辅助配煤决策系统在白城发电厂的探索与应用

2021-04-13康英哲蒋欢春赵志文吴琼李磊吴哲卞韶帅

科技与创新 2021年6期

康英哲，蒋欢春，赵志文，吴琼，李磊，吴哲，卞韶帅

康英哲1，蒋欢春2，赵志文3，吴琼3，李磊3，吴哲3，卞韶帅2

（1.吉林电力股份有限公司，吉林长春 130021；2.上海明华电力科技有限公司，上海 200090； 3.吉电股份白城发电有限公司，吉林白城 137000）

为解决火电机组煤炭资源的供应形势复杂、煤炭价格多变、设计煤种难以保质保量等诸多问题，吉电股份白城电厂通过掺烧煤的方式实现降低发电成本的目标。但在实际生产过程中，也经常会遇到不同煤种掺烧比例下的混煤参数变化对机组正常运行和环保排放影响不确定性增加、无法定量分析等问题，采取人工手段进行配煤管理有很大的局限性。通过开发一套辅助配煤决策系统，依托计算机工具，同时以智能算法为核心，结合厂里当前的配煤情况，设计相关功能，最终优化电厂配煤方式。

火电机组；燃煤掺烧；运行优化；环保排放

当前，煤炭资源的供应形势复杂，其价格变化多端。设计煤种难以保质保量，发电企业通常采用掺配其他煤种的方式来应对。煤价的变化对机组的经济效益会产生直接影响，但煤质的变化亦会对机组的正常运行和环保排放造成较大影响。吉电股份白城发电有限公司两台660 MW燃煤机组自投产以来，受国内燃煤市场的影响，大量燃用了一些替代煤种。因此，在掺烧其他煤种的过程中，如何根据煤种与自身炉型特点合理调整运行方式，清晰地了解当前配煤方案对供电煤耗、各项供电成本及环保指标的影响，对机组安全经济运行和电厂整体效益具有重要的现实意义。本课题通过研究和开发辅助配煤决策系统，结合当前电厂实际配煤情况设计相关功能，最终优化电厂配煤方式。

1 原煤数据管理设计

1.1 煤种堆放情况（存量、位置、显示货位图）

根据白城发电厂煤场区域分布、划分情况，同时系统还考虑到电厂有时会有未卸载到煤场直接进行掺烧的情况，在煤质数据库中定义了直加仓煤源数据。各煤场的煤种数据主要包含了煤种名称、挥发分、低位发热量、水分、硫分、灰分、灰熔点、单价、存量等数据类型。煤质数据库每天需要电厂专人定时进行更新维护。

1.2 原煤特性分析

结合原煤工业分析、元素分析、酸碱比、灰熔点等参数预测煤种的着火指数、稳燃指数、燃尽指数、可磨指数、结渣指数、环保指数等特性。

1.3 煤场货位图数字化管理

对于煤场货位图，采用线下修改、线上上传的方式进行数据保存。每天上传上煤场当日货位图（Excel格式），新上传的会覆盖当天的煤场货位图，如图1所示。

点击下载按钮后预览相关Excel表格，如图2所示。

图1 煤场当日货位图

2 日常掺烧运行管理

2.1 上煤指导书数字化管理

通过开发上煤指导书数字化管理模块，帮助配煤人员快速准确地获知当前存煤情况以及对当天的配煤情况进行分析和决策，进一步提高配煤的工作效率。提供人工配煤界面，自动生成混煤工业分析参数，对混煤硫分、热值等进行越限告警，调整后最终生成上煤指导书，可生成word格式的电子化表格。同时实现对上煤指导书审批流程的管理，对生成的上煤指导书进行审批流程管理。

2.2 入炉煤煤价实时计算

根据上煤指导书，结合当前的入炉煤量情况，实时计算炉煤煤价。入炉煤价实时计算的依据是配煤指导书中单台磨煤机煤种对应的价格和当前磨煤机对应的煤量之和进行相加后再除以总煤量，是一个加权煤价的概念，基本能代表入炉煤当前的实时价格，该价格对于计算当前机组度电成本具有非常重要的意义。

图2 Excel表格

3 配煤辅助决策管理

3.1 配煤综合评价因子

机组在设计煤种条件下，按照正常方式运行，考虑适量的吹灰、损耗、环境温度、设备老化等因素后，将机组的运行状态作为基准态，将其经济、环保、成本指标作为基准指标，以掺烧后机组实际指标与基准指标相除加权之后得到的无量纲参数作为综合评价因子，具体可表示为：

s+g+p=1 （2）

式（1）（2）中：为综合评价因子；为供电煤耗率，g/kWh；为供电成本，元/千瓦时；为污染物排放浓度，mg/Nm3；为掺烧新煤种工况；为基准工况；s、g、p分别为供电煤耗系数、供电成本系数和环保系数。

