基于实时计算的配煤掺烧技术经济对比分析

2022-08-26罗立洁于大龙

东北电力技术 2022年7期

段慧，罗立洁，于大龙

(1.吉林电力股份有限公司长春热电分公司，吉林长春 130022；2.北京尚清碧源科技有限责任公司，北京 100166)

近年来，在“碳达峰、碳中和”等国家政策的大力引导下，我国可再生能源持续快速发展。截至2021年底，可再生能源发电装机达到10.63亿kW，占总发电装机容量的44.8%。我国已经是可再生能源消纳量最大的国家。2021年，全国风电、光伏发电发电量占全社会用电量的比重达到11%左右，后续还将逐年提高，确保2025年占一次能源消费的比重达到20%[1-4]。

我国的电源结构决定了燃煤机组将是可再生能源消纳的主体。为充分响应电力系统的波动性变化，燃煤机组将通过灵活性改造来提升机组调峰能力。与此同时，为应对国家煤炭“去产能、控产量”政策影响造成的煤炭产量下降、市场供应紧张、价格急剧上涨等问题，火电企业已通过配煤掺烧生产来节省燃煤采购成本，减少经营亏损。在深度调峰期间，火电厂如何利用机组低负荷档，通过精细化配煤来深度挖掘经济煤种的掺烧潜力，在确保机组安全、稳定、环保运行的前提下，控制生产成本，提高发电经济效益将成为配煤掺烧的主要任务。

1 问题分析

为充分响应电力系统的波动性变化，燃煤机组将不可避免地经常处于调峰运行状态，机组负荷的变动频率和范围将面临更大的调整。配煤掺烧的目的是在保障机组安全、稳定、环保运行的前提下，通过配烧经济煤种来降低入炉煤标煤单价。因此，只有响应机组负荷的变动，及时调整配煤掺烧策略，才能在保障机组发电运行的同时获得最优入炉煤标煤单价。

同时，随着电力市场化改革的推进和现货市场的逐步建立，火电机组盈利模式将发生根本转变。决定着火电企业经济效益的发电成本和市场销售电价将会受到煤炭市场和电力现货市场行情的严格影响。因此，配煤掺烧不仅要响应机组负荷变动，更应该响应煤炭和电力等市场行情的变化，灵活调整配煤掺烧策略，才能保持市场竞争力[5-7]。

基于响应机组负荷变动和应对市场行情变化的需要，生产运行人员只有快速、准确地完成配煤计算，才能实时调整配煤掺烧策略，避免错过经济煤种的掺烧机会，以获得更多的经济效益。

2 技术比较

按照生产流程进行分类，当前火电厂配煤掺烧所采用的主要技术和方法可分为事前处理、事中控制和事后评估等3个类别。

事前处理主要是通过配煤计算来获得一个适合锅炉燃用的配煤方案，同时期望燃料成本最优。可用于配煤计算的数学求解算法不少，但能满足生产条件的配套应用程序软件不多，基本还处于应用摸索阶段。因此，在实际生产过程中主要采用手工计算的方法获取配煤方案。

事中控制主要是通过锅炉燃烧试验和燃烧优化来提升机组对混合煤种的适烧能力，由此可在有限范围内拓宽掺配煤种的选择边界，但不能响应生产条件的实时变化[8-11]。

事后评估主要是通过对基准工况和掺烧工况下锅炉热效率、厂用电率、供电煤耗等指标的数据进行对比分析来评价掺烧效果，并通过反馈来调整配煤方案。一般用于评价掺烧技术或方法的优劣。

实时配煤计算是指采用煤场管理和煤质检测等生产环节产生的煤种、煤量、煤质等配煤数据，根据机组负荷预测，以入炉煤低位发热量、灰分、水分、硫分、挥发分和灰熔点等煤质控制性指标为限制条件，对原煤仓掺混煤种、掺配煤量、掺配比例、混煤煤质等进行计算，并实时给出配煤方案的过程。

为帮助运行人员进行配煤计算，有必要在配煤掺烧工作流程的前端引入包括数据采集、数据处理、数据统计和数据发布等应用模块在内的实时配煤计算系统，并设置相应操作界面，满足数据的输入、输出、识别、传递、发送和接收的需要。由此通过简单的计算变量输入，即可实时、快速、准确地完成配煤计算，并输出配煤方案，为入炉煤质的精准控制提供数据支持。手工与实时配煤计算技术比较见表1。

