氢、氧、氮、硫、水分及灰分，其中发热量(也称热值)是煤的重要参数。单位质量的煤完全燃烧所释放的热量称为燃煤热值，煤种不同，释放的发热量也不同，从理论上讲，每千克碳完全燃烧可放出约32 700 kJ的热量。燃煤发热量分为高位发热量和低位发热量，发电企业的燃煤热值一般用低位发热量来反映。为便于电厂煤耗的计算和比较，将低位发热量为29 288 kJ/kg的煤作为标准煤，以此为基准进行煤耗的计算及比较分析。

设热值为Q0(kJ)的原煤出矿单价为P1(元/t)，运输单价为P2(元/t)，每吨燃煤运输损耗率为η1(%)，每吨燃煤堆场损耗率为η2(%)。又设1/(1-η1)=R，则R≥1(当η1=0时，R=1)；设1/(1-η2)=L，则L≥1(当η2=0时，L=1)。

此时，原煤到厂单价为(P1+P2)/(1-η1)=R(P1+P2)；入炉原煤单价为RL(P1+P2)；到厂标煤单价为[(P1+P2)/(1-η1)]÷(Q0/29 288)=29 288R(P1/Q0+P2/Q0)；入炉标煤单价为29 288RL(P1/Q0+P2/Q0)。

出矿原煤单价与热值直接相关，当热值为Q(Q≥Q0)时，一般出矿价为PQ/Q0，此时原煤到厂单价为(P1Q/Q0+P2)/(1-η1)=R(P1Q/Q0+P2)；原煤到厂标煤单价为R(P1Q/Q0+P2)÷(Q/29 288)=29 288R(P1/Q0+P2/Q)；入炉标煤单价为29 288RL(P1/Q0+P2/Q)。

由于Q≥Q0，所以P2/Q0≥P2/Q，则

29 288RL(P1/Q0+P2/Q0)≥29 288RL(P1/Q0+P2/Q)。

通过上述运算可知，在燃煤出矿单价、运输单价、途损、场损一定的情况下，采购的燃煤热值越高，到厂煤、入炉煤的标煤单价就越低。因为在原煤量相同的情况下，运费相同，原煤热值越高，标煤量越大，单位标煤运费就越低。因此，发电企业总是尽可能采购高热值燃煤。当然，如果P2为0，即煤炭不需要运输，那么任何热值的标煤单价就相同，这就失去了本文探讨的意义。因此，在不考虑其他因素的情况下，标煤单价与热值两者的变化关系可用曲线描述，如图1所示。

图1 燃煤热值与标煤单价的关系

从图1可以看出，热值与发电标煤单价的关系曲线是一条非线性的反比例函数曲线。当燃煤热值从Q0降到Q点时，标煤单价几乎不变，对降低燃煤成本的影响微乎其微，但燃煤热值从设计值降到Q0时，标煤单价明显下降，降本增效明显。

例如，M发电企业拥有2台600 MW机组，年发电量为67.2 亿kW·h，到矿方去采购燃煤。N矿煤炭的平均热值为18 828 kJ左右，正好适合M发电企业锅炉燃烧，经双方洽谈，合同约定18 828 kJ热值的煤炭出矿单价为270 元/t，高于或低于该热值的煤炭按热值比例提价或降价。该煤炭运到M发电企业的运费为200 元/t，运损率为1.0%，场损率为0.5%。以不同煤种为例，按照前述公式进行计算，计算结果见表1。从表1可知：

表1 不同煤种的煤价

(1)对于M发电企业，虽然热值为18 828 kJ的入厂原煤单价比热值为20 920 kJ的原煤单价低30.3 元/t，但入炉标煤单价却升高了31.58 元/t。

(2)以热值为18 828 kJ的煤种为基准，对比热值为16 736 kJ和23 012 kJ的煤种，两者入厂原煤单价相差90.9 元，但反映到入炉标煤单价上，两者相差了96.9 元，差值放大。