供电煤耗系数、供电成本系数和环保系数是各项分类指标的考核权重，反映的是经营管理人员对经济、财务和环保的重视程度。相关人员可以根据当前一段时间内的经营考核情况，灵活调整各项考核因子，适应机组的运行和调整。将上述模型作为评价依据，评价因子越小，表明掺烧煤种总体性能更好，更适合机组运行和提高经济性。

供电成本组成如图3所示。

图3 供电成本组成

供电煤耗：根据配煤方案计算飞灰含碳量、汽温、厂用电率等耗差最终得到该配煤方案下的供电煤耗预测。

污染物排放浓度：通过建立相关NOx、SO2、粉尘排放预测模型进行计算。

3.2 配煤方案辅助决策

根据历史配煤单和SIS历史运行数据，进行大数据挖掘，研究煤种及配煤方式在不同负荷下对锅炉效率、蒸汽参数、辅机电耗、污染物排放的影响，修正计算模型。系统以电厂常用的煤种为研究对象，根据专业人员选择的煤种组合、负荷及加仓方式，考虑超临界锅炉燃烧稳定性判别、基于煤种粘污特性的换热能力评估等因素，计算配煤综合评价因子及各项供电成本、供电煤耗、污染物排放，用户可自行比较各种配煤方案的优劣，选择一种方案生成上煤指导书。同时针对机组高、低负荷工况，系统能分别推荐经济合理的配煤方式。

3.3 配煤优化综合成本模型的边界条件

目前电厂的配煤情况一般每仓为不超过两种单煤的混煤，限定配煤不超过两种混煤，混煤限定为两种单煤的配比，混煤的特性按煤量加权平均计算。在软件自动寻优前，首先各仓人工选定一种基础煤种、一种掺烧煤种，输入各仓的煤量比例，软件将自动给出最优的掺烧比例。决定两种煤种混配比例的主要有三个条件：磨煤机出力、锅炉出力和灰渣余量。磨煤机出力需按照火力发电厂制粉系统设计计算技术规定，根据混煤特性进行碾磨出力计算并作为模型的限制条件。影响锅炉出力的因素主要考虑混煤热值的影响，混配后的原煤热值也应作为模型的限制条件。灰渣系统的正常运行是混煤煤质许用的必要条件。通常根据灰渣的量来估算灰渣系统的工作余量。本文主要以刮渣机为计量依据，刮渣机额定出力5 t/h，因此出渣系统出力不能超过刮渣机的额定出力，并以此作为模型的限制条件。这些限值调节均可通过软件界面调整。

3.4 配煤优化综合成本模型

配煤优化的目的是使混煤的煤价成本、环保成本、煤耗成本、电耗成本最低。

令混煤单价为：

式（3）中：i为某种煤的单价；i某种煤的配比。

则优化配煤模型为：

s.t.：

out＜1，nox＞2

out＜1

制粉系统出力限制；

混煤热值限制；

出渣系统限制；

SCR喷氨量限制

式（4）中：Δ为混煤单价变化量，元/t；b为发电标准煤耗率，g/（kW·h）；w为机组发电功率，MW；（煤质）为煤质变化引起NOx及SCR尿素耗量变化费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起SOx及所需的电费、石灰石变化等费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起烟尘处理变化费用，此模型中仅考虑电费成本；（煤质）为煤质变化引起排烟温度排烟损失耗差费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起飞灰含碳量耗差费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起风机电流变化费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起磨煤机电流变化费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起主汽温度耗差费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起过热减温水耗差费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起再热汽温度耗差费用，元/h；（煤质）为煤质变化引起再热减温水耗差费用，元/h。

对应上述各项费用，其中“煤质”可能是热值、灰分、水分、挥发份、硫、氮等中的一项或多项。

以飞灰平均含碳变化引起煤耗变化为例：

其中，混煤比基准燃料相的飞灰平均含碳量变化量通过理论经验公式或试验获取。需要指出的是该配煤综合成本并非绝对成本，而是相对于基准工况（单烧设计煤种）的相对变动成本。

3.5 多种研究方法优化计算模型

根据磨煤机系统能量平衡和质量平衡原理，可推导出含有燃煤水分的方程组，求解该方程组即可获得入炉煤水分。根据锅炉吸热量热平衡、煤的物质平衡和煤燃烧化学分析原理等计算煤的热值和各组分。通过试验研究电厂常用煤种及配煤方式在不同负荷下对锅炉效率、蒸汽参数、辅机电耗、污染物排放的影响，根据试验结果进一步修正计算模型。同时根据历史配煤单和SIS历史运行数据，进行大数据挖掘，研究煤种及配煤方式在不同负荷下对锅炉效率、蒸汽参数、辅机电耗、污染物排放的影响，修正计算模型。