配煤掺烧比对发电厂综合成本影响的定量分析和优化计算

李文学，张东杰，黄宣，王江湖

(1.中国国电集团公司安全生产部，北京 100034;2.国电电力发展股份有限公司，北京 100101)

配煤掺烧比对发电厂综合成本影响的定量分析和优化计算

李文学1，张东杰2，黄宣1，王江湖2

(1.中国国电集团公司安全生产部，北京 100034;2.国电电力发展股份有限公司，北京 100101)

针对电厂煤源日益多元化、低质煤占比提高的现状，合理确定最佳燃煤配比，尤其是劣质煤配比，以实现最佳综合效益对电厂意义重大。探讨了入炉煤品质和价格对于电厂各方面费用的影响，并以单位发电量广义燃煤成本为指标建立了评估入炉煤对发电厂综合成本影响的定量计算方法，为燃煤电厂确定最优燃煤配比提供参考。

混煤;配比;优化;广义燃料成本

1 单位发电量广义燃煤成本的定义和构成

增大劣质煤的配比会显著降低入炉煤的品质，这对电厂成本有正反两方面影响。一方面，首先，会降低锅炉效率，提高煤耗;其次，会增大低负荷下的投油量，提高入炉煤价;再次，煤质下降和耗煤量增大会加剧输煤磨煤系统磨损并增大电耗;第四，如果耗煤量超过了输煤磨煤系统出力限制，则煤质下降还会导致一定电量损失;第五，煤质下降伴随着灰硫分的升高，对应的灰渣和SO2处理费用增加;第六，硫分升高直接增加SO2排放量及硫排放成本。以上因素都会推高发电厂综合成本。另一方面，劣质煤比优质煤便宜得多，提高劣质煤配比能直接降低电厂燃煤成本。因此，本文定义了单位发电量广义燃煤成本的概念，即将以上正反共7个因素对发电成本的影响都折算到单位发电量上，作为评估劣质煤配比影响电厂综合成本的综合指标。

不同煤种发热量、成分构成等差异很大，且不同电厂的设计、运行、管理水平迥异，不可能获得准确反映煤质电厂成本影响的通用规律，因此本文进行了适当简化，以一台假想600MW燃煤机组为例定量分析煤质对发电厂成本的影响。该机组的发电煤耗(设计煤种)如表1所示。

表1 机组的标准发电煤耗

假设机组有两个煤种可供掺混(见表2)。为保证该方法的简便和对不同电厂的通用性，在计算过程中仅考虑入厂煤价、低位发热量、灰分和硫分等关键指标，未考虑挥发分的影响。

该机组对烟气实施除尘和脱硫，产生灰渣和石膏分别运往灰场处理。未能有效脱除并排放的SO2需缴纳排污费。

表2 两个煤种的情况

1.1 燃料成本

燃煤煤质对锅炉效率有着直接的影响，并影响发电效率。锅炉效率η与入炉煤热值Qd的关系可以采用公式(1)计算［2］:

式中:q2、q3、q4、q5、q6为锅炉的排烟损失、化学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧损失、锅炉散热损失、其他热损失;O2为 省煤器出口烟气含氧量，%;θpy、θlk为锅炉排烟温度和参考温度，℃;αfh、αlz为飞灰和炉渣分别占总入炉灰量的份额;Aar为煤收到基的灰分，%;Cfh、Clz为 飞灰含碳量和炉渣含碳量，%。qe为额定负荷下的锅炉散热损失;De、D为锅炉的额定负荷和实际负荷。相关参数取值见表3。

表3 影响锅炉效率的重要参数取值

在获得某一工况下的锅炉效率后，可以按照公式(2)计算实际发电标准煤耗:

式中:ca实际发电煤耗;cd设计发电煤耗;ηd设计锅炉效率;ηa实际锅炉效率。

计算了在100%～40%各负荷下机组煤耗随煤种1配比x的变化规律，结果见图1。从图1可以看出，发电煤耗随劣质煤配比的增大而呈明显的上升趋势。

图1 发电煤耗随劣质煤配比的变化规律

低负荷下锅炉需投入助燃油，而且负荷越低，煤发热量越低，助燃油量越大，所以增大劣质煤配比会升高入炉标煤单价。表4为不同负荷下燃用不同煤种的助燃油量。

表4 不同负荷及煤种工况的锅炉投油量 t/h

锅炉的入炉标煤单价可用公式(3)计算:

式中:Pc，i，b入炉煤价;Pc，i，p入厂煤价;ICDTy场杂费;Qs标煤发热量;Qmix混煤发热量;Ly场损率;Di，b助燃油量;Poil油价;Lu机组负荷;cg发电煤耗。

机组单位发电量消耗燃料成本计算结果见图2。尽管增大劣质煤配比导致发电煤耗升高，但因劣质煤价低反而使单位发电燃料成本有所降低，这也是近年来电厂纷纷增大劣质煤配比的主要原因。

图2 单位发电量燃料成本随劣质煤配比的变化规律

1.2 输煤磨煤成本

输煤和磨煤系统的原煤处理量直接与煤质相关:煤越劣质，输煤和磨煤系统需处理的煤量越大，单位发电量的输煤磨煤电耗及设备成本越高。表5给出该机组输煤和磨煤系统的基本参数(原煤)。

表5 输煤与磨煤系统的基本参数

单位发电量的输煤磨煤电耗成本和设备维修成本计算方法见下式:

式中:cue，t/g单位发电量输/磨煤电耗成本;cg单位发电煤耗;Qs为标煤发热量;Qmix为混煤发热量;Ce，t/g输/磨煤系统生产单耗;Pe电价;coverhaul输/磨煤系统大修成本;ct，g输/磨煤系统最大出力;poverhaul输/磨煤系统大修周期。电价按0.32元/(kW·h)的上网电价计。

分别计算不同负荷下单位发电量输煤和磨煤成本(均含电耗和维修成本)随劣质煤配比x的变化，结果发现随劣质煤配比提高，单位输煤和磨煤成本呈升高趋势。但和燃料成本相比，这部分成本很小，对单位发电成本的影响也很小。

1.3 发电量损失成本

考虑成本，发电设备一般不会设计过高的容量裕度。因此随劣质煤配比增大，当原煤消耗量超过了磨煤输煤设备的能力时，会产生电量损失及附加成本。发电量损失成本可以按照公式(5)进行计算。其中，度电边际利润按公式(6)计算。

计算了单位发电量损失成本随劣质煤配比x增大的规律，结果发现在100%和90%负荷下，输磨煤系统已接近满负荷运行，劣质煤配比增大确实会导致发电量损失，并产生明显的电量损失成本。在较低负荷时，输磨煤装置仍有容量冗余，因此劣质煤配比增大不会导致发电量损失及成本。

式中:ctotal原煤总消耗量;ct，g输磨煤系统最大出力; or机组额定出力;rload负荷率;pm，e单位发电量边际利润。其中，pm，e可按下式计算:

式中:cue，fuel单位燃料成本;cue，t/g单位发电量输磨煤成本;cue，ar/ds单位发电量除灰/脱硫成本;cemi，SO2单位发电量排SO2成本。

1.4 除灰、脱硫费用

除灰费用主要包括除灰设备、电耗、运灰和灰场费用几大部分。根据经验［3］，单位发电量对应的设备和电耗成本与煤质关系不大，本文仅考虑了运灰和灰场费用。单位发电量运灰和灰场处理总成本可用公式(7)计算，相关参数如表6所示。计算了单位除灰成本随劣质煤配比x的变化规律。

表6 除灰成本计算的相关参数

式中:a煤种灰分;ηar除尘效率;ch灰渣加湿系数; fash灰渣运费;d运输距离;ey吨灰渣占用灰场成本。

脱硫成本主要包括设备、电耗、石灰石成本和石膏运费几大部分。根据经验［3］，单位发电量对应的设备、电耗成本与煤质关系不大，本文仅考虑了石灰石购买和石膏运费。单位发电量石灰石购买和石膏运费可按下式计算:

脱硫效率是考虑设备效率和设备投运率的综合效率，S转化比例是指煤中硫元素在炉中转化为SO2的比例，钙硫比是指为提高SO2吸收率而增大石灰石量的比例。相关参数如表7所示。计算了单位脱硫成本随劣质煤配比x增加的变化规律。结果发现，单位除灰和脱硫成本随劣质煤配比增大的趋势也十分明显，这会部分抵消劣质煤的价格优势。