可见，在不考虑其他因素的情况下，采购煤炭的热值越高越好。

2 燃煤热值与单位发电标煤耗的关系

发电机组运行时，在其他条件一定的情况下，燃煤热值直接影响锅炉效率。锅炉效率取决于燃煤在燃烧过程中的机械未完全燃烧热损失、化学未完全燃烧热损失、排烟热损失以及炉膛、烟道的散热损失。锅炉燃烧设计煤种时，随着燃料量的增加，锅炉的负荷(蒸发量)也在增加，达到额定负荷时，锅炉效率最高，此时的发电标煤耗也就为最佳值。当锅炉燃烧煤种的热值低于或高于设计值时，锅炉效率会下降，发电标煤耗升高，说明燃煤发电企业的锅炉对煤种具有适烧性。

由于发电标煤耗数据的测定一般通过试验获取，因此可以根据锅炉燃烧试验获取燃煤数据，找出燃煤热值与发电标煤耗之间的关系。此种关系因锅炉的不同而有所区别，可能是折线、可能是抛物线，也可能是双曲线，根据经验数据测得，如图2所示。

图2 燃煤热值与单位发电煤耗的关系

仍以上述M发电企业为例，对煤种的适烧性进行试验，发现燃煤热值为18 828 kJ时，发电煤耗最低，为304 g/(kW·h)，此时的单位发电燃煤料成本为742.19×304×10-6=0.225 626 (元/(kW·h))，年发电燃煤成本为67.2×0.225 626=15.16 (亿元)。

设y为煤耗，单位为g/(kW·h)，根据试验结果得出发电煤耗y与燃煤热值Q的关系为

y=Q/167 360+191.5(213 38≥

Q≥18 828) ，

(1)

y=-Q/167 360+416.5(18 828>

Q≥16 736) 。

(2)

3 发电燃煤热值的确定

根据上述分析可知，企业采购发电用燃煤时，不会采购低于单位发电标煤耗最低时对应热值的燃煤，因为低于这一热值，单位发电标煤耗上升，标煤单价同步上升，发电燃煤成本也上升。因此，燃煤发电企业采购煤炭时，尽可能选择等于或高于发电标煤耗最低时对应热值的燃煤。也就是说，燃煤发电企业一般不需考虑式(2)的情况。但是，发电用燃煤的热值不是越高越好，因为燃煤热值越高，单位标单价越低，但单位发电标煤耗在不断上升。

将图1和图2的数据叠加后得到图3，图中的Q点为最经济发电成本的煤炭热值点。

那么单位发电燃煤成本最低点时的热值如何确定呢？单位发电燃煤成本是单位发电标煤耗与发电用标煤单价的乘积，在煤炭出矿价、运价、途损、场损一定的情况下，单位发电燃煤成本是与热值相关的一个函数式，通过对该函数式求一阶导数，令该一阶

图3 燃煤热值与单位发电燃煤成本的关系

导数为零，求出的热值指标就是最佳(最低)单位发电燃煤成本时的热值指标。

设单位发电燃煤成本为Y(元/(kW·h))，单位发电标煤耗最低时的煤炭热值为Q0(kJ)，实际采购原煤的热值为Q(Q≥Q0)，那么

Y=y×10-6×29 288RL(P1/Q0+P2/Q) 。

仍以M发电企业为例，在R，L，P1，P2，Q0均为定值、Q为变量的情况下

Y= 29 288RL×10-6×(P1Q/167.36Q0+

191.5P2/Q+P2/167.36+191.5P1/Q0)，

令Y的一阶导数Y′=0，则

29 288RL×10-6×(P1/167.36Q0-

191.5P2/Q2)=0 ，

Q=(32 049.44P2Q0/P1)1/2=21 141.96 (kJ) 。

当原煤热值为21 141.96 kJ时，出矿价为303.18 元/t，原煤到厂单价为508.26 元/t时，入炉原煤单价为510.80 元/t，到厂标煤单价为704.10 元/t，入炉标煤单价为707.61 元/t；此时的发电煤耗为317.83 g/(kW·h)，单位发电燃煤成本为0.224 9 元/(kW·h)，年发电燃煤成本为15.11 亿元。

若M发电企业采购发热量为18 828 kJ的原煤来发电，发电煤耗可以达到最低点304.00 g/(kW·h)，即能耗最低，但是单位发电燃煤成本为0.225 6 元/(kW·h)，年发电燃煤成本为15.16 亿元。