表1 手工与实时配煤计算技术比较

3 案例分析

鉴于目前燃煤机组普遍采用手工配煤计算来获得配煤方案，通过比较经济煤种掺配量和入炉煤标煤单价来说明实时配煤计算系统的效率和效果。

吉林电力股份有限公司长春热电分公司(简称CC热电厂)装机容量为2×350 MW，年共需燃煤约284.42×104t，锅炉设计煤种为内蒙古霍林河褐煤，煤场设计储量为7万t。为解决设计煤种不足和应对煤炭市场波动，常年采用配煤掺烧的方法满足生产需求。因手工配煤计算只能针对低位发热量、硫分等少量煤质控制性指标进行处理，大多数情况只能依靠经验来控制入炉煤煤质。为充分挖掘配煤掺烧潜力，CC热电厂在配煤掺烧工作流程的前端引入了实时配煤计算系统，通过入炉煤质的精准控制，提升机组经济煤种的掺配水平，降低入炉煤标煤单价。

为进一步说明实时配煤计算系统在提升机组配烧经济煤种的能力和降低入炉煤标煤单价等方面的效果，采用引入系统之前36天的燃料管理来煤量、耗煤量、存煤量等统计数据，由系统根据与当时相同的机组负荷计算出每个班次经济煤种的可掺配量和入炉煤标煤单价，并将其与实际数据比较得出结论。

3.1 煤场存煤结构

根据2021年2—3月的来煤、存煤和入厂煤煤质检测数据，构建煤场存煤结构。扎哈淖尔、白音华、霍林河等煤种为掺配煤种，燊森煤炭为经济煤种，筑峰能源为高热值煤种。入炉煤硫分控制小于1.0%。为排除煤价上涨因素，各煤种入厂综合单价均采用2020年平均数值。库存量数据采用各煤种在该时间段内的来煤总量与前一天库存量之和。煤场存煤结构数据见表2。

表2 煤场存煤结构数据

3.2 经济煤种掺配量数据分析

根据每班次配煤掺烧所记录的经济煤种来煤量、掺配量和库存量等数据，按每天的平均值绘制经济煤种掺配量曲线，表示经济煤种每天的实际掺配及变化情况。用同样的方法绘制库存量曲线，表示经济煤种每天的库存及变化情况。同时，由系统根据与当时相同的机组负荷计算出每个班次经济煤种的可掺配量，并按每天的平均值绘制经济煤种的可掺配量曲线，表示经济煤种每天的可掺配量及变化情况。经济煤种掺配量变化曲线见图1。

由图1可见明显的库存量曲线，而掺配量曲线大部分处于可掺配量曲线的较低位置，说明大部分时间内虽有库存，但经济煤种的掺配并不充分。计算该时段内经济煤种平均掺配量为377 t/d，平均可掺配量为918 t/d，经济煤种实际掺配量仅为可掺配量的41%，由此判断，与手工配煤计算相比，在同等生产条件下实时配煤计算可获得更多的经济煤种掺配空间。

图1 经济煤种掺配量变化曲线

3.3 入炉煤标煤单价数据分析

根据各煤种的消耗量及入厂煤综合单价按班次分别计算1、2号炉的入炉煤“实际标煤单价”，并按每天的平均值绘制入炉煤“实际标煤单价”变化曲线。同时，由系统根据与当时相同的机组负荷计算出每个班次的入炉煤标煤单价，并按每天的平均值绘制入炉煤“计算标煤单价”变化曲线。入炉煤标煤单价对比曲线见图2、图3。

图2 1号锅炉入炉煤标煤单价对比曲线

图3 2号锅炉入炉煤标煤单价对比曲线

由图2、图3可见，入炉煤实际标煤单价曲线一直且明显处于计算标煤单价曲线的上方，说明全部时间范围内配煤掺烧的入炉煤标煤单价都不是最优。分别计算1号、2号炉的入炉煤实际标煤单价平均值为732元、731元和入炉煤计算标煤单价平均值为705元、704元，得出入炉煤计算标煤单价比实际标煤单价平均可降低27元。