式中:S煤种硫分;rS，convS转化效率;ηds脱硫效率; rCa/S钙硫比;plime石灰石纯度;fgyp石膏运费;d运距。

表7 单位发电量脱硫成本计算的相关参数

1.5 SO2排污缴费成本

根据政策，发电厂需对排放的SO2按照每吨600～1200元/tSO2缴纳排污费。本文暂按照800元/tSO2计算。计算了不同负荷下单位SO2排污成本随劣质煤配比x的变化。结果发现SO2排污成本随x的升高也十分明显，不过量级较小，与前面4项相比对单位发电量综合成本的影响幅度也不大。

2 单位发电量广义燃煤成本

根据以上对于燃料品质对发电厂成本影响因素的详细分析，以及对单位发电量广义燃煤成本G的定义，获得了单位发电量广义燃煤成本随劣质煤配比的变化规律，如图3所示。

图3 单位发电量广义燃煤成本随劣质煤配比的变化规律

从图2可以看出，总体上增大劣质煤配比对降低电厂综合燃料成本有显著效果，这说明劣质煤的低价优势，与煤质下降导致的燃油、输磨煤、电量损失、除灰脱硫成本以及排污缴费升高相比都更显著。不过，劣质煤配比并不总是越低越好。在高负荷率下，劣质煤配比过大可能会因设备容量限制导致电量损失成本，并一定程度抵消劣质煤的价格优势，所以在100%和90%负荷下，劣质煤的最佳配比分别是70%和90%。而在低负荷率下，劣质煤配比过大又会增加投油成本，抵消劣质煤的价格优势，所以在40%负荷下劣质煤的最佳配比是80%。因此综合来看，总体说增大劣质煤配比有助于降低电厂的综合成本，但当机组负荷处于很高和很低范围时，需要适当控制劣质煤配比，以免产生过高的电量损失或投油成本。

3 结语

针对燃煤电厂煤源日益多元化、低品质煤源比重不断提高的现状，定义了单位发电量广义燃煤成本的概念，建立了评估入炉煤品质和价格对发电厂成本影响的定量计算方法，结合案例对该方法的具体工作思想进行了解释，并进一步详细分析了计算结果体现出的规律性。该方法及相应的自动计算程序能够为面临巨大燃料成本压力和多样化煤源选择的发电厂确定最优配煤掺烧方案、提高经济效益提供十分有益的参考。

［1］中电联统计信息部.全国电力工业统计快报(2011年).2012 01.13［cited 2012 08.28］;Available from:http://tj.cec.org.cn/ tongji/niandushuju/2012－01－13/78769.html.2012－01－13.

［2］李智，蔡九菊，曹福毅，等.电站锅炉效率在线计算方法［J］.节能，2005(3):28－29.

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［4］林介团.电厂燃煤混配模型的建立及分析［J］.广东电力，2008，21(4):25－27，31.

［5］滕飞，杨洪波.火电厂掺烧非设计煤种的经济性分析［J］.热电技术，2011(3):14－16.

［6］崔余平.火电厂配煤掺烧运行管理及技术措施［J］.电力安全技术，2012(3):13－16.

Quantitative analysis and optimization ofmixing ratio power coal on comprehensive cost of coal－fired power plants

Considering the trend that coa lsources become more and more com p licated and low－grade coal ratio keeps increasing，to rationally determ ine the m ixing ratios of different types of coal，especially the low－grade ones，help achieve the op tim al com prehensive econom ica l benefits，is definitely a critically im portant work for the existing coal－fired power p lants.It studied the impacts of grades and prices of as－fired coal on fuel cost and operational＆maintenance cost of power plants，and built a quantitative computing method to assess the impact of as－fired coalon the com prehensive cost of power plants，w ith generalized coal cost per unit power generation w ith key index.Thismethod can provide good reference for the enormous existing coal－fired power p lants to determ ine the bestm ixing ratio and increase the com prehensive revenue of power p lants.

coalm ixing;m ixing ratio;optim ization;com prehensive fuel cost

TM621

:B

:1674－8069(2016)01－050－04

2015-11-20;

:2015-12-02

李文学(1966-)，男，甘肃省人，教授级高级工程师，长期从事发电厂安全生产、运行、检修及经营管理等工作。E－mail: zhangdj@600795.com.